CN109301469A - 一种基于强耦合效应的宽频带圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于强耦合效应的宽频带圆极化天线，该天线具有三层结构，上层结构是印刷在圆形介质板上下两层具有旋转对称特性的辐射结构，包括介质板上层的四个紧密排列的异形偶极子，偶极子之间具有较强的互耦效应，以及介质板下层的四个寄生贴片；中层结构是四个印刷在介质板上的宽带巴伦结构，为辐射结构提供平衡馈电，同时实现了宽频带内的阻抗匹配；下层结构是印刷在介质板上层的地板以及介质板下层的馈电网络，馈电网络包括两种二阶威尔金森功率分配器、一种180°宽带移相器以及一种90°宽带移相器。此天线具有频带宽、尺寸小、结构简单、带内增益平缓等优点，适合用于卫星通讯、射频识别系统、无线局域网、全球定位系统等无线通信领域。

Description

一种基于强耦合效应的宽频带圆极化天线
技术领域
本发明涉及无线通信领域中的天线设计技术，特别涉及一种基于强耦合效应的宽频带圆极化天线。
背景技术
随着现代无线通信技术的发展，作为收发无线信号的装置，天线起到了越来越重要的作用。由于具有减小多径效应、提高极化匹配效率以及抵消法拉第旋转效应等优势，圆极化天线在卫星通信、射频识别、全球定位系统等无线通信系统中受到了更大的关注，宽带圆极化天线的设计成为电磁领域的研究热点。近年来，强耦合效应受到了天线设计者的关注，利用天线单元之间强烈的互耦效应可以使表面电流连续，进而减小天线体积，展宽天线带宽。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是利用天线单元之间强烈的互耦效应，实现一种基于强耦合效应的宽频带圆极化天线。此天线具有频带宽、尺寸小、结构简单、带内增益平缓等特点。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种基于强耦合效应的宽频带圆极化天线，天线包括上、中、下三层，上层为印刷在上介质板上的上下两层具有旋转对称特性的辐射结构，包括上介质板上层的四个紧密排列的异形偶极子，以及上介质板下层的四个寄生贴片；中层为四个印刷在中介质板上的宽带巴伦结构；下层为印刷在下介质板上层的地板以及下层的馈电网络；所述四个紧密排列的异形偶极子通过宽带巴伦结构与下介质板上层的地板以及下层的馈电网络相连接。
优选的，所述异形偶极子包括外侧臂与内侧臂，外侧臂对称地分布在内侧臂外侧，四个矩形结构的寄生贴片分别设在内侧臂外侧且在相邻外侧臂之间。
优选的，所述外侧臂由半圆形经过切角而成，切角的一个边为弧形，一个边为阶梯形，阶梯为矩形金属片，并且在外侧臂上有圆形开槽。
优选的，所述内侧臂包括一个四分之一圆，四分之一圆的一个边延伸一矩形金属片，且延伸的矩形金属片与外侧臂的阶梯相对应。
优选的，所述宽带巴伦包括巴伦馈电部分和巴伦接地部分，巴伦馈电部分位于中介质板外侧，包括两段阻抗变换微带线以及一段50Ω微带线；巴伦接地部分位于介质板内侧，包括两个对称分布的弯折矩形接地金属片。
优选的，所述馈电网络包括一对外置二阶威尔金森功率分配器和分布于一对外置二阶威尔金森功率分配器中心的内置二阶威尔金森功率分配器，还包括连接一对外置二阶威尔金森功率分配器和一个内置二阶威尔金森功率分配器的180°宽带移相器，以及分别连接在一对外置二阶威尔金森功率分配器上的90°宽带移相器。
优选的，所述内置二阶威尔金森功率分配器和外置二阶威尔金森功率分配器为由两个相互连接的圆环构成8字形的结构，在两个圆环之间和顶部圆环上设有电阻。
