CN108832290B - 三臂圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种三臂圆极化天线，包括介质基板、辐射贴片和接地板，辐射贴片包括馈电微带线贴片、馈电微带线贴片外圆周上的三个金属贴片臂，馈电微带线贴片为带有缺口的圆环，相邻两个金属贴片臂之间的夹角为120度；辐射贴片上设有辐射贴片圆形槽，接地板为圆环并且其上有接地板圆形槽，本发明解决了传统圆极化天线设计方法增益较低的问题，不同于传统圆极化天线设计利用两个方向相互正交且相位相差90°的电场矢量构成方式，本发明采用了三个方向间距为120°且相位差为120°的电场矢量构成圆极化，合成后的电场矢量为传统设计方法的1.5倍，在主辐射方向上轴比小于3dB角度为60°左右，增益为2dBi，天线结构简单，便于制作。

Description

三臂圆极化天线
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体是一种三臂圆极化天线。
背景技术
现代电子信息技术的飞速发展和无线电设备应用领域的日益扩展，天线作为一种能量转化和定向辐射/接收电磁波的设备，已经受到了广泛关注和深入研究。近年来，天线更加广泛的应用在多个领域，不仅在移动通信、卫星通信、导航遥测等众多军事领域得到广泛的应用，目前也大量地应用在卫星导航、现代移动通信、生物医学、广播电视等民用领域。圆极化天线较线极化天线有诸多优点：在抗干扰、抗衰落以及抗多径效应上具有优势；旋向正交性；接收任意极化来波，其辐射波也可由任意极化天线接收等等，因此，圆极化天线在卫星通信、导航及定位中得到了广泛的运用。
天线的圆极化指天线在给定方向上辐射的电磁波电场矢量末端的运动轨迹为圆形。传统的圆极化设计方式采用自由空间中的两个线极化波合成圆极化波，即利用微带贴片产生幅度相等、相位相差90°且方向相互正交的两个电场矢量进行合成，由此形成圆极化波。根据该方法主要有三类圆极化微带天线的设计方式：单馈法、多馈法和多元法。单馈点圆极化微带天线的产生是利用简并模分离元产生两个方向相互正交且相位相差90°的简并模式来实现；多馈点圆极化微带天线利用多个馈点激励起一对方向正交、幅度相等且相位差为90°的简并模式来实现圆极化；多元法圆极化微带天线采用线极化单元通过合理的组阵和馈电实现圆极化。
因此常规圆极化天线增益较低，为提高天线增益，提出了利用多馈电点多元结构或加入反射板等方法，但这些方法使得圆极化天线的结构更为复杂，体积增大等缺点。
发明内容
为提高天线增益，本发明提出了一种三臂圆极化天线，利用三臂贴片实现相位差为120°的电场矢量合成圆极化波，从而在较为简单的结构中实现增益提高。
为实现上述目的，本发明技术方案如下：
一种三臂圆极化天线，包括介质基板、辐射贴片和接地板，辐射贴片和接地板沿介质基板的中心线上下对称布置，辐射贴片位于介质基板的上表面，接地板在介质基板的下方，所述辐射贴片包括馈电微带线贴片、馈电微带线贴片外圆周上的三个宽度相同的金属贴片臂，馈电微带线贴片为带有缺口的圆环，所述缺口对应的圆心角小于95度，相邻两个金属贴片臂之间的夹角为120度；辐射贴片上设有一个辐射贴片圆形槽作为同轴馈电使用，接地板为圆环并且其上有一个接地板圆形槽作为同轴馈电使用，接地板圆形槽和辐射贴片圆形槽的圆心位置上下对应，馈电微带线贴片的圆环和接地板的圆环的圆心位置上下对应。
与传统圆极化天线利用两个方向电场设计不同，三臂辐射贴片实现相位差为120°的电场矢量，在任意时刻，三臂圆极化天线电场矢量合成后为传统圆极化天线的1.5倍。
传统圆极化天线电场矢量：
三臂圆极化天线电场矢量：
Figure BDA0001704927410000022
作为优选方式，馈电微带线贴片为四分之三个圆环。
作为优选方式，辐射贴片圆形槽圆心和馈电微带线贴片圆环圆心的连线，与第一金属贴片臂的夹角α为11.5度。
作为优选方式，馈电微带线贴片的圆环内径为r1，馈电微带线贴片的圆环内径外径之差为d1，r1+d1/2＝A，接地板的圆环内径为r2，接地板的圆环内径外径之差为d2，r2+d2/2＝B，且A＝B。
