CN109378576A - 一种宽带高增益圆极化贴片准八木天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带高增益圆极化贴片准八木天线,包括地板、馈电接口、设置在地板中部的支撑柱、连接在支撑柱上的同轴式多级天线片；所述同轴式多级天线片其中的一级天线片贴近地板，并用连接组件与地板固定，其余每级天线片逐渐远离地板并依次减小；所述馈电接口固定在地板上，且馈电接口的内芯穿过地板并连接到一级天线片。本发明通过同轴式多级贴片，产生电磁辐射并有效提高天线带宽和辐射方向性，进而提高增益，并且减小天线体积。

Description

一种宽带高增益圆极化贴片准八木天线
技术领域
本发明涉及射频标签基站读写领域，具体而言，涉及一种宽带高增益圆极化贴片准八木天线。
背景技术
天线作为无线通信系统和雷达系统等系统中缺一不可的重要组件，天线的性能决定了整个无线系统的性能和质量。随着以5G、物联网为代表的无线通信技术的全面推进，迫切需要开发合适其应用场景的高品质天线组件。圆极化天线作为天线的一个重要分支，广泛用于移动通信、毫米波通信、卫星通信和电子对抗等方面。
目前常用的圆极化天线，按照天线结构大致可分为正交偶极子对圆极化天线、微带圆极化天线、螺旋天线、圆极化喇叭天线、圆极化表面圆极化天线等。正交偶极子对圆极化天线，将两个偶极子天线正交放置，构成两个正交的电场分量，再利用馈电网络(分别实现偶极子的0°和90°馈电)或者利用自相移的思路(调整偶极子的输入阻抗，产生±45°相移)，产生90度的相差，从而实现圆极化天线设计。以正交偶极子为基础，加上十字交叉的反射器和引向器，就可以得到普通的圆极化八木天线。
微带圆极化天线，实现圆极化的方式有单馈法、双馈法和多馈法，单馈法，对贴片开槽、倒角以及添加枝节等，产生微扰使得正交的简并模分离，再利用馈电实现自相移的±45°，从而实现圆极化；双馈法，利用功分-延迟线馈电网络或者3dB-90°电桥，对微带贴片正交方向进行0°和90°馈电，实现圆极化设计；多馈法，利用组阵和馈电网络，对贴片进行0°、90°、180°和270°馈电，实现圆极化。螺旋天线，利用轴向工作模式，形成正交的电场分量，并且产生场的电流绕轴向旋转，从而构造出圆极化。圆极化喇叭天线，在常规的喇叭天线中加入圆极化器的设计，从而实现圆极化。
就目前常用的正交偶极子对圆极化天线而言，偶极子天线辐射本身是全向的，为实现定向辐射，通常需要在四分之一波长距离放置反射地板。该类天线受限于偶极子结构和反射地板的放置，存在天线体积较大等缺点；同时受限于单个偶极子天线增益的限制，天线总体增益不高；在已有的设计中，为了实现天线的固定等，使用了介质基板作为支撑，引入介质损耗和增大制作成本等缺点。
目前常用的圆极化八木天线，受结构限制，它的带宽特别是圆极化带宽较窄。而且尽管增益可以做到很高，但是高增益的时候长度也会特别大。
就目前常用的微带圆极化天线而言，由于微带天线结构和原理上的限制，存在天线带宽窄等缺点；对于使用介质进行小型化设计的微带贴片天线，将会引入介质损耗，降低天线增益；对于双馈和多馈点的微带圆极化方案，需要搭建馈电网络，存在尺寸较大等缺点。
就目前常用的螺旋天线而言，螺旋天线受限于圆极化实现的机理，存在体积较大等缺点；同时该天线结构单一，存在设计不灵活等缺点。
就目前常用的圆极化喇叭天线，喇叭天线的高方向性和增益，是建立在大的尺寸上，因此喇叭天线存在体积大的缺点；喇叭天线的圆极化实现，是建立在圆极化器上的，圆极化器在喇叭天线中难以加工和调整，存在加工困难等缺点。
综上所述，目前常用的正交偶极子对天线和八木天线受限于自身性能和圆极化实现原理，存在物理尺寸大，增益受限，带宽低，小型化困难等缺点；微带圆极化天线受限于微带天线元件，存在天线工作带宽较窄，增益不够高等缺点；螺旋天线，依赖于轴向工作模式，存在体积较大，设计灵活度低等缺点；圆极化喇叭天线，存在体积较大、加工困难等缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种宽带高增益圆极化贴片准八木天线，通过同轴式多级贴片，产生电磁辐射并有效提高天线带宽和辐射方向性，进而提高增益，并且减小天线体积，以解决上述技术问题。
