CN109802226A - 一种宽频带圆极化微带天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信领域，特别涉及宽频带圆极化微带天线包括：金属底板；线极化微带天线单元；其中，线极化微带天线单元竖向设置在金属底板上且呈闭合的环形排列；以及金属底板上设置有给线极化微带天线单元端口馈电的宽带移相网络。宽带移相网络能够实现宽带的固定相移，采用四单元的顺序馈电可以使天线的相位中心稳定，宽带移相网络与四单元组阵结合后，还能够实现宽的天线轴比带宽。

Description

一种宽频带圆极化微带天线

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及宽频带圆极化微带天线。

背景技术

宽频带天线可以使天线工作在较宽的频带内，应用于较广的场合，可同时接收和发送的多个频段的信号，提高了空间利用率，并且也增加了信道的容量。圆极化天线由于其圆极化性质的优势：(1)任意极化的来波都可以由圆极化天线接收到，相反，圆极化天线辐射的圆极化波可被任意极化的天线接受；(2)圆极化天线的旋向正交性；(3)对称目标会对圆极化波改变旋向。因此，采用圆极化波工作的雷达具有抗雨雾干扰的能力。而微带天线具有体积小、重量轻、成本低等特点。当前宽频带圆极化微带天线的带宽较窄，不能够同时覆盖多个频段，限制了应用范围，并且相位中心不稳定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种相位中心更加稳定的宽频带圆极化微带天线。

为了实现上述目的，本发明提供了一种宽频带圆极化微带天线，包括：

金属底板；

线极化微带天线单元；

其中，

上述线极化微带天线单元竖向设置在金属底板上且呈闭合的环形排列；以及

上述金属底板上设置有给线极化微带天线单元端口馈电的宽带移相网络。

宽带移相网络能够实现宽带的固定相移，采用四单元的顺序馈电可以使天线的相位中心稳定，宽带移相网络与四单元组阵结合后，还能够实现宽的天线轴比带宽。

进一步的是，上述线极化微带天线单元的个数为N，相邻线极化微带天线单元之间的夹角为A，其中N＝360°/A。

进一步的是，上述线极化微带天线单元包括：

单元基板；

两条条形金属辐射带，相对的横向设置于单元基板一侧板面顶端，中间留有空隙；

主辐射臂，设置于单元基板一侧板面上，位于两条条形金属辐射带下方并留有横向缝隙，该主辐射臂下端与金属底板连接；

馈电金属带，设置于单元基板的另一侧板面，该馈电金属带其中一端与宽带移相网络连接。

顶端的两条条形金属辐射带通过耦合能量的方式，拓宽了天线的阻抗带宽，并且在一定程度上具有引向的作用，增加天线的增益。

进一步的是，上述馈电金属带为向上弯曲的钩状结构。

进一步的是，上述主辐射臂包括：

中部，为向下弯曲的迂回结构，中间设置有与上述空隙上下对应的竖向缝隙；

左臂部和右臂部，分别位于该中部两侧且对称设置，上述两条条形金属辐射带分别与下方的左臂部、右臂部对应。

进一步的是，上述线极化微带天线单元的两侧设置有与金属底板连接的寄生阵子，上述寄生阵子为竖向设置的接地金属辐射带。

两边接地的寄生阵子会产生新的谐振，并且也与主辐射臂进行能量的耦合，展宽了天线的阻抗带宽。

进一步的是，上述宽带移相网络包括：

主网，设置有个数与线极化微带天线单元对应的并与线极化微带天线单元连接的端口；

枝节，与主网连接，该枝节为直条形，一端与金属底板短路连接，另一端开路。

宽带移相器网络在威尔金森功分器的基础之上加入了宽带移相的结构，并且宽带移相结构的枝节的一边进行短路，另一边采取开路的形式，在很宽的带宽内实现固定的角度移相。

进一步的是，上述主网由n个子网组成，其中n＝N-1；

上述子网包括一个输入端和两个输出端，子网上的输出端的支路之间设置隔离电阻；

上述线极化微带天线单元连接一个输出端，上述主网中有一个子网的输入端为用于接收信号的信号端。

通过设置隔离电阻以增加输出端口的隔离度，并且当天线故障时，能够吸收掉反射的能量，起到保护的作用。

进一步的是，上述枝节设置于子网的输出端的支路上。

进一步的是，上述线极化微带天线单元的个数为四个，围成俯视上的正方形；

上述主网包括三个子网，其中，两个子网的每个输出端各连接一个线极化微带天线单元，另一个子网的两个输出端分别为上述两个子网的输入端、上述的一个子网的输入端为信号端。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显。或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来辅助对本发明的理解，附图中所提供的内容及其在本发明中有关的说明可用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为用于说明实施例一的宽频带圆极化微带天线示意图；

