CN110444876A - 高增益宽带圆极化天线及无线通信设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高增益宽带圆极化天线及无线通信设备，所述天线包括两层介质基板、四个辐射体、四个寄生贴片、馈电结构和地板，所述两层介质基板上下水平设置；所述四个辐射体和馈电结构设置在下层介质基板的上表面，且四个辐射体旋转对称，所述馈电结构具有一个输入端口和四个输出端口，四个输出端口分别与四个辐射体相连，所述地板设置在下层介质基板的下表面；所述四个寄生贴片设置在上层介质基板的上表面，四个寄生贴片与四个辐射体一一对应，且每个寄生贴片位于对应辐射体的正上方；所述无线通信设备包括上述的天线。本发明天线具有高增益、高带宽、易加工、结构简单、成本低等特点，可以应用于1.76GHz～3GHz范围内的无线通讯系统中。
Description
技术领域
本发明涉及一种圆极化天线，尤其是一种高增益宽带圆极化天线及无线通信设备，属于无线通信技术领域。
背景技术
与线极化天线相比较，圆极化天线有着许多优良的特性，比如可以缓解极化失配以及抑制多径效应，在全球卫星通信系统及射频识别等领域有着重要的应用。随着无线通信技术的迅速发展，为了满足多信道的应用，现代通信系统的带宽需求越来越高，而天线作为无线通信技术桥梁和空中接口，也必然朝着这个方向发展，在一些对增益有特定要求的通信设备中，要求天线有着较高的增益，于是高增益宽带圆极化天线受到广泛应用。传统的圆极化天线可用带宽较窄，无法满足高数率传输的无线通信需求，而现有的宽带圆极化天线，增益较低且剖面普遍较高。
据调查与了解，已经公开的现有技术如下：
2017年16期的《IEEE Antennas Wireless Propag.Lett.》，H.H.Tran,I.Park,andT.K.Nguyen,发表题为“Circularly Polarized Bandwidth-Enhanced Crossed DipoleAntenna With a Simple Single Parasitic Element”的文章中提出了一种带宽提高的圆极化交叉偶极子天线。该文章采用同轴馈电的交叉偶极子结构，并加载了一个梯形寄生贴片，以此来拓宽天线的轴比带宽，将轴比带宽增加到了58.6％，但该结构的剖面高达0.27λ0(λ0为圆极化中心频率的自由空间波长)，限制了该结构的实际应用。
2019年67期的《IEEE Trans.Antennas Propag.》,L.B.Sun,Y.Li,Z.J.Zhang,andZ.H.Feng,发表题为“Low-Profile Compact Circularly Polarized Slot-Etched PIFAUsing Even and Odd Modes”的文章中提出了一种高增益平面倒F天线，通过在开槽的平面倒F天线的两个端口分别进行同相馈电和反向馈电，激励出一对奇偶模来实现圆极化，该结构有着0.032λ0的剖面，剖面较低，但其可用带宽只有14.7％，且增益只有2.2dBic左右，无法满足高带宽高增益的要求。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足之处，提供了一种高增益宽带圆极化天线，该天线具有高增益、高带宽、易加工、结构简单、成本低等特点，可以应用于1.76GHz～3GHz范围内的无线通讯系统中。
本发明的另一目的在于提供一种无线通信设备。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种高增益宽带圆极化天线，包括两层介质基板、四个辐射体、四个寄生贴片、馈电结构和地板，所述两层介质基板上下水平设置；
所述四个辐射体和馈电结构设置在下层介质基板的上表面，且四个辐射体旋转对称，所述馈电结构具有一个输入端口和四个输出端口，四个输出端口分别与四个辐射体相连，所述地板设置在下层介质基板的下表面；
