CN109888470B - 一种方向图分集的低剖面圆极化天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种方向图分集的低剖面圆极化天线，包括同轴馈电探针、介质基板及设于介质基板下表面的金属地板；介质基板的上表面中心位置设有圆形辐射贴片；圆形辐射贴片上开设有一个外圆形缝隙、一个带缺口的内圆形缝隙、两个长度相同的第一、二条形缝隙以及两个长度相同的第三、四条形缝隙，内、外圆形缝隙与圆形辐射贴片同心，第一、二条形缝隙和第三、四条形缝隙均以圆形辐射贴片圆心为对称中心分布在外圆形缝隙的四等份位置上，条形缝隙位于外圆形缝隙内、外的两部分长度不一；同轴馈电探针有两个穿过介质基板和金属地板的中心、非中心位置，与圆形辐射贴片连接。本发明结构紧凑简单，剖面低，易于加工制造，具有良好的方向性。
Description
技术领域
本发明涉及圆极化天线的技术领域，尤其是指一种方向图分集的低剖面圆极化天线。
背景技术
为了提高无线链路的质量和通信接收的可靠性，天线分集是一种有效的方法。它能有效抑制多径衰落。在天线分集设计中，方向图分集受到了广泛的关注以及研究应用。由于天线的方向图分集性能可以实现不同的辐射方向图。它可以同时定位两个或多个天线元件，使天线系统的总尺寸变小。此外，圆极化(CP)天线在对抗多径干扰方面非常有效。就目前的报道来看，同时具有圆极化性能和方向图分集的天线非常的少，而且他们都具有多层和相对复杂的结构。
据调查与了解，已经公开的现有技术如下：
2014年，Changjiang Deng,Zhenghe Feng等人在“IEEE TRANSACTIONS ONANTENNAS AND PROPAGATION”发表题为“A Circularly Polarized Pattern DiversityAntenna for Hemispherical Coverage”的文章中，天线由两部分组成实现方向图分集的圆极化性能。其中同向馈电的弯折单极子实现全向的辐射方向图，而另一个通过激励L形的单极子实现宽边辐射圆极化性能。天线由于微带的弯折，双层结构，整个结构相对复杂且具有较高的剖面。
2018年，Wei Lin,Hang Wong等人在“IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS ANDPROPAGATION”发表题为“Circularly Polarized Antenna With ReconfigurableBroadside and Conical Beams Facilitated by a Mode Switchable Feed Network”的文章中，提出一种方向图可重构的圆极化天线。天线通过可重构馈电网络，采用L形探针耦合馈电，激励上层辐射天线的TM11和TM21模式，形成宽边和圆锥形方向图可重构的圆极化天线。由于天线的馈电网络和可重构直流偏置电路，整个天线的结构相对复杂，且也具有较高的剖面，不利于小型化。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种方向图分集的低剖面圆极化天线，该天线只具有单层结构，两个端口分别控制具有宽边和圆锥形的方向图的圆极化特性，该天线结构简单，易于加工制造，具有良好的方向性，可以工作在GPS L1波段。