优选的，所述180°宽带移相器分别连接一个内置二阶威尔金森功率分配器的顶部圆环和一个外置二阶威尔金森功率分配器底部圆环；
优选的，所述90°宽带移相器分别连接一对外置二阶威尔金森功率分配器的顶部圆环。
优选的，所述上、中、下介质板的材质为F4B，上介质板和下介质板为圆形，且下介质板的直径大于上介质板的直径；中介质板为矩形；三者厚度相同。
优选的，所述天线的中心频率为2.5GHz，相对阻抗带宽不小于92％，轴比带宽达到100％，3dB增益带宽不小于84％；
所述天线的XOZ面方向图与YOZ面方向图近乎一致，交叉极化低于-20dB；最大增益不小于7.07dBic。
本发明的特点在于：
本发明基于天线单元之间的强互耦效应，设计发明了一种新型的基于强耦合效应的宽频带圆极化天线。为了展宽天线阻抗带宽，四个偶极子紧密排列，偶极子内侧臂之间产生强烈的互耦效应，外侧臂与内侧臂之间的缝隙进一步提高了偶极子之间的耦合强度，利用容性耦合抵消了偶极子本身与地板之间的电感分量，使天线在较宽频带内具有相对平缓的阻抗变化。四个寄生贴片通过电容耦合，实现了偶极子外侧臂之间的电连接，利用耦合使表面电流连续，并且寄生贴片产生了另一个谐振点，进一步增加了阻抗带宽。
同时，采用顺序旋转结构，利用宽带功分相移器，实现了较宽的轴比带宽。其中，威尔金森功率分配器采用圆弧形状，不仅提升了两个输出端口之间的隔离度，同时还减小了尺寸。威尔金森功率分配器上的两个阻值不同的贴片电阻可以进一步提高两个输出端口之间的隔离度。另外，宽带移相器利用微带线之间的耦合，可以在较宽的频带内保持稳定的相位差。并且，由于地板放置在天线下方，因此天线的辐射方向图具有良好的定向性，在整个工作频带内最大辐射方向都在天线正上方。
此天线具有频带宽、尺寸小、结构简单、带内增益平缓等优点，适合用于卫星通讯、射频识别系统、无线局域网、全球定位系统等无线通信领域。
附图说明
图1为本发明基于强耦合效应的宽频带圆极化天线的立体结构视意图；
图2为本发明基于强耦合效应的宽频带圆极化天线的辐射结构俯视图；
图3为本发明基于强耦合效应的宽频带圆极化天线的整体结构侧视图；
图4为本发明基于强耦合效应的宽频带圆极化天线的馈电网络仰视图；
图5(a)、(b)、(c)、(d)分别为本发明基于强耦合效应的宽频带圆极化天线的两种二阶威尔金森功率分配器以及两种宽带移相器结构图；
图6为本发明基于强耦合效应的宽频带圆极化天线的电压驻波比曲线图；
图7为本发明基于强耦合效应的宽频带圆极化天线的轴比曲线图；
图8为本发明基于强耦合效应的宽频带圆极化天线在1.8GHz的XOZ面主极化与交叉极化方向图；
图9为本发明基于强耦合效应的宽频带圆极化天线在1.8GHz的YOZ面主极化与交叉极化方向图；
图10为本发明基于强耦合效应的宽频带圆极化天线在2.9GHz的XOZ面主极化与交叉极化方向图；
图11为本发明基于强耦合效应的宽频带圆极化天线在2.9GHz的YOZ面主极化与交叉极化方向图；
图12为本发明基于强耦合效应的宽频带圆极化天线在4.0GHz的XOZ面主极化与交叉极化方向图；
图13为本发明基于强耦合效应的宽频带圆极化天线在4.0GHz的YOZ面主极化与交叉极化方向图；
图14为本发明基于强耦合效应的宽频带圆极化天线的主极化增益曲线图。
图中：1、上介质板；2、中介质板；3、下介质板；4、外侧臂；5、内侧臂；6、寄生贴片；21、巴伦馈电部分；22、巴伦接地部分；31、二阶威尔金森功分器；32、180°宽带相移器；33、二阶威尔金森功分器；34、90°宽带相移器；35、100Ω电阻；36、200Ω电阻。
具体实施方式
