CN110350316A - 一种宽带圆极化阵列天线 - Google Patents

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朱晓磊
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Abstract

本发明公开了一种宽带圆极化阵列天线，包括用于产生四路幅度相等、相对相位差依次为0°、‑90°、‑180°和‑270°信号的中心馈电网络、四块大小一致的枝条状贴片、接地金属板、FR4介质基板；中心馈电网络包括带开口的方形贴片，方形贴片印刷在FR4介质基板上表面中心位置，该方形贴片的四个角分别连接一个枝条状贴片，枝条状贴片以依次顺序旋转90°的结构排列，枝条状贴片由一个矩形块和两个梯形块组成，该两个梯形块分别正交附着在矩形块两侧边；FR4介质基板下表面印刷有接地金属板，接地金属板对应于四块枝条状贴片的位置开设有圆形槽，圆形槽上延伸有矩形槽。该阵列天线的尺寸较小，具有小型化，低剖面、阻抗匹配带宽宽、轴比带宽宽、圆极化特性好等优点。

Description

一种宽带圆极化阵列天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种宽带圆极化阵列天线。
背景技术
近年来，随着现代无线通信领域技术的快速发展，圆极化贴片天线由于具有外形小巧、重量轻、抗多径衰落等优点，被广泛应用于卫星、雷达和移动通信系统。相比较于单个天线，阵列天线有助于改善辐射特性(提高主极化与交叉极化之间的隔离度)、增强带宽和改善性能以及提高增益。正因为圆极化天线阵列同时结合了圆极化与天线阵列的优点，所以具有圆极化特性的阵列天线越来越受到重视。在产学研界有很多关于圆极化阵列天线的研究。在阵列组成方式上，顺序馈电设计圆极化天线因其设计简单，轴比带宽宽，极具吸引力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种宽带圆极化阵列天线
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种宽带圆极化阵列天线，其中：包括用于产生四路幅度相等、相对相位差依次为0°、-90°、-180°和-270°信号的中心馈电网络、四块大小一致的枝条状贴片、接地金属板、FR4介质基板；所述中心馈电网络包括一体成型的带开口的方形贴片和输入微带线，所述输入微带线连接在方形贴片下端两角之间，所述方形贴片印刷在FR4介质基板上表面中心位置，该方形贴片的四个角分别连接一个枝条状贴片，所述枝条状贴片以依次顺序旋转90°的结构排列，所述枝条状贴片由一个矩形块和两个梯形块组成，该两个梯形块分别正交附着在矩形块两侧边；所述FR4介质基板下表面印刷有接地金属板，所述接地金属板对应于四块枝条状贴片的位置开设有圆形槽，所述圆形槽上延伸有矩形槽。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的FR4介质基板的相对介电常数为4.4，其损耗角正切为0.02，其整体尺寸为46mm×46mm×1.6mm。
上述的圆形槽的半径为7mm。
上述的矩形槽为两个，且其相互对称，其长度和宽度分别为1.4mm和0.6mm。
上述的枝条状贴片与方形贴片之间连接有输出微带线，所述输出微带线的长度和宽度分别为4mm和0.6mm。
上述的梯形块为一大一小且非对称布置在矩形块两侧，所述矩形块的长度为9.5mm；小梯形块的长度为3.7mm，其自由端的宽度为1.2mm，小梯形块距输出微带线的距离为3.3mm；所述大梯形块的长度为6mm，其自由端的宽度为1.2mm，大梯形块距输出微带线的距离为6.1mm。
上述的方形贴片的四个边的长度和宽度从左边起按顺时针方向依次增大。
本发明的有益效果：
1.该阵列天线的尺寸较小，具有小型化，低剖面等优点。
2.相比较现有的阵列天线的长方形贴片，本结构的枝条状贴片通过采用梯形正交结构，从而扩展了天线阻抗、频带带宽和轴比带宽，相互垂直的结构可以确保圆极化的产生。
3.相比较现有的阵列天线，本结构在介质基板背面开设有圆形槽以及矩形槽，通过圆形槽和矩形槽相配合，显著提高了单元天线的轴比带宽。
附图说明
图1是本发明的天线单元结构；
图2是本发明的矩形槽对单元天线阻抗带宽和轴比带宽的影响；
图3是本发明的圆形槽半径R1对单元天线阻抗带宽和轴比带宽的影响；
图4是本发明的天线阵列整体结构示意图；
图5是本发明的天线阵列结构尺寸示意图；
图6是本发明的天线阵列正面示意图；
图7是本发明的天线阵列背面示意图；
图8是本发明的馈电网络示意图；
图9是本发明的阵列天线的阻抗带宽曲线图；
图10是本发明的阵列天线的轴比带宽曲线图；
图11是本发明的天线阵列在5.8GHz处的辐射方向图(a)E面(b)H面；
图12是本发明的天线阵列的增益曲线图。
附图标记为：中心馈电网络 1、枝条状贴片 2、接地金属板 3、FR4介质基板 4、方形贴片 5、圆形槽 6、矩形槽 7、输入微带线 8。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
如图1-12所示，本发明为一种宽带圆极化阵列天线，其中：包括用于产生四路幅度相等、相对相位差依次为0°、-90°、-180°和-270°信号的中心馈电网络1、四块大小一致的枝条状贴片2、接地金属板3、FR4介质基板4；所述中心馈电网络1包括一体成型的带开口的方形贴片5和输入微带线6，所述输入微带线6连接在方形贴片5下端两角之间，所述方形贴片5印刷在FR4介质基板4上表面中心位置，该方形贴片5的四个角分别连接一个枝条状贴片2，所述枝条状贴片2以依次顺序旋转90°的结构排列，所述枝条状贴片2由一个矩形块和两个梯形块组成，该两个梯形块分别正交附着在矩形块两侧边；所述FR4介质基板4下表面印刷有接地金属板3，所述接地金属板3对应于四块枝条状贴片2的位置开设有圆形槽7，所述圆形槽7上延伸有矩形槽8。
