CN110190398A - 圆台状圆极化微带贴片天线 - Google Patents
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Abstract
一种圆台状圆极化微带贴片天线，包括：导电接地平面、设于导电接地平面上的圆台状介质基片、设于介质基片顶部的辐射片以及设于介质基片四周侧壁的若干馈电探针；介质基片包括下层的高介质常数介质基片和上层的低介电常数介质基片；辐射片为一薄片状的圆形金属导体，所述辐射片中部加工有一结构对称的齿轮状开口；本发明采用耦合馈电方式，馈电探针渐变，加工简单，尺寸小，重量轻，容易形成较宽的带宽，天线圆极化性能提高，并且相位中心稳定，可以同时实现右旋和左旋两种圆极化，尤其适合于精确测量和制导位系统终端设备。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种圆台状圆极化微带贴片天线。
背景技术
圆极化天线作为一种用来发射或接收无线电波的部件，在无线通信系统中起着至关重要的作用，尤其在卫星通信和飞行器测控设备中。
当前卫星导航定位设备在诸如定位、测量、授时、高精度农业和智能交通等领域应用日益广泛。导航设备为了获得分米级以上高精度定位要求，一般要采用RTK（实时动态差分法）技术，此时设备的天线一般要具备双频特性，并且应具备较宽工作带宽（增益带宽、波束带宽和轴比带宽），和更加紧凑尺寸、同时加工制造要简单等。由于微带贴片天线具有形状小、成本低、易共形、易加工和容易实现圆极化等优点，而被广泛应用，圆极化天线也是如此。
当前圆极化天线主要存在的问题为：
1.普通的微带天线一般实现单层介质实现一个工作频带，这种工作带宽比较窄，工作带宽仅有5%z左右，不能很好应用在超宽带（扩频）通信系统中。如果增大带宽，往往需要采用低介电常数的介质作为天线基板材料，此时天线尺寸会增大。
2.常规螺旋天线频带宽、波束宽、方向图对称、宽角圆极化性能好，缺点是只能实现一个极化方式。在需要双圆极化的场合，无法满足应用。
3.阵列天线（或阵子变形），频带宽、方向图对称、宽角圆极化性能好，缺点是波束不够宽、结构较复杂，尺寸较大。
传统的微带天线一般实现双频采用层叠式，即一般一层实现一个工作频带，两层叠加以实现双频。其中上层一般实现较高频率的辐射，下层实现较低频率的辐射。其中下层的辐射贴片充当上次贴片的地板。这种结构馈电比较复杂，同时上层的贴片往往会影响下层贴片的性能，造成下层贴片性能的下降，并且，普通微带天线工作带宽窄，不能很好覆盖多个卫星导航系统。如果增大带宽，往往需要采用低介电常数的介质作为天线基板材料，此时天线尺寸会增大。
圆极化天线由于不存在极化失配现象，更容易获得相关性较低的平衡接收功率而呈现较大优势。一对左旋圆极化波和右旋圆极化波互为交叉极化，理想情况下一对互为交叉极化的波是互相隔离的，即用LHCP的天线是无法接收RHCP来波的信号，反之亦然。事实上没有绝对的圆极化和线极化，任意极化波的瞬时电场矢量的端点轨迹为一椭圆，椭圆的长轴和短轴之比称之为轴比AR(Axial Ratio)，一般用dB表示。轴比是圆极化天线的一个重要的性能指标，它代表圆极化的纯度，一般将轴比不大于3dB的带宽，定义为天线的圆极化带宽。它是衡量天线对不同方向的信号增益差异性的重要指标。
圆极化波的特点是，电场的垂直分量和水平分量的大小相等而相位相差90度。一般情况下，微带天线是线极化的。但若对微带天线采用特殊的馈电方式，在贴片中激励两个简并得正交模式，使之幅度相等相位相差90度，即可以获得圆极化波。圆极化根据电场旋转方向不同又可分为左旋和右旋圆极化。圆极化信号经过反射会发生变化，根据反射信号强弱，我们大致可以推断出该信号是否经过反射以及反射次数，并以此作为信号检测的依据，所以在测控领域应用也比较广泛。
圆极化天线通常有螺旋天线、十字交叉阵子、微带天线等形式，其中，由于螺旋天线缺点是只能实现一个极化方式。交叉阵子这类天线轮廓较高，不利于集成到移动终端设备.而微带天线以其特有的优势，如轮廓低、重量轻、成本小、易共形等，并且容易同时形成左旋和右旋两种极化信号，在特殊场合成为必选。不过传统的微带天线工作带宽比较窄，一般是3%-5%,在扩频通信中，无法使用。展宽圆极化天线频带宽度是提高其实用价值的关键，尤其在超宽带通信中应用，可以极大提高抗干扰性能，是实现天线宽频带和小型化的研究重点。
发明内容
本发明的目的是提供一种工作带宽宽、增益高、尺寸小的圆台状圆极化微带贴片天线。