图2为用于说明本实施例一的宽频带圆极化微带天线的线极化微带天线单元外侧面的示意图；

图3为用于说明本实施例一的宽频带圆极化微带天线的线极化微带天线单元内侧面的示意图；

图4为用于说明本实施例一的宽频带圆极化微带天线的宽带移相网络连接简图；

图5为用于说明本实施例一的宽频带圆极化微带天线的宽带移相网络连接示意图；

图6为用于说明本实施例二的宽频带圆极化微带天线的宽带移相网络连接简图；

图7为用于说明本实施例一的宽频带圆极化微带天线仿真的回波损耗曲线图；

图8为用于说明本实施例一的宽频带圆极化微带天线仿真的轴比曲线图；

图9为用于说明本实施例一的宽频带圆极化微带天线3GHz时的三维远场增益方向图；

图中标记：1-金属底板、2-线极化微带天线单元、2a-第一线极化微带天线单元、2b-第二线极化微带天线单元、2c-第三线极化微带天线单元、2d-第四线极化微带天线单元、2e-第五线极化微带天线单元、3-宽带移相网络、31-子网、31a-第一子网、31b-第二子网、31c-第三子网、31d-第四子网、310-子网输入端、311-子网输出端、4-介质基板、5-单元基板、6-条形金属辐射带、7-主辐射臂、71-主辐射臂中部、72-主辐射臂左臂部、73-主辐射臂右臂部、8-馈电金属带、9-接地金属辐射带、10-信号端、11-枝节、12-插槽、13-隔离电阻。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：

本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。

此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一分部的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

关于本发明中术语和单位。本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”以及它的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

如图1-5，实施例一：本实施例提供了一种工作在WLAN、WiMAX、WiFi和5G频段的3.3-3.6GHz、4.8-5GHz的环向对称的宽频带圆极化微带天线，主要是运用四个线极化微带天线单元2顺序环向排布和宽带馈电网络结合的形式，结构上每个基板都为双面的金属层，适用于无线通信、LTE、天通卫星系统等领域。

一种宽频带圆极化微带天线，包括金属底板1和四个线极化微带天线单元2，金属底板1上设置有给线极化微带天线单元2端口馈电的宽带移相网络3。

该金属底板1为四方形平板，该金属底板1上方设置与其尺寸适配的介质基板4；

四个线极化微带天线单元2竖向插入在金属底板1上且呈闭合的环形排列，形成俯视视角上的正方形。

线极化微带天线单元2包括：单元基板5、两条条形金属辐射带6、主辐射臂7和馈电金属带8。

两条条形金属辐射带6，相对的横向设置于单元基板5一侧板面顶端，中间留有空隙；

主辐射臂7，设置于单元基板5一侧板面上，位于两条条形金属辐射带6下方并留有横向缝隙，该主辐射臂7下端与金属底板1连接；

馈电金属带8，设置于单元基板5的另一侧板面，该馈电金属带8其中一端与宽带移相网络3连接，上述馈电金属带8为向上弯曲的钩状结构。

上述金属底板1上设置有给线极化微带天线单元2端口馈电的宽带移相网络3，该网络有三个子网31，上述子网31包括一个输入端310和两个输出端311，每个微带天线单元2的馈电金属带8的下端对应一个子网31的一个输出端311。这里设置三个子网31，两个子网31的每个输出端311各连接一个线极化微带天线单元2，另一个子网31的两个输出端311分别为上述两个子网31的输入端310、上述的一个子网31的输入端310为信号端10。

宽带移相网络3能够实现宽带的固定相移，采用四单元的顺序馈电可以使天线的相位中心稳定，宽带移相网络3与四单元组阵结合后，还能够实现宽的天线轴比带宽。

顶端的两条条形金属辐射带6通过耦合能量的方式，拓宽了天线的阻抗带宽，并且在一定程度上具有引向的作用，增加天线的增益。

上述主辐射臂7包括中部71、左臂部72和右臂部73。

中部71，为向下弯曲的迂回结构，中间设置有与上述空隙上下对应的竖向缝隙；这里的中部71可以看做为竖直放置的一个T字形面板上，中间开有竖直向下的深槽(竖向缝隙)；这里的竖向缝隙与条形金属辐射带6之间的空隙上下对应。