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种方向图分集的低剖面圆极化天线，包括有同轴馈电探针、介质基板及设于该介质基板下表面的金属地板；所述介质基板的上表面中心位置设有同心的圆形辐射贴片；所述圆形辐射贴片上分别开设有一个外圆形缝隙、一个带缺口的内圆形缝隙、两个长度相同的第一条形缝隙和第二条形缝隙以及两个长度相同的第三条形缝隙和第四条形缝隙，所述内圆形缝隙位于外圆形缝隙中，且该内、外圆形缝隙与圆形辐射贴片同一圆心，所述第一条形缝隙与第二条形缝隙及第三条形缝隙与第四条形缝隙均以圆形辐射贴片的圆心为对称中心对称分布在外圆形缝隙的四等份位置上，且每个条形缝隙的一部分位于外圆形缝隙内，另一部分位于外圆形缝隙外，条形缝隙位于外圆形缝隙内、外的两部分长度不一；所述同轴馈电探针有两个穿过介质基板和金属地板的中心位置和非中心位置，并与圆形辐射贴片连接，用于馈电激励圆形辐射贴片，其中，位于中心处的同轴馈电探针激励宽边辐射方向图，位于非中心处的同轴馈电探针激励圆锥形辐射方向图。
进一步，所述介质基板和金属地板均为大小相同的正方形结构，且所述第一条形缝隙与第二条形缝隙及第三条形缝隙与第四条形缝隙位于该正方形结构的对角线上。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明天线只有单层介质基板，具有较低的剖面，约为0.02λ0，大大地降低了天线的剖面高度。
2、本发明天线在实现具有相同频段的宽边和圆锥形圆极化辐射方向图时，无需额外的馈电网络，只需分别单个同轴馈电，大大地简化了天线的结构。
3、本发明天线具有相对较高的增益、较好的隔离度和低交叉极化的辐射方向图，在天线的宽边和圆锥形辐射方向图，天线的最高增益分别达到7.2dBi和4.2dBi，且交叉极化大于20dB，天线两个端口的隔离度小于-22dB在通带频带内。
4、本发明天线能够使用标准的PCB工艺进行加工制造，成本低廉。并且为平面结构，剖面低、结构紧凑、易于与后级无线通信系统共形设计。
附图说明
图1为方向图分集的低剖面圆极化天线的立体图。
图2为方向图分集的低剖面圆极化天线的俯视图。
图3为方向图分集的低剖面圆极化天线的仰视图。
图4为方向图分集的低剖面圆极化天线的S参数仿真结果曲线图。
图5为方向图分集的低剖面圆极化天线激励宽边辐射方向图(中心馈电)时的轴比仿真曲线图。
图6为方向图分集的低剖面圆极化天线激励宽边辐射方向图(中心馈电)时在1.575GHz phi＝0°和phi＝90°的轴比仿真曲线图。
图7为方向图分集的低剖面圆极化天线激励宽边辐射方向图(中心馈电)时在1.575GHz的E面辐射方向图。
图8为方向图分集的低剖面圆极化天线激励圆锥形辐射方向图(非中心馈电)时的轴比仿真曲线图。
图9为方向图分集的低剖面圆极化天线激励圆锥形辐射方向图(非中心馈电)时在1.575GHz phi＝0°和phi＝90°的轴比仿真曲线图。
图10为方向图分集的低剖面圆极化天线激励圆锥形辐射方向图(非中心馈电)时在1.575GHz的E面辐射方向图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1至图3所示，本实施例所提供的方向图分集的低剖面圆极化天线，包括圆形辐射贴片1、介质基板2、金属地板3、同轴馈电探针4；所述介质基板2和金属地板3均为大小相同的正方形结构，且所述金属地板3设在介质基板2的下表面；所述圆形辐射贴片1设在介质基板2的上表面中心位置，并与介质基板2同心；所述圆形辐射贴片1上分别开设有一个外圆形缝隙5、一个带缺口的内圆形缝隙6、两个长度相同的第一条形缝隙7和第二条形缝隙8以及两个长度相同的第三条形缝隙9和第四条形缝隙10，所述内圆形缝隙6置于外圆形缝隙5中，且该内、外圆形缝隙6、5与圆形辐射贴片1同一圆心，所述第一条形缝隙7与第二条形缝隙8及第三条形缝隙9与第四条形缝隙10均以圆形辐射贴片1的圆心为对称中心对称分布在外圆形缝隙5的四等份位置上，且所述第一条形缝隙7与第二条形缝隙8及第三条形缝隙9与第四条形缝隙10刚好处于上述正方形结构的对角线上，每个条形缝隙的一部分位于外圆形缝隙5内，另一部分位于外圆形缝隙5外，且条形缝隙位于外圆形缝隙5内、外的两部分长度不一；所述同轴馈电探针4有两个穿过介质基板2和金属地板3的中心位置和非中心位置，并与圆形辐射贴片1连接，用于馈电激励圆形辐射贴片1，其中，位于中心处的同轴馈电探针4激励宽边辐射方向图，位于非中心处的同轴馈电探针4激励圆锥形辐射方向图。
