CN110459865A - 一种Ka波段小型的圆极化单层贴片天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于信息传输领域，特别涉及一种Ka波段小型的圆极化单层贴片天线。该发明包括包括金属底板，底板上的方形槽，介质板，四分之一波长阻抗变换器，四分之一圆环90°移相器以及正交的折合单极子天线单元，介质板下层印制金属板，金属板上开有方形窗，介质板上层印制有功分器、四分之一圆环90°移相器、折合单极子天线，两个折合单极子天线垂直放置，方形槽夹在单极子天线和金属板中间。本发明的适用性比较广泛，中心频点容易调整；将90°移相器进行改进后，天线的轴比带宽仍能够进一步扩宽；采用平面结构有利于大规模的生产和集成。

Description

一种Ka波段小型的圆极化单层贴片天线
技术领域
本发明属于信息传输领域，特别涉及一种Ka波段小型的圆极化单层贴片天线。
背景技术
天线根据极化方式不同可以分为圆极化天线和线极化天线，其中，圆极化天线产生的是圆极化电磁波，比起线极化电磁波，其抗衰弱能力更强，抗多径效应能力更强，抗恶劣环境能力更强；另外，其可以接收圆极化波，也可以接收线极化波，这是线极化天线所不具有的优势，因而大多数情况下，圆极化天线是更好的选择。实现天线的圆极化方式多种多样，在微带天线的领域有切角法、多馈电点法以及加载结构的方法等，通常切角法和多馈电点法对应的天线的轴比带宽都比较窄，因此增宽圆极化天线轴比带宽一直是研究人员兴趣所在。
单极子振子天线可以看作是对称偶极子天线的一半，其由一个振子臂构成，具有超过20％的阻抗带宽、2dBi左右的增益以及小的体积。折合单极子天线是将一根直的振子臂弯折成直角的形状，通过增加天线结构宽度的方式来减小天线的长度，在一些应用环境下是有用的。
两个正交线极化天线单元，通过90°相位差馈电来实现天线的圆极化是一种实现圆极化的方式，这样通常就会面临正交线极化天线尺寸很大，甚至超过一倍波长的问题，使用小型化天线来进行设计是一种需求。
移相器根据使用的场景不同，有波导移相器和微带移相器等，其移相是通过产生电磁波的波程差来实现的，也就是增加或减小导波结构的长度来实现。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种Ka波段小型的圆极化单层贴片天线。
本发明的目的是这样实现的：
介质板下层印制金属板，金属板上开有方形窗，介质板上层印制有功分器、四分之一圆环90°移相器、折合单极子天线，两个折合单极子天线垂直放置，方形槽夹在单极子天线和金属板中间；介质板下层印制金属板，金属板上开有方形窗，介质板上层印制有功分器、四分之一圆环90°移相器、折合单极子天线，两个折合单极子天线垂直放置，方形槽夹在单极子天线和金属板中间。
功分器输入端宽度为0.6mm，长度为1.83mm，两路输出横向贴片尺寸为宽度0.2mm，长度1.6mm，纵向贴片尺寸为宽度0.2mm，长度0.3mm，两个正交的单极子天线不发生重叠，在拐角处有三角形槽。
四分之一圆环90°移相器内半径为1.2mm，宽度为2mm，与天线贴片宽度相同。
正交折合单极子天线由1.2mm，0.1mm，0.6mm长度，0.2mm宽度的三部分贴片相连而成，在天线与馈线，馈线的连接处对应的介质板下层印制的金属接地板上开有方形槽。
介质板的长宽为6mm，厚度为0.254mm，采用的Rogers RT/duroid 5880材料，介电常数为2.2。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明所述的天线单元，其设计的是两段折合的单极子天线，保证天线阻抗带宽和增益没有变差的条件下实现了约二分之一尺寸的缩减，并且两个垂直放置的两段折合的单极子天线可以较普通的垂直放置的单极子天线所用空间面积缩减超过一半；(2)本发明所述的四分之一圆环微带线移相器实现了90°的相位移动，同时使得馈电的端口由竖直方向转化为水平方向，使得两个馈电端口呈现正交的设计，可以方便的在两个端口上安装同款天线；(3)本发明的天线的阻抗带宽超过了20％，轴比带宽所受的限制在于移相器的的相位不平衡度，也就是说如果可以通过设计将该圆环移相器的相位平衡度的带宽范围调大，则该天线的轴比带宽可以进一步增大，具有非常好的设计前景。
附图说明
图1天线及功分器的俯视图和下视图以及透视图；
图2天线及功分器的阻抗带宽；