为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。
如图1-图5(a)-(d)所示，为本发明的基于强耦合效应的宽频带圆极化天线的结构示意图。天线具有三层结构，上层结构是印刷在圆形上介质板1上下两层具有旋转对称特性的辐射结构，包括上介质板1上层的四个紧密排列的异形偶极子，偶极子之间具有较强的互耦效应，以及上介质板1下层的四个寄生贴片6；中层结构是四个印刷在中介质板2上的宽带巴伦结构，为辐射结构提供平衡馈电，同时实现了宽频带内的阻抗匹配；下层结构是印刷在下介质板3上层的地板以及下层的馈电网络。上介质板1的四个紧密排列的异形偶极子通过中介质板2的宽带巴伦结构与下介质板3上层的地板以及下层的馈电网络相连接。
其中，异形偶极子包括外侧臂4与内侧臂5，外侧臂4对称地分布在内侧臂5外侧，四个寄生贴片6分别设在内侧臂5外侧且在相邻外侧臂4之间。四个紧密排列的异形偶极子位于上介质板1上层，异形偶极子包括外侧臂4与内侧臂5，外侧臂4由变形的半圆形经过切角而成，切角的一个边为弧形，一个边为阶梯形；包括变形的半径为R2的半圆形，阶梯为长度为L2，宽度为W2的矩形金属片，并且在半圆形上有半径为Rs的圆形开槽；内侧臂5包括半径为R1的四分之一圆，四分之一圆的一个边延伸一长度为L1，宽度为W1的矩形金属片，且延伸的矩形金属片与外侧臂4的阶梯矩形金属片相对应，为了与巴伦结构得到更充分的连接，内侧臂5的矩形金属片的一端进行了弯折，弯折长度为0.5mm。四个矩形寄生贴片6位于介质板1下层，长度为Lp，宽度为Wp。
其中，宽带巴伦结构包括馈电部分21以及接地部分22，馈电部分21位于介质板2外侧，包括两段阻抗变换微带线以及一段50Ω微带线；接地部分22位于介质板2内侧，包括两个对称分布的弯折矩形接地金属片。
其中，馈电网络包括两种二阶威尔金森功率分配器31、33、一种180°宽带移相器32以及一种90°宽带移相器34。馈电网络包括一对外置二阶威尔金森功率分配器33和分布于一对外置二阶威尔金森功率分配器33中心的内置二阶威尔金森功率分配器31，还包括连接一对外置二阶威尔金森功率分配器33和一个内置二阶威尔金森功率分配器31的180°宽带移相器32，以及分别连接在一对外置二阶威尔金森功率分配器33上的90°宽带移相器34。内置二阶威尔金森功率分配器31和外置二阶威尔金森功率分配器33为由两个相互连接的圆环构成8字形的结构，在两个圆环之间设有100Ω电阻35和顶部圆环上设有200Ω电阻36。
在一个实施例中，上介质板1、中介质板2和下介质板3的材质为F4B，上介质板1为圆形半径为45mm，厚度为0.5mm；下介质板3为圆形，半径为80mm，厚度为0.5mm；中介质板2为矩形，大小为16mm×29.5mm，厚度为0.5mm。在本实施例中，天线的中心频率为2.5GHz，相对阻抗带宽不小于92％，轴比带宽达到100％，3dB增益带宽不小于84％。
以上这些结构的相互密切配合，并进行优化设计，以实现工作在较宽频带下的圆极化天线。
其他结构尺寸见表1所示。
表1
结构 L1 L2 Lp R1 R3 Rg H2 H4 W4
尺寸(mm) 29 2 19.6 20 45 80 20.5 5 6.5
结构 W1 W2 Wp R2 RS H1 H3 W3 W5
尺寸(mm) 2 8 4 15 3 29.5 18 8.7 2
