CN107978868B - 一种超宽带渐变缝隙圆极化微带天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超宽带渐变缝隙圆极化微带天线，包括方形介质基板、正面辐射金属层、背面馈电金属层和两对无源元件电容、电感。其中，正面辐射金属层包含正方形金属框、第一至第四叶片状贴片、以及第一至第四长条状贴片；背面馈电金属层作为馈电单元对上层槽线进行馈电；设有金属化通孔连接正面辐射金属层和背面馈电金属层；两对无源元件电容、电感置于正面辐射金属层中心。本发明提出的超宽带渐变缝隙圆极化微带天线实现了覆盖S波段的圆极化辐射功能，具有体积小、馈电简单、超宽带、辐射方向性好、增益高等优势，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及电子通信领域,尤其涉及一种超宽带渐变缝隙圆极化微带天线。
背景技术
微带天线具有低剖面、重量轻、易共形、易与有源器件集成等优点，但是传统的一般形状的微带天线有一个固有的缺点就是工作频带太窄,其相对带宽大约仅有百分之几。
超宽带技术以其高性能、高速率、低功耗、低成本等优点成为一项最具有竞争力的热门技术之一。超宽带无线通讯系统对超宽带天线除了要求天线具有很好的阻抗带宽,还要求高效率,固定的相位中心,低轮廓,易于馈电等,这给超宽带天线的设计提出了很高的要求。渐变开槽天线依靠蚀刻在介质板上的渐变槽线实现慢波效应，并在传输电磁波的过程中通过逐渐张开的槽线辐射能量。渐变开槽天线在很宽的频带内具有良好的端口匹配、稳定的增益、宽度相近且对称的面面方向图、重量轻、易于加工及集成等优点，因而被广泛应用于射电天文、探地雷达、超宽带通信、超宽带成像等领域。
圆极化天线与线极化天线相比，具有以下优点：可以抗云雾和雨水的干扰；在电子对抗中，可以干扰和侦查敌方的各种线极化和椭圆极化方式的无线电波；安装在剧烈摆动和滚动的飞行器上，可以在任何状态下接收到信号；可以消除多径传播造成的信号衰落。由于圆极化天线具有以上的优点，在卫星通信、遥测、遥感、雷达、广播电视等领域得到广泛的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种超宽带渐变缝隙圆极化微带天线，可实现覆盖S波段的圆极化辐射功能，具有体积小、馈电简单、超宽带、辐射方向性好、增益高等优势。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种超宽带渐变缝隙圆极化微带天线，包括方形介质基板、设置在方形介质基板正面的辐射金属层、设置在方形介质基板背面的馈电金属层、第一至第二电容、以及第一至第二电感；
所述辐射金属层包含正方形金属框、第一至第四叶片状贴片、以及第一至第四长条状贴片；
所述正方形金属框和所述方形介质基板的周边对应设置；
所述第一至第四叶片状贴片的根部分别设置在所述正方形金属框四边的中点上、叶尖均指向正方形金属框的中心，且相邻两个叶片状贴片之间形成双开槽指数渐变槽线构成的区域；
所述第一至第四长条状贴片的一端分别设置在正方形金属框的四个角上，另一端均指向正方形金属框的中心；
所述第一至第二电容、第一至第二电感均为无源元件，其中，第一至第二电容设置在正方形金属框的一条对角线上，第一至第二电感设置在正方形金属框的令一条对角线上，且正方形金属框的中心到第一电容、第二电容、第一电感、第二电感之间的距离均相等；
所述第一叶片状贴片、第二叶片状贴片之间通过第一电感连接，第二叶片状贴片、第三叶片状贴片之间通过第一电容连接，第三叶片状贴片、第四叶片状贴片之间通过第二电感连接，第四叶片状贴片、第一叶片状贴片之间通过第二电容连接；
所述馈电金属层包含第一馈电贴片和第二馈电贴片，所述第一馈电贴片、第二馈电贴片均为长条状；
