CN108598676B - 一种宽波束平面背射及双向圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种宽波束平面背射及双向圆极化天线，扇形平面磁偶极子整体呈半封闭结构，扇形平面磁偶极子包括两个完全相同的扇形贴片和垂直短路壁，垂直短路壁沿扇形平面磁偶极子半径方向连接于两个扇形贴片的直边；所述两组同心环形电偶极子分别用作顶层同心环形辐射单元与底层同心环形辐射单元、以及顶层同心环形反射器与底层反同心环形反射器；顶层同心环形辐射单元通过顶层连接枝节连接于扇形平面磁偶极子上表面，底层同心环形辐射单元通过底层连接枝节连接于扇形平面磁偶极子下表面。本发明具有剖面低、结构简单，无需外加复杂的移相功分网络即可实现优良的宽波束圆极化性能，在物联网的各种无线传感与各种射频识别系统中有广泛的应用前景。

Description

一种宽波束平面背射及双向圆极化天线
技术领域
本发明属于微波与物联网，具体涉及一种宽波束平面背射及双向圆极化天线。
背景技术
圆极化天线可以接收任意方向的来波，且其辐射波也可由任意极化的天线收到，故在电子侦察和干扰、通信和雷达的极化分集工作、电子对抗方面受到了广泛的应用。圆极化天线的制作大致可以划分为三种方法。第一种方法为互补振子实现圆极化；第二种方法为使用旋转结构，如微带平面旋转天线和立体结构的螺旋天线；第三种方法为在辐射贴片或介质谐振腔上产生交叉偶极子，这两个交叉偶极子的模极化和相位正交。背射圆极化天线是在引向天线基础上发展起来的一种新型天线，其具有结构简单、馈电方便、纵向长度短、增益高(可达数百)和副瓣背瓣较小(可分别达到-20dB和-30dB以下)等优点。
而在卫星导航、通信和射频识别等领域中，还需要天线具有足够宽的3dB轴比波束宽度(即：极化波束宽度)，要求天线具有接近180°(半球状)、甚至超过180°的轴比波束宽度。尽管平面旋转对称结构的圆极化天线也能实现宽波束，但往往不超过150°，并且波束多垂直于天线的平面，如果想要获得平行于天线平面的圆极化波束，就难免要引入非平面结构，所以如何设计一个具有灵活圆极化波束指向特性(端射、背射或双向)的平面天线，是有挑战性的难题。现有技术已经能解决平面端射圆极化天线的设计，然而无法实现平面背射和双向圆极化天线的设计。
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，提供一种宽波束平面背射及双向圆极化天线。
技术方案：本发明一种宽波束平面背射及双向圆极化天线，包括扇形平面磁偶极子和两组同心环形电偶极子，所述扇形平面磁偶极子包括两个完全相同的扇形贴片和垂直短路壁，两个扇形贴片一上一下平行对称放置，垂直短路壁沿扇形平面磁偶极子半径方向连接于两个扇形贴片的直边,所述扇形平面磁偶极子整体呈半封闭结构且扇形平面磁偶极子的圆弧端为开口；所述两组同心环形电偶极子中的一组用作顶层同心环形辐射单元与底层同心环形辐射单元，另一组用作顶层同心环形反射器与底层反同心环形反射器；顶层同心环形辐射单元通过顶层连接枝节连接于扇形平面磁偶极子上表面(即上表面的扇形贴片的一侧)，底层同心环形辐射单元通过底层连接枝节连接于扇形平面磁偶极子下表面(即下表面的扇形贴片的一侧)；所述顶层同心环形辐射单元与底层同心环形辐射单元的结构与尺寸相同，且关于扇形平面磁偶极子的中轴线对称分布；所述顶层同心环形反射器与底层同心环形反射器的结构与尺寸相同，且关于扇形平面磁偶极子的中轴线对称分布，顶层同心环形反射器与底层同心环形反射器与扇形平面磁偶极子之间的距离均为5mm-10mm；