所述四个寄生贴片设置在上层介质基板的上表面，四个寄生贴片与四个辐射体一一对应，且每个寄生贴片位于对应辐射体的正上方。
进一步的，所述四个辐射体关于地板的中心轴旋转对称，任意一个辐射体由与该辐射体相邻的辐射体绕地板的中心轴旋转九十度形成。
进一步的，所述四个寄生贴片关于地板的中心轴旋转对称，任意一个寄生贴片由与该寄生贴片相邻的寄生贴片绕地板的中心轴旋转九十度形成。
进一步的，所述四个辐射体和四个寄生贴片均为矩形结构，四个辐射体的尺寸相同，四个寄生贴片的尺寸也相同，辐射体的长度大于寄生贴片的长度，辐射体的宽度大于寄生贴片的宽度。
进一步的，所述馈电结构包括第一圆弧段、第二圆弧段、第三圆弧段和第四圆弧段；
所述第一圆弧段的第一端设有一个输入端口；
所述第一圆弧段的第二端与第二圆弧段的第一端相连，且第一圆弧段与第二圆弧段的相连处设有一个输出端口；
所述第二圆弧段的第二端与第三圆弧段的第一端相连，且第二圆弧段与第三圆弧段的相连处设有一个输出端口；
所述第三圆弧段的第二端与第四圆弧段的第一端相连，且第三圆弧段与第四圆弧段的相连处设有一个输出端口；
所述第四圆弧段的第二端设有一个输出端口。
进一步的，所述第二圆弧段、第三圆弧段和第四圆弧段的弧长相同，且大于第一圆弧段的弧长；所述第二圆弧段的宽度大于第一圆弧段的宽度，所述第一圆弧段的宽度大于第三圆弧段的宽度，所述第三圆弧段的宽度大于第四圆弧段的宽度。
进一步的，所述地板为经过倒角处理且具有四个弧形切角的方形结构。
进一步的，所述两层介质基板之间为空气层。
进一步的，所述两层介质基板之间的距离为0.06～0.07λ0，其中λ0为天线中心频率所对应的波长。
本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种无线通信设备，包括上述的高增益宽带圆极化天线。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明天线具有较宽的带宽，通过设置两层介质基板，在下层介质基板的上表面设置四个旋转对称的辐射体和馈电结构，并将四个旋转对称的辐射体和馈电结构的四个输出端口相连，极大地提高了天线的阻抗带宽，仿真结果显示天线的-10dB阻抗带宽为54.2％；并且在上层介质基板的上表面设置了四个寄生贴片，四个寄生贴片与四个辐射体一一对应，且每个寄生贴片位于对应辐射体的正上方，起到了引向器的作用，提高了天线的增益，最高增益由4.5dBic增加到6.6dBic。
2、本发明天线的地板为方形结构，其四个直角经过倒角处理，切除了四个尺寸相同的弧形片，得到四个弧形切角，改善了天线的轴比，使天线的轴比带宽得到了显著提升，3dB轴比带宽高达72.1％。
3、本发明天线采用双层介质基板，结构简单，介质基板的加工工艺成熟，成本低，成品率高，制作过程简单，可以满足天线低造价的要求。
4、本发明天线具有结构简单、高增益的优点，需要调整的参数较少，容易加工设计，适合工程应用，解决了现有技术的一些圆极化天线结构复杂、带宽窄，且剖面高的问题。
附图说明
图1为本发明实施例的高增益宽带圆极化天线的立体结构图。
图2为本发明实施例的高增益宽带圆极化天线的侧视结构图。
图3为本发明实施例的高增益宽带圆极化天线中第二介质基板的仰视结构图。
图4为本发明实施例的高增益宽带圆极化天线中第二介质基板的俯视结构图。
图5为本发明实施例的高增益宽带圆极化天线中第一介质基板的俯视结构图。
图6为本发明实施例的高增益宽带圆极化天线的|S11|随频率变化的仿真曲线。
图7为本发明实施例的高增益宽带圆极化天线的轴比随频率变化的仿真曲线。
图8为本发明实施例的高增益宽带圆极化天线的增益随频率变化的仿真曲线。
图9为本发明实施例的高增益宽带圆极化天线的效率随频率变化的仿真曲线。
