CN108258416B - 双频宽带贴片圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种双频宽带贴片圆极化天线，包括介质板和敷铜金属地，介质板上设置四个双频单极子辐射贴片和馈电网络，四个双频单极子辐射贴片依次连接馈电网络的四个端口，馈电网络包括同轴连接器、第一双频耦合器和第二双频耦合器，同轴连接器的信号线连接第一双频耦合器的输入端，同轴连接器的地线连接第二双频耦合器的输入端。第一双频耦合器的直通端连接第一端口，第一双频耦合器的耦合端连接第二端口，第一双频耦合器的隔离端连接第一电阻；第二双频耦合器的直通端连接第四端口，第二双频耦合器的耦合端连接第三端口，第二双频耦合器的隔离端连接第二电阻。本发明通过馈电网络的合理布局，实现圆极化天线小型化、双频特性或宽带特性。

Description

双频宽带贴片圆极化天线
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种双频宽带贴片圆极化天线。
背景技术
近年来，随着卫星导航、卫星通信的快速发展和广泛应用，圆极化天线作为这些系统的前端设备，其性能指标的优劣，对于卫星通信手持终端和射频识别读卡设备的性能起着极其重要的作用。另外，为了便于卫星通信终端和射频识别系统的大规模推广应用，系统的经济成本和体积大小都是至关重要的考虑因素，作为其中重要部件的圆极化天线，在保证较高性能指标的前提下，必须具备成本低廉、结构紧凑和体积小巧的特点。在对圆极化天线或阵列天线进行馈电时，需要对馈电网络进行设计。由于现在的卫星通信系统都需要多频化、宽带化、小型化。而现有的馈电网络体积庞大，不利于圆极化天线射频前端的集成。而且大多工作在单一频点，不利于在多频或宽带条件下工作。
发明内容
本发明的主要目的提供一种双频宽带贴片圆极化天线，旨在解决现有的馈电网络体积庞大，不利于圆极化天线射频前端的集成，而且大多工作在单一频点，不利于在多频或宽带条件下工作的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种双频宽带贴片圆极化天线，包括介质板以及设置在介质板下面的敷铜金属地，所述介质板上设置有四个双频单极子辐射贴片以及馈电网络，所述馈电网络包括同轴连接器、第一端口、第二端口、第三端口、第四端口、第一双频耦合器和第二双频耦合器，其中：
四个双频单极子辐射贴片依次连接在第一端口的输出端、第二端口的输出端、第三端口的输出端、第四端口的输出端，并以馈电网络的四个端口为对称位置对称设置在介质板上；
同轴连接器的信号线连接至第一双频耦合器的输入端，同轴连接器的地线连接至第二双频耦合器的输入端；
第一双频耦合器的直通端连接至第一端口的输入端，第一双频耦合器的耦合端连接至第二端口的输入端，第一双频耦合器的隔离端连接至第一电阻；
第二双频耦合器的直通端连接至第四端口的输入端，第二双频耦合器的耦合端连接至第三端口的输入端，第二双频耦合器的隔离端连接至第二电阻。
优选的，所述同轴连接器、第一端口、第二端口、第三端口和第四端口的阻抗均为50Ω。
优选的，所述第一电阻和第二电阻的电阻值均为50Ω。
优选的，所述双频单极子辐射贴片由阻抗为50Ω的呈h型的微带线构成。
优选的，所述第一双频耦合器和第二双频耦合器均包括四个双枝节阻抗匹配器和一个分支线耦合器，所述分支线耦合器的四个联接端对应连接四个双枝节阻抗匹配器上。
优选的，所述双枝节阻抗匹配器包括传输线Z1和传输线Z2，传输线Z1与传输线Z2串接。
优选的，所述传输线Z1的阻抗为85Ω，所述传输线Z2的阻抗为62Ω。
优选的，所述分支线耦合器包括两节传输线Z3和两节传输线Z4，所述传输线Z3和传输线Z4交替串接成环状结构。
优选的，所述传输线Z3的阻抗为24Ω，所述传输线Z4的阻抗为33Ω。
优选的，所述敷铜金属地与外界屏蔽盒的地平面连接，用于将敷铜金属地吸附的干扰信号由地平面导走。
相较于现有技术，本发明所述双频宽带贴片圆极化天线采用上述技术方案，达到了如下技术效果：由于馈电网络可以为个双频单极子辐射贴片分别提供等幅的0°、-90°、-180°和-270°移相，使得圆极化天线可以获得优良的圆极化性能。此外，通过对馈电网络耦合器的合理布设，实现馈电网络的小型化。通过双频耦合器的阻抗匹配实现双频特性，如果两个频点挨得比较近，可以实现宽带特性。
附图说明
图1是本发明双频宽带贴片圆极化天线优选实施例的平面结构示意图；
图2是本发明双频宽带贴片圆极化天线的馈电网络优选实施例的电路示意图；
