CN109860994A - 一种具有宽带端射圆极化特性的平面微带贴片天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有宽带端射圆极化特性的平面微带贴片天线。该天线包括单层介质基片及上层金属贴片、下层金属贴片；所述单层介质基片包括顺次设置的弯折金属墙、同轴馈电探针和加载金属探针；同轴馈电探针用于馈入天线的能量，弯折金属墙作为反射腔，加载金属探针用于调节天线的阻抗匹配性能；所述上、下层金属贴片从一侧至另侧顺次为矩形贴片、弧形渐变缝隙孔径、馈电条带、扇形偶极子贴片；弧形渐变缝隙孔径用于激励起垂直极化分量，馈电条带将能量传送至扇形偶极子贴片，由扇形偶极子贴片激励起水平极化分量。本发明实现了平面微带贴片天线的宽带圆极化辐射功能，同时具有结构简单、阻抗和轴比的共同带宽宽的优点。

Description

一种具有宽带端射圆极化特性的平面微带贴片天线

技术领域

本发明涉及微带天线技术领域，特别是一种具有宽带端射圆极化特性的平面微带贴片天线。

背景技术

圆极化天线具有抗多径反射、抑制雨雾的去极化等优点，因而广泛应用于雷达、制导以及电视广播等通信系统中。包括美国GPS全球定位系统、中国自主研制的北斗导航系统在内的卫星导航定位系统中都应用了圆极化天线。为了获得圆极化波束，一般的圆极化天线采用了复杂的非平面结构，或是添加功分器等馈电网络，它们具有边射的辐射特点。然而在飞行器、射频识别系统(RFID)等实际应用中，常常需要可与载体共面、辐射方向为端射方向且平行于天线平面的低剖面天线，如何设计实现上述性能的天线，成为新的关注点。端射圆极化天线结合了端射天线和圆极化天线的优点，不仅可以接收任意极化方式电磁波，还具有辐射方向固定、天线安装位置灵活的特点，在无人机、导弹等系统中具有很高的应用价值。

当前多数平面圆极化天线具有边射的辐射特性，对于需要产生端射圆极化波的情况，多数天线会引入非平面的结构从而使得剖面变高，因此设计具有平面结构的端射圆极化天线具有重要意义。通常圆极化波是通过构造一对等幅正交、相位相差90°的线极化电场分量实现的。虽然可以采用不同的方法实现端射圆极化天线，但是既要保证结构的紧凑性，又要实现宽带特性，对天线设计提出了苛刻的要求，特别是要实现圆极化天线的宽带性能，既要保证匹配带宽，又要保证圆极化轴比带宽不能偏离阻抗带宽，成为了天线工程师们难以兼顾的难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在保证天线尺寸紧凑的前提下实现宽带特性，同时保证圆极化性能的平面微带贴片天线。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种具有宽带端射圆极化特性的平面微带贴片天线，其特征在于，包括矩形的单层介质基片及其上、下表面分别设置的上层金属贴片、下层金属贴片，单层介质基片两条短边所在侧分别命名为A侧、B侧；

所述单层介质基片包括从A侧至B侧顺次设置的弯折金属墙、同轴馈电探针和加载金属探针；同轴馈电探针用于馈入天线的能量，弯折金属墙作为反射腔，加载金属探针用于调节天线的阻抗匹配性能；

所述上层金属贴片、下层金属贴片结构相同，从A侧至B侧顺次为矩形贴片、弧形渐变缝隙孔径、馈电条带、扇形偶极子贴片；所述矩形贴片分别设置于弯折金属墙的顶部和底部，弧形渐变缝隙孔径用于激励起垂直极化分量，馈电条带将能量传送至扇形偶极子贴片，由扇形偶极子贴片激励起水平极化分量。

作为一种具体示例，所述弯折金属墙由金属通孔单元顺次排列形成中间一条长墙、两头各一短墙，两条短墙在长墙两端并与长墙垂直，该三条墙沿单层介质基片A侧的矩形贴片边缘三条边排布。

