CN108767438B - 一种圆极化的双层平面倒f天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆极化的双层平面倒F天线，包括金属振子、金属探针和金属地板，其中金属振子包括第一至第四金属片，第一、第三金属片分别与金属地板平行设置，第二、第四金属片分别与金属地板垂直设置且第二金属片与第四金属片相互垂直，第二金属片连接在第一金属片和第三金属片之间以形成上层天线，第四金属片连接在第三金属片和金属地板之间以形成下层天线，金属探针用于同时激励上层天线和下层天线。由于上层天线和下层天线的辐射口面相互垂直，可以产生一对正交极化的四分之一波长谐振模式，再通过调节上下层天线的尺寸使其产生等幅90°相位差的辐射场，从而产生圆极化辐射。本发明具有小型、低剖面、低成本、单馈点、结构简单等优点。

Description

一种圆极化的双层平面倒F天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种圆极化的双层平面倒F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。相比于线极化天线，圆极化天线有很多优点：(1)圆极化天线可以对抗多径衰落的影响；(2)圆极化天线可以减小法拉第旋转产生的影响；(3)圆极化天线对发射与接收天线的相对位置不敏感。因此圆极化天线被广泛应用于卫星通信、射频识别、车辆探测、医疗通信等领域。

在有源射频识别应用中，由于工作频率较低，具有通信距离远、穿透性强等优点；但是工作频率较低会导致天线的尺寸太大，因此如何实现圆极化天线的小型化和低剖面在有源射频识别应用中非常的关键。微带天线由于具有低剖面、便于加工、自带地结构等特点，被广泛用来制作低剖面圆极化天线；但是传统的微带天线的尺寸过大，不适合用于低频应用，因此大量的圆极化微带天线小型化技术被提出来用于减小圆极化微带天线的尺寸。现有的圆极化微带天线小型化技术包括：(1)使用高介电常数的基板来减小天线尺寸，虽然这种方法可以有效减小微带天线的尺寸，但由于尺寸变小提高了天线Q值而且介质基板有较大损耗，因此这类天线往往面临阻抗带宽窄、轴比带宽窄、辐射效率低、成本高、重量大等缺点；(2)在微带天线的贴片上或地板上开槽来加长电流路径，从而实现小型化；这种方法本质上是对二分之一波长的谐振电流进行弯折实现小型化，但是弯折过程中产生的反向电流会构成传输线模式，从而储存能量，提高天线的Q值，降低天线的阻抗带宽；(3)利用基于超材料的谐振结构来减小天线的尺寸，这种方法能将天线尺寸做得很小，但是它的带宽较窄，而且结构复杂。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明提出一种圆极化的双层平面倒F天线，具有小型、低剖面、高效率、低成本、单馈点、结构简单等优点。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明公开了一种圆极化的双层平面倒F天线，包括金属振子、金属探针和金属地板，其中所述金属振子包括第一金属片、第二金属片、第三金属片和第四金属片，所述第一金属片、第三金属片分别与所述金属地板平行设置，所述第二金属片、第四金属片分别与所述金属地板垂直设置且所述第二金属片与所述第四金属片相互垂直，所述第二金属片连接在所述第一金属片和所述第三金属片之间以形成上层天线，所述第四金属片连接在所述第三金属片和所述金属地板之间以形成下层天线，所述金属探针的第一端连接在所述第一金属片上且第二端穿过所述第三金属片和所述金属地板连接馈线以同时激励所述上层天线和所述下层天线，通过调节所述第二金属片到所述上层天线的辐射口面之间的第一间距和所述第四金属片到所述下层天线的辐射口面之间的第二间距以使所述上层天线和所述下层天线之间产生90°相位差；并通过调节所述上层天线的辐射口面的宽度和高度以及所述下层天线的辐射口面的宽度和高度以使得辐射口面相互正交的所述上层天线和所述下层天线极化的幅度相等。