图3是本发明双频宽带贴片圆极化天线的馈电网络的S参数仿真结果示意图；
图4是本发明双频宽带贴片圆极化天线的馈电网络的相位差仿真结果示意图。
本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，将在具体实施方式部分一并参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成上述目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1所示，图1是本发明双频宽带贴片圆极化天线优选实施例的平面结构示意图。在本实施例中，所述双频宽带贴片圆极化天线包括馈电网络10、介质板20以及敷铜金属地30，所述馈电网络10集成在介质板20上。所述介质板20上设置有四个双频单极子辐射贴片21，四个双频单极子辐射贴片21依次连接在馈电网络10的四个端口(第一端口P1、第二端口P2、第三端口P3、第四端口P4)的输出端，并以馈电网络10的四个端口为对称位置对称设置在介质板20上。所述介质板20为一种PCB板，具体的板材类型为RO4350B，其中相对介电常数3.48，板厚为0.762mm。所述双频单极子辐射贴片21由阻抗为50Ω(欧姆)的呈h型的微带线构成，h型的微带线能够实现圆极化天线的双频性能，并通过馈电网络10对四个双频单极子辐射贴片21进行0°、90°、180°、270°的移相馈电实现圆极化性能。所述敷铜金属地30设置在介质板20的下面，用于屏蔽外部环境中的干扰信号，以防止其对四个双频单极子辐射贴片21的干扰。优选地，所述敷铜金属地30与外界屏蔽盒(图1中未画出)的地平面连接，可以将敷铜金属地30吸附的干扰信号由地平面导走，从而提高了抗干扰性能。
参照图2所示，图2是图1中所示的馈电网络10优选实施例的电路示意图。在本实施例中，所述的馈电网络10包括同轴连接器P0、第一端口P1、第二端口P2、第三端口P3、第四端口P4、第一双频耦合器1和第二双频耦合器2。所述同轴连接器P0为一个阻抗值为50Ω的同轴连接器，作为圆极化天线的同轴馈电产生部。在本实施例中，同轴连接器P0的信号线连接至第一双频耦合器1的输入端，同轴连接器P0的地线连接至第二双频耦合器2的输入端。其中：第一双频耦合器1的直通端连接至第一端口P1的输入端、第一双频耦合器1的耦合端连接至第二端口P2的输入端、第一双频耦合器1的隔离端连接至第一电阻R1。第二双频耦合器2的直通端连接至第四端口P4的输入端、第二双频耦合器2的耦合端连接至第三端口P3的输入端、第二双频耦合器2的隔离端连接至第二电阻R2。所述第一电阻R1和第二电阻R2的电阻值均优选为50Ω，所述同轴连接器P0、第一端口P1、第二端口P2、第三端口P3和第四端口P4的阻抗均优选为50Ω。
所述第一双频耦合器1和第二双频耦合器2均包括四个双枝节阻抗匹配器11和一个分支线耦合器12，所述分支线耦合器12的四个联接端对应连接至四个双枝节阻抗匹配器11上，即分支线耦合器12的一个联接端连接一个双枝节阻抗匹配器11。每一个双枝节阻抗匹配器11包括一节传输线Z1和一节传输线Z2，其中传输线Z1与传输线Z2串接。所述分支线耦合器12包括两节传输线Z3和两节传输线Z4，所述两节传输线Z3和两节传输线Z4交替串接成环状结构。在本实施例中，所述传输线Z1的阻抗优选为85Ω，传输线Z2的阻抗优选为62Ω，传输线Z3的阻抗优选为24Ω，以及传输线Z4的阻抗优选为33Ω。所述传输线Z1、传输线Z2、传输线Z3和传输线Z4的阻抗也可采用其它适合阻抗值。
在本实施例中，所述第一双频耦合器1和第二双频耦合器2均由十二节传输线组成，每一节传输线的电长度均为1/4波长，即传输线Z1、传输线Z2、传输线Z3和传输线Z4的电长度都为1/4波长。由于分支线耦合器12的四个联接端对应连接至四个双枝节阻抗匹配器11上，可以在两个频率上实现阻抗变换。如果这两个频率间隔很远(例如等于或大于1GHz)，此时第一双频耦合器1和第二双频耦合器2实现双频特性，如果这两个频率间隔很近(例如小于200MHz)，此时第一双频耦合器1和第二双频耦合器2实现宽带特性。
结合图2所示，同轴连接器P0的同轴馈电信号线(假设为0°的信号移相)连接至第一双频耦合器1上，可以实现信号90°的移相，即第一端口P1输出0°的信号移相，第二端口P2输出-90°的信号移相，同轴连接器P0的同轴馈电的地线，此时等效为-180°的信号移相。同轴连接器P0通过同轴馈电的地线连接到第二双频耦合器2后，也可以实现90°的信号移相，即第三端口P3输出-180°的信号移相，端口P5输出-270°的信号移相。
