CN109841951B

CN109841951B - 单馈电轴比带宽增强圆极化微带天线

Info

Publication number: CN109841951B
Application number: CN201910040604.1A
Authority: CN
Inventors: 陈月云; 陈涛华; 简荣灵
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2019-01-16
Filing date: 2019-01-16
Publication date: 2021-05-14
Anticipated expiration: 2039-01-16
Also published as: CN109841951A

Abstract

本发明的实施例公开一种单馈电轴比带宽增强圆极化微带天线，包括：介质材料板、辐射贴片、辐射地板、短路针和同轴线；在所述介质材料板的上表面印制有所述辐射贴片，在所述介质材料板的下表面印制有所述辐射地板，所述同轴线穿过所述介质材料板，且连通所述辐射贴片和所述辐射地板；在所述辐射贴片上设置有两个大小相同的矩形槽；在所述辐射贴片和所述辐射地板之间设置有两个短路针，所述两个短路针连通所述辐射贴片和所述辐射地板。

Description

单馈电轴比带宽增强圆极化微带天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种单馈电轴比带宽增强圆极化微带天线。

背景技术

天线按照极化特性可分为线极化、圆极化和椭圆极化三种，由于圆极化天线可以抑制雨雾干扰、抗多径反射以及避免发射和接收天线之间的极化失配等优点，圆极化天线在近几十年受到广泛关注，并已被应用于现代通信系统中，例如射频识别(RFID)、雷达和全球定位导航系统(GPS)等。由于微带贴片天线本身所具有的低剖面、小成本以及易于实现圆极化等优点，微带圆极化天线是圆极化天线的主要实现形式之一，并受到众多研究者的青睐。

微带天线实现圆极化可以分为以下两种形式：单馈电和多馈电。多馈电的圆极化微带天线通过馈电网络来保证在空间上相互垂直的两个简并模实现幅度相等和相位相差90度，以此来实现天线的圆极化辐射。但由于馈电网络的使用，使得原本简单的天线结构变得复杂。与多馈电相比，单馈电圆极化微带天线的结构更加简单紧凑。然而，传统的单馈电圆极化微带天线的轴比带宽很窄，在通信系统中的使用受到限制。

扩展单馈电条件下圆极化微带天线的轴比带宽简单有效的方法是增加介质层的高度以及降低介质的相对介电常数，但是高度的增加会引起表面波的明显激励，降低天线的辐射效率。而介质的相对介电常数最低只能减少到1，即采用空气介质，这种增加天线轴比带宽的方法是有限的。因此，若要大幅度地扩展微带天线的轴比带宽，需要从微带天线的设计本身着手，例如加载短路针和矩形槽等。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种单馈电轴比带宽增强圆极化微带天线，能够解决现有单馈电条件下圆极化微带天线轴比带宽窄的问题。

一种单馈电轴比带宽增强圆极化微带天线，包括：

介质材料板、辐射贴片、辐射地板、短路针和同轴线；

在所述介质材料板的上表面印制有所述辐射贴片，

在所述介质材料板的下表面印制有所述辐射地板，

所述同轴线穿过所述介质材料板，且连通所述辐射贴片和所述辐射地板；

在所述辐射贴片上设置有两个大小相同的矩形槽；

在所述辐射贴片和所述辐射地板之间设置有两个短路针，所述两个短路针连通所述辐射贴片和所述辐射地板。

所述两个矩形槽具体为：以所述辐射贴片的垂直对称轴为对称轴，设置在所述辐射贴片上。

所述两个短路针具体为：以所述辐射贴片的垂直对称轴为对称轴，设置在所述辐射贴片和所述辐射地板之间。

所述介质材料板的形状为长方体。

所述辐射地板为长方形金属贴片

所述辐射贴片为长方形金属贴片。

所述两个矩形槽的外边缘平行于所述辐射贴片的外边缘。

所述两个短路针为柱形。

所述的单馈电轴比带宽增强圆极化微带天线，还包括：天线馈电点；所述天线馈电点设置在所述辐射贴片的上表面。

本发明实施例提供的一种单馈电轴比带宽增强圆极化微带天线，在单馈电单层条件下通过加载矩形槽和短路针的方式，利用微带天线本身的三个谐振模式产生两个频点相近的圆极化模式，有效地扩展了圆极化微带天线的轴比带宽。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1a为本发明实施例的单馈电轴比带宽增强圆极化微带天线的俯视图；