左臂部72和右臂部73，分别位于该中部71两侧且对称设置，上述两条条形金属辐射带6分别与下方的左臂部72、右臂部73对应。这里的左臂部72和右臂部73也可以向下倾斜，即相向的一端高于相互远离的一端。

上述线极化微带天线单元2的两侧设置有与金属底板1连接的寄生阵子，上述寄生阵子为竖向设置的接地金属辐射带9，这里的接地金属辐射带9在单元基板5上与左臂部72或右臂部73同样保持一定距离。设置两边接地的寄生阵子会产生新的谐振，并且也与主辐射臂7进行能量的耦合，展宽了天线的阻抗带宽。

上述宽带移相网络3包括：

主网，设置有个数与线极化微带天线单元2对应的并与线极化微带天线单元2连接的端口；

枝节11，与主网连接，该枝节11为直条形，一端与金属底板1短路连接，另一端开路。

宽带移相器网络在威尔金森功分器的基础之上加入了宽带移相的结构，并且宽带移相结构的枝节11的一边进行短路，另一边采取开路的形式，在很宽的带宽内实现固定的角度移相。

上述主网由三个子网31组成；

上述子网31包括一个输入端310和两个输出端311，子网31上的输出端311的支路之间设置隔离电阻13；

上述线极化微带天线单元2连接一个输出端311，上述主网中有一个子网31的输入端310为用于接收信号的信号端。

其中，两个子网31的每个输出端311各连接一个线极化微带天线单元2，另一个子网31的两个输出端311分别为上述两个子网31的输入端310、上述的一个子网31的输入端310为信号端10。将线极化微带天线单元2顺序环向组成四元阵，运用馈电网络给四个单元分别馈以等幅度且相位按逆时针方向依次滞后0°、90°、180°、270°的能量。宽带移相器网络在加入了宽带移相的结构，并且宽带移相结构的枝节11的一边进行短路，另一边采取开路的形式，在很宽的带宽内实现固定的90°移相。

这里的三个子网31在布置时，如果布置空间有限，在设置样式上可以做出改变，如图1和5，将其中一个子网31设置为与另外两个子网31样式不同的功分网络，该子网31的输入端310为信号端10。其中，枝节11设置在另外两个子网31的一个输出端311上，这里的枝节11共设置四条，两两一组，一组设置于一个子网31的一个输出端311上，另一组设置于一个子网31的一个输出端311上，在本实施例中四条枝节11相互平行，四条枝节11的一端短路(与金属底板1连接)，另一端开路。

在实施安装时，四个线极化微带天线单元2依次竖直插入底面为全金属(金属底板1)且上层为金属馈电网络的介质基板4上，即介质基板4上设置插槽12，线极化微带天线单元2设置与插槽12对应的插头。介质基板4和单元基板5采用的材料是FR4板材，介电常数为4.4，介质基板4优选厚0.8mm，单元基板5根据设置时需要进行选择。顶端条形金属辐射带6由有两个位于同一条直线的金属带而组成，且距离主辐射臂7的距离为1.2mm。主辐射金属带2由一个T形的金属带中间开一条竖向缝形成。接地金属辐射带9位于主辐射臂7的两侧，且距离主辐射臂7的距离为4.8mm。馈线金属带位于介质基板4另一侧，给主辐射臂7耦合能量。宽带馈电网络金属带6设置一边为短路另一边为开路的枝节11和隔离电阻13。

线极化微带天线单元2通过馈线将能量耦合到接地的主辐射臂7上展现出较宽的阻抗带宽，顶端的条形金属辐射带6通过耦合能量在高频部分产生谐振，展宽了天线高频部分的带宽。两侧接地的条形金属辐射带6在低频部分产生谐振并与主辐射臂7能量耦合，在低频段加宽天线的阻抗带宽。然后将微带天线顺序环向组成四元阵，运用馈电网络给五＝四个单元分别馈以等幅度且相位按逆时针方向依次滞后0°、90°、180°、270°的能量。即宽带移相器网络在威尔金森功分器的基础之上加入了宽带移相的结构，并且宽带移相结构的枝节11的一边进行短路，另一边采取开路的形式，在很宽的带宽内实现固定的90°移相。

这样，本实施例的宽频带圆极化微带天线覆盖了WLAN、WiFi、WiMAX和LTE等频段，能同时应用在这这些频段的终端设备。此外，采用四个线极化微带天线单元2组阵的方式，使得天线能够产生高的增益，并且这种形式使得天线的相位中心稳定，且位于天线结构的几何中心。以及该天线具有重量轻、尺寸小等优点。