参考图3所示，图3是本发明双频宽带贴片圆极化天线的馈电网络的S参数仿真结果示意图。从图3可以看出，在1.75GHz到2.35GHz内，当馈电网络10的反射系数|S01|在-10dB以下，说明馈电网络10的相对带宽可以达到39％，实现了圆极化天线的宽带特性。当相对于同轴连接器P0的四个输出端口得到的信号能量(如图3中的|S10|、|S20|、|S30|、|S40|)在-6dB附近，说明信号能量可以从同轴连接器P0被近似于四等分的分配到四个输出端上，即信号能量可以从同轴连接器P0均等地分配到第一端口P1、第二端口P2、第三端口P3和第四端口P4。
参考图4所示，图4是本发明双频宽带贴片圆极化天线的馈电网络的相位差仿真结果示意图。从图4中可以看出，相邻端口间的相位差基本稳定在90°移相附近，这说明馈电网络10的四个输出端口(第一端口P1、第二端口P2、第三端口P3和第四端口P4)之间有优良的移相效果。结合图3所示，由于四个端口之间输出的信号是等幅，相位依次相差90°移相。由于馈电网络10可以依次输出0°、-90°、-180°和-270°的等幅信号至四个单极子辐射贴片21，所以使得圆极化天线可以实现圆极化性能。
本发明所述双频宽带贴片圆极化天线由于馈电网络可以为个双频单极子辐射贴片分别提供等幅的0°、-90°、-180°和-270°移相，使得圆极化天线可以获得优良的圆极化性能。此外，通过对馈电网络耦合器的合理布设，实现馈电网络的小型化。通过双频耦合器的阻抗匹配实现双频特性，如果两个频点挨得比较近，可以实现宽带特性。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效功能变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种双频宽带贴片圆极化天线，包括介质板以及设置在介质板下面的敷铜金属地，其特征在于，所述介质板上设置有四个双频单极子辐射贴片以及馈电网络，所述馈电网络包括同轴连接器、第一端口、第二端口、第三端口、第四端口、第一双频耦合器和第二双频耦合器，其中：
四个双频单极子辐射贴片依次连接在第一端口的输出端、第二端口的输出端、第三端口的输出端、第四端口的输出端，并以馈电网络的四个端口为对称位置对称设置在介质板上，每一个双频单极子辐射贴片由呈h型的微带线构成；
同轴连接器的信号线连接至第一双频耦合器的输入端，同轴连接器的地线连接至第二双频耦合器的输入端；
第一双频耦合器的直通端连接至第一端口的输入端，第一双频耦合器的耦合端连接至第二端口的输入端，第一双频耦合器的隔离端连接至第一电阻；
第二双频耦合器的直通端连接至第四端口的输入端，第二双频耦合器的耦合端连接至第三端口的输入端，第二双频耦合器的隔离端连接至第二电阻；
第一双频耦合器和第二双频耦合器均由十二节传输线组成，每一节传输线的电长度均为1/4波长。
2.如权利要求1所述的双频宽带贴片圆极化天线，其特征在于，所述同轴连接器、第一端口、第二端口、第三端口和第四端口的阻抗均为50Ω。
3.如权利要求2所述的双频宽带贴片圆极化天线，其特征在于，所述第一电阻和第二电阻的电阻值均为50Ω。
4.如权利要求1所述的双频宽带贴片圆极化天线，其特征在于，所述双频单极子辐射贴片的阻抗为50Ω。
5.如权利要求1所述的双频宽带贴片圆极化天线，其特征在于，所述第一双频耦合器和第二双频耦合器均包括四个双枝节阻抗匹配器和一个分支线耦合器，所述分支线耦合器的四个联接端对应连接四个双枝节阻抗匹配器上。
6.如权利要求5所述的双频宽带贴片圆极化天线，其特征在于，所述双枝节阻抗匹配器包括传输线Z1和传输线Z2，传输线Z1与传输线Z2串接。
7.如权利要求6所述的双频宽带贴片圆极化天线，其特征在于，所述传输线Z1的阻抗为85Ω，所述传输线Z2的阻抗为62Ω。
8.如权利要求5所述的双频宽带贴片圆极化天线，其特征在于，所述分支线耦合器包括两节传输线Z3和两节传输线Z4，所述传输线Z3和传输线Z4交替串接成环状结构。
9.如权利要求8所述的双频宽带贴片圆极化天线，其特征在于，所述传输线Z3的阻抗为24Ω，所述传输线Z4的阻抗为33Ω。
10.如权利要求1至9任一项所述的双频宽带贴片圆极化天线，其特征在于，所述敷铜金属地与屏蔽盒的地平面连接，用于将所述敷铜金属地吸附的干扰信号由地平面导走。
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