图1b为本发明实施例的单馈电轴比带宽增强圆极化微带天线的侧视图；

图2为本发明实施例的S11-频率仿真结果图；

图3为本发明实施例的贴片法向轴比-频率仿真结果图；

图4为本发明实施例的不同平面的归一化辐射方向图；

图5为本发明实施例的贴片法向增益-频率仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

图1a为本发明实施例的单馈电轴比带宽增强圆极化微带天线的俯视图；图1b为本发明实施例的单馈电轴比带宽增强圆极化微带天线的侧视图。以下结合描述。

如图1a、1b所示，为本发明所示的一种单馈电轴比带宽增强圆极化微带天线，包括：介质材料板、辐射贴片、辐射地板、短路针和同轴线；

在所述介质材料板的上表面印制有所述辐射贴片，

在所述介质材料板的下表面印制有所述辐射地板，

在所述辐射贴片上设置有两个大小相同的矩形槽；

所述介质材料板的形状为长方体。

所述辐射地板为长方形金属贴片

所述辐射贴片为长方形金属贴片。

所述两个矩形槽的外边缘平行于所述辐射贴片的外边缘。

所述两个短路针为柱形。

本发明实施例提供的一种单馈电轴比带宽增强圆极化微带天线，在单馈电单层条件下通过加载矩形槽和短路针的方式，利用微带天线本身的三个谐振模式产生两个频点相近的圆极化模式，有效地扩展了圆极化微带天线的轴比带宽。解决了现有单馈电条件下圆极化微带天线轴比带宽窄的问题，提高了天线的工作性能，扩展了天线的应用范围，可应用于无线通信、射频识别和雷达等领域。

以下描述本发明的第一应用场景。

一种单馈电轴比带宽增强圆极化微带天线，包括：

介质材料板、辐射贴片、辐射地板、短路针和同轴线；

在介质材料板的上下两面分别印制有辐射贴片和辐射地板，且通过同轴线连接；

在辐射贴片上对称地蚀刻了两个大小相同的矩形槽，以便降低高次模式1的频点到微带天线基本模式2附近，并使模式1和模式2保持相同的水平线极化和最大辐射方向；

在辐射贴片和辐射地板之间加载两个对称的短路针，两个短路针对称地位于辐射贴片的水平对称轴上，连接辐射贴片和辐射地板，提高垂直线极化的模式3的频点到模式1和2频点之间，产生两个频点邻近的圆极化模式来扩展单馈电圆极化天线的轴比带宽，其中，一个圆极化模式由模式1和3产生，另一个圆极化模式由模式2和3产生。

所述辐射贴片采用长宽为W×L的长方形金属贴片，在该辐射贴片上对称地蚀刻有平行于辐射贴片L边的两个矩形槽，该矩形槽的大小为L×W₁，该矩形槽到辐射贴片垂直对称轴的大小为L₁。

所述两个对称短路针的半径为R₁，高度为H，该短路针位于辐射贴片的水平对称轴上，距离辐射贴片垂直对称轴的大小为L₂。

所述介质材料板的形状为长方体，长宽为W_S×L_S，高度为H。

所述辐射地板的形状为长方形，长宽为W_S×L_S。

所述天线馈电点的位置位于贴片的左下方，以此来激励出所需要的三个谐振模式，馈电点距离贴片垂直对称轴的大小为P₁，距离贴片水平对称轴的大小为P₂。

以下描述本发明的第二应用场景。

参照图1，加载了两个对称矩形槽的辐射贴片和辐射地板分别印制于介质板的上下表面，介质材料板是相对介电常数为2.2的长方体介质板，介质板的长宽W_S×L_S＝10.2mm×5.1mm，高度H＝0.254mm。本发明采用同轴线进行馈电，同轴线的位置距离贴片水平对称轴的大小P₂＝0.586mm，距离贴片垂直对称轴的大小P₁＝0.614mm，同轴线的内芯穿过介质材料板的穿线孔与辐射贴片相连，外皮与辐射地板焊接。

