CN110120580A - 一种极化可重构的宽频带圆极化全向天线 - Google Patents

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李小秋
孙红兵
周志鹏
程通
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Abstract

本发明提出了一种极化可重构宽频带全向天线，在保证天线宽频带圆极化全向性的情况下实现极化可重构特性，包括介质基板、辐射单元、地板、单极子辐射器和直流电路单元；辐射单元包括印制在介质基板上表面的圆环状贴片和环内的金属贴片，以及连接圆环状贴片与金属贴片的微带线，金属贴片的周边上设置有缝隙和寄生耦合贴片，保证了天线的宽频带特性，圆环状贴片与印制在介质基板下表面的圆弧贴片上设置有二极管，并通过第一金属化通孔连接，用于实现了极化可重构特性；单极子辐射器穿过地板和介质基板上的过孔，与金属贴片连接；直流电路单元包括接地贴片、供电贴片和连接介质基板上下表面的接地贴片的第二金属化通孔。

Description

一种极化可重构的宽频带圆极化全向天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别涉及一种具有极化可重构的宽频带圆极化全向天线，可广泛用于无线电广播和卫星，全球定位系统，无线局域网(WALN)的接入点等场合。
背景技术
全向天线是指天线能够在自由空间中的某一个平面均匀辐射电磁波信号，在这个平面内，天线的方向图从数学角度上来说近似为一个圆形。由于民用车载、机载、舰载等移动平台具有高速运动、轨迹不定等特点。所以在运行过程中对通信天线要求其具有良好的辐射特性，以便处于各种状态下的天线载体均能够有效的接收来波信号。
两个振幅相等旋向不一样的圆极化波可以组成任意的线极化波。因此任意极化的天线能够接收圆极化天线发射的辐射波，并且任意极化天线的辐射波能够被圆极化天线所接收，该特性能够提高天线间的极化匹配效率。这就是在无人机平台等方面普遍应用圆极化天线的原因。而随着通信系统的快速发展，现代的无线系统越来越多倾向于多功能、减干扰、宽频带方向发展。利用极化可重构的宽频带全向天线能够改善在圆极化全向天线使用过程中由于环境的改变导致单个圆极化全向天线的无法使用的情况，降低圆极化全向天线系统的设计成本和占用面积，满足设备的低成本等要求。
国内外专家学者就圆极化天线的设计总结出了很多的方法，可以归纳成以下三种形式：环形电流激励的行波天线；两个正交放置的线电流，只要两个线电流等幅、相位相差90°的交叉偶极子天线和微带圆极化天线。虽然第三种形式的微带天线很容易产生圆极化波，但一般3dB轴比带宽较窄，通常不超过1％，用于大于10dB的回波损耗表示的阻抗带宽在10％以内，完全无法满足高速率无线通信要求。为保持比较宽轴比带宽，一般采用方形贴片切角、开槽和添加寄生耦合贴片等方法来解决。2017年，Lin Wei，Richard W等人在IEEETransactions on Antennas and Propagation第12期期刊上发表了一篇名为《28GHzCompact Omnidirectional Circularly Polarized Antenna for Device-to-DeviceCommunications in the Future 5G Systems》的论文，该论文提出了一种全向圆极化天线，并介绍了该全向圆极化天线的实际应用。文中提出的全向圆极化天线的包括位于介质基板上下表面边缘的等弧宽的圆弧形辐射贴片，介质基板上下表面的圆弧形辐射贴片通过金属化通孔连接起来，介质基板中心设置有单极子辐射器。该天线通过竖直平面的电偶极子与水平平面上磁偶极子，会在远场产生全向的性能，并且依靠环形路径流通的电流会产生圆极化特性。但存在的缺陷是仅能实现一种圆极化特性，功能较为单一。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种极化可重构宽频带全向天线，旨在保证圆极化全向天线宽频带带宽的情况下，实现极化可重构特性。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种极化可重构的宽频带圆极化全向天线，包括介质基板1、辐射单元2、印制在介质基板1下表面的金属地板3、单极子辐射器4和直流电路单元5，其中：