作为一种具体示例，所述上层金属贴片、下层金属贴片分别包括一个扇形偶极子贴片，该两个扇形偶极子贴片形状与尺寸相同，且对称分布于馈电条带两侧。

作为一种具体示例，所述的弯折金属墙中，长墙长为28mm、宽为0.6mm；短墙长为12mm、宽为0.6mm。

作为一种具体示例，所述加载金属探针的加载位置和尺寸大小，根据天线在不同模式、不同频率下的谐振特性进行调整，以满足在设计频率下的阻抗匹配性能要求。

作为一种具体示例，所述单层介质基片的长为38mm，宽为28mm，厚为3mm。

作为一种具体示例，所述上层金属贴片、下层金属贴片中的矩形贴片，长为28mm、宽为12mm。

作为一种具体示例，所述扇形偶极子贴片半径为10.5mm，张角为57°。

作为一种具体示例，所述馈电条带长为16mm、宽为1.8mm。

作为一种具体示例，所述加载金属探针和同轴馈电探针之间的距离为6mm；所述加载金属探针的半径为0.3mm。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)通过采用渐变缝隙孔径和扇形偶极子分别产生垂直极化和水平极化分量，通过调节上下平行条带的臂长，实现两个分量的等幅相差90°激励，从而实现了优异的圆极化性能，轴比带宽很宽；(2)位于馈电探针和渐变缝隙孔径之间的加载金属探针，增加了天线的匹配调节自由度，提高了天线的阻抗带宽；(3)将阻抗带宽调节到轴比带宽范围内，获得了很宽的共同带宽；(4)结构简单，单层单馈，降低了加工、安装和测试难度，具有移动性强、抗雨雾干扰、抗多径反射的优点。

附图说明

图1为本发明具有宽带端射圆极化特性的平面微带贴片天线的结构示意图。

图2为本发明具有宽带端射圆极化特性的平面微带贴片天线的俯视图。

图3为本发明具有宽带端射圆极化特性的平面微带贴片天线的侧视图。

图4为本发明实施例中平面微带贴片天线的反射曲线图。

图5为本发明实施例中平面微带贴片天线的增益曲线图。

图6为本发明实施例中平面微带贴片天线的轴比曲线图。

图7为本发明实施例中平面微带贴片天线的Phi＝90°面辐射方向图。

图8为本发明实施例中平面微带贴片天线的Theta＝90°面辐射方向图。

图中标号：1、下层金属贴片；2、单层介质基片；3、上层金属贴片；4、弯折金属墙；5、同轴馈电探针；6、加载金属探针；7、弧形渐变缝隙孔径；8、馈电条带；9、扇形偶极子贴片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

结合图1、图2、图3，本发明具有宽带端射圆极化特性的平面微带贴片天线，包括矩形的单层介质基片2及其上、下表面分别设置的上层金属贴片3、下层金属贴片1，单层介质基片2两条短边所在侧分别命名为A侧、B侧；

所述单层介质基片2包括从A侧至B侧顺次设置的弯折金属墙4、同轴馈电探针5和加载金属探针6；同轴馈电探针5用于馈入天线的能量，弯折金属墙4作为反射腔，加载金属探针6用于调节天线的阻抗匹配性能；

所述上层金属贴片3、下层金属贴片1结构相同，从A侧至B侧顺次为矩形贴片、弧形渐变缝隙孔径7、馈电条带8、扇形偶极子贴片9；所述矩形贴片分别设置于弯折金属墙4的顶部和底部，弧形渐变缝隙孔径7用于激励起垂直极化分量，馈电条带8将能量传送至扇形偶极子贴片9，由扇形偶极子贴片9激励起水平极化分量。

作为一种具体实施方式，所述弯折金属墙4由金属通孔单元顺次排列形成中间一条长墙、两头各一短墙，两条短墙在长墙两端并与长墙垂直，该三条墙沿单层介质基片2A侧的矩形贴片边缘三条边排布。