本发明的另一个目的是提供一种结构紧凑、馈电简单的圆台状圆极化微带贴片天线。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种圆台状圆极化微带贴片天线，包括：导电接地平面、设于导电接地平面上的介质基片、设于介质基片顶部的辐射片以及对称设于介质基片内的若干馈电探针；
所述介质基片为半圆锥状圆台，包括下层的高介质常数介质基片和上层的低介电常数介质基片；
所述辐射片为一薄片状的圆形金属导体，辐射片中部加工有一结构对称的齿轮状开口；
所述高介质常数介质基片上垂直且对称的加工有与馈电探针相同数量的馈电通孔，所述低介质常数介质基片底部与馈电通孔相对应的位置加工有馈电凹槽。
优选的是，所述馈电探针为T型馈电探针，包括水平设置的头部和垂直设置的杆部；馈电探针的头部设于所述馈电凹槽内，杆部设于馈电通孔内；馈电凹槽与馈电探针头部形状相适应，馈电通孔与馈电探针杆部形状相适应。
优选的是，所述馈电探针头部为圆形、矩形或弧形片中的一种。
优选的是，所述杆部为圆柱状。
优选的是，所述杆部直径由上到下逐渐变大或变小。
优选的是，所述馈电探针采用耦合馈电方式对辐射片进行馈电。
优选的是，所述馈电探针有对称的两个或以上。
优选的是，所述圆台状圆极化微带贴片天线中部为实心或加工有圆形贯通孔。
优选的是，所述导电接地平面为PCB板。
优选的是，所述馈电探针的底部与导电接地平面焊接固定或馈电探针与馈电通孔电镀焊接固定。
本发明的圆台状圆极化微带贴片天线，至少具有以下优点：
1.采用了渐变式耦合馈电方式，不同于传统层叠同轴馈电微带天线和无变化侧边耦合馈电方式，馈电探针可采用金属线或渐变的金属棒和柔性电路板等，加工简单，天线圆极化性能提高，并且相位中心稳定，容易形成较宽的带宽，实现了超宽带，并可以同时实现右旋和左旋两种圆极化，满足了双圆极化信号接收（或发射）应用需求，尤其适合于精确测量和制导位系统终端设备。
2.介质基片呈半圆锥状圆台，圆台直径由上到下逐渐变化，会增加天线的工作带宽，有助于形成较宽的带宽，另外，由于采用两种不同介电常数的介质基片，设计的产品尺寸小，重量轻，增益带宽宽；另外，圆台状的介质基片灌封后，更加耐冲击振动。
3.天线的正中部分可做成空心形式，方便在特殊的飞行器上使用。
4.一般而言，天线越厚带宽越宽，性能会更好；本发明产品易于成形，由于不涉及普通微带天线的金属化过孔等工艺，容易制作较厚的天线。
5.天线的辐射片单独在介质基片最上层，加工方便，并且，通过调节辐射片的外径，开口的内径、轮齿长度和宽度，对天线工作频率进行微调，方便产业化加工，在加工中有较好的容错性能，提高了产品合格率，降低了生产成本。
6.通过调节介质基片中高介质常数介质基片和低介电常数介质基片的材料介质常数和厚度，可以获得不同工作频率、增益和工作带宽，方便产业化加工。
附图说明
图1为一种圆台状圆极化微带贴片天线的结构示意图。
图2为图1圆台状圆极化微带贴片天线的侧视图。
图3为图1圆台状圆极化微带贴片天线的俯视图。
图4为另一种一种圆台状圆极化微带贴片天线的结构示意图。
图5为一种4个馈电探针的圆台状圆极化微带贴片天线电路图。
图6为一种2个馈电探针的圆台状圆极化微带贴片天线电路图。
图中标号为：1-导电接地平面，2-介质基片，210-高介质常数介质基片，220-低介电常数介质基片，3-辐射片，310-齿轮状开口，311-轮齿，4-馈电探针，410-头部，420-杆部，5-圆形贯通孔。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”，“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
实施例1
如图1-3所示，一种圆台状圆极化微带贴片天线，包括：导电接地平面1、设于导电接地平面上的介质基片2、设于介质基片顶部的辐射片3以及对称设于介质基片内的若干馈电探针4；
所述介质基片为半圆锥状圆台，包括下层的高介质常数介质基片210和上层的低介电常数介质基片220；通过调节不同材料介质常数和厚度，可以获得不同工作频率、增益和工作带宽。
所述辐射片为一薄片状的圆形金属导体，辐射片中部加工有一结构对称的齿轮状开口310；用于接收或发射信号。图2中，辐射片的外径，齿轮状开口的直径、轮齿311长度和宽度经过调整匹配，可在一定范围内对辐射片的工作频率进行微调。
所述高介质常数介质基片上垂直且对称的加工有与馈电探针相同数量的馈电通孔，所述低介质常数介质基片底部与馈电通孔相对应的位置加工有馈电凹槽。
