CN108539390B - 一种平面双向圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种平面双向圆极化天线，包括平面矩形磁偶极子、顶层电偶极臂、底层电偶极臂和螺旋结构导体片，平面矩形磁偶极子设置于空气基板，平面矩形磁偶极子整体呈开口向右的长方体结构；顶层电偶极臂和底层电偶极臂分别连接于平面矩形磁偶极子开口侧的上表面和下表面，顶层电偶极臂和底层电偶极臂形成开口朝向正X轴方向的V型电偶极子天线单元；螺旋结构导体片设置于空气基板上的V型电偶极子天线单元的开口处。本发明在平行于天线所在平面的方向产生圆极化波，在垂直于天线所在平面的方向上产生反旋的圆极化波，从而在互为90度夹角方向上实现双圆极化辐射特性。

Description

一种平面双向圆极化天线
技术领域
本发明涉及一种微波技术，具体涉及一种平面双向圆极化天线。
背景技术
在移动通信中，为了提高通信质量，对于特殊的环境要求不同的天线形式以实现信号覆盖。对于室内、较长的走廊、狭长隧道等区域，天线系统一般采用全向辐射天线形式进行覆盖。然而在这些狭长空间的纵深位置，由于信号的穿透损耗高，空间损耗大，传统的全向天线往往很难满足覆盖要求或者存在信号分布不稳定、盲区等现象。这就要求天线具有双向辐射特性。常常还进一步要求其极化方式为圆极化，因为圆极化天线具有可以接收任意极化的来波、抗多径反射等优点。
圆极化天线通常使用平面天线和螺旋天线，这两种天线都可以形成圆极化的半球波束，都可以作为接收系统常用的天线形式，这两种天线可以获得性能优良的圆极化半球波束、同时结构紧凑，对周围的环境有良好的适应性；对于微带天线，由于它具有低剖面、结构紧凑，易于制作和易于集成等优点，在很多实际应用中常被采用。
实现圆极化天线的方式可以有三类：(1)环形电流；(2)两个正交放置的线电流，只要两个电流(磁流)等幅、相位相差90度；(3)一个线电流与一个线磁流平行放置，只要电流与磁流等幅、相位相差90度。
在卫星导航、通信和射频识别等领域中，现有的平面双向圆极化天线都需要线电流(磁流)正交放置，并且得到的相对轴比带宽较窄，且增益较低。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种平面双向圆极化天线，本发明中的磁偶极子和电偶极子不需要正交放置，但通过螺旋结构导体片，仍在平行于天线所在平面的方向产生圆极化波，在垂直于天线所在平面的方向上产生反旋的圆极化波，从而在互为90度夹角方向上实现双圆极化辐射特性。
技术方案：本发明一种平面双向圆极化天线，包括平面矩形磁偶极子、顶层电偶极臂、底层电偶极臂和螺旋结构导体片，所述平面矩形磁偶极子设置于空气基板，平面矩形磁偶极子整体呈开口朝正X方向的长方体结构；所述顶层电偶极臂和底层电偶极臂分别连接于平面矩形磁偶极子开口侧的上表面和下表面，顶层电偶极臂和底层电偶极臂形成开口朝向正X方向的V型电偶极子天线单元；所述螺旋结构导体片设置于空气基板上的V型电偶极子天线单元的开口处(将螺旋结构导体片放置在V型振子开口处，能够增强在x轴方向定向辐射的集中程度，且降低z轴方向的轴比值)；其中，顶层电偶极臂和底层电偶极臂二者之间结构相同和尺寸相同，且二者反对称布置于空气基板；所述非封闭的平面矩形磁偶极子上(平面矩形磁偶极子的正中间)设置有馈电结构，馈电结构包括同轴线内导体和同轴线外导体。
进一步的，所述V型电偶极子天线单元激发的电场极化方向平行于天线所在平面产生圆极化波，即指向正轴方向；所述平面矩形磁偶极子结构激发的电场极化方向垂直于天线所在平面产生反旋的圆极化波，即指向正Z方向。