图10为本发明实施例的高增益宽带圆极化天线在2GHz时的E面辐射方向图。
图11为本发明实施例的高增益宽带圆极化天线在2GHz时的H面辐射方向图。
图12为本发明实施例的高增益宽带圆极化天线在2.4GHz时的E面辐射方向图。
图13为本发明实施例的高增益宽带圆极化天线在2.4GHz时的H面辐射方向图。
图14为本发明实施例的高增益宽带圆极化天线在2.9GHz时的E面辐射方向图。
图15为本发明实施例的高增益宽带圆极化天线在2.9GHz时的H面辐射方向图。
其中，1-第一介质基板，2-第二介质基板，3-辐射体，301-第一辐射体，302-第二辐射体，303-第三辐射体，304-第四辐射体，4-寄生贴片，401-第一寄生贴片，402-第二寄生贴片，403-第三寄生贴片，404-第四寄生贴片，5-馈电结构，501-第一圆弧段，502-第二圆弧段，503-第三圆弧段，504-第四圆弧段，505-输入端口，506-第一输出端口，507-第二输出端口，508-第三输出端口，509-第四输出端口，6-地板，601-弧形切角。
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。
实施例：
如图1～图3所示，本实施例提供了一种高增益宽带圆极化天线，该天线能够应用于无线通信设备中，包括第一介质基板1、第二介质基板2、四个辐射体3、四个寄生贴片4、馈电结构5和地板6，第一介质基板1和第二介质基板2上下水平设置，其中第一介质基板1为上层介质基板，第二介质基板2为下层介质基板。
进一步地，第一介质基板1和第二介质基板2的截面形状为方形，且第一介质基板1和第二介质基板2的尺寸相同，即第一介质基板1的长度、宽度、高度均与第二介质基板2的长度、宽度、高度相同，第一介质基板1和第二介质基板2之间为空气层，它们之间的距离为0.064λ0，其中λ0为天线中心频率所对应的波长。
如图1～图4所示，四个辐射体3和馈电结构5设置在第二介质基板2的上表面，且四个辐射体3旋转对称；进一步地，四个辐射体3均为矩形结构，且尺寸相同，即长度、宽度相同，四个辐射体3关于地板6的中心轴旋转对称，且任意一个辐射体3由与该辐射体3相邻的辐射体3绕地板5的中心轴旋转九十度形成；具体地，四个辐射体3分别为第一辐射体301、第二辐射体302、第三辐射体303和第四辐射体304，其中第一辐射体301与第二辐射体302相邻，第二辐射体302与第三辐射体303相邻，第三辐射体303与第四辐射体304相邻，第四辐射体304与第一辐射体301相邻，第一辐射体301由第二辐射体302绕地板5的中心轴逆时针旋转九十度形成，第二辐射体302由第三辐射体303绕地板5的中心轴逆时针旋转九十度形成，第三辐射体303由第四辐射体304绕地板5的中心轴逆时针旋转九十度形成，第四辐射体304由第一辐射体301绕地板5的中心轴逆时针旋转九十度形成。
进一步地，馈电结构5设置在第二介质基板2上表面的中间位置，第一辐射体301、第二辐射体302、第三辐射体303和第四辐射体304分布在馈电结构5的周围，该馈电结构5包括第一圆弧段501、第二圆弧段502、第三圆弧段503和第四圆弧段504；第一圆弧段501的第一端设有输入端口505，输入端口505从第一圆弧段501的第一端延伸至第二介质基板2上表面的中心；第一圆弧段501的第二端与第二圆弧段502的第一端相连，且第一圆弧段501与第二圆弧段502的相连处设有第一输出端口506，该第一输出端口506与第一辐射体301相连；第二圆弧段502的第二端与第三圆弧段503的第一端相连，且第二圆弧段502与第三圆弧段503的相连处设有第二输出端口507，该第二输出端口507与第二辐射体302相连；第三圆弧段503的第二端与第四圆弧段504的第一端相连，且第三圆弧段503与第四圆弧段504的相连处设有第三输出端口508，该第三输出端口508与第三辐射体303相连；第四圆弧段504的第二端设有第四输出端口509，该第四输出端口509与第四辐射体304相连；由于馈电结构5的四个输出端口分别与四个辐射体3相连，极大地提高了天线的阻抗带宽。