所述馈电探针为T型馈电探针，包括水平设置的头部410和垂直设置的杆部420；馈电探针的头部设于所述馈电凹槽内，杆部设于馈电通孔内；馈电凹槽与馈电探针头部形状相适应，馈电通孔与馈电探针杆部形状相适应。
所述馈电探针头部为弧形片。所述杆部为圆柱状。
所述馈电探针采用耦合馈电方式对辐射片进行馈电。
所述馈电探针有对称且均匀分布的四个。馈电探针、弧形片分别与介质基片同心，两两对称，使相位中心稳定。
所述圆台状圆极化微带贴片天线中部加工有圆形贯通孔5，方便在特殊的飞行器上使用。
所述导电接地平面为PCB板。
所述馈电探针的底部与导电接地平面焊接固定。
实施例2
如图4所示，与实施例1类似，其区别之处在于，所述圆台状圆极化微带贴片天线中部为实心。
实施例3
与实施例1类似，其区别之处在于，所述杆部直径由上到下逐渐变大。这种渐变式耦合馈电的方式，不同于传统层叠同轴馈电微带天线和无变化侧边耦合馈电方式，馈电探针可采用渐变的实心或空心金属棒，加工简单，天线圆极化性能提高，并且相位中心稳定，容易形成较宽的带宽，可实现超宽带，并可以同时实现右旋和左旋两种圆极化，满足了双圆极化信号接收（或发射）应用需求。
实施例4
如图5所示，采用4个正交的馈电探针，每相邻的2个经过信号移相，合路后获得的良好左旋和右旋圆极化信号输出。（其中Hybrid为移相90度的耦合器）。
四个馈电探针，馈电电路的损耗大，但是获得圆极化性能好，其天线对称，从而相位中心稳定。
实施例5
如图6所示，也可以采用2个正交的馈电探针，相邻信号经过合路，也可以获得良好左旋和右旋圆极化信号：
2个馈电探针，馈电电路的损耗小，从而可以获得较高的增益。
可以针对不同的应用场景，选取2个或多个馈电探针。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。
Claims (10)
1.一种圆台状圆极化微带贴片天线，其特征在于，包括：导电接地平面、设于导电接地平面上的介质基片、设于介质基片顶部的辐射片以及对称设于介质基片内的若干馈电探针；
所述介质基片为半圆锥状圆台，包括下层的高介质常数介质基片和上层的低介电常数介质基片；
所述辐射片为一薄片状的圆形金属导体，辐射片中部加工有一结构对称的齿轮状开口；
所述高介质常数介质基片上垂直且对称的加工有与馈电探针相同数量的馈电通孔，所述低介质常数介质基片底部与馈电通孔相对应的位置加工有馈电凹槽。
2.如权利要求1所述的圆台状圆极化微带贴片天线，其特征在于，所述馈电探针为T型馈电探针，包括水平设置的头部和垂直设置的杆部；馈电探针的头部设于所述馈电凹槽内，杆部设于馈电通孔内；馈电凹槽与馈电探针头部形状相适应，馈电通孔与馈电探针杆部形状相适应。
3.如权利要求2所述的圆台状圆极化微带贴片天线，其特征在于，所述馈电探针头部为圆形、矩形或弧形片中的一种。
4.如权利要求3所述的圆台状圆极化微带贴片天线，其特征在于，所述杆部为圆柱状。
5.如权利要求3所述的圆台状圆极化微带贴片天线，其特征在于，所述杆部直径由上到下逐渐变大或变小。
6.如权利要求4或5所述的圆台状圆极化微带贴片天线，其特征在于，所述馈电探针采用耦合馈电方式对辐射片进行馈电。
7.如权利要求6所述的圆台状圆极化微带贴片天线，其特征在于，所述馈电探针有对称的两个或以上。
8.如权利要求7所述的圆台状圆极化微带贴片天线，其特征在于，所述圆台状圆极化微带贴片天线中部为实心或加工有圆形贯通孔。
9.如权利要求8所述的圆台状圆极化微带贴片天线，其特征在于，所述导电接地平面为PCB板。
10.如权利要求9所述的圆台状圆极化微带贴片天线，其特征在于，所述馈电探针的底部与导电接地平面焊接固定或馈电探针与馈电通孔电镀焊接固定。
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| CN110828983A (zh) * | 2019-10-18 | 2020-02-21 | 江苏三和欣创通信科技有限公司 | 双频微带天线装置 |
| CN115133281A (zh) * | 2022-08-30 | 2022-09-30 | 广东工业大学 | 耦合馈电缝隙与枝节加载的小型化圆极化天线及设计方法 |
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| CN110190398B (zh) | 2024-05-14 |
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