本实施例中的天线，还可以应用在室内定位系统、天通卫星系统，并且还覆盖了5G通信的3.3-3.6GHz。

1、本天线单元利用耦合馈电以及顶端金属条耦合能量和寄生阵子(接地金属辐射带9)的形式产生无线通信系统和其它通信所需的频段，并且天线整体的结构利用多个单元顺序环向组阵以及加入宽带移相馈电网络来实现很宽的轴比带宽和阻抗带宽。

2、本天线采用多元法的方式，使得天线的相位中心稳定。

3、该天线具有很宽的频带，具有可同时工作在多个频段的特点，并且也能够运用在5G频段上。

4、该天线具有定向的增益方向，且这种结构具有高增益的特点。

实施例二：如图6，与实施例一不同的是，本实施例中的线极化微带天线单元2有五个，在俯视上设置围成正五边形，本实施例中的宽带移相网络3有四个子网31：

第一子网31a的输入端310为信号端10，一个输出端311连接第一线极化微带天线单元2a的馈电金属带8，另一个输出端311为第二子网31b的输入端310；

第二子网31b的一个输出端311为第三子网31c的输入端310，另一个输出端311为第四子网31d的输入端310；

第三子网31c的一个输出端311连接第二线极化微带天线单元2b，另一个输出端311连接第三线极化微带天线单元2c；

第四子网31d的一个输出端311连接第四线极化微带天线单元2d，另一个输出端311连接第物线极化微带天线单元2e。

枝节11设置在每个子网的一个输出端311上，本实施例的同组枝节11相互平行，不同组直接可以不平行设置。

将微带天线顺序环向组成五元阵，运用馈电网络给五个单元分别馈以等幅度且相位按逆时针方向依次滞后0°、72°、144°、216°、288°的能量。

以上对本发明的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。基于本发明的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种宽频带圆极化微带天线，其特征在于，包括：

金属底板；

线极化微带天线单元；

其中，

所述线极化微带天线单元竖向设置在金属底板上且呈闭合的环形排列；以及

所述金属底板上设置有给线极化微带天线单元端口馈电的宽带移相网络。

2.如权利要求1所述的一种宽频带圆极化微带天线，其特征在于，所述线极化微带天线单元的个数为N，相邻线极化微带天线单元之间的夹角为A，其中N＝360°/A。

3.如权利要求1所述的一种宽频带圆极化微带天线，其特征在于，所述线极化微带天线单元包括：

单元基板；

两条条形金属辐射带，相对的横向设置于单元基板一侧板面顶端，中间留有空隙；

主辐射臂，设置于单元基板一侧板面上，位于两条条形金属辐射带下方并留有横向缝隙，该主辐射臂下端与金属底板连接；

馈电金属带，设置于单元基板的另一侧板面，该馈电金属带其中一端与宽带移相网络连接。

4.如权利要求3所述的一种宽频带圆极化微带天线，其特征在于，所述馈电金属带为向上弯曲的钩状结构。

5.如权利要求3所述的一种宽频带圆极化微带天线，其特征在于，所述主辐射臂包括：

中部，为向下弯曲的迂回结构，中间设置有与所述空隙上下对应的竖向缝隙；

左臂部和右臂部，分别位于该中部两侧且对称设置，所述两条条形金属辐射带分别与下方的左臂部、右臂部对应。

6.如权利要求1或3所述的一种宽频带圆极化微带天线，其特征在于，所述线极化微带天线单元的两侧设置有与金属底板连接的寄生阵子，所述寄生阵子为竖向设置的接地金属辐射带。

7.如权利要求1所述的一种宽频带圆极化微带天线，其特征在于，所述宽带移相网络包括：

主网，设置有个数与线极化微带天线单元对应的并与线极化微带天线单元连接的端口；

枝节，与主网连接，该枝节为直条形，一端与金属底板短路连接，另一端开路。

8.如权利要求7所述的一种宽频带圆极化微带天线，其特征在于，所述主网由n个子网组成，其中n＝N-1；

所述子网包括一个输入端和两个输出端，子网上的输出端的支路之间设置隔离电阻；

所述线极化微带天线单元连接一个输出端，所述主网中有一个子网的输入端为用于接收信号的信号端。

9.如权利要求8所述的一种宽频带圆极化微带天线，其特征在于，所述枝节设置于子网的输出端的支路上。

10.如权利要求8所述的一种宽频带圆极化微带天线，其特征在于，所述线极化微带天线单元的个数为四个，围成俯视上的正方形；

所述主网包括三个子网，其中，两个子网的每个输出端各连接一个线极化微带天线单元，另一个子网的两个输出端分别为所述两个子网的输入端、所述的一个子网的输入端为信号端。