所述辐射单元2，包括印制在介质基板1上表面的圆环状贴片21和位于圆环状贴片21环内的金属贴片22，以及连接圆环状贴片21与金属贴片22的至少两个微带线23，所述圆环状贴片21上与微带线23的连接点两侧蚀刻的一对第一隔断缝隙将该圆环状贴片21分割为多个互不连接的圆弧状贴片段，所述金属贴片22的周边上位于相邻微带线23之间的位置设置有缝隙，其内镶嵌有寄生耦合贴片24，在介质基板1的下表面且位于圆环状贴片21上不连接微带线23的圆弧状贴片段的投影位置印制有圆弧贴片25，该圆弧贴片25通过第一金属化通孔26与其对应的圆弧状贴片段连接，所述圆弧贴片25与第一金属化通孔26的连接点两侧蚀刻有一对第二隔断缝隙，所述第一隔断缝隙和第二隔断缝隙上各加载一个二极管27，且每对缝隙上加载的两个二极管的方向相反；
所述金属地板3位于金属贴片22在介质基板1下表面的投影位置，其中心位置蚀刻有过孔；
所述单极子辐射器4穿过金属地板3和介质基板1上的过孔，与金属贴片22连接；
所述直流电路单元5，包括第一隔断缝隙临近位置以及该临近位置在介质基板1下表面的对应位置印制的接地贴片51，和第一隔断缝隙及第二隔断缝隙临近位置印制的供电贴片52，介质基板1上下表面相应位置印制的接地贴片51之间通过第二金属化通孔53连接。
上述一种极化可重构的宽频带圆极化全向天线，所述金属贴片22的形状为圆形，与其连接的至少两个微带线23呈周向均匀排布，周边上设置的缝隙位于各相邻的微带线23的角分线上。
上述一种极化可重构的宽频带圆极化全向天线，所述金属贴片22，其周边上设置的缝隙的形状为开口向外且去除顶角的锥形，且锥形的顶点指向圆心。
上述一种极化可重构的宽频带圆极化全向天线，所述圆环状贴片21、金属贴片22、圆弧贴片25的圆心和金属地板3的中心，位于介质基板1的中心法线上，且圆环状贴片21与圆弧贴片25的半径相等，宽度相同。
上述一种极化可重构的宽频带圆极化全向天线，所述寄生耦合贴片24的形状为船锚状，锚柄为与金属贴片22周边上设置的缝隙锥度相同的锥形，锚柄的轴线上设置有缝隙。
上述一种极化可重构的宽频带圆极化全向天线，所述第一隔断缝隙和第二隔断缝隙的形状均为矩形。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明在圆环状贴片上蚀刻有至少一对第一隔断缝隙和圆弧贴片上蚀刻有至少一对第二隔断缝隙，每对缝隙上加载的两个二极管的方向相反，利用设置有的直流电路单元外接直流电源与开关，进而产生直流电压控制其二极管的导通与截止工作状态，当顺时针方向的二极管呈导通状态，且逆时针方向的二极管呈截止状态时，电流顺时针流动，辐射右旋圆极化波，当改变直流电压正向与反向偏置时，二极管工作状态交换，电流逆时针流动，辐射左旋圆极化波，进而实现极化可重构性能。
2、本发明由于设置有第一隔断缝隙和第二隔断缝隙，在阻抗特性上表现出电容特性，会对天线的圆极化轴比带宽产生影响。为了改善这个问题，采用在金属贴片上设置缝隙，且缝隙处设置寄生耦合贴片，当金属贴片上缝隙有电流通过时，寄生耦合贴片上也会产生电流，从而激励起新的谐振，增加了阻抗带宽和轴比带宽，保证了天线的宽频带。
附图说明
图1是本发明实施例的整体结构示意图；
图2是本发明实施例的俯视结构示意图；
图3是本发明实施例的仰视结构示意图；
图4是图2中的圆环状贴片与金属贴片的结构示意图；
图5是图2中的寄生耦合贴片的结构示意图；
图6是本发明为实施例的右旋圆极化反射系数图；
图7是本发明为实施例的左旋圆极化反射系数图；
图8是本发明为实施例的右旋圆极化3dB轴比带宽图；
图9是本发明为实施例的左旋圆极化3dB轴比带宽图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述：
参照图1，一种极化可重构的宽频带圆极化全向天线，包括介质基板1、辐射单元2、印制在介质基板1下表面的金属地板3、单极子辐射器4和直流电路单元5。所述介质基板1采用介电常数为2.2，损耗角正切值为0.0009的圆柱体，其半径为30mm，厚度为10mm。