为了增强圆极化天线的方向性，所述V型电偶极子天线单元中的顶层电偶极臂和底层电偶极臂的臂长均为3/2波长；且顶层电偶极臂和底层电偶极臂的倾斜角度α(即是指顶层电偶极臂和底层电偶极臂分别与正X轴之间的夹角)均为30°～90°；顶层电偶极臂和底层电偶极臂的宽度均为10-20mm。
进一步的，所述V型电偶极子天线单元与平面矩形磁偶极子为非正交系。
为提高圆极化性能，所述螺旋结构导体片的宽度b为10mm～20mm，螺旋结构导体片的倾斜角度β(即升角β，是指螺旋结构导体片与正Y轴之间的夹角)为12°～14°，螺旋结构导体片的匝数a为大于2圈，且螺旋结构导体片中每一匝的周长等于一个波长。
进一步的，该天线的上下表面之间填充介电常数为1-20的介质。
进一步的，所述螺旋结构导体片与V型电偶极子天线单元两者之间的距离范围为0.1-0.2λ。
有益效果：本发明能够在使用平面结构的矩形磁偶极子和V型电偶极子以及螺旋结构导体片同时，通过控制V型电偶极子的倾斜角度和宽度影响天线的圆极化性能；且螺旋结构导体片不仅可以增强在X轴方向定向辐射的集中程度，而且能够降低Z轴方向的轴比值，实现双向反旋圆极化特性，而且该天线结构简单，制作工艺简单，成本低廉。
附图说明
图1是本发明的的正面结构与参考坐标示意图；
图2是本发明的立体结构与参考坐标示意图；
图3是实施例中采用IE3D软件计算的天线反射系数特性；
图4是实施例中采用IE3D软件计算的天线在正X轴和正Z轴方向的轴比示意图；
图5是实施例中采用IE3D软件计算的天线方向图；
图6是实施例中采用IE3D软件计算的天线增益图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图1和图2所示，本实施例中的一种平面双向圆极化天线，该天线制作在空气基板上，该天线整体辐射单元包括介质板上的平面矩形磁偶极子1、顶层电偶极臂2、底层电偶极臂3和螺旋结构导体片4，平面矩形磁偶极子1设置于空气基板，平面矩形磁偶极子1整体呈开口向右的长方体结构；顶层电偶极臂2和底层电偶极臂3分别连接于平面矩形磁偶极子1开口侧的上表面5和下表面6，顶层电偶极臂2和底层电偶极臂3形成开口朝向正X轴方向的V型电偶极子天线单元；螺旋结构导体片4设置于空气基板上的V型电偶极子天线单元的开口处；
其中，顶层电偶极臂2和底层电偶极臂3二者之间结构相同和尺寸相同，且二者反对称布置于空气基板；非封闭的平面矩形磁偶极子1上设置有馈电结构，馈电结构包括同轴线内导体7和同轴线外导体8；V型电偶极子天线单元与平面矩形磁偶极子1为非正交系。
同时，V型电偶极子天线单元激发的电场极化方向平行于天线所在平面产生圆极化波，即指向正X轴方向；平面矩形磁偶极子1结构激发的电场极化方向垂直于天线所在平面产生反旋的圆极化波，即指向正Z轴方向。
V型电偶极子天线单元中的顶层电偶极臂2和底层电偶极臂3的臂长均为3/2波长；且顶层电偶极臂2和底层电偶极臂3的倾斜角度α均为30°～90°。
上述螺旋结构导体片4的宽度b为10mm～20mm，螺旋结构导体片4的倾斜角度β为12°～14°，螺旋结构导体片4的匝数a为大于2圈。
该天线的上下表面6之间填充介电常数为1-20的介质。
本发明利用单匝周长接近一个波长螺旋结构的端射特性，增强平行于天线所在平面方向的同旋圆极化以及实现该旋向圆极化分量的聚焦，同时削弱垂直于天线所在平面方向上的同旋圆极化分量，使该方向上的反旋圆极化分量成为主要辐射分量，从而在互成90度的方向上实现双圆极化辐射特性。
实施例1：