为达到上述技术目的，本发明采用的技术方案具体如下：
一种宽带高增益圆极化贴片准八木天线，其特征在于：包括地板、馈电接口、设置在地板中部的支撑柱、连接在支撑柱上的同轴式多级天线片；所述同轴式多级天线片其中的一级天线片贴近地板，并用连接组件与地板固定，其余每级天线片逐渐远离地板并依次减小；所述馈电接口固定在地板上，且馈电接口的内芯穿过地板并连接到一级天线片。
进一步地，所述连接组件包括多个螺丝组件，其中一个螺丝组件为全金属材质，并作为短路探针，其余螺丝组件为绝缘体材质。
进一步地，所述每级天线片均为带有切角的金属圆盘，且每级天线片的切角方向两两之间均存在角度偏差。
进一步地，所述切角分离两个正交的简并模频率，并使两个模式对应的输入阻抗相角分别呈现±45°。
进一步地，所述支撑柱为多边形管，并在地板和各级天线片中部开有与支撑柱适配的多边形通孔。
进一步地，所述多边形管为中空结构，且设置有螺栓，并在螺栓两端连接有锁紧螺母。
进一步地，所述多边形管外层包裹有圆形套管，圆形套管由多段不同高度的套管构成，多段套管分别安装在地板与一级天线片之间、每两级天线片之间、以及末级天线片与锁紧螺母之间。
进一步地，所述多边形管、套管、螺栓均为金属材质。
本发明的有益效果在于：本发明区别于现有技术，本发明使用单点馈电实现圆极化。不需要加工结构复杂的移相-功分馈电网络，且用户只需要提供一路信号即可。具有结构简单，使用方便的优点。
其次，本发明带宽大，通过使用短路加载和寄生贴片，大幅度的提高了天线带宽。增益高。由于天线为全金属(无介质)结构，消除了介质损耗，并且通过添加寄生贴片作为引向器，因此天线具有较高的增益。全金属结构，该天线仅由金属板材、管材以及标准件装配而成，不需要使用电介质。一方面消除了电介质带来的损耗，提高了效率，另一方面降低了天线的加工和装配难度，降低了天线的成本。
解决了传统微带贴片天线增益低且圆极化带宽窄等问题，能够适用于以RFID以及其他多场景的无线通信需求。
附图说明
图1是本发明提供的宽带高增益圆极化贴片准八木天线结构示意图；
图2是图1的俯视示意图；
图3是图1的侧视示意图；
图4是本发明提供的宽带高增益圆极化贴片准八木天线的S11曲线性能图；
图5是本发明提供的宽带高增益圆极化贴片准八木天线的轴比曲线图。
附图标记：
1为地板、2为一级天线片、3为二级天线片、4为三级天线片、5为馈电接口、6为短路探针、7为螺丝组件、8为支撑柱。
具体实施方式
下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
图1-图5所示，一种宽带高增益圆极化贴片准八木天线，包括地板1、馈电接口5、设置在地板1中部的支撑柱8、连接在支撑柱8上的同轴式多级天线片。
所述同轴式多级天线片其中的一级天线片2贴近地板1，并用连接组件与地板1固定，其余每级天线片逐渐远离地板1并依次减小；所述馈电接口5固定在地板1上，且馈电接口5的内芯穿过地板1并连接到一级天线片2。所述连接组件包括多个螺丝组件7，其中一个螺丝组件7为全金属材质，并作为短路探针6，其余螺丝组件7为绝缘体材质。在天线工作频率下，短路探针6的长度已经不能忽略，因此可以将其等效为一个电感。将短路探针6放置在，和馈电点呈约90°角的位置，此时短路探针6的电感，折算到馈电点的时候就会变成电容，可以抵消馈电探针上的电感。因此可以改善匹配，提高带宽。
所述每级天线片均为带有切角的金属圆盘，且每级天线片的切角方向两两之间均存在角度偏差。
所述支撑柱8为多边形管，并在地板1和各级天线片中部开有与支撑柱8适配的多边形通孔。多边形管为中空结构，且设置有螺栓，并在螺栓两端连接有锁紧螺母。多边形管外层包裹有圆形套管，圆形套管由多段不同高度的套管构成，多段套管分别安装在地板1与一级天线片2之间、每两级天线片之间、以及末级天线片与锁紧螺母之间。
所述多边形管、套管、螺栓均为金属材质，来提高天线的机械强度。
