CN108470979B - 一种奇偶模工作的小型宽带圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

一种奇偶模工作的小型宽带圆极化天线，包括：金属振子，其上有1个开路槽和2个馈电点，它是天线辐射的主体；馈电层，其用于在两个馈电点产生等幅90°相位差的激励信号；以及，两根金属探针，其用于连接馈电层和金属振子的馈电点。当激励信号共模馈电时，可以激励起平面倒F天线模式；当激励信号差模馈电时，可以激励起槽天线模式。两种工作模式的极化正交，且由馈电层给共模和差模激励信号提供90°相位差，就可以得到宽带圆极化的辐射特性。其创新包括：1)通过一块开槽的短路金属振子产生两种正交极化的四分之一波长谐振模式；2)两种工作模式共用辐射口面，提高口面利用率。本发明可以实现小型、低剖面、宽带、高效率、低成本的圆极化特性。

Description

一种奇偶模工作的小型宽带圆极化天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及圆极化天线，特别涉及一种奇偶模工作的小型宽带圆极化天线。
背景技术
电磁波的极化，是指电磁波在运动过程中电场矢量的运动轨迹。根据极化的不同，可以将天线分为线极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线。由于普通的线极化天线只有当发射天线与接收天线的极化一致且对准时才能接收最大能量，而在很多应用场景中，天线的位置往往是不断变化的，不能时刻保持对准状态，这样就会导致发射天线与接收天线的极化发生偏离，大大影响通信质量，甚至出现完全接收不到信号的“盲区”。而圆极化天线，由于它的极化一直处于对准状态，因此不需要考虑发射和接收天线的相对位置，因而被广泛地应用在了无线通信领域中，尤其是在弱散射环境中。
低频通信具有通信距离远、穿透性强等优点，被广泛地应用在医疗通信、车载雷达、遥测遥感等领域。然而由于其频率较低，波长较长，而天线的尺寸是与波长相比拟的，因此实现天线小型化在低频通信中是非常关键的技术。然而传统的小型圆极化天线往往面临阻抗带宽窄、轴比带宽窄、辐射效率低、剖面高、结构复杂、制作成本高等缺点，难以满足日常的通信需求。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于设计一种宽带、小型化、低剖面、高效率、低成本的圆极化天线单元。该天线由一个开槽的短路金属振子构成，通过等幅同相(共模)馈电和等幅反相(差模)馈电激励出两个不同的天线四分之一波长的谐振模式：平面倒F天线(PIFA)模式(偶模)和槽天线(奇模)模式。这两个模式的极化是正交的，再通过馈电网络给天线的共模激励和差模激励引入90度的相位差，这样就能在天线的正上方形成圆极化辐射的电磁波。通过调节天线尺寸使它的两个模式——PIFA模式和槽天线模式的辐射场的幅度与相位保持一致，就可以在宽带内维持天线的圆极化特性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种奇偶模工作的小型宽带圆极化天线，其特征在于，包括：
金属振子1，其上有Y向的开路槽2，开路槽2将金属振子1分为在X向保持连接的两部分，两部分上分别设置关于开路槽2对称的馈电点一3和馈电点二4；
馈电层5，用于产生等幅90°相位差的两路激励信号，其上有馈电点三8和馈电点四9，馈电点三8与馈电点一3对应并通过金属探针一6连接，馈电点四9与馈电点二4对应并通过金属探针二7连接。
当天线工作时，所述两路激励信号分别通过馈电点一3和馈电点二4激励金属振子1的极化正交的两个辐射模式，分别由金属振子1的X向开口和开路槽2向外辐射能量，产生圆极化辐射波。
所述金属振子1为弯折成直角的金属片，开路槽2也为直角弯折形状，开路槽2贯穿金属片的XY平面并向下延伸贯穿XZ平面的上部，金属振子1的两部分通过XZ平面中未被开路槽2贯穿的部分实现连接。
所述馈电层5位于金属振子1的下方，且金属振子1的XZ平面的底边焊接在馈电层5的正面。
所述馈电层5正面为金属地，背面为馈电网络。
所述开路槽2位于金属振子1的中央。
当激励信号共模馈电时，激励起金属振子1的平面倒F天线模式；当激励信号差模馈电时，激励起开路槽2的槽天线模式。两种工作模式的极化正交，且由馈电层给共模和差模激励信号提供90°相位差，就可以得到宽带圆极化的辐射特性。而且两种辐射模式的谐振长度均为四分之一波长，可以实现天线小型化。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明中的天线通过共模和差模馈电方式分别激励起两个极化正交的四分之一波长谐振模式——平面倒F天线(PIFA)模式(偶模)和槽天线(奇模)模式，再由馈电层产生等幅90度相位差的两路信号激励，就可以使天线辐射圆极化波。通过调节天线尺寸使它的两个模式——平面倒F天线模式和槽天线模式的辐射场的幅度与相位保持一致，就可以在宽带内维持天线的圆极化特性，因此该天线具有较宽的轴比带宽和阻抗带宽；由于天线的两个模式共用一个辐射口面，而且两个模式均采用了四分之一波长的谐振结构，因此天线尺寸比传统的贴片天线和槽天线减小了一半，具有小型化特性；该天线采用磁流辐射，无需考虑地面镜像电流对天线辐射性能的影响，可以将剖面做得很低，具有低剖面特性；该天线由一块金属振子和一层馈电层组成，具有结构简单、成本低的特点。