在本实施例中，第二圆弧段502、第三圆弧段503和第四圆弧段504的弧长相同，且大于第一圆弧段501的弧长；第二圆弧段502的宽度大于第一圆弧段501的宽度，第一圆弧段501的宽度大于第三圆弧段503的宽度，第三圆弧段503的宽度大于第四圆弧段504的宽度。
进一步地，所述地板6设置在第二介质基板2下表面的中间位置，地板6的中心轴与馈电结构5的中心轴一致，即为第二介质基板2的中心轴，本实施例的地板6为方形结构，其四个直角经过倒角处理，切除了四个尺寸相同的弧形片，得到四个弧形切角601，改善了天线的轴比，使天线的轴比带宽得到了显著提升，3dB轴比带宽高达72.1％。
如图1～图5所示，四个寄生贴片4设置在第一介质基板1的上表面，四个寄生贴片4与四个辐射体3一一对应，即四个寄生贴片4也旋转对称，四个寄生贴片4分别为第一寄生贴片401、第二寄生贴片402、第三寄生贴片403和第四寄生贴片404，第一寄生贴片401与第一辐射体301对应，且第一寄生贴片401位于第一辐射体301的正上方，第二寄生贴片402与第二辐射体302对应，且第二寄生贴片402位于第二辐射体302的正上方，第三寄生贴片403与第三辐射体303对应，且第三寄生贴片403位于第三辐射体303的正上方，第四寄生贴片402与第四辐射体304对应，且第四寄生贴片404位于第四辐射体304的正上方，四个寄生贴片4起到了引向器的作用，提高了天线的增益，最高增益由4.5dBic增加到6.6dBic。
进一步地，四个寄生贴片4均为矩形结构，且尺寸相同，即长度、宽度相同；四个寄生贴片4关于地板6的中心轴旋转对称，且任意一个寄生贴片4由与该寄生贴片4相邻的寄生贴片4绕地板5的中心轴旋转九十度形成；具体地，第一寄生贴片401与第二寄生贴片402相邻，第二寄生贴片402与第三寄生贴片403相邻，第三寄生贴片403与第四寄生贴片404相邻，第四寄生贴片404与第一寄生贴片401相邻，第一寄生贴片401由第二寄生贴片402绕地板5的中心轴逆时针旋转九十度形成，第二寄生贴片402由第三寄生贴片403绕地板5的中心轴逆时针旋转九十度形成，第三寄生贴片403由第四寄生贴片404绕地板5的中心轴逆时针旋转九十度形成，第四寄生贴片404由第一寄生贴片401绕地板5的中心轴逆时针旋转九十度形成。
在本实施例中，辐射体3的长度大于寄生贴片4的长度，辐射体3的宽度大于寄生贴片4的宽度。
调整本实施例的高增益宽带圆极化天线各部分的尺寸参数后，通过计算和电磁场仿真，对本实施例的高增益宽带圆极化天线进行了验证仿真，如图6所示，给出了该天线在1.3GHz～3.3GHz频率范围内的|S11|参数仿真结果的曲线，|S11|参数表示输入端口的回波损耗，从图中可以看到，在1.41GHz～3GHz频段范围内，曲线的值小于-10dB，仿真结果表明本实施例的高增益宽带圆极化天线具有较宽的阻抗带宽，阻抗带宽达到了54.2％，其性能良好，能够满足宽频带无线通讯系统的要求。
本实施例的高增益宽带圆极化天线的轴比仿真结果曲线如图7所示，可以看到，在1.76GHz～3.07GHz频段范围内，曲线的值小于3dB；本实施例的双层辐射贴片的高增益宽带圆极化天线的增益仿真结果曲线如图8所示，可见带内增益较为平稳；本实施例的双层辐射贴片的高增益宽带圆极化天线的辐射效率仿真结果曲线如图9所示，该天线辐射效率在通带内可达90％左右。
本实施例的高增益宽带圆极化天线HFSS仿真的模型在2GHz时的E辐射方向图如图10所示，H面方向图如图11所示；在2.4GHz时的E辐射方向图如图12所示，H面方向图如图13所示；在2.9GHz时的E辐射方向图如图14所示，H面方向图如图15所示。