参照图2，所述辐射单元2，包括印制在介质基板1上表面的圆环状贴片21和位于圆环状贴片21环内的金属贴片22，所述金属贴片22本实例采用的圆形在实现天线性能的同时更易于加工，圆环状贴片21的圆心与金属贴片22的圆心重合，位于介质基板1的中心法线上，连接圆环状贴片21与金属贴片22的为四根呈90°均匀分布的微带线23连接，在圆环状贴片21上与微带线23的连接点两侧各蚀刻有一个第一隔断缝隙，每对缝隙上加载的方向相反的两个二极管27，将分割为8个互不相连的圆环贴片21连接起来，实现了极化可重构性能，PIN二极管27的型号为bat64-03w，支持1MHz-6GHz的工作频段，该天线使用的二极管13的封装为SOD323，导通时，导通电阻为1.35欧姆，电感为1.8nh；不加电或电源反接时截止，截止电阻为3000欧姆，电容为0.17pf。所述金属贴片22，其周边上位于相邻微带线23之间的角分线位置设置有缝隙，本实例采用的是去顶角的锥形缝隙，为的是让其内镶嵌有的船锚状寄生耦合贴片24，实现更好的耦合，所述船锚状寄生耦合贴片24，其中心轴线上设置有五个等距并依次增大的圆形缝隙，改变了表面传导电流的路径，激励起新的谐振频率，相应展宽了天线频带，寄生耦合贴片24设置为船锚状改善了圆极化轴比带宽。
参考图3，该圆形金属贴片22半径R1＝10.5mm，去除顶锥形缝隙顶角为∠a1＝20°，缝隙的宽为R1-R2＝8.5mm，R2为内圆半径，此处的去除顶锥形缝隙可以等效为电容算进整个天线的等效阻抗里，影响天线的阻抗匹配；该圆环状贴片22的外径R3＝29mm，内径R4＝27mm；该微带线23宽WW1＝0.9mm，长LL1＝12mm；该第一隔离缝隙宽为W1＝0.5mm在离圆环状贴片21与微带线23连接点0.5mm处；在距微带线L1＝4mm，距圆环L2＝1mm的位置处各加边长a＝1mm的正方形接地贴片51，在距微带线23与圆环贴片21连接位置0.5mm处，和在距第一金属化通孔26与圆弧贴片25连接位置0.5mm处各加上长LL2＝1.5mm，宽WW2＝1.2mm的供电贴片52；该第二金属化通孔53半径为0.2mm。
参照图4，所述辐射单元2，包括在介质基板1的下表面且位于圆环状贴片21上不连接微带线23圆弧状贴片段的中心投影位置上弧度为30°的圆弧贴片25，所述圆环贴片21上不连接微带线23的圆弧状贴片段与圆弧贴片25通过第一金属化通孔26连接，第一金属化通孔26位于圆弧贴片25的中心位置，让左旋圆极化与右旋圆极化的性能一致，其直径等于圆环贴片21与圆弧贴片25的环宽，所述圆弧贴片25与第一金属化通孔26的连接点两侧各蚀刻有一个第二隔断缝隙，并在缝隙处设置有PIN二极管27，实现了极化可重构性能，所述金属地板3为圆心位于介质基板1下表面中心，内径为1.5mm，外径为5.5mm，环宽为4mm的圆环，所述单极子辐射器4半径为0.6mm，高度为10mm位于介质基板1中心轴位置，实现了天线的全向性能。
参照图5，该船锚状寄生耦合贴片24的锚柄顶角为∠a2＝20°，锚爪由圆心位于锚柄末端，半径R5＝15mm的圆与圆心位于船锚状中轴线上且在船锚状贴片外距锚柄末端L3＝3mm处，半径R6＝18mm的圆剪切而成；在船锚状贴片内距锚柄末端L4＝5.5mm位置处剪切出半径R7＝0.2mm的圆，并在每相隔L5＝0.7mm位置处，剪切出其他半径依次增加0.2mm另外四个圆。
本发明印制与介质基板1上表面的圆环贴片21和下表面的圆弧贴片25整体构成了一个以介质基板1中心轴为轴线的旋转结构，同轴线内芯输出的电流，流入介质基板1轴心上的单极子辐射器4，再通过单极子辐射器4流入介质基板1上表面的圆形金属贴片22，然后通过四根呈90°均匀分布微带线23流到圆环贴片21上，最后通过第一金属化通孔26流到介质基板1下表面的圆弧贴片25，使整个天线产生环形电流，进而产生圆极化。由于本发明设置有第一隔断缝隙和第二隔断缝隙，在电路上表现出电容特性，会对天线的圆极化轴比带宽产生影响。为了改善这个问题，采用在金属贴片上设置缝隙，且缝隙处设置寄生耦合贴片，当金属贴片上缝隙有电流通过时，寄生耦合贴片上也会产生电流，从而激励起新的谐振，增加了阻抗带宽和轴比带宽，保证了天线的宽频带。在圆环状贴片上蚀刻有至少一对第一隔断缝隙和圆弧贴片上蚀刻有至少一对第二隔断缝隙，每对缝隙上加载的两个二极管的方向相反，利用设置有的直流电路单元外接直流电源与开关，进而产生直流电压控制其二极管的导通与截止工作状态，当顺时针方向的二极管呈导通状态，且逆时针方向的二极管呈截止状态时，电流顺时针流动，辐射右旋圆极化波，当改变直流电压正向与反向偏置时，二极管工作状态交换，电流逆时针流动，辐射左旋圆极化波，进而实现极化可重构性能。
以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：