其中：L1为与偶极子内侧臂四分之一圆连接的矩形金属片长度；W1为与偶极子内侧臂四分之一圆连接的矩形金属片宽度；L2为与偶极子外侧臂变形半圆形连接的矩形金属片长度；W2为与偶极子外侧臂变形半圆形连接的矩形金属片宽度；Lp为寄生贴片长度；Wp为寄生贴片宽度；R1为偶极子内侧臂四分之一圆的半径；R2为偶极子外侧臂变形半圆形的半径；R3为上介质板1的半径；Rs为偶极子外侧臂圆形开槽的半径；Rg为下介质板3的半径；H1为上介质板1与下介质板3之间的距离；H2为巴伦馈电部分21中的50Ω微带线长度；H3为巴伦馈电部分第一段阻抗变换微带线的垂直部分的长度；H4为巴伦馈电部分第二段阻抗变换微带线的垂直部分的长度；W3为巴伦馈电部分第一段阻抗变换微带线与50Ω微带线之间的距离；W4为巴伦接地部分两个弯折矩形金属片之间的距离；W5为巴伦接地部分与偶极子连接进行馈电的矩形金属片的宽度。
本发明天线其利用的强耦合效应天线原理为：四个偶极子紧密排列，偶极子内侧臂之间产生强烈的互耦效应，外侧臂与内侧臂之间的缝隙进一步提高了偶极子之间的耦合强度，利用容性耦合抵消了偶极子本身与地板之间的电感分量，使天线在较宽频带内具有相对平缓的阻抗变化。四个寄生贴片通过电容耦合，实现了偶极子外侧臂之间的电连接，利用耦合使表面电流连续，并且寄生贴片产生了另一个谐振点，进一步增加了阻抗带宽。
同时，采用顺序旋转结构，利用宽带功分相移器，实现了较宽的轴比带宽。其中，威尔金森功率分配器采用圆弧形状，不仅提升了两个输出端口之间的隔离度，同时还减小了尺寸。威尔金森功率分配器上的两个阻值不同的贴片电阻可以进一步提高两个输出端口之间的隔离度。另外，宽带移相器利用微带线之间的耦合，可以在较宽的频带内保持稳定的相位差。并且，由于地板放置在天线下方，因此天线的辐射方向图具有良好的定向性，在整个工作频带内最大辐射方向都在天线正上方。以上结构设置共同作用，形成一个良好的基于强耦合效应的宽频带圆极化天线。
本发明基于天线单元之间的强耦合效应，设计的新型基于强耦合效应的宽频带圆极化天线，通过异形偶极子的形状尺寸、宽带巴伦尺寸、宽带功分相移器尺寸等参数变量，可以快速方便灵活的调整此宽频带圆极化天线的频率带宽。
如图6所示，为本实施例的电压驻波比参数曲线图。作为优选方案，宽频带圆极化天线的中心频率为2.5GHz，相对阻抗带宽不小于92％。
如图7所示，为本实施例的轴比参数曲线图。作为优选方案，宽频带圆极化天线的中心频率为2.5GHz，轴比带宽达到100％。
如图8所示，为本实施例在1.8GHz的XOZ面主极化与交叉极化方向图，在主辐射方向具有良好的定向性，交叉极化低于-20dB。
如图9所示，为本实施例在1.8GHz的YOZ面主极化与交叉极化方向图，在主辐射方向具有良好的定向性，交叉极化低于-20dB。
如图10所示，为本实施例在2.9GHz的XOZ面主极化与交叉极化方向图，在主辐射方向具有良好的定向性，交叉极化低于-20dB。
如图11所示，为本实施例在2.9GHz的YOZ面主极化与交叉极化方向图，在主辐射方向具有良好的定向性，交叉极化低于-20dB。
如图12所示，为本实施例在4.0GHz的XOZ面主极化与交叉极化方向图，在主辐射方向具有良好的定向性，交叉极化低于-20dB。
如图13所示，为本实施例在4.0GHz的YOZ面主极化与交叉极化方向图，在主辐射方向具有良好的定向性，交叉极化低于-20dB。
如图14所示，为本实施例的主极化增益曲线图，增益在频带内比较平缓，最大增益不小于7.07dBic。