其中，扇形平面磁偶极子上表面的扇形贴片、顶层同心环形辐射单元与顶层同心环形反射器在同一平面，扇形平面磁偶极子下表面的扇形贴片、底层同心环形辐射单元与底层同心环形反射器在同一平面。
进一步的，所述扇形平面磁偶极子的圆心角范围为[90°，360°]。为减小天线体积的同时能够获得更宽的波束宽度，扇形平面磁偶极子的圆心角范围为[180，330°]。
进一步的，所述顶层同心环形辐射单元与底层同心环形辐射单元围绕扇形平面磁偶极子中轴线旋转的角度范围均为[90°，160°]。
进一步的，同心环形辐射单元的张角范围为[30°，60°]；同心环形反射器的张角范围为[45°，135°]。
其中，两个连接枝节与各自垂直短路壁之间的具体安装距离与同心环形辐射单元的张角范围有关，即同心环形辐射单元的张角越大，连接枝节距离相应垂直短路壁端部的距离越近。
当所述顶层同心环形辐射单元与底层同心环形辐射单元的张角范围为[30°，45°]且顶层同心环形反射器与底层反同心环形反射器的张角范围为[45°，90°]时，实现双向圆极化；当顶层同心环形辐射单元与底层同心环形辐射单元的张角范围为[45°，60°]且顶层同心环形反射器与底层反同心环形反射器的张角范围为[90°，135°]时，实现背射圆极化。
进一步的，所述上下扇形贴片之间的高度为4mm-6mm，且两个扇形贴片之间填充的介质基板的介电常数为1到20。
进一步的，所述扇形平面磁偶极子的同轴线上设置有馈电结构，馈电结构包括同轴线内导体和同轴接头外导体。进一步的，顶层连接枝节和底层连接枝节的宽度和长度均分别为0.2mm-1.2mm和0.6mm-3mm。
进一步的，所述两组同心环形电偶极子宽度均为4mm-8mm。
有益效果：本发明能够使用平面结构，且既可实现良好的背射圆极化特性(方位面波束宽度达180°，俯仰面波束宽度达150°)，还能够实现双向圆极化特性。本发明中的宽波束平面背射及双向圆极化天线剖面低、结构简单，可用工作带宽大，无需外加复杂的移相功分网络即可实现优良的圆极化性能，在物联网的各种无线传感与各种射频识别系统中有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明中天线的正面结构与参考坐标示意图。
图2是本发明中天线的三维立体示意图与参考坐标示意图。
图3是实施例中采用HFSS软件计算的天线反射系数特性。
图4是实施例中采用HFSS软件计算的天线在xy面的双向辐射方向图。
图5是实施例中采用HFSS软件计算的天线在xy面的背射辐射方向图。
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，本发明一种宽波束平面背射及双向圆极化天线，包括扇形平面磁偶极子1和两组同心环形电偶极子，所述扇形平面磁偶极子1整体呈半封闭结构(开口方向为扇形偶极子的圆弧端)，扇形平面磁偶极子1包括两个完全相同的扇形贴片和垂直短路壁，两个扇形贴片一上一下平行对称放置，垂直短路壁沿扇形平面磁偶极子1半径方向连接于两个扇形贴片的直边；所述两组同心环形电偶极子中的一组用作顶层同心环形辐射单元2与底层同心环形辐射单元3，另一组用作顶层同心环形反射器6与底层反同心环形反射器；顶层同心环形辐射单元2通过顶层连接枝节4连接于扇形平面磁偶极子1上表面，底层同心环形辐射单元3通过底层连接枝节5连接于扇形平面磁偶极子1下表面；所述顶层同心环形辐射单元2与底层同心环形辐射单元3的结构与尺寸相同，且关于扇形平面磁偶极子1的中轴线对称分布；所述顶层同心环形反射器6与底层同心环形反射器7的结构与尺寸相同，且关于扇形平面磁偶极子1的中轴线对称分布，与扇形平面磁偶极子1之间的距离为5mm-10mm；