在实际使用时，如图所示，采用三级天线片4固定在支撑柱8上，并且所有天线片和地板1均采用全金属材质，金属地板1作为天线片和馈电接口5的地。
一级天线片2贴近金属地板1，并且一级天线片2连接到馈电接口5的内芯，从而来产生电磁辐射，而且一级天线片2与金属地板1之间还存在有短路探针6，短路探针6为连接组件的其中一个金属件，起阻抗匹配和提高带宽的作用。
二级天线片3贴近一级天线片2，其尺寸小于一级天线片2，谐振频率比主贴片略高。可以将一级天线片2的单谐振点的谐振电路，变为多谐振点的耦合谐振电路，可以显著提高带宽。
三级天线片4远离一级天线约在0.3λ处，其尺寸又小于二级天线片3，在天线工作频段呈容性，其感应电流滞后于感应电动势90°，它上面的感生电流激励出的电磁场可以与一级天线片2的场同相叠加，可以起到提高增益的作用。
同时，一级天线片2切角分离两个正交的简并模频率，通过调整切角大小以及馈电点位置，使两个模式对应的输入阻抗相角分别呈现±45°，并且在所需频率处使两正交模的幅度相等，从而完成两分量正交且相位差为90°，以此产生圆极化辐射。
二级天线片3和三级天线片4也存在切角，可以产生更多的不同频率的正交模式，提高圆极化带宽。但其余级天线片的切角又分别与一级天线片2的切角存在一定的角度差，可以对圆极化特性进行微调，来得到更低的轴比。
本发明中，馈电接口5为50欧姆的SMA接头。设计频段为RFID应用频段(902-928MHz)，圆极化旋向为左旋。地板1和各天线片所使用的金属材料为厚度1mm的铝板。固定用的多边形管为外边12×12mm，壁厚1.5mm的方形铝管；套管为外径20mm，壁厚1mm的铝圆管。螺栓型号为M8×120mm。
本发明带宽大，通过使用短路加载和寄生贴片，大幅度的提高了天线带宽。其阻抗带宽(S11<-10dB)达到了6.8％，圆极化带宽(AR<3dB)达到了5.3％。对加工误差和环境影响的容忍能力更强，可靠性更高。
同时，本发明益高。由于天线为全金属(无介质)结构，消除了介质损耗，并且通过添加寄生贴片作为引向器，因此天线具有较高的增益，在中心频率处可以达到10.2dBi。与普通贴片天线的增益(5～8dBi)相比，明显更高。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种宽带高增益圆极化贴片准八木天线，其特征在于：包括地板、馈电接口、设置在地板中部的支撑柱、连接在支撑柱上的同轴式多级天线片；所述同轴式多级天线片其中的一级天线片贴近地板，并用连接组件与地板固定，其余每级天线片逐渐远离地板并依次减小；所述馈电接口固定在地板上，且馈电接口的内芯穿过地板并连接到一级天线片。
2.根据权利要求1所述的宽带高增益圆极化贴片准八木天线，其特征在于：所述连接组件包括多个螺丝组件，其中一个螺丝组件为全金属材质，并作为短路探针，其余螺丝组件为绝缘体材质。
3.根据权利要求1所述的宽带高增益圆极化贴片准八木天线，其特征在于：所述每级天线片均为带有切角的金属圆盘，且每级天线片的切角方向两两之间均存在角度偏差。
4.根据权利要求3所述的宽带高增益圆极化贴片准八木天线，其特征在于：所述切角分离两个正交的简并模频率，并使两个模式对应的输入阻抗相角分别呈现±45°。
5.根据权利要求1所述的宽带高增益圆极化贴片准八木天线，其特征在于：所述支撑柱为多边形管，并在地板和各级天线片中部开有与支撑柱适配的多边形通孔。
6.根据权利要求5所述的宽带高增益圆极化贴片准八木天线，其特征在于：所述多边形管为中空结构，且设置有螺栓，并在螺栓两端连接有锁紧螺母。
7.根据权利要求5所述的宽带高增益圆极化贴片准八木天线，其特征在于：所述多边形管外层包裹有圆形套管，圆形套管由多段不同高度的套管构成，多段套管分别安装在地板与一级天线片之间、每两级天线片之间、以及末级天线片与锁紧螺母之间。
8.根据权利要求7所述的宽带高增益圆极化贴片准八木天线，其特征在于：所述多边形管、套管、螺栓均为金属材质。
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