参照图1，所述的辐射贴片印制于介质板的上面，该辐射贴片为一个加载了两个对称矩形槽的长方形金属贴片，辐射贴片的长宽W×L＝6.8mm×3.4mm，矩形槽的长宽L×W₁＝3.4mm×0.93mm，矩形槽到辐射贴片垂直对称轴的大小L₁＝2.18mm；矩形槽的加载会改变高次模式1的电流路径，降低模式1的频点到微带天线基本模式2附近，并使模式1和模式2保持相同的水平线极化和最大辐射方向。

参照图1，所述的辐射地板印制于介质板的下面，该辐射地板为一个长宽W_S×L_S＝10.2mm×5.1mm的长方形金属贴片。

参照图1，在辐射贴片和辐射地板之间加载了两个对称的短路针，短路针的半径R₁＝0.1mm，位于辐射贴片的水平对称轴上，距离辐射贴片垂直对称轴的大小为L₂＝0.415mm；短路针的加载将提高垂直线极化的模式3的频点到模式1和2频点之间，产生两个频点邻近的圆极化模式来扩展单馈电圆极化天线的轴比带宽，其中，一个圆极化模式由模式1和3产生，另一个圆极化模式由模式2和3产生。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

本发明在单馈电单层条件下通过加载矩形槽和短路针的方式，利用微带天线本身的三个谐振模式产生两个频点相近的圆极化模式，有效地扩展了圆极化微带天线的轴比带宽，同时保持简单紧凑的天线结构。

本发明的效果可结合仿真结果作进一步说明：

1.仿真内容

1.1.利用仿真软件HFSS对上述实施例的S₁₁参数进行仿真计算，结果如图2所示。

1.2.利用仿真软件HFSS对上述实施例的轴比进行仿真计算，结果如图3所示。

1.3.利用仿真软件HFSS对上述实施例的远场归一化辐射方向图进行仿真计算，结果如图4所示。

1.4.利用仿真软件HFSS对上述实施例的贴片法向增益进行仿真计算，结果如图5所示。

2.仿真结果

2.1.参照图2，以|S₁₁|<-10dB为标准，实施例中天线的阻抗带宽为27.53-29.43GHz，相对带宽为6.67％。

2.2.参照图3，实施例中天线的3dB轴比带宽为28.47-29.38GHz，相对带宽为3.15％。

2.3.参照图4，实施例中天线的最大辐射方向为贴片法向方向，天线保持对称稳定的方向图。

2.4.参照图5，实施例中天线在3dB轴比带宽内保持大于7.9dBi的稳定法向增益。

以上仿真结果说明，本发明具有理想的轴比带宽和稳定的法向增益。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种单馈电轴比带宽增强圆极化微带天线，其特征在于，包括：

介质材料板、辐射贴片、辐射地板、短路针和同轴线；

在所述介质材料板的上表面印制有所述辐射贴片，

在所述介质材料板的下表面印制有所述辐射地板，

在所述辐射贴片上设置有两个大小相同的矩形槽；

在所述辐射贴片和所述辐射地板之间设置有两个短路针，所述两个短路针连通所述辐射贴片和所述辐射地板；

两个矩形槽以所述辐射贴片的垂直对称轴为对称轴，设置在所述辐射贴片上，以便降低模式一的频点到微带天线的模式二附近，并使模式一和模式二保持相同的水平线极化和最大辐射方向；

两个短路针以辐射贴片的垂直对称轴为对称轴设置在辐射贴片和辐射地板之间，以提高垂直线极化的模式三的频点到模式一和模式二的频点之间，产生两个频点邻近的圆极化模式来扩展单馈电圆极化天线的轴比带宽，其中，一个圆极化模式由模式一和模式三产生，另一个圆极化模式由模式二和模式三产生；

其中，所述辐射贴片为长方形金属贴片，所述两个矩形槽的外边缘平行于所述辐射贴片的外边缘；所述单馈电轴比带宽增强圆极化微带天线还包括：天线馈电点；所述天线馈电点设置在所述辐射贴片的上表面的左下方，以此来激励出所需要的模式一、模式二以及模式三这三个谐振模式。

2.根据权利要求1所述的单馈电轴比带宽增强圆极化微带天线，其特征在于，所述介质材料板的形状为长方体。

3.根据权利要求1所述的单馈电轴比带宽增强圆极化微带天线，其特征在于，所述辐射地板为长方形金属贴片。

4.根据权利要求1所述的单馈电轴比带宽增强圆极化微带天线，其特征在于，所述两个短路针为柱形。