附图说明
图1为本发明的三维结构示意图。
图2为将本发明的金属振子1和馈电层5分离开后的三维结构示意图。
图3为本发明在两个工作模式下的电场分布和激励矢量相位图，其中包括(a)偶模电场分布图、(b)奇模电场分布图和(c)激励矢量相位图。
图4为本发明的一个实施例。图4给出了在该实施例下的平面结构示意图，其中包括(a)正面示意图和(b)侧面示意图。
图5为该具体实施例下该天线设计的(a)反射系数示意图，(b)天线正上方的轴比示意图，(c)天线工作在中心频率时两个主平面内的辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
本发明为一种奇偶模工作的小型宽带圆极化天线设计。它具有结构简单、小型化、低剖面、轴比带宽宽、阻抗带宽宽、辐射效率高的特点。根据设计示意，给出了一个应用于433MHz ISM频段的宽带双模圆极化天线的具体实施例，下面结合附图予以说明：
参阅图1和图2，该天线包括一块金属振子1、一块馈电层5和金属探针一6、金属探针二7。其中在金属振子1上有馈电点一3和馈电点二4以及开路槽2。金属探针一6将金属振子1上的馈电点一3和馈电层5上的馈电点三8连接在一起，金属探针二7将金属振子1上的馈电点二4和馈电层5上的馈电点四9连接在一起。
图3给出了天线在两个工作模式下的电场分布和激励矢量相位图。图3(a)给出了当馈电点一3和馈电点二4等幅同相(共模)激励时的偶模电场分布，可以看到左右两个同相的平面倒F天线模式被激励起来，辐射Y向极化的电磁波，而由于左右等幅同相馈电，开路槽2中不存在电势差，因此槽模式无法被激励起来。图3(b)给出了当馈电点一3和馈电点二4等幅反相(差模)激励时的奇模电场分布，可以看到在左右两个平面倒F天线中激励起了反相电场，因此其不能有效辐射，而由于左右等幅反相激励，因而在开路槽2上形成电势差，使得槽模式被激励起来，辐射X向极化的电磁波。由于平面倒F天线模式和槽天线模式的极化正交，因此只要以90°相位差来激励奇模和偶模就能形成圆极化辐射。如图3(c)给出了馈电相位的矢量分布图，实线表示两个差模激励信号和两个共模激励信号，两个差模激励信号相位分别为0°和180°，两个共模激励信号的相位均为90°，即差模与共模信号间存在90°相位差。当差模激励信号1与共模激励信号1合成就可以得到45度相位的合成信号1，当差模激励信号2与共模激励信号2合成就可以得到135度相位的合成信号2，合成信号1与合成信号2具有幅度相等相位差为90°的特性，因此只要我们在馈电点一3和馈电点二4激励等幅90°相位差的激励信号，就可以得到圆极化辐射波。
图4给出了一个应用于433MHz ISM频段的天线正面和侧面结构的尺寸。其中金属振子1由开槽的短路黄铜片构成，将其焊接到馈电层5的正面。馈电层5由1.6mm厚的FR-4印刷电路板组成，其介电常数为4.4，损耗角正切为0.02。馈电层5的正面为金属地，背面为馈电网络，用于产生等幅90°相位差的两路激励信号。在天线设计中，金属振子1和开路槽2的尺寸分别决定了天线的两个工作模式的谐振频率；调节金属振子1和开路槽2的尺寸使天线的两个模式都谐振在433MHz，且在两个模式下具有相似的辐射能力，这样才能保证一个较好的圆极化波辐射。该天线的尺寸为230mm×154mm(对应的电尺寸0.33λ0×0.22λ0)，地板的尺寸为250mm×200mm(对应的电尺寸0.36λ0×0.29λ0)，天线的剖面高度为21.6mm(对应的电尺寸0.03λ0)，可以看出，该天线具有小型化、低剖面的特性。
采用该参数设计的实施例的反射系数由图5(a)给出，可以看到，该实施例的-10dB阻抗带宽为：354-532MHz(178MHz)，相对中心频率的相对阻抗带宽为41.1％，该天线具有较宽的阻抗带宽。图5(b)给出了该实施例的正上方轴比带宽为：391–597MHz(206MHz)，相对中心频率的相对轴比带宽为47.6％，可以看到该天线相比于传统的小型圆极化天线具有相当宽的轴比带宽。图5(c)给出了该实施例在中心频率处的辐射方向图，可以看到在中心频率433MHz处，在包含最大方向的两个面XZ和YZ面内的最大增益分别为3.2dBic和2.5dBic。
综上所述，本发明提供了一种奇偶模工作的小型宽带圆极化天线设计。该天线由金属振子、馈电层和两根金属探针构成。该天线用一层辐射结构产生两个四分之一波长的谐振模式，有效利用辐射口面，实现天线小型化。当馈电信号共模激励时，平面倒F天线模式被激励起来，辐射Y向极化的电磁波；当馈电信号差模激励时，槽天线模式被激励起来，辐射X向极化的电磁波，当在馈电端口给两个模式的信号加上90度的相位差之后，就能辐射圆极化的电磁波。而在具体实施过程中，金属振子、开路槽、馈电层、馈电探针的各项尺寸都可进行灵活的调节，这些参数将用于天线在两种工作模式下的阻抗匹配和圆极化轴比带宽的调节。在进行优化设计后，该天线将可实现小型、低剖面、宽带圆极化的性能。