优选地，所述第一金属片、第二金属片、第三金属片、第四金属片以及所述金属地板均为矩形结构。

优选地，与所述第二金属片垂直的所述第一金属片的第一边长≤与所述第二金属片垂直的所述第三金属片的第一边长≤与所述第二金属片垂直的所述金属地板的第一边长；与所述第二金属片平行的所述第一金属片的第二边长≤与所述第二金属片平行的所述第三金属片的第二边长≤与所述第二金属片平行的所述金属地板的第二边长。

优选地，与所述第一金属片平行的所述第二金属片的第一边长≤与所述第二金属片平行的所述第一金属片的第二边长；与所述第三金属片平行的所述第四金属片的第一边长≤与所述第四金属片平行的所述第三金属片的第一边长。

优选地，所述第一金属片、第二金属片、第三金属片、第四金属片以及所述金属地板分别为三角形、梯形、圆形结构或者其他任意规则或不规则形状结构。

优选地，所述第一金属片、第二金属片、第三金属片和第四金属片由一块金属平板折叠而成。

优选地，所述第一金属片、第二金属片由一块金属平板折叠而成，所述第三金属片、第四金属片由另一块金属平板折叠而成，其中所述第二金属片与所述第三金属片焊接连接。

优选地，所述第一金属片、第二金属片、第三金属片和第四金属片依次通过焊接连接。

优选地，所述第四金属片焊接连接在所述金属地板上。

优选地，所述第一金属片、第二金属片、第三金属片和第四金属片分别是由带介质基板的印刷电路板加工而成。

优选地，所述上层天线的辐射口面的高度与所述下层天线的辐射口面的高度之和小于或等于0.1倍的波长。

优选地，所述上层天线的辐射口面的高度与所述下层天线的辐射口面的高度之和小于或等于0.05倍的波长。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明的圆极化的双层平面倒F天线通过依次相互连接的第一、第二、第三金属片形成上层天线，依次相互连接的第三、第四金属片和金属地板形成下层天线，其中第二金属片(上层天线的短路面)与第四金属片(下层天线的短路面)相互垂直，使得上层天线的辐射口面与下层天线的辐射口面相互正交，从而构成一对正交极化的四分之一波长谐振模式，相比于传统的二分之一波长谐振的圆极化微带天线，尺寸减小了75％以上，实现圆极化微带天线的小型化，再通过调节上层天线和下层天线的尺寸，可以在上层天线和下层天线之间产生90°相位差且极化幅度一致，从而在天线的正上方形成圆极化辐射；且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，具有低剖面特性；另外该天线仅包括一块金属振子、一根金属探针和一块金属地板，具有结构简单、成本低的特点；综上所述，本发明的圆极化的双层平面倒F天线实现了小型、低剖面、高效率、低成本、单馈点、结构简单的圆极化特性；另外，本发明的圆极化的双层平面倒F天线通过一根金属探针同时激励起两个平面倒F天线，可以分别沿水平面内的两个方向调节馈电点位置，其中沿某个方向移动，只影响相应的一个天线的阻抗匹配，从而能够通过分别调节馈电点位置在水平面内的两个方向上的位置来独立地调节上层天线和下层天线的阻抗匹配。

在进一步的方案中，金属振子可以采用一块金属平板折叠而成，结构更加简单，成本进一步降低；其中上层天线的辐射口面的高度与下层天线的辐射口面的高度之和不大于0.1倍的波长甚至0.05倍的波长，更进一步实现低剖面效果。