以上对本发明所提供的一种基于强耦合效应的宽频带圆极化天线进行了详细介绍，并应用了详细的结构设计参数对本发明的原理及实施方式进行了阐述及实现。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于强耦合效应的宽频带圆极化天线，其特征在于天线包括上、中、下三层，上层为印刷在上介质板(1)上的上下两层具有旋转对称特性的辐射结构，包括上介质板(1)上层的四个紧密排列的异形偶极子(4、5)，以及上介质板(1)下层的四个寄生贴片(6)；中层为四个印刷在中介质板(2)上的宽带巴伦结构；下层为印刷在下介质板(3)上层的地板以及下层的馈电网络；所述四个紧密排列的异形偶极子(4、5)通过宽带巴伦结构与下介质板(3)上层的地板以及下层的馈电网络相连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于强耦合效应的宽频带圆极化天线，其特征在于所述异形偶极子(4、5)包括外侧臂(4)与内侧臂(5)，外侧臂(4)对称地分布在内侧臂(5)外侧，四个矩形结构的寄生贴片(6)分别设在内侧臂(5)外侧且在相邻外侧臂(4)之间。
3.根据权利要求2所述的一种基于强耦合效应的宽频带圆极化天线，其特征在于所述外侧臂(4)由半圆形经过切角而成，切角的一个边为弧形，一个边为阶梯形，阶梯为矩形金属片，并且在外侧臂(4)上有圆形开槽。
4.根据权利要求2所述的一种基于强耦合效应的宽频带圆极化天线，其特征在于所述内侧臂(5)包括一个四分之一圆，四分之一圆的一个边延伸一矩形金属片，且延伸的矩形金属片与外侧臂(4)的阶梯相对应。
5.根据权利要求1所述的一种基于强耦合效应的宽频带圆极化天线，其特征在于所述宽带巴伦包括巴伦馈电部分(21)和巴伦接地部分(22)，巴伦馈电部分(21)位于中介质板(2)外侧，包括两段阻抗变换微带线以及一段50Ω微带线；巴伦接地部分(22)位于介质板(2)内侧，包括两个对称分布的弯折矩形接地金属片。
6.根据权利要求1所述的一种基于强耦合效应的宽频带圆极化天线，其特征在于所述馈电网络包括一对外置二阶威尔金森功率分配器(33)和分布于一对外置二阶威尔金森功率分配器(33)中心的内置二阶威尔金森功率分配器(31)，还包括连接一对外置二阶威尔金森功率分配器(33)和一个内置二阶威尔金森功率分配器(31)的180°宽带移相器(32)，以及分别连接在一对外置二阶威尔金森功率分配器(33)上的90°宽带移相器(34)。
7.根据权利要求6所述的一种基于强耦合效应的宽频带圆极化天线，其特征在于所述内置二阶威尔金森功率分配器(31)和外置二阶威尔金森功率分配器(33)为由两个相互连接的圆环构成8字形的结构，在两个圆环之间和顶部圆环上设有电阻。
8.根据权利要求6所述的一种基于强耦合效应的宽频带圆极化天线，其特征在于所述180°宽带移相器(32)分别连接一个内置二阶威尔金森功率分配器(31)的顶部圆环和一个外置二阶威尔金森功率分配器(33)底部圆环；
所述90°宽带移相器(34)分别连接一对外置二阶威尔金森功率分配器(33)的顶部圆环。
9.根据权利要求1所述的一种基于强耦合效应的宽频带圆极化天线，其特征在于所述上介质板(1)、中介质板(2)和下介质板(3)的材质为F4B，上介质板(1)和下介质板(3)为圆形，且下介质板(3)的直径大于上介质板(1)的直径；中介质板(2)为矩形；三者厚度相同。
10.根据权利要求1所述的一种基于强耦合效应的宽频带圆极化天线，其特征在于所述天线的中心频率为2.5GHz，相对阻抗带宽不小于92％，轴比带宽达到100％，3dB增益带宽不小于84％；
所述天线的XOZ面方向图与YOZ面方向图近乎一致，交叉极化低于-20dB；最大增益不小于7.07dBic。
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