作为一种具体实施方式，所述上层金属贴片3、下层金属贴片1分别包括一个扇形偶极子贴片9，该两个扇形偶极子贴片9形状与尺寸相同，且对称分布于馈电条带8两侧。

作为一种具体实施方式，所述的弯折金属墙4中，长墙长为28mm、宽为0.6mm；短墙长为12mm、宽为0.6mm。

作为一种具体实施方式，所述加载金属探针6的加载位置和尺寸大小，根据天线在不同模式、不同频率下的谐振特性进行调整，以满足在设计频率下的阻抗匹配性能要求。

作为一种具体实施方式，所述单层介质基片2的长为38mm，宽为28mm，厚为3mm。

作为一种具体实施方式，所述上层金属贴片3、下层金属贴片1中的矩形贴片，长为28mm、宽为12mm。

作为一种具体实施方式，所述扇形偶极子贴片9半径为10.5mm，张角为57°。

作为一种具体实施方式，所述馈电条带8长为16mm、宽为1.8mm。

作为一种具体实施方式，所述加载金属探针6和同轴馈电探针5之间的距离为6mm；所述加载金属探针6的半径为0.3mm。

本发明具有宽带端射圆极化特性的平面微带贴片天线，工作过程如下：

天线的能量由同轴探针5馈入，激励的电磁波将单层介质基片2左侧的弯折金属墙4作为反射腔，实现电磁波的端射辐射，在弧形渐变缝隙孔径7激励起垂直极化分量，通过馈电条带8的能量传送，在下层金属贴片1和上层金属贴片3右侧的扇形偶极子贴片9激励起水平极化分量，通过调节馈电条带8的臂长，实现两个分量的等幅相差90°激励，进而实现圆极化辐射性能。

弧形渐变缝隙孔径7和扇形偶极子贴片9可以保证很宽的轴比带宽。设计弧形渐变缝隙孔径7渐变的角度和扇形偶极子贴片9的半径及张角影响天线的阻抗和轴比性能。通过采用位于同轴馈电探针5和弧形渐变缝隙孔径7之间的加载金属探针6，增加了新的天线阻抗匹配调节的自由度，提高天线的阻抗带宽。金属探针6的加载位置和尺寸大小可以根据天线在不同模式、不同频率下的谐振特性进行调整，以满足在设计频率下的阻抗匹配性能要求，而对天线的轴比性能影响较小。可以在优先调节出宽带轴比性能后，在优化阻抗带宽，并使阻抗带宽在轴比带宽覆盖的范围内，从而实现真正的平面宽带端射圆极化辐射性能。

实施例1

结合图1、图2、图3，实施例提供了一种谐振频率在8.25GHz的具有宽带端射圆极化特性的平面微带贴片天线，包括下层金属贴片1、单层介质基片2和上层金属贴片3，其中单层介质基片2包括从左至右设置的弯折金属墙4、同轴馈电探针5和加载金属探针6；

所述下层金属贴片1和上层金属贴片3结构相同，在左侧构成弧形渐变缝隙孔径7，在中间构成馈电条带8，在右侧构成扇形偶极子贴片9，所述弧形渐变缝隙孔径7与扇形偶极子贴片9之间的距离为约1/4工作波长，由馈电条带8连接。

进一步地，所述的单层介质基片2为矩形，长为38mm，宽为28mm，厚为3mm。

进一步地，所述的弯折金属墙4由中间一长墙，两头两短墙组成，两短墙在长墙两端并与长墙垂直，弯折金属墙4沿单层介质基片2左侧和前后两侧边沿排布；长墙长为28mm，宽为0.6mm；短墙长为12mm，宽为0.6mm。

进一步地，所述下层金属贴片1和上层金属贴片3左侧形状和尺寸相同，由矩形和弧形渐变缝隙孔径7构成，其中矩形长为28mm，宽为12mm。

进一步地，所述下层金属贴片1和上层金属贴片3右侧为扇形偶极子贴片9，形状和尺寸相同，下层金属贴片1的扇形偶极子贴片9和上层金属贴片3的扇形偶极子贴片9分置前后两侧；所述扇形偶极子贴片9半径为10.5mm，张角为57°。