所述第一馈电贴片的一端对应设置在所述第一叶片状贴片的叶尖处、其上设有用于连接第一叶片状贴片的叶尖的金属化过孔，另一端和所述第二馈电叶片的一端相连；
所述第二馈电贴片的另一端设置在所述方形介质基板对应于第三叶片状贴片根部的边长的中点上，且所述第二馈电贴片的轴线、所述第一贴片的轴线、第一叶片状贴片的叶尖和第三叶片状贴片的叶尖连成的直线均在同一直线上。
作为本发明一种超宽带渐变缝隙圆极化微带天线进一步的优化方案，所述第一馈电贴片的长度大于第二馈电贴片的长度，且第一馈电贴片的宽带小于第二馈电贴片的宽度。
本发明还公开了另一种超宽带渐变缝隙圆极化微带天线，包括方形介质基板、设置在方形介质基板正面的辐射金属层、设置在方形介质基板背面的馈电金属层、第一至第二电容、以及第一至第二电感；
所述辐射金属层包含正方形金属框、第一至第四叶片状贴片、以及第一至第四长条状贴片；
所述正方形金属框和所述方形介质基板的周边对应设置；
所述第一至第四叶片状贴片的根部分别设置在所述正方形金属框四边的中点上、叶尖均指向正方形金属框的中心，且相邻两个叶片状贴片之间形成双开槽指数渐变槽线构成的区域；
所述第一至第四长条状贴片的一端分别设置在正方形金属框的四个角上，另一端均指向正方形金属框的中心；
所述第一至第二电容、第一至第二电感均为无源元件，其中，第一至第二电容设置在正方形金属框的一条对角线上，第一至第二电感设置在正方形金属框的令一条对角线上，且正方形金属框的中心到第一电容、第二电容、第一电感、第二电感之间的距离均相等；
所述第一叶片状贴片、第二叶片状贴片之间通过第一电容连接，第二叶片状贴片、第三叶片状贴片之间通过第一电感连接，第三叶片状贴片、第四叶片状贴片之间通过第二电容连接，第四叶片状贴片、第一叶片状贴片之间通过第二电感连接；
所述馈电金属层包含第一馈电贴片和第二馈电贴片，所述第一馈电贴片、第二馈电贴片均为长条状；
所述第一馈电贴片的一端对应设置在所述第一叶片状贴片的叶尖处、其上设有用于连接第一叶片状贴片的叶尖的金属化过孔，另一端和所述第二馈电叶片的一端相连；
所述第二馈电贴片的另一端设置在所述方形介质基板对应于第三叶片状贴片根部的边长的中点上，且所述第二馈电贴片的轴线、所述第一贴片的轴线、第一叶片状贴片的叶尖和第三叶片状贴片的叶尖连成的直线均在同一直线上。
作为该另一种超宽带渐变缝隙圆极化微带天线进一步的优化方案，所述第一馈电贴片的长度大于第二馈电贴片的长度，且第一馈电贴片的宽带小于第二馈电贴片的宽度。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明可以通过改变所述两对无源元件电容、电感的相对位置实现左旋圆极化与右旋圆极化的转换；当所述两对无源元件电容、电感的放置顺序从左上方开始顺时针旋转分别是[电容，电感，电容，电感]时，天线极化方式为左旋圆极化；当所述两对无源元件电容、电感的放置顺序从左上方开始顺时针旋转分别是[电感，电容，电感，电容]时，天线极化方式为右旋圆极化。本发明所提出的超宽带渐变缝隙圆极化微带天线的阻抗带宽和轴比带宽可以实现覆盖S波段的圆极化辐射功能，具有体积小、馈电简单、超宽带、辐射方向性好、增益高等优势，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明的系统结构图；
图2为天线极化方式为左旋圆极化时的工作示意图；
图3为天线极化方式为右旋圆极化时的工作示意图；
图4为天线回波损耗仿真结果示意图；
图5为天线轴比仿真结果示意图；
图6为天线增益仿真结果示意图；
图7（a）、图7（b）、图7（c）、图7（d）分别为t=0、t=T/4、t=T/2、t=3T/4时天线极化方式为左旋圆极化时的表面电流分布示意图；
图8（a）、图8（b）、图8（c）、图8（d）分别为t=0、t=T/4、t=T/2、t=3T/4时天线极化方式为右旋圆极化时的表面电流分布示意图。