上述实施例中，所述第一介质基板1和第二介质基板2均采用FR4_epoxy；所述辐射体3、寄生贴片4、馈电结构5和地板6均采用金属材料制成，金属材料可以为铝、铁、锡、铜、银、金和铂的任意一种，或为铝、铁、锡、铜、银、金和铂任意一种的合金；所述无线通信设备可以为手机、平板电脑等电子设备。
综上所述，本发明天线具有较宽的带宽，通过设置两层介质基板，在下层介质基板的上表面设置四个旋转对称的辐射体和馈电结构，并将四个旋转对称的辐射体和馈电结构的四个输出端口相连，极大地提高了天线的阻抗带宽，仿真结果显示天线的-10dB阻抗带宽为54.2％；并且在上层介质基板的上表面设置了四个寄生贴片，四个寄生贴片与四个辐射体一一对应，且每个寄生贴片位于对应辐射体的正上方，起到了引向器的作用，提高了天线的增益，最高增益由4.5dBic增加到6.6dBic。
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 (10)
1.一种高增益宽带圆极化天线，其特征在于：包括两层介质基板、四个辐射体、四个寄生贴片、馈电结构和地板，所述两层介质基板上下水平设置；
所述四个辐射体和馈电结构设置在下层介质基板的上表面，且四个辐射体旋转对称，所述馈电结构具有一个输入端口和四个输出端口，四个输出端口分别与四个辐射体相连，所述地板设置在下层介质基板的下表面；
所述四个寄生贴片设置在上层介质基板的上表面，四个寄生贴片与四个辐射体一一对应，且每个寄生贴片位于对应辐射体的正上方。
2.根据权利要求1所述的高增益宽带圆极化天线，其特征在于：所述四个辐射体关于地板的中心轴旋转对称，任意一个辐射体由与该辐射体相邻的辐射体绕地板的中心轴旋转九十度形成。
3.根据权利要求1所述的高增益宽带圆极化天线，其特征在于：所述四个寄生贴片关于地板的中心轴旋转对称，任意一个寄生贴片由与该寄生贴片相邻的寄生贴片绕地板的中心轴旋转九十度形成。
4.根据权利要求1-3任一项所述的高增益宽带圆极化天线，其特征在于：所述四个辐射体和四个寄生贴片均为矩形结构，四个辐射体的尺寸相同，四个寄生贴片的尺寸也相同，辐射体的长度大于寄生贴片的长度，辐射体的宽度大于寄生贴片的宽度。
5.根据权利要求1-3任一项所述的高增益宽带圆极化天线，其特征在于：所述馈电结构包括第一圆弧段、第二圆弧段、第三圆弧段和第四圆弧段；
所述第一圆弧段的第一端设有一个输入端口；
所述第一圆弧段的第二端与第二圆弧段的第一端相连，且第一圆弧段与第二圆弧段的相连处设有一个输出端口；
所述第二圆弧段的第二端与第三圆弧段的第一端相连，且第二圆弧段与第三圆弧段的相连处设有一个输出端口；
所述第三圆弧段的第二端与第四圆弧段的第一端相连，且第三圆弧段与第四圆弧段的相连处设有一个输出端口；
所述第四圆弧段的第二端设有一个输出端口。
6.根据权利要求5所述的高增益宽带圆极化天线，其特征在于：所述第二圆弧段、第三圆弧段和第四圆弧段的弧长相同，且大于第一圆弧段的弧长；所述第二圆弧段的宽度大于第一圆弧段的宽度，所述第一圆弧段的宽度大于第三圆弧段的宽度，所述第三圆弧段的宽度大于第四圆弧段的宽度。
7.根据权利要求1-3任一项所述的高增益宽带圆极化天线，其特征在于：所述地板为经过倒角处理且具有四个弧形切角的方形结构。
8.根据权利要求1-3任一项所述的高增益宽带圆极化天线，其特征在于：所述两层介质基板之间为空气层。
9.根据权利要求8所述的高增益宽带圆极化天线，其特征在于：所述两层介质基板之间的距离为0.06～0.07λ0，其中λ0为天线中心频率所对应的波长。
10.一种无线通信设备，其特征在于：包括权利要求1-9任一项所述的高增益宽带圆极化天线。
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