进一步地，所述馈电条带8长为16mm，宽为1.8mm。

进一步地，所述加载金属探针6和同轴馈电探针5之间的距离为6mm；所述加载金属探针6的半径为0.3mm。

结合图4、图5、图6、图7以及图8，本实施例一种谐振频率在8.25GHz的具有宽带端射圆极化特性的平面微带贴片天线，相对于传统的平面端射圆极化天线，天线的带宽大大得到提升，其中-10dB阻抗带宽为20.6％，3dB圆极化轴比带宽为36.4％，共同带宽为20.6％。同时本实施例所述天线的最低轴比达到0.47dB，具有明显的端射辐射特性，且交叉极化水平良好。

本发明采用金属壁作为反射腔，可以确保端射辐射的最大化，保证天线的端射增益，通过使用渐变缝隙孔径和扇形偶极子来分别实现了垂直极化和水平极化分量，并且通过调节上下平行条带的臂长，约为工作中心频率的四分之一波长，实现两个分量的等幅相差90°激励，从而实现了很好的圆极化性能，轴比带宽很宽。

Claims (10)

1.一种具有宽带端射圆极化特性的平面微带贴片天线，其特征在于，包括矩形的单层介质基片(2)及其上、下表面分别设置的上层金属贴片(3)、下层金属贴片(1)，单层介质基片(2)两条短边所在侧分别命名为A侧、B侧；

所述单层介质基片(2)包括从A侧至B侧顺次设置的弯折金属墙(4)、同轴馈电探针(5)和加载金属探针(6)；同轴馈电探针(5)用于馈入天线的能量，弯折金属墙(4)作为反射腔，加载金属探针(6)用于调节天线的阻抗匹配性能；

所述上层金属贴片(3)、下层金属贴片(1)结构相同，从A侧至B侧顺次为矩形贴片、弧形渐变缝隙孔径(7)、馈电条带(8)、扇形偶极子贴片(9)；所述矩形贴片分别设置于弯折金属墙(4)的顶部和底部，弧形渐变缝隙孔径(7)用于激励起垂直极化分量，馈电条带(8)将能量传送至扇形偶极子贴片(9)，由扇形偶极子贴片(9)激励起水平极化分量。

2.根据权利要求1所述的具有宽带端射圆极化特性的平面微带贴片天线，其特征在于，所述弯折金属墙(4)由金属通孔单元顺次排列形成中间一条长墙、两头各一短墙，两条短墙在长墙两端并与长墙垂直，该三条墙沿单层介质基片(2)A侧的矩形贴片边缘三条边排布。

3.根据权利要求1或2所述的具有宽带端射圆极化特性的平面微带贴片天线，其特征在于，所述上层金属贴片(3)、下层金属贴片(1)分别包括一个扇形偶极子贴片(9)，该两个扇形偶极子贴片(9)形状与尺寸相同，且对称分布于馈电条带(8)两侧。

4.根据权利要求2所述的具有宽带端射圆极化特性的平面微带贴片天线，其特征在于，所述的弯折金属墙(4)中，长墙长为28mm、宽为0.6mm；短墙长为12mm、宽为0.6mm。

5.根据权利要求3所述的具有宽带端射圆极化特性的平面微带贴片天线，其特征在于，所述加载金属探针(6)的加载位置和尺寸大小，根据天线在不同模式、不同频率下的谐振特性进行调整，以满足在设计频率下的阻抗匹配性能要求。

6.根据权利要求3所述的具有宽带端射圆极化特性的平面微带贴片天线，其特征在于，所述单层介质基片(2)的长为38mm，宽为28mm，厚为3mm。

7.根据权利要求3所述的具有宽带端射圆极化特性的平面微带贴片天线，其特征在于，所述上层金属贴片(3)、下层金属贴片(1)中的矩形贴片，长为28mm、宽为12mm。

8.根据权利要求3所述的具有宽带端射圆极化特性的平面微带贴片天线，其特征在于，所述扇形偶极子贴片(9)半径为10.5mm，张角为57°。

9.根据权利要求3所述的具有宽带端射圆极化特性的平面微带贴片天线，其特征在于，所述馈电条带(8)长为16mm、宽为1.8mm。

10.根据权利要求3所述的具有宽带端射圆极化特性的平面微带贴片天线，其特征在于，所述加载金属探针(6)和同轴馈电探针(5)之间的距离为6mm；所述加载金属探针(6)的半径为0.3mm。