图中，1-方形介质基板，2-正面辐射金属层，3-背面馈电金属层，4-金属化通孔，5-电感。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
如图1所示，本发明公开了一种超宽带渐变缝隙圆极化微带天线，包括方形介质基板、设置在方形介质基板正面的辐射金属层、设置在方形介质基板背面的馈电金属层、第一至第二电容、以及第一至第二电感；
所述辐射金属层包含正方形金属框、第一至第四叶片状贴片、以及第一至第四长条状贴片；
所述正方形金属框和所述方形介质基板的周边对应设置；
所述第一至第四叶片状贴片的根部分别设置在所述正方形金属框四边的中点上、叶尖均指向正方形金属框的中心，且相邻两个叶片状贴片之间形成双开槽指数渐变槽线构成的区域；
所述第一至第四长条状贴片的一端分别设置在正方形金属框的四个角上，另一端均指向正方形金属框的中心；
所述第一至第二电容、第一至第二电感均为无源元件，其中，第一至第二电容设置在正方形金属框的一条对角线上，第一至第二电感设置在正方形金属框的令一条对角线上，且正方形金属框的中心到第一电容、第二电容、第一电感、第二电感之间的距离均相等。
第一至第二电感、第一至第二电容的连接关系可以采用以下两种中的一种，分别实现左旋圆极化和右旋圆极化：
第一种：所述第一叶片状贴片、第二叶片状贴片之间通过第一电感连接，第二叶片状贴片、第三叶片状贴片之间通过第一电容连接，第三叶片状贴片、第四叶片状贴片之间通过第二电感连接，第四叶片状贴片、第一叶片状贴片之间通过第二电容连接；
第二种：所述第一叶片状贴片、第二叶片状贴片之间通过第一电容连接，第二叶片状贴片、第三叶片状贴片之间通过第一电感连接，第三叶片状贴片、第四叶片状贴片之间通过第二电容连接，第四叶片状贴片、第一叶片状贴片之间通过第二电感连接。
所述馈电金属层包含第一馈电贴片和第二馈电贴片，所述第一馈电贴片、第二馈电贴片均为长条状；
所述第一馈电贴片的一端对应设置在所述第一叶片状贴片的叶尖处、其上设有用于连接第一叶片状贴片的叶尖的金属化过孔，另一端和所述第二馈电叶片的一端相连；
所述第二馈电贴片的另一端设置在所述方形介质基板对应于第三叶片状贴片根部的边长的中点上，且所述第二馈电贴片的轴线、所述第一贴片的轴线、第一叶片状贴片的叶尖和第三叶片状贴片的叶尖连成的直线均在同一直线上。
所述第一馈电贴片的长度优先大于第二馈电贴片的长度，且第一馈电贴片的宽带优先小于第二馈电贴片的宽度。
所述方形介质基板材料为Rogers RT5880，尺寸为60mm*60mm*0.508mm，图4给出了该天线的回波损耗仿真结果示意图，结果表明该天线的阻抗带宽为2.0-6.2GHz（4.2GHz，102.4%），天线工作频率覆盖了S波段和部分C波段，实现了超宽带。图5给出了该天线的轴比仿真结果示意图，结果表明该天线的轴比带宽为2.1-4.1GHz（2GHz，64.5%）。图6给出了该天线的增益仿真结果示意图，该天线在2.0-6.2GHz范围内的增益为2.88-5.51dB。
所述两对无源元件电容、电感的放置顺序不同，天线可以实现左旋圆极化与右旋圆极化的转换；如图2所示，当所述两对无源元件电容、电感的放置顺序从左上方开始顺时针旋转分别是[电容，电感，电容，电感]时，天线极化方式为左旋圆极化，图7（a）至图7（d）给出了t=0、t=T/4、t=T/2、t=3T/4时天线极化方式为左旋圆极化时的表面电流分布示意图；如图3所示，当所述两对无源元件电容、电感的放置顺序从左上方开始顺时针旋转分别是[电感，电容，电感，电容]时，天线极化方式为右旋圆极化，图8（a）至图8（d）给出了t=0、t=T/4、t=T/2、t=3T/4时天线极化方式为左旋圆极化时的表面电流分布示意图。