在更进一步的方案中，金属振子采用全金属结构，可以采用空气介质，也可以采用介质基板进行加工，其中采用空气介质时无介质损耗，辐射效率更高。

附图说明

图1是本发明优选实施例的圆极化的双层平面倒F天线的结构示意图；

图2是图1的分解示意图；

图3是制作图1中的金属振子的金属平板的展开示意图；

图4a是本发明具体实例的制作圆极化的双层平面倒F天线中的金属振子的金属平板的尺寸示意图；

图4b是发明具体实例的圆极化的双层平面倒F天线中的金属振子的尺寸示意图；

图4c是发明具体实例的圆极化的双层平面倒F天线中的金属地板和馈电点位置的尺寸示意图；

图5a是本发明具体实例的圆极化的双层平面倒F天线的反射系数；

图5b是本发明具体实例的圆极化的双层平面倒F天线的正上方的轴比；

图5c是本发明具体实例的圆极化的双层平面倒F天线的效率；

图6a是本发明具体实例的圆极化的双层平面倒F天线在YZ平面的归一化辐射方向图；

图6b是本发明具体实例的圆极化的双层平面倒F天线的XZ平面的归一化辐射方向图。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，本发明优选实施例的圆极化的双层平面倒F天线，包括金属振子10、金属探针20和金属地板30，金属振子10包括第一金属片11、第二金属片12、第三金属片13和第四金属片14，其中第一金属片11和第二金属片12分别与金属地板30平行设置，第二金属片12和第四金属片分别与金属地板30垂直设置且第二金属片12与第四金属片14相互垂直，第二金属片12连接在第一金属片11和第三金属片13之间以形成上层天线100(其中第一金属片11构成上层天线100的金属上边界，第三金属片13构成上层天线100的金属下边界，第二金属片12构成上层天线100的短路面)，第四金属片14连接在第三金属片13和金属地板30之间以形成下层天线200(其中第三金属片13构成下层天线200的上边界，金属地板30构成下层天线200的金属下边界，第四金属片14构成下层天线200的短路面)，第三金属片13既用于构成下层天线200的金属上边界，同时也构成上层天线100的金属下边界，也即通过第二金属片12与第三金属片13的连接使得上层天线100和下层天线200连接在一起；金属探针20的第一端连接(可以是焊接)在第一金属片11的馈电点111上且第二端穿过第三金属片13的孔洞131以及金属地板30上的孔洞31后连接馈线以同时激励上层天线100和下层天线200(其中金属探针20可以不与第三金属片13和金属地板30接触)，通过调节第二金属片12到上层天线100的辐射口面之间的第一间距和第四金属片14到下层天线200的辐射口面之间的第二间距以使上层天线100和下层天线200之间产生90°相位差；并通过调节上层天线100的辐射口面的宽度和高度以及下层天线200的辐射口面的宽度和高度以使得辐射口面相互正交的上层天线100和下层天线200极化的幅度相等。当双层平面倒F天线工作时，金属探针20同时激励上层天线100和下层天线200，其中上层天线100和下层天线200的辐射口的朝向正交，因此可以产生两个正交极化的四分之一波长谐振模式，并由上层天线100与下层天线200的侧面开口同时向外辐射能量；通过调节上层天线100与下层天线200使两个正交模式产生90°相位差且极化幅度一致，从而能够产生圆极化辐射。

结合图3，第一金属片11、第二金属片12、第三金属片13和第四金属片14以及金属地板30均为矩形结构，其中与第二金属片12垂直的第一金属片11的第一边长a≤与第二金属片12垂直的第三金属片13的第一边长e≤与第二金属片12垂直的金属地板30的第一边长i，与第二金属片12平行的第一金属片11的第二边长b≤与第二金属片12平行的第三金属片的第二边长f≤与第二金属片12平行的金属地板30的第二边长j。而且，与第一金属片11平行的第二金属片12的第一边长c≤与第二金属片12平行的第一金属片11的第二边长b；与第三金属片13平行的第四金属片的第一边长g≤与第四金属片14平行的第三金属片13的第一边长e(也即与第二金属片12垂直的第三金属片13的第一边长e)。第二金属片12到上层天线100的辐射口面之间的第一间距即为与第二金属片12垂直的第一金属片11的第一边长a，第四金属片14到下层天线200的辐射口面之间的第二间距即为与第四金属片14垂直的第三金属片13的第二边长f(也即与第二金属片12平行的第三金属片的第二边长f)。