作为优选方式，辐射贴片与馈电同轴线内导体连接，接地板与馈电同轴线外导体连接。
作为优选方式，所述介质基板为RF-35环氧板，相对介电常数εr＝3.5，介质损耗为0.0018。
作为优选方式，所述介质基板的长L为60mm，宽W为60mm，厚为1mm。
作为优选方式，所述接地板为内径7mm、外径9.7mm圆环金属片。
作为优选方式，所述接地板圆形槽的半径为1.15mm。
作为优选方式，第一金属贴片臂的长度为17mm，第二金属贴片臂和第三金属贴片臂的长度为19.7mm，三个金属贴片臂的宽度均为1mm，馈电微带线贴片的圆环内径为8mm、外径为9mm，辐射贴片圆形槽的半径为0.5mm。
本发明的有益效果为：本发明解决了传统圆极化天线设计方法增益较低的问题，不同于传统圆极化天线设计利用两个方向相互正交且相位相差90°的电场矢量构成方式，本发明采用了三个方向间距为120°且相位差为120°的电场矢量构成圆极化，合成后的电场矢量为传统设计方法的1.5倍，在主辐射方向上轴比小于3dB角度为60°左右，增益为2dBi。天线结构简单，便于制作，实用性很强。
附图说明
图1为三臂圆极化天线的正面结构示意图，用以显示辐射贴片的结构。
图2为三臂圆极化天线的背面结构示意图，用以显示接地板的结构。
图3为三臂圆极化天线的侧面结构示意图。
图4为三臂圆极化天线的回波损耗特征曲线图。
图5为三臂圆极化天线在2.45GHz时在XOY平面和XOZ平面的辐射方向图。
图6为三臂圆极化天线在2.45GHz时在
Figure BDA0001704927410000031
为0°和90°时的轴比曲线图。
其中，1为介质基板，2为接地板，3为辐射贴片，4为接地板圆形槽，5为辐射贴片圆形槽，6为金属贴片，61为第一金属贴片臂，62为第二金属贴片臂，63为第三金属贴片臂，7为馈电微带线贴片。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
一种三臂圆极化天线，包括介质基板1、辐射贴片3和接地板2，辐射贴片3和接地板2沿介质基板1的中心线上下对称布置，辐射贴片3位于介质基板1的上表面，接地板2在介质基板1的下方，所述辐射贴片3包括馈电微带线贴片7、馈电微带线贴片7外圆周上的三个宽度相同的金属贴片臂61、62、63，馈电微带线贴片7为四分之三个圆环。所述缺口对应的圆心角小于95度，相邻两个金属贴片臂之间的夹角为120度；辐射贴片3上设有一个辐射贴片圆形槽5作为同轴馈电使用，接地板2为圆环并且其上有一个接地板圆形槽4作为同轴馈电使用，接地板圆形槽4和辐射贴片圆形槽5的圆心位置上下对应，馈电微带线贴片7的圆环和接地板2的圆环的圆心位置上下对应。辐射贴片圆形槽5圆心和馈电微带线贴片7圆环圆心的连线，与第一金属贴片臂61的夹角α为11.5度。
馈电微带线贴片7的圆环内径为r1，馈电微带线贴片7的圆环内径外径之差为d1，r1+d1/2＝A，接地板2的圆环内径为r2，接地板2的圆环内径外径之差为d2，r2+d2/2＝B，且A＝B。
本实施例的天线能够具有圆极化特性，每个金属贴片产生一个该方向上的电场矢量，三臂辐射贴片实现相位差为120°的电场矢量，在任意时刻，电场矢量合成后为传统圆极化天线的1.5倍；圆环馈电长度为波长的三分之二，由此，所设计的圆极化天线工作在WLAN频段的2.45GHz。通过改变馈电圆环长度和三臂长度可改变工作频率和天线轴比。所述介质基板1为长L为60mm，宽W为60mm，厚为1mm的RF-35环氧板，相对介电常数εr＝3.5，介质损耗为0.0018。应用高频仿真软件HFSS对不同天线结构参数进行仿真计算和优化设计，获得以下最佳尺寸和调谐的关系：
所述接地板2为内径7mm、外径9.7mm圆环金属片。
第一金属贴片臂的长度为17mm，第二金属贴片臂和第三金属贴片臂的长度为19.7mm，三个金属贴片臂的宽度均为1mm，馈电微带线贴片7的圆环内径为8mm、外径为9mm，辐射贴片圆形槽5的半径为0.5mm。
辐射贴片3与馈电同轴线内导体连接，接地板2与馈电同轴线外导体连接。