调整本实施例的方向图分集的低剖面圆极化天线各部分的尺寸参数后，通过计算和电磁场仿真，对本实施例的方向图分集的低剖面圆极化天线进行了验证仿真，如图4所示，给出了该天线在1.4GHz～1.7GHz频率范围内的S参数仿真结果的曲线，图中|S11|是中心激励宽边方向图的曲线，图中|S22|是非中心激励圆锥形方向图的曲线，|S21|是端口间的隔离度。从图中可以看到，|S11|和|S22|的值小于-10dB的频率范围为1.553GHz-1.6GHz和1.568GHz-1.589GHz，都能覆盖GPSL1波段，端口间的隔离度小于-22dB。实现了工作在同一频带。
本实施例的方向图分集的低剖面圆极化天线仿真的HFSS模型在激励宽边辐射方向图时的轴比随频率变化仿真图如图5所示，可以看出天线在1.571GHz-1.583GHz时轴比小于3dB，实现圆极化辐射特性。天线在1.575GHz时phi＝0°和phi-90°轴比图和E面辐射方向图分别如图6和图7所示，天线为宽边辐射方向图，最高增益达到7.2dBi，交叉极化大于20dB。
本实施例的方向图分集的低剖面圆极化天线仿真的HFSS模型在激励圆锥形辐射方向图时的轴比随频率变化仿真图如图8所示，天线在1.569GHz-1.578GHz时轴比小于3dB，实现圆极化辐射特性。天线在1.575GHz时phi＝0°和phi-90°轴比图和E面辐射方向图分别如图9和图10所示，天线为圆锥形辐射方向图天线，最高增益达到4.2dBi，交叉极化大于20dB。。
上述实施例中，所述介质基板2为介电常数2.55材料制成，所述圆形辐射贴片1和金属地板均采用金属材料制成，该金属材料可以为铝、铁、锡、铜、银、金和铂中的任意一种，或为铝、铁、锡、铜、银、金和铂任意一种的合金。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。
Claims (2)
1.一种方向图分集的低剖面圆极化天线，包括有同轴馈电探针、介质基板及设于该介质基板下表面的金属地板；其特征在于：所述介质基板的上表面中心位置设有同心的圆形辐射贴片；所述圆形辐射贴片上分别开设有一个外圆形缝隙、一个带缺口的内圆形缝隙、两个长度相同的第一条形缝隙和第二条形缝隙以及两个长度相同的第三条形缝隙和第四条形缝隙，所述内圆形缝隙位于外圆形缝隙中，且该内、外圆形缝隙与圆形辐射贴片同一圆心，所述第一条形缝隙与第二条形缝隙及第三条形缝隙与第四条形缝隙均以圆形辐射贴片的圆心为对称中心对称分布在外圆形缝隙的四等份位置上，且每个条形缝隙的一部分位于外圆形缝隙内，另一部分位于外圆形缝隙外，条形缝隙位于外圆形缝隙内、外的两部分长度不一；所述同轴馈电探针有两个穿过介质基板和金属地板的中心位置和非中心位置，并与圆形辐射贴片连接，用于馈电激励圆形辐射贴片，其中，位于中心处的同轴馈电探针激励宽边辐射方向图，位于非中心处的同轴馈电探针激励圆锥形辐射方向图；天线能够使用标准的PCB工艺进行加工制造。
2.根据权利要求1所述的一种方向图分集的低剖面圆极化天线，其特征在于：所述介质基板和金属地板均为大小相同的正方形结构，且所述第一条形缝隙与第二条形缝隙及第三条形缝隙与第四条形缝隙位于该正方形结构的对角线上。
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