其中第一金属片11、第二金属片12、第三金属片13和第四金属片14可以是由一块金属平板折叠而成；也可以第一金属片11、第二金属片12由一块金属平板折叠而成，第三金属片13、第四金属片14由另一块金属平板折叠而成，且第二金属片12与第三金属片13焊接连接；还可以第一金属片11、第二金属片12、第三金属片13和第四金属片14依次通过焊接连接；第四金属片14与金属地板30焊接连接。

在进一步的实施例中，上层天线100的辐射口面的高度与下层天线200的辐射口面的高度之和小于或等于0.1倍的波长；更进一步，上层天线100的辐射口面的高度与下层天线200的辐射口面的高度之和小于或等于0.05倍的波长。

在一些实施例中，第一金属片11、第二金属片12、第三金属片13和第四金属片14可以分别直接是金属片，也可以分别由带介质基板的印刷电路板加工而成。而且第一金属片11、第二金属片12、第三金属片13和第四金属片14以及金属地板30也可以是三角形、梯形、圆形结构或者其他任意规则或不规则形状结构，例如倒边或倒圆处理后的矩形结构等。

下列结合具体实例对本发明优选实施例的圆极化的双层平面倒F天线进行进一步说明。

图4a至图4c给出了一个应用于433MHz ISM频段的实例，其中图4a为一块0.2mm厚的铜片，将铜片沿着虚线进行折叠，就可以得到如图4b所示的金属振子10。其中金属振子10中的第三金属片13既用于下层天线200的辐射，同时也构成上层天线100的金属下边界，因此，第三金属片13的尺寸略大于第一金属片11的尺寸。在本实例中，与第二金属片12平行的第一金属片11的第二边长b＝与第一金属片11平行的第二金属片12的第一边长c＝与第二金属片12平行的第三金属片的第二边长f＝155mm，与第四金属片14平行的第三金属片13的第一边长e＝与第三金属片13平行的第四金属片的第一边长g＝185mm，与第二金属片12垂直的第一金属片11的第一边长a＝162mm，与第二金属片12垂直的金属地板30的第一边长i＝250mm，与第二金属片12平行的金属地板30的第二边长j＝220mm，因此，在本实例中上层天线100的辐射口面的宽度等于与第一金属片11平行的第二金属片的第一边长c，高度等于与第一金属片11垂直的第二金属片的第二边长d；下层天线200的辐射口面的宽度等于与第三金属片13平行的第四金属片14的第一边长g，高度等于与第三金属片13垂直的第四金属片14的第二边长h。其中，与第一金属片11垂直的第二金属片的第二边长d＝与第三金属片13垂直的第四金属片14的第二边长h＝17.5mm，也即上层天线100的辐射口面的高度与下层天线200的辐射口面的高度一致，结合层天线100的辐射口面的宽度与下层天线200的辐射口面的宽度的设置，使得上层天线100和下层天线200产生相同辐射能力的信号。其中波长为700mm，本实例中上层天线100的辐射口面的高度与下层天线200的辐射口面的高度之和为35mm，为波长的0.05倍。

在金属地板30下方用50ΩSMA射频头连接金属探针20给金属振子10馈电，第一金属片11上的馈电点111的位置如图4c所示，馈电点111距离第一金属片11与第二金属片12的相交边82.5mm，距离与第二金属片12垂直的第一金属片11的一条边56.5mm；在天线设计时天线的阻抗匹配由短路面到馈电位置的距离决定，在本实例中，当金属探针20的馈电位置在X轴方向上移动时，只影响下层天线200的阻抗匹配而对上层天线100的阻抗匹配没有影响，当金属探针20的馈电位置在Y轴方向上移动时，只影响上层天线100的阻抗匹配而对下层天线200的阻抗匹配没有影响，从而使得当金属探针20的馈电位置分别沿Y轴和X轴移动时，上层天线100和下层天线200的阻抗匹配可以分别独立调节，这种独立调节的特性可以大大减小天线调节的复杂度；在实际调节过程中，只需先沿X轴方向移动金属探针20，调到一个最佳位置，使下层天线200的阻抗匹配最好，金属探针20在X轴方向就可以固定不动了，然后再沿Y轴方向移动金属探针20，调到一个最佳位置，使上层天线100的阻抗匹配最好，即完成了金属探针20的调节。