本发明所提出的超宽带渐变缝隙圆极化微带天线的阻抗带宽和轴比带宽可以实现覆盖S波段的圆极化辐射功能，具有体积小、馈电简单、超宽带、辐射方向性好、增益高等优势，具有良好的应用前景。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种超宽带渐变缝隙圆极化微带天线，其特征在于，包括方形介质基板、设置在方形介质基板正面的辐射金属层、设置在方形介质基板背面的馈电金属层、第一至第二电容、以及第一至第二电感；
所述辐射金属层包含正方形金属框、第一至第四叶片状贴片、以及第一至第四长条状贴片；
所述正方形金属框和所述方形介质基板的周边对应设置；
所述第一至第四叶片状贴片的根部分别设置在所述正方形金属框四边的中点上、叶尖均指向正方形金属框的中心，且相邻两个叶片状贴片之间形成双开槽指数渐变槽线构成的区域；
所述第一至第四长条状贴片的一端分别设置在正方形金属框的四个角上，另一端均指向正方形金属框的中心；
所述第一至第二电容、第一至第二电感均为无源元件，其中，第一至第二电容设置在正方形金属框的一条对角线上，第一至第二电感设置在正方形金属框的令一条对角线上，且正方形金属框的中心到第一电容、第二电容、第一电感、第二电感之间的距离均相等；
所述第一叶片状贴片、第二叶片状贴片之间通过第一电感连接，第二叶片状贴片、第三叶片状贴片之间通过第一电容连接，第三叶片状贴片、第四叶片状贴片之间通过第二电感连接，第四叶片状贴片、第一叶片状贴片之间通过第二电容连接；
所述馈电金属层包含第一馈电贴片和第二馈电贴片，所述第一馈电贴片、第二馈电贴片均为长条状；
所述第一馈电贴片的一端对应设置在所述第一叶片状贴片的叶尖处、其上设有用于连接第一叶片状贴片的叶尖的金属化过孔，另一端和所述第二馈电贴片的一端相连；
所述第二馈电贴片的另一端设置在所述方形介质基板对应于第三叶片状贴片根部的边长的中点上，且所述第二馈电贴片的轴线、所述第一馈电贴片的轴线、第一叶片状贴片的叶尖和第三叶片状贴片的叶尖连成的直线均在同一直线上。
2.根据权利要求1所述的超宽带渐变缝隙圆极化微带天线，其特征在于，所述第一馈电贴片的长度大于第二馈电贴片的长度，且第一馈电贴片的宽带小于第二馈电贴片的宽度。
3.一种超宽带渐变缝隙圆极化微带天线，其特征在于，包括方形介质基板、设置在方形介质基板正面的辐射金属层、设置在方形介质基板背面的馈电金属层、第一至第二电容、以及第一至第二电感；
所述辐射金属层包含正方形金属框、第一至第四叶片状贴片、以及第一至第四长条状贴片；
所述正方形金属框和所述方形介质基板的周边对应设置；
所述第一至第四叶片状贴片的根部分别设置在所述正方形金属框四边的中点上、叶尖均指向正方形金属框的中心，且相邻两个叶片状贴片之间形成双开槽指数渐变槽线构成的区域；
所述第一至第四长条状贴片的一端分别设置在正方形金属框的四个角上，另一端均指向正方形金属框的中心；
所述第一至第二电容、第一至第二电感均为无源元件，其中，第一至第二电容设置在正方形金属框的一条对角线上，第一至第二电感设置在正方形金属框的令一条对角线上，且正方形金属框的中心到第一电容、第二电容、第一电感、第二电感之间的距离均相等；
所述第一叶片状贴片、第二叶片状贴片之间通过第一电容连接，第二叶片状贴片、第三叶片状贴片之间通过第一电感连接，第三叶片状贴片、第四叶片状贴片之间通过第二电容连接，第四叶片状贴片、第一叶片状贴片之间通过第二电感连接；
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4.根据权利要求3所述的超宽带渐变缝隙圆极化微带天线，其特征在于，所述第一馈电贴片的长度大于第二馈电贴片的长度，且第一馈电贴片的宽带小于第二馈电贴片的宽度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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