CN108493595A - 一种应用于无线通信系统中的宽带定向圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于无线通信系统中的宽带定向圆极化天线，包括介质基板、金属背腔和金属地板；介质基板的上、下表面分别设置有扇形对称振子金属贴片，在各扇形对称振子金属贴片之间分布有旋转寄生金属贴片；各扇形对称振子金属贴片和各旋转寄生金属贴片均以中心为对称分布，且各扇形对称振子金属贴片和各旋转寄生金属贴片以中心按顺序分别旋转90°分布；在介质基板的上、下表面相连扇形对称振子金属贴片的相移环分别与同轴线内芯和外皮连接，同轴线穿过地板与SMA接头相连。本发明结构简单，容易加工，具有较宽的轴比带宽与阻抗带宽，方向图在公用频段内较为稳定，因此可用于宽频段的无线通信系统，并减少通信系统的天线复杂性。

Description

一种应用于无线通信系统中的宽带定向圆极化天线
技术领域
本发明涉及一种应用于无线通信系统中的宽带定向圆极化天线，该天线工作在1.35GHz到2.94GHz，可用于无线通信系统中。
背景技术
天线作为无线通信系统的接收和发射最前端，其性能指标直接关系着通信质量的优劣，随着无线通信系统对其天线的要求越来越高，天线的设计趋势向小尺寸、高度集成、低剖面，宽带化方向发展，并且良好的增益和方向图特性也作为天线性能优劣的重要指标。而一般的圆极化天线具有较窄的工作带宽和较差的辐射方向图性能(尤其是在工作频段的高频部分)。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种可以应用于无线通信系统中的宽带定向圆极化天线。该天线使用一种旋转寄生贴片技术，在扇形交叉偶极子的基础上获得较宽的圆极化带宽和良好的辐射方向图特性，并用以显著提高系统的性能，并将其应用于无线通信系统中。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种应用于无线通信系统中的宽带定向圆极化天线，包括介质基板、以及设置在介质基板下方的金属背腔和金属地板；所述介质基板的上、下表面分别设置有扇形对称振子金属贴片，在各扇形对称振子金属贴片之间分布有旋转寄生金属贴片；各扇形对称振子金属贴片和各旋转寄生金属贴片均以中心为对称分布，且各扇形对称振子金属贴片和各旋转寄生金属贴片以中心按顺序分别旋转90°分布；在介质基板的上、下表面的扇形对称振子金属贴片通过相移环相连，相移环分别与同轴线内芯和外皮连接，同轴线穿过地板与SMA接头相连。
针对上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：
作为优选，所述旋转寄生金属贴片与扇形对称振子金属贴片之间夹角为5°，其宽边扇形半径以中心频率计算为0.27个波长，扇形弧度为20°，窄边扇形长度为0.22个波长，弧度数为42°。
作为优选，所述扇形对称振子金属贴片包括结构相同的上扇形对称振子金属贴片a、上扇形对称振子金属贴片b、下扇形对称振子金属贴片a和下扇形对称振子金属贴片b；上扇形对称振子金属贴片a和上扇形对称振子金属贴片b设置于介质基板上表面，下扇形对称振子金属贴片a和下扇形对称振子金属贴片b设置于介质基板下表面。
作为优选，所述上扇形对称振子金属贴片a和上扇形对称振子金属贴片b以中心按顺序分别旋转90°分布，并通过上相移环相连，并与同轴线内芯连接。
作为优选，所述下扇形对称振子金属贴片a和下扇形对称振子金属贴片b以中心按顺序分别旋转90°分布，并通过下相移环相连，并与同轴线外皮连接。
作为优选，所述旋转寄生金属贴片包括结构相同的上旋转寄生金属贴片a、上旋转寄生金属贴片b、下旋转寄生金属贴片a和下旋转寄生金属贴片b；旋转寄生金属贴片为带有延伸臂的镰刀状结构；其中，上旋转寄生金属贴片a和上旋转寄生金属贴片b设置于介质基板上表面，下旋转寄生金属贴片a和下旋转寄生金属贴片b设置于介质基板下表面。
作为优选，所述金属背腔与金属地板相连，并竖直设置于金属地板四周。
作为优选，所述扇形对称振子金属贴片为铝板或铜板。
与现有的技术相比，本发明具有如下优点：