上层天线100和下层天线200的尺寸分别决定了两个正交模式的谐振频率，通过调节上下两层平面倒F天线的尺寸可以调节两个正交模式之间的相位差，从而影响天线的轴比特性。本实例中调节了第二金属片12到上层天线100的辐射口面之间的第一间距(也即与第二金属片12垂直的第一金属片11的第一边长a＝162mm)和第四金属片14到下层天线200的辐射口面之间的第二间距(也即与第四金属片14垂直的第三金属片13的第二边长f＝155mm)使得上层天线100和下层天线200之间产生90°相位差，并调节了上层天线100的辐射口面的宽度(也即与第一金属片11平行的第二金属片12的第一边长c＝155mm)和高度(也即与第一金属片11垂直的第二金属片的第二边长d＝17.5mm)以及下层天线200的辐射口面的宽度(也即与第三金属片13平行的第四金属片的第一边长g＝185mm)和高度(也即与第三金属片13垂直的第四金属片14的第二边长h＝17.5mm)使得上层天线100和下层天线200极化的幅度相等；调节好后满足了上层天线100和下层天线200的辐射口面相互正交，极化的幅度一直，且相位差为90°的条件，实现了圆极化的天线。该天线的金属振子10尺寸为185mm×155mm(对应的电尺寸0.26λ₀×0.22λ₀)，金属地板30的尺寸为250mm×220mm(对应的电尺寸0.36λ₀×0.32λ₀)，天线的剖面高度为35mm(对应的电尺寸0.05λ₀)，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例的反射系数的仿真和测试结果如图5a，可以看出该实例的-10dB阻抗带宽的测试值为：413～440MHz(27MHz)，相对中心频率的相对阻抗带宽为6.2％，该天线具有较宽的阻抗带宽；图5b给出了该实例的正上方轴比带宽为：430.3～435.1MHz(4.8MHz)，相对中心频率的相对轴比带宽为1.1％，满足433MHz有源RFID的应用需求；图5c给出了该天线的辐射效率，可以看到该天线最高效率接近100％，并且在423～443MHz带宽内效率均高于95％，由于该实施例为全金属结构，没有介质损耗，因此该天线具有非常高的效率。图6a和图6b给出了该实施例在中心频率433MHz处的归一化辐射方向图，其中实线表示仿真值，虚线表示测试值，从图中可以看到在中心频率433MHz处，方向图朝向在两个面都稍微有点倾斜，这是由于平面倒F天线的不对称结构造成的；尽管如此，天线在轴向(+z方向)仍然具有较好的辐射能力，满足应用需求。