本实施例中的V型电偶极子臂长为3/2波长，倾角α为60°；螺旋结构导体片4的匝数为6，宽度为12.5mm，倾角β为13.5°。利用IE3D软件仿真计算得到的天线反射系数频率特性，如图3所示，其相对带宽达到5.63％，覆盖了2.386-2.524GHz频段，中心频率为2.452GHz，也就是说，本实施例中的天线具有较宽阻抗带宽。
图4给出了利用IE3D软件仿真计算得到的天线轴比特性，实线表示该天线在正X轴方向上的轴比，天线的3dB轴比带宽覆盖了2.02-2.554GHz，相对轴比带宽约为21.7％；虚线表示在正Z轴方向上的轴比，天线的3dB轴比带宽覆盖了2.222-2.524GHz，相对轴比带宽约为12.3％，在X轴方向和Z轴方向均实现了圆极化。
对照图1中的参考坐标系以及图5中的坐标系，如图5所示，2.33GHz的x-z工作面方向图，图5中的实线为左旋圆极化分量，虚线为右旋圆极化分量；图6给出了工作频段内的增益特性，在天线谐振频率的最大辐射方向上，增益分别可以达到6.3dBi。由图5和图6可见，在整个工作频段内，本实施例的天线具有相对稳定的定向辐射特性，
通过上述实施例可以看出，本发明的平面双向圆极化天线，在平行于天线所在平面的方向产生圆极化波，相应地，垂直于天线所在平面的方向上产生反旋的圆极化波，从而在互为90度夹角方向上实现双圆极化辐射特性；并且通过控制V型电偶极子的倾斜角度和宽度可以影响天线的双圆极化性能。而且螺旋结构的螺旋结构导体片4不仅可以增强在辐射的集中程度，而且能够降低的轴比值。本发明具有结构简单、剖面低、体积小、制作成本低廉等特点，有利于批量化生产投入使用。

Claims (6)

1.一种平面双向圆极化天线，其特征在于：包括平面矩形磁偶极子、顶层电偶极臂、底层电偶极臂和螺旋结构导体片，所述平面矩形磁偶极子设置于空气基板，平面矩形磁偶极子整体呈开口朝正X方向的长方体结构；所述顶层电偶极臂和底层电偶极臂分别连接于平面矩形磁偶极子开口侧的上表面和下表面，顶层电偶极臂和底层电偶极臂形成开口朝向正X方向的V型电偶极子天线单元；所述螺旋结构导体片设置于空气基板上的V型电偶极子天线单元的开口处；所述V型电偶极子天线单元中的顶层电偶极臂和底层电偶极臂的臂长均为3/2波长；顶层电偶极臂和底层电偶极臂的倾斜角度α均为30°～90°；顶层电偶极臂和底层电偶极臂的宽度均为10-20mm；
其中，顶层电偶极臂和底层电偶极臂二者之间结构相同和尺寸相同，且二者反对称布置于空气基板；平面矩形磁偶极子上设置有馈电结构，馈电结构包括同轴线内导体和同轴线外导体。
2.根据权利要求1所述的平面双向圆极化天线，其特征在于：所述V型电偶极子天线单元激发的电场极化方向平行于天线所在平面产生圆极化波，即指向正X方向；所述平面矩形磁偶极子结构激发的电场极化方向垂直于天线所在平面产生反旋的圆极化波，即指向正Z方向。
3.根据权利要求1所述的平面双向圆极化天线，其特征在于：所述V型电偶极子天线单元与平面矩形磁偶极子为非正交系。
4.根据权利要求1所述的平面双向圆极化天线，其特征在于：所述螺旋结构导体片的宽度b为10～20mm，螺旋结构导体片的倾斜角度β为12°～14°，螺旋结构导体片的匝数a为大于2圈。
5.根据权利要求1所述的平面双向圆极化天线，其特征在于：所述天线的上下表面之间填充介电常数为1-20的介质。
6.根据权利要求1所述的平面双向圆极化天线，其特征在于：所述螺旋结构导体片与V型电偶极子天线单元两者之间的距离范围为0.1-0.2λ。
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