1、采用了旋转寄生贴片技术较为明显地拓宽了天线的工作带宽，具有较宽的轴比带宽与阻抗带宽。其中，旋转寄生贴片的宽边扩展了高频的轴比带宽，窄边扩展了低频的轴比带宽，因此整体的轴比带宽得以展宽。此外，由于不同频率下主导天线辐射的贴片部分都是旋转对称的，天线的辐射性能在整个工作频带内也较为稳定，因此可用于宽频段的无线通信系统，并减少通信系统的天线复杂性。
2、本发明的宽带定向圆极化天线，具有结构简单容易加工，体积小，重量轻，低成本等优点。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1是本发明的顶层俯视图；
图2是本发明的侧视图；
图3是本发明的底层仰视图；
图4是本发明天线的S参数曲线图；
图5是本发明天线的轴比曲线图；
图6是本发明在工作频带内主辐射方向的增益图；
图7是本发明工作在1.5GHz时的XOZ面辐射方向图；
图8是本发明工作在2.8GHz时的XOZ面辐射方向图。
图中：1、介质基板；2、金属背腔；3、上扇形对称振子金属贴片a；4、上扇形对称振子金属贴片b；5、下扇形对称振子金属贴片a；6、下扇形对称振子金属贴片b；7、上旋转寄生金属贴片a；8、上旋转寄生金属贴片b；9、下旋转寄生金属贴片a；10、下旋转寄生金属贴片b；11、上相移环；12、下相移环；13、同轴线；14、SMA接头；15、金属地板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例及附图，对本发明进行进一步详细说明。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。
如图1、2和3所示，本发明的应用于无线通信系统中的宽带定向圆极化天线，包括介质基板1、以及设置在介质基板1下方的金属背腔2和金属地板15；介质基板1的上表面设置有上扇形对称振子金属贴片a3和上扇形对称振子金属贴片b4，介质基板1的下表面设置有下扇形对称振子金属贴片a5和下扇形对称振子金属贴片b6；上扇形对称振子金属贴片a3、上扇形对称振子金属贴片b4、下扇形对称振子金属贴片a5和下扇形对称振子金属贴片b6结构相同，并以中心按顺序分别旋转90°分布，上扇形对称振子金属贴片a3、上扇形对称振子金属贴片b4通过上相移环11相连，并与同轴线13内芯连接；下扇形对称振子金属贴片a5和下扇形对称振子金属贴片b6通过下相移环12相连，并与同轴线13外皮连接。同轴线13穿过地板15与SMA接头14相连。在各扇形对称振子金属贴片之间分布有旋转寄生金属贴片，其中，上旋转寄生金属贴片a7和上旋转寄生金属贴片b8设置于介质基板1上表面，下旋转寄生金属贴片a9和下旋转寄生金属贴片b10设置于介质基板1下表面。
其中，各旋转寄生金属贴片与相邻扇形对称振子金属贴片之间夹角为5°，其宽边扇形半径以中心频率计算为0.27个波长，扇形弧度为20°，窄边扇形长度为0.22个波长，弧度数为42°。
金属背腔2与金属地板15相连，并竖直设置于金属地板四周。扇形对称振子金属贴片可以为铝板或铜板。
本发明提供了一种实施例，地板长为140mm,宽为140mm，天线整体高度为40mm，金属背腔高度为40毫米，长度和宽度都为140毫米。介质基板1的介电常数为2.65，介质板的长度为90毫米，宽度为90毫米，厚度为0.8毫米。四个扇形金属贴片3、4、5、6分别印刷在介质基板1的上下表面，扇形半径30毫米，弧度为30度。寄生贴片内外两侧弧度分别为10度和42度。相移环半径为4.7毫米，宽度为0.8毫米。
尺寸如上所述，最后将SMA接头的外皮焊接到金属接地板上，完成本发明的应用于无线通信系统中的宽带圆极化定向天线，
本发明可通过以下仿真进一步说明：
1、仿真内容
利用仿真软件对上述实施例应用于无线通信系统中的宽带圆极化定向天线的S参数曲线、轴比曲线、增益、远场辐射方向图进行仿真计算。
2、仿真结果
图4为本发明天线的S参数曲线图。所述的SMA接头位信号输入端口。通过图4可看出，本发明天线的-10dB阻抗匹配带宽为90％(1.20-3.16GHz)，可以覆盖较宽的无线通信频段。
图5为本天线的轴比曲线。可以看出，本发明天线的3dB轴比带宽为74％(1.35-2.94GHz)，且轴比带宽完全被阻抗带宽覆盖，因此共用的工作带宽为74％(1.35-2.94GHz)。