综上所述，本发明提供了一种小型圆极化双层平面倒F天线设计。该天线由金属振子、金属探针和金属地板构成，其中金属振子为辐射口面朝向正交的双层平面倒F天线结构，包含上层天线和下层天线，其可以用一块金属平板手工折叠而成，也可由两块折叠金属平板焊接而成，加工简单。该天线通过一根金属探针同时激励上下两个正交的四分之一波长平面倒F天线的谐振模式，相比于传统的半波长谐振的圆极化切角微带天线，尺寸减小了77％左右；调节上下两个平面倒F天线的尺寸可以在两个正交模式之间得到90°相位差，从而实现圆极化辐射。在具体实施过程中，金属振子、金属探针和金属地板的各项尺寸都可进行灵活地调节，这些参数将用于天线的阻抗匹配和轴比带宽的调节；在进行优化设计后，该天线将可实现小型、低剖面、高效率的圆极化辐射性能。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种圆极化的双层平面倒F天线，其特征在于，包括金属振子、金属探针和金属地板，其中所述金属振子包括第一金属片、第二金属片、第三金属片和第四金属片，所述第一金属片、第三金属片分别与所述金属地板平行设置，所述第二金属片、第四金属片分别与所述金属地板垂直设置且所述第二金属片与所述第四金属片相互垂直，所述第二金属片连接在所述第一金属片和所述第三金属片之间以形成上层天线，所述第四金属片连接在所述第三金属片和所述金属地板之间以形成下层天线，所述金属探针的第一端连接在所述第一金属片上且第二端穿过所述第三金属片和所述金属地板连接馈线以同时激励所述上层天线和所述下层天线，通过调节所述第二金属片到所述上层天线的辐射口面之间的第一间距和所述第四金属片到所述下层天线的辐射口面之间的第二间距以使所述上层天线和所述下层天线之间产生90°相位差；并通过调节所述上层天线的辐射口面的宽度和高度以及所述下层天线的辐射口面的宽度和高度以使得辐射口面相互正交的所述上层天线和所述下层天线极化的幅度相等。

2.根据权利要求1所述的圆极化的双层平面倒F天线，其特征在于，所述第一金属片、第二金属片、第三金属片、第四金属片以及所述金属地板均为矩形结构。

3.根据权利要求2所述的圆极化的双层平面倒F天线，其特征在于，与所述第二金属片垂直的所述第一金属片的第一边长≤与所述第二金属片垂直的所述第三金属片的第一边长≤与所述第二金属片垂直的所述金属地板的第一边长；与所述第二金属片平行的所述第一金属片的第二边长≤与所述第二金属片平行的所述第三金属片的第二边长≤与所述第二金属片平行的所述金属地板的第二边长。

4.根据权利要求2所述的圆极化的双层平面倒F天线，其特征在于，与所述第一金属片平行的所述第二金属片的第一边长≤与所述第二金属片平行的所述第一金属片的第二边长；与所述第三金属片平行的所述第四金属片的第一边长≤与所述第四金属片平行的所述第三金属片的第一边长。

5.根据权利要求1所述的圆极化的双层平面倒F天线，其特征在于，所述第一金属片、第二金属片、第三金属片、第四金属片以及所述金属地板分别为三角形、梯形、圆形结构或者其他任意规则或不规则形状结构。

6.根据权利要求1至5任一项所述的圆极化的双层平面倒F天线，其特征在于，所述第一金属片、第二金属片、第三金属片和第四金属片采用以下任意一种方式连接而成：A、所述第一金属片、第二金属片、第三金属片和第四金属片由一块金属平板折叠而成；B、所述第一金属片、第二金属片由一块金属平板折叠而成，所述第三金属片、第四金属片由另一块金属平板折叠而成，其中所述第二金属片与所述第三金属片焊接连接；C、所述第一金属片、第二金属片、第三金属片和第四金属片依次通过焊接连接。

7.根据权利要求1至5任一项所述的圆极化的双层平面倒F天线，其特征在于，所述第四金属片焊接连接在所述金属地板上。

8.根据权利要求1至5任一项所述的圆极化的双层平面倒F天线，其特征在于，所述第一金属片、第二金属片、第三金属片和第四金属片分别是由带介质基板的印刷电路板加工而成。

9.根据权利要求1至5任一项所述的圆极化的双层平面倒F天线，其特征在于，所述上层天线的辐射口面的高度与所述下层天线的辐射口面的高度之和小于或等于0.1倍的波长。

10.根据权利要求1至5任一项所述的圆极化的双层平面倒F天线，其特征在于，所述上层天线的辐射口面的高度与所述下层天线的辐射口面的高度之和小于或等于0.05倍的波长。