1、仿真条件和内容：
1.1利用商业仿真软件HFSS-15.0对上述实施例中天线的右旋及左旋时反射系数图，结果如图6、图7所示。
1.2利用商业仿真软件HFSS-15.0对上述实施例中天线的右旋及左旋时轴比带宽图，结果如图8、图9所示。
2、仿真结果分析：
参照图6，实施例中右旋时阻抗频带为2.28GHz-3.12GHz，相对带宽为28％。
参照图7，以轴比小于3为标准，右旋时轴比频带为2.3GHz-3.25GHz，相对带宽为31.6％。
参照图8，实施例中左旋时阻抗频带为2.20GHz-3.75GHz，，相对带宽为51.6％。
参照图9，以驻波比小于2为标准，右旋时驻波比频带为2.16GHz-3.35GHz，相对带宽为39.7％。
综合上述两个工作状态，本发明通过二极管的通断实现了极化可重构，对工作频带取交集可得可重构圆极化天线的工作频带，阻抗频带为2.28GHz-3.12GHz，相对带宽为28％。圆极化3dB轴比带宽为2.3GHz-3.25GHz，相对带宽为31.6％。
以上仿真结果说明，与现有技术相比，本发明天线通过在介质基板上表面圆环状贴片和介质板下表面圆弧贴片上设置有二极管，并在金属贴片上添加寄生耦合贴片在保证了天线宽轴比带宽的情况下实现了极化可重构特性，改善了现有技术的不足。
仅是本发明的一个实施例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种极化可重构的宽频带圆极化全向天线，其特征在于：包括介质基板(1)、辐射单元(2)、印制在介质基板(1)下表面的金属地板(3)、单极子辐射器(4)和直流电路单元(5)，其中：
所述辐射单元(2)，包括印制在介质基板(1)上表面的圆环状贴片(21)和位于圆环状贴片(21)环内的金属贴片(22)，以及连接圆环状贴片(21)与金属贴片(22)的至少两个微带线(23)，所述圆环状贴片(21)上与微带线(23)的连接点两侧蚀刻的一对第一隔断缝隙将该圆环状贴片(21)分割为多个互不连接的圆弧状贴片段，所述金属贴片(22)的周边上位于相邻微带线(23)之间的位置设置有缝隙，其内镶嵌有寄生耦合贴片(24)，在介质基板(1)的下表面且位于圆环状贴片(21)上不连接微带线(23)的圆弧状贴片段的投影位置印制有圆弧贴片(25)，该圆弧贴片(25)通过第一金属化通孔(26)与其对应的圆弧状贴片段连接，所述圆弧贴片(25)与第一金属化通孔(26)的连接点两侧蚀刻有一对第二隔断缝隙，所述第一隔断缝隙和第二隔断缝隙上加载有二极管(27)，且每对缝隙上加载的两个二极管的方向相反；
所述金属地板(3)位于金属贴片(22)在介质基板(1)下表面的投影位置，其中心位置蚀刻有过孔；
所述单极子辐射器(4)穿过金属地板(3)和介质基板(1)上的过孔，与金属贴片(22)连接；
所述直流电路单元(5)，包括第一隔断缝隙临近位置以及该临近位置在介质基板(1)下表面的对应位置印制的接地贴片(51)，和第一隔断缝隙及第二隔断缝隙临近位置印制的供电贴片(52)，介质基板(1)上下表面相应位置印制的接地贴片(51)之间通过第二金属化通孔(53)连接。
2.根据权利要求1所述的一种极化可重构的宽频带圆极化全向天线，其特征在于：所述金属贴片(22)的形状为圆形，与其连接的至少两个微带线(23)呈周向均匀排布，周边上设置的缝隙位于各相邻的微带线(23)的角分线上。
3.根据权利要求2所述的一种极化可重构的宽频带圆极化全向天线，其特征在于：所述金属贴片(22)，其周边上设置的缝隙的形状为开口向外且去除顶角的锥形，且锥形的顶点指向圆心。
4.根据权利要求3所述的一种极化可重构的宽频带圆极化全向天线，其特征在于：所述圆环状贴片(21)、金属贴片(22)、圆弧贴片(25)的圆心和金属地板(3)的中心，位于介质基板(1)的中心法线上，且圆环状贴片(21)与圆弧贴片(25)的半径相等，宽度相同。
5.根据权利要求4所述的一种极化可重构的宽频带圆极化全向天线，其特征在于：所述寄生耦合贴片(24)的形状为船锚状，锚柄为与金属贴片(22)周边上设置的缝隙锥度相同的锥形，锚柄的轴线上设置有缝隙。
6.根据权利要求5所述的一种极化可重构的宽频带圆极化全向天线，其特征在于：所述第一隔断缝隙和第二隔断缝隙的形状均为矩形。
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