Claims (5)

1.一种奇偶模工作的小型宽带圆极化天线，其特征在于，包括：
金属振子(1)，为弯折成直角的金属片，由水平的XY平面和竖直的XZ平面组成，其中XZ平面的顶边与XY平面连接，金属振子(1)上有Y向的开路槽(2)，开路槽(2)将金属振子(1)分为在X向保持连接的两部分，两部分上分别设置关于开路槽(2)对称的馈电点一(3)和馈电点二(4)；
馈电层(5)，位于金属振子(1)的下方，且金属振子(1)的XZ平面的底边焊接在馈电层(5)的正面，馈电层(5)正面为金属地，背面为馈电网络，馈电层(5)用于产生等幅90°相位差的两路激励信号，其上有馈电点三(8)和馈电点四(9)，馈电点三(8)与馈电点一(3)对应并通过金属探针一(6)连接，馈电点四(9)与馈电点二(4)对应并通过金属探针二(7)连接；
当天线工作时，所述两路激励信号分别通过馈电点一(3)和馈电点二(4)激励金属振子(1)的极化正交的两个辐射模式，分别由金属振子(1)的X向开口和开路槽(2)向外辐射能量，产生圆极化辐射波。
2.根据权利要求1所述奇偶模工作的小型宽带圆极化天线，其特征在于，所述开路槽(2)为直角弯折形状，开路槽(2)贯穿金属片的XY平面并向下延伸贯穿XZ平面的上部，金属振子(1)的两部分通过XZ平面中未被开路槽(2)贯穿的部分实现连接。
3.根据权利要求1所述奇偶模工作的小型宽带圆极化天线，其特征在于，所述开路槽(2)位于金属振子(1)的中央。
4.根据权利要求1所述奇偶模工作的小型宽带圆极化天线，其特征在于，当激励信号共模馈电时，激励起金属振子(1)的平面倒F天线模式；当激励信号差模馈电时，激励起开路槽(2)的槽天线模式，两种模式极化正交，从而形成圆极化辐射，在馈电点一(3)和馈电点二(4)激励等幅90°相位差的激励信号，即得圆极化辐射波。
5.根据权利要求1所述奇偶模工作的小型宽带圆极化天线，其特征在于，所述两个极化正交的辐射模式的谐振长度均为四分之一波长。
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