图6为天线在工作频段内主辐射方向的增益图。可以看出，本发明天线在轴比带宽内增益稳定在8-11dB范围内，满足普通无线通信系统的需求。
图7和图8分别为本天线在频率为1.5GHz和2.8GHz时天线在XOZ面的方向图。可以看出，本天线在工作频段内具有较为稳定的方向图，说明本发明应用于无线通信系统中的宽带圆极化定向天线具有良好的辐射特性。
根据我们的理论推导及仿真结果，一些结构参数的变化会对天线的整体性能产生重要影响。具体影响如下：
1.相移环11与12的半径与宽度对天线的阻抗匹配与轴比影响都较大，一般选取4-6mm的环半径与0.5-0.7mm的宽度可将阻抗与轴比共同调至最优。
2.同轴线13的高度对阻抗匹配与轴比影响较大，当其高度约为0.25个波长(对应中心频率)时，天线性能达到最优。
3.背腔2的高度对轴比特性影响较大。当其高度低于同轴线13的高度时，随着其高度升高，轴比带宽变宽。
4.介质基板1的厚度对轴比特性影响较大。其厚度越厚，轴比特性越差。在实际工程应用中，一般取0.8mm左右F-4B材质或更薄的介质基板。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种应用于无线通信系统中的宽带定向圆极化天线，其特征在于：包括介质基板(1)、以及设置在介质基板(1)下方的金属背腔(2)和金属地板(15)；所述介质基板(1)的上、下表面分别设置有扇形对称振子金属贴片，在各扇形对称振子金属贴片之间分布有旋转寄生金属贴片；各扇形对称振子金属贴片和各旋转寄生金属贴片均以中心为对称分布，且各扇形对称振子金属贴片和各旋转寄生金属贴片以中心按顺序分别旋转90°分布；在介质基板(1)的上、下表面的扇形对称振子金属贴片通过相移环相连，相移环分别与同轴线(13)内芯和外皮连接，同轴线(13)穿过地板(15)与SMA接头(14)相连。
2.根据权利要求1所述的应用于无线通信系统中的宽带定向圆极化天线，其特征在于：所述旋转寄生金属贴片与扇形对称振子金属贴片之间夹角为5°，其宽边扇形半径以中心频率计算为0.27个波长，扇形弧度为20°，窄边扇形长度为0.22个波长，弧度数为42°。
3.根据权利要求1所述的应用于无线通信系统中的宽带定向圆极化天线，其特征在于：所述扇形对称振子金属贴片包括结构相同的上扇形对称振子金属贴片a(3)、上扇形对称振子金属贴片b(4)、下扇形对称振子金属贴片a(5)和下扇形对称振子金属贴片b(6)；上扇形对称振子金属贴片a(3)和上扇形对称振子金属贴片b(4)设置于介质基板(1)上表面，下扇形对称振子金属贴片a(5)和下扇形对称振子金属贴片b(6)设置于介质基板(1)下表面。
4.根据权利要求3所述的应用于无线通信系统中的宽带定向圆极化天线，其特征在于：所述上扇形对称振子金属贴片a(3)和上扇形对称振子金属贴片b(4)以中心按顺序分别旋转90°分布，并通过上相移环(11)相连，并与同轴线(13)内芯连接。
5.根据权利要求3所述的应用于无线通信系统中的宽带定向圆极化天线，其特征在于：所述下扇形对称振子金属贴片a(5)和下扇形对称振子金属贴片b(6)以中心按顺序分别旋转90°分布，并通过下相移环(12)相连，并与同轴线(13)外皮连接。
6.根据权利要求1所述的应用于无线通信系统中的宽带定向圆极化天线，其特征在于：所述旋转寄生金属贴片包括结构相同的上旋转寄生金属贴片a(7)、上旋转寄生金属贴片b(8)、下旋转寄生金属贴片a(9)和下旋转寄生金属贴片b(10)；旋转寄生金属贴片为带有延伸臂的镰刀状结构；其中，上旋转寄生金属贴片a(7)和上旋转寄生金属贴片b(8)设置于介质基板(1)上表面，下旋转寄生金属贴片a(9)和下旋转寄生金属贴片b(10)设置于介质基板(1)下表面。
7.根据权利要求1所述的应用于无线通信系统中的宽带定向圆极化天线，其特征在于：所述金属背腔(2)与金属地板(15)相连，并竖直设置于金属地板(15)四周。
8.根据权利要求1所述的应用于无线通信系统中的宽带定向圆极化天线，其特征在于：所述扇形对称振子金属贴片为铝板或铜板。
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