其中，扇形平面磁偶极子1上表面的扇形贴片、顶层同心环形辐射单元2与顶层同心环形反射器6在同一平面，扇形平面磁偶极子1下表面的扇形贴片、底层同心环形辐射单元3与底层同心环形反射器7在同一平面。
扇形平面磁偶极子1的圆心角10范围为[180°，330°]，以减小天线体积，同时可以获得更宽的波束宽度。顶层同心环形辐射单元2与底层同心环形辐射单元3围绕扇形平面磁偶极子1中轴线旋转的旋转角11范围均为[90°，160°]。同心环形辐射单元的张角范围为[30°，60°]；同心环形反射器的张角范围为[45°，135°]。两对同心环形电偶极子张角范围分别取[30°，45°]与[45°，90°]时，可以实现双向圆极化特性；两对同心环形电偶极子张角分别取[45°，60°]与[90°，135]°时，可以实现背射圆极化特性。
扇形平面磁偶极子1的中轴线上设置有馈电结构，馈电结构包括同轴线内导体9和同轴接头外导体8。进一步的，顶层连接枝节4和底层连接枝节5的宽度和长度均为0.2mm-1.2mm和0.6mm-3mm。两组同心环形电偶极子宽度均为4mm-8mm。
实施例：
本实施例中的宽波束平面背射及双向圆极化天线制作在介电常数为1-20的介质上，宽波束平面背射及双向圆极化天线包括扇形平面磁偶极子1、顶层同心环形辐射单元2、底层同心环形辐射单元3、顶层连接枝节4、底层连接枝节5、顶层同心环形反射器6和底层同心环形反射器7。
扇形平面磁偶极子1为半封闭结构，由两个相同的扇形贴片以及连接两个扇形贴片的直边的垂直短路壁构成。顶层同心环形辐射单元2与底层同心环形辐射单元3的结构和尺寸完全相同，且关于扇形平面磁偶极子1的中轴线对称布置；顶层同心环形反射器4与底层同心环形反射器5的结构和尺寸完全相同，且关于半封闭的扇形平面磁偶极子的中轴线对称分布，与扇形平面磁偶极子1之间的距离为6mm；。
扇形平面磁偶极子1的半封闭端的上表面通过顶层连接枝节4与顶层同心环形辐射单元2相连接，扇形平面磁偶极子1的半封闭端的下表面通过底层连接枝节5与底层同心环形辐射单元3相连接。顶层连接枝节4与底层连接枝节5的结构和尺寸完全相同，且长度和宽度均可调节。顶层同心环形辐射单元2和底层同心环形辐射单元3围绕天线中轴线旋转一定的角度，角度范围在90°-160°之间。
其中，本实施例中采用空气介质、扇形平面磁偶极子1上下表面之间的间距为6毫米，扇形平面磁偶极子1的半径为26mm且其圆心角10的度数为300°，顶层同心环形辐射单元2和底层同心环形辐射单元3的张角为50°，顶层同心环形辐射单元2和底层同心环形辐射单元3围绕天线中轴线旋转的角度为135°，顶层连接枝节4与底层连接枝节5的长度为2mm，宽度为0.6mm，顶层同心环形反射器6和底层同心环形反射器7的张角为75°，两对同心环形电偶极子的宽度均为6mm，利用HFSS软件仿真计算得到的天线各项特性。
图3是采用HFSS软件计算的天线反射系数特性，本实施例的天线阻抗带宽覆盖了2.37-2.50GHz频段，中心频率在2.44GHz，可以看出该天线具有较宽的阻抗带宽。
图4是采用HFSS软件计算的天线在xy面的双向辐射方向图，实线表示左旋圆极化，虚线表示右旋圆极化，可以看出本实施例的天线的3dB圆极化波束宽度为180°，具有半球状波束宽度。
图5是采用HFSS软件计算的天线在xy面的背射辐射方向图，实线表示左旋圆极化，虚线表示右旋圆极化，可以看出本实施例的天线的3dB圆极化波束宽度为165°，具有很宽的波束宽度。