在本实例中，如图1所示是单元天线结构的示意图，设计单元天线使用FR4介质基板4，厚度为1.6mm，基板的损耗角正切为0.02。单元天线尺寸为18×18×1.6mm3。FR4介质基板4正面包括输出微带线以及正交非对称附着在矩形块两边的两段梯形块组成的枝条状贴片2，梯形枝条状贴片2可以扩展天线阻抗和轴比带宽，同时相互垂直的几何结构可以确保圆极化的产生。FR4介质基板4背面由开圆形槽6的接地金属板3组成，此外，在圆形槽6上延伸出两个对称的矩形槽7，单元天线的轴比带宽可进一步提高。
图2是矩形槽7对单元天线阻抗带宽和轴比带宽的影响，从图中可以看出，加上矩形槽7的情况下，输出的轴比带宽明显比没有矩形槽时的轴比带宽宽了许多。
图3是接地金属板3上圆形槽6半径对单元天线阻抗带宽和轴比带宽的影响，从图中可以看出，随着圆形槽6的半径逐渐变大，单元天线的谐振点渐渐地向高频方向移动，但阻抗带宽几乎没有变化，而轴比带宽的范围逐渐变大。故综合阻抗带宽和轴比带宽的曲线来看，选择R1＝7mm比较合适。
图4-7是四单元天线阵列结构的示意图。天线阵列设计时采用的基板是相对介电常数为4.4，损耗正切为0.02的FR4基板(厚度为1.6mm)，圆极化天线阵列的整体尺寸为46mm×46mm×1.6mm。天线阵列正面的中心部分是顺序旋转的中心馈电网络1，其是由矩形条带组成的开口方形贴片5，该方形贴片5下端两角中间连接着矩形馈线作为输入端，方形贴片5的四个角分别通过输出微带线与四个枝条状贴片2连接，单元由矩形馈线和梯形条带以及在接地面开的圆形槽和对称的矩形槽组成，四个枝条状贴片2以依次顺序旋转90°的结构排列，并通过四个输出微带线连接到顺序中心馈电网络。
图8为馈电网络示意图。Port1为输入端，Port2、Port3、Port4、Port5为输出端，Z0代表特性阻抗，Z1、Z2、Z3分别代表四分之一波长的特征阻抗部分，Z4为输出端的阻抗，通过这样设计将在馈电网络的四个输出端分别产生90°的相位差。因此，当相位deg出现在输出端Port2时，deg-90、deg-180、deg-270的相位将分别出现在输出端Port3到5。
图9所示是天线阵列的阻抗带宽曲线图，从图中可以看出，得到的阻抗带宽的范围为4.61-10.15GHz。
图10所示是天线阵列的轴比带宽曲线图，从图中可以看出，得到的轴比带宽的范围为4.6-8.69GHz。
图11所示为阵列天线在5.8GHz频率下在E面和H面的辐射方向图，从图中可以看出，阵列天线的右旋圆极化(RHCP)为主极化，左旋圆极化(LHCP)为交叉极化。
图12所示为阵列天线的增益曲线图，从图可以看出，天线阵列的最大增益在8.2GHz处为7.31dBi。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种宽带圆极化阵列天线，其特征在于：包括用于产生四路幅度相等、相对相位差依次为0°、-90°、-180°和-270°信号的中心馈电网络(1)、四块大小一致的枝条状贴片(2)、接地金属板(3)、FR4介质基板(4)；
所述中心馈电网络(1)包括一体成型的带开口的方形贴片(5)和输入微带线(6)，所述输入微带线(6)连接在方形贴片(5)下端两角之间，所述方形贴片(5)印刷在FR4介质基板(4)上表面中心位置，该方形贴片(5)的四个角分别连接一个枝条状贴片(2)，所述枝条状贴片(2)以依次顺序旋转90°的结构排列，所述枝条状贴片(2)由一个矩形块和两个梯形块组成，该两个梯形块分别正交附着在矩形块两侧边；
所述FR4介质基板(4)下表面印刷有接地金属板(3)，所述接地金属板(3)对应于四块枝条状贴片(2)的位置开设有圆形槽(7)，所述圆形槽(7)上延伸有矩形槽(8)。
2.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化阵列天线，其特征在于：所述FR4介质基板(4)的相对介电常数为4.4，其损耗角正切为0.02，其整体尺寸为46mm×46mm×1.6mm。
3.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化阵列天线，其特征在于：所述圆形槽(7)的半径为7mm。
4.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化阵列天线，其特征在于：所述矩形槽(8)为两个，且其相互对称，其长度和宽度分别为1.4mm和0.6mm。
5.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化阵列天线，其特征在于：所述枝条状贴片(2)与方形贴片(5)之间连接有输出微带线，所述输出微带线的长度和宽度分别为4mm和0.6mm。
6.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化阵列天线，其特征在于：所述梯形块为一大一小且非对称布置在矩形块两侧，所述矩形块的长度为9.5mm；小梯形块的长度为3.7mm，其自由端的宽度为1.2mm，小梯形块距输出微带线的距离为3.3mm，；所述大梯形块的长度为6mm，其自由端的宽度为1.2mm，大梯形块距输出微带线的距离为6.1mm。
7.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化阵列天线，其特征在于：所述方形贴片(5)的四个边的长度和宽度从左边起按顺时针方向依次增大。
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