所述接地板圆形槽4的半径为1.15mm。
与传统圆极化天线利用两个方向电场设计不同，三臂辐射贴片实现相位差为120°的电场矢量，在任意时刻，三臂圆极化天线电场矢量合成后为传统圆极化天线的1.5倍。
传统圆极化天线电场矢量：
Figure BDA0001704927410000041
三臂圆极化天线电场矢量：
Figure BDA0001704927410000042
对该天线的辐射性能进行分析测试，如图4所示，为天线回波损耗曲线。图5为天线水平放置时的辐射方向图，实线为xoy面即水平面内辐射方向图，虚线为xoz面即垂直面内辐射方向图，该天线在水平面内方向图为三叶草形状，在垂直天线的方向上为花生形状，在天线介质基板两侧均可辐射圆极化波，不过在天线基板上面空间内为左旋圆极化波，在天线基板下面空间内为右旋圆极化波，由此，可在基板下面通过增加反射板的方式将右旋圆极化波反射加以利用。图6是天线在2.45GHz时在极坐标内，天线分别在
Figure BDA0001704927410000043
为0°和90°平面内的轴比曲线图，图6中实线为天线
Figure BDA0001704927410000045
为0°的轴比曲线图，虚线为天线为90°的轴比曲线图，从图中可以看出，轴比在主辐射方向60°左右的夹角内均满足轴比小于3dB的工程应用，并且天线增益较高，结构简单，便于制作。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种三臂圆极化天线，其特征在于：包括介质基板（1）、辐射贴片（3）和接地板（2），辐射贴片（3）和接地板（2）沿介质基板（1）的中心线上下对称布置，辐射贴片（3）位于介质基板（1）的上表面，接地板（2）在介质基板（1）的下方，所述辐射贴片（3）包括馈电微带线贴片（7）、馈电微带线贴片（7）外圆周上的三个宽度相同的金属贴片臂（61、62、63），馈电微带线贴片（7）为带有缺口的圆环，所述缺口对应的圆心角小于95度，相邻两个金属贴片臂之间的夹角为120度且相位差为120度；辐射贴片（3）上设有一个辐射贴片圆形槽（5）作为同轴馈电使用，接地板（2）为圆环并且其上有一个接地板圆形槽（4）作为同轴馈电使用，接地板圆形槽（4）和辐射贴片圆形槽（5）的圆心位置上下对应，馈电微带线贴片（7）的圆环和接地板（2）的圆环的圆心位置上下对应。
2.根据权利要求1所述的三臂圆极化天线，其特征在于：馈电微带线贴片（7）为四分之三个圆环。
3.根据权利要求1所述的三臂圆极化天线，其特征在于：辐射贴片圆形槽（5）圆心和馈电微带线贴片（7）圆环圆心的连线，与第一金属贴片臂（61）的夹角α为11.5度。
4.根据权利要求1所述的三臂圆极化天线，其特征在于：馈电微带线贴片（7）的圆环内径为r1，馈电微带线贴片（7）的圆环内径外径之差为d1，r1+d1/2=A，接地板（2）的圆环内径为r2，接地板（2）的圆环内径外径之差为d2，r2+d2/2=B，且A=B。
5.根据权利要求1所述的三臂圆极化天线，其特征在于：辐射贴片（3）与馈电同轴线内导体连接，接地板（2）与馈电同轴线外导体连接。
6.根据权利要求1所述的三臂圆极化天线，其特征在于：所述介质基板（1）为RF-35环氧板，相对介电常数εr=3.5，介质损耗为0.0018。
7.根据权利要求1所述的三臂圆极化天线，其特征在于：所述介质基板（1）的长L为60mm，宽W为60mm，厚为1mm。
8.根据权利要求1所述的三臂圆极化天线，其特征在于：所述接地板（2）为内径7mm、外径9.7mm圆环金属片。
9.根据权利要求1所述的三臂圆极化天线，其特征在于：所述接地板圆形槽（4）的半径为1.15mm。
10.根据权利要求1所述的三臂圆极化天线，其特征在于：第一金属贴片臂的长度为17mm，第二金属贴片臂和第三金属贴片臂的长度为19.7mm，三个金属贴片臂的宽度均为1mm，馈电微带线贴片（7）的圆环内径为8mm、外径为9mm，辐射贴片圆形槽（5）的半径为0.5mm。
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