综上所述，本发明的一种宽波束平面背射/双向圆极化天线，可实现良好的背射圆极化特性(方位面波束宽度达165°)，还能够实现双向圆极化特性。

Claims (10)

1.一种宽波束平面背射及双向圆极化天线，其特征在于：包括扇形平面磁偶极子和两组同心环形电偶极子，所述扇形平面磁偶极子包括两个完全相同的扇形贴片和垂直短路壁，两个扇形贴片一上一下平行对称放置，垂直短路壁沿扇形平面磁偶极子半径方向连接于两个扇形贴片的直边,所述扇形平面磁偶极子整体呈半封闭结构且扇形平面磁偶极子的圆弧端为开口；所述两组同心环形电偶极子中的一组用作顶层同心环形辐射单元与底层同心环形辐射单元，另一组用作顶层同心环形反射器与底层同心环形反射器；顶层同心环形辐射单元通过顶层连接枝节连接于扇形平面磁偶极子上表面，底层同心环形辐射单元通过底层连接枝节连接于扇形平面磁偶极子下表面；
所述顶层同心环形辐射单元与底层同心环形辐射单元的结构与尺寸相同，且关于扇形平面磁偶极子的中轴线对称分布；所述顶层同心环形反射器与底层同心环形反射器的结构与尺寸相同，且关于扇形平面磁偶极子的中轴线对称分布，顶层同心环形反射器与扇形平面磁偶极子之间的距离以及底层同心环形反射器与扇形平面磁偶极子之间的距离均为5mm-10mm；
其中，扇形平面磁偶极子上表面的扇形贴片、顶层同心环形辐射单元与顶层同心环形反射器在同一平面，扇形平面磁偶极子下表面的扇形贴片、底层同心环形辐射单元与底层同心环形反射器在同一平面。
2.根据权利要求1所述的宽波束平面背射及双向圆极化天线，其特征在于：所述扇形平面磁偶极子的圆心角范围为[90°，360°]。
3.根据权利要求2所述的宽波束平面背射及双向圆极化天线，其特征在于：所述扇形平面磁偶极子的圆心角范围为[180，330°]。
4.根据权利要求1所述的宽波束平面背射及双向圆极化天线，其特征在于：所述连接在顶层连接枝节上的顶层同心环形辐射单元与连接在底层连接枝节上的底层同心环形辐射单元围绕扇形平面磁偶极子中轴线旋转的角度范围均为[90°，160°]。
5.根据权利要求1所述的宽波束平面背射及双向圆极化天线，其特征在于：同心环形辐射单元的张角范围为[30°，60°]；同心环形反射器的张角范围为[45°，135°]。
6.根据权利要求5所述的宽波束平面背射及双向圆极化天线，其特征在于：当所述顶层同心环形辐射单元与底层同心环形辐射单元的张角范围为[30°，45°]且顶层同心环形反射器与底层反同心环形反射器的张角范围为[45°，90°]时，实现双向圆极化；当顶层同心环形辐射单元与底层同心环形辐射单元的张角范围为[45°，60°]且顶层同心环形反射器与底层反同心环形反射器的张角范围为[90°，135°]时，实现背射圆极化。
7.根据权利要求1所述的宽波束平面背射及双向圆极化天线，其特征在于：上下两个扇形贴片之间的高度为4mm-6mm，且两个扇形贴片之间填充的介质基板的介电常数为1到20。
8.根据权利要求1所述的宽波束平面背射及双向圆极化天线，其特征在于：所述扇形平面磁偶极子的中轴线上设置有馈电结构，馈电结构包括同轴线内导体和同轴接头外导体。
9.根据权利要求1所述的宽波束平面背射及双向圆极化天线，其特征在于：顶层连接枝节和底层连接枝节的宽度和长度均分别为0.2mm-1.2mm和0.6mm-3mm。
10.根据权利要求1所述的宽波束平面背射及双向圆极化天线，其特征在于：所述两组同心环形电偶极子宽度均为4mm-8mm。
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