图3天线及功分器的轴比带宽；
图4天线及功分器的中心频点29GHz处方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述：
1.金属板，2.介质板，3.功分器，4.移相器，5.单极子天线，6.方形窗。
本发明属于信息传输领域，特别涉及一种Ka波段小型的圆极化单层贴片天线。
本文要解决的技术问题在于提供一种Ka波段小型的圆极化单层贴片天线，以使天线和馈电结构实现平面化、小型化，带宽实现增宽；本发明提供了一种90°相位差的四分之一波长圆环微带线移相器和折合单极子天线的方法，并且用此设计出了小型化毫米波圆极化天线
本发明的技术解决方案为：
如图(1)所示，本发明包括金属底板，底板上的方形槽，介质板，四分之一波长阻抗变换器，四分之一圆环90°移相器以及正交的折合单极子天线单元，介质板的厚度为0.254mm，四分之一波长阻抗变换器长度为1.83mm，宽度为0.8mm，四分之一圆环移相器宽度为0.2mm，半径为1.17mm，折合单极子天线单元宽度为0.2mm，长度共2.1mm，方形槽的长宽为2.4mm。
如图(2)所示，本发明中天线的S11在26.9GHz到33GHz的范围内都小于-10dB，因此其阻抗带宽的范围超过了20％。
如图(3)所示，本发明轴比在27.9GHz到30.3GHz的范围内都小于3dB，因而本发明中轴比带宽超过了8％，并且轴比带宽的范围在阻抗带宽范围内，因而该圆极化天线具有8％的带宽。多个接收水听器同时接收信号；
如图(4)所示，可以看到该天线在中心频点29GHz处最大增益超过了3dBi，且XOZ面和YOZ面得对称性比较好。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)本发明所述的天线单元，其设计的是两段折合的单极子天线，保证天线阻抗带宽和增益没有变差的条件下实现了约二分之一尺寸的缩减，并且两个垂直放置的两段折合的单极子天线可以较普通的垂直放置的单极子天线所用空间面积缩减超过一半。
(2)本发明所述的四分之一圆环微带线移相器实现了90°的相位移动，同时使得馈电的端口由竖直方向转化为水平方向，使得两个馈电端口呈现正交的设计，可以方便的在两个端口上安装同款天线。
(3)本发明的天线的阻抗带宽超过了20％，轴比带宽所受的限制在于移相器的的相位不平衡度，也就是说如果可以通过设计将该圆环移相器的相位平衡度的带宽范围调大，则该天线的轴比带宽可以进一步增大，具有非常好的设计前景。
本发明的进一步描述如下：
本发明在折合振子天线的基础上将天线的单元设计为折合单极子天线，这进一步减小了天线的空间尺寸，同时，该天线可以用平面微带线进行馈电，实现了天线的平面化。功分器采用一分二的设计，由四分之一波长阻抗匹配器和传输线组成，四分之一波长阻抗匹配器和传输线是左右对称的，这可以保证到达传输线的末端的电磁波的相位是一致的，四分之一波长阻抗匹配器的宽度使得其特性阻抗大约在50Ω左右，而传输线的宽度使得其特性阻抗大约在100Ω左右，根据电路的知识可以知道这样就能使得在四分之一波长阻抗匹配器和传输线的连接处特性阻抗值都为50Ω，从而实现阻抗匹配，实现较小的回波损耗。
本发明微带功分器共有两个输出，设计中要保证两个输出端口相位差为90°，并且其端口输出的方向要垂直，于是本发明设计了一款四分之一波长四分之一圆环微带移相器，该移相器的长度恰好使得电磁波在中心频点时传输产生90°的相位延迟，并且将电磁波传播由竖直方向转化为水平方向。
综上所述，本发明属于信息传输领域，特别涉及一种Ka波段小型的圆极化单层贴片天线。该发明包括包括金属底板，底板上的方形槽，介质板，四分之一波长阻抗变换器，四分之一圆环90°移相器以及正交的折合单极子天线单元，介质板下层印制金属板，金属板上开有方形窗，介质板上层印制有功分器、四分之一圆环90°移相器、折合单极子天线，两个折合单极子天线垂直放置，方形槽夹在单极子天线和金属板中间。本发明的适用性比较广泛，中心频点容易调整；将90°移相器进行改进后，天线的轴比带宽仍能够进一步扩宽；采用平面结构有利于大规模的生产和集成。

Claims (5)

1.一种Ka波段小型的圆极化单层贴片天线，其特征在于：本发明包括金属底板(1)，底板上的方形槽(6)，介质板(2)，四分之一波长阻抗变换器(3)，四分之一圆环90°移相器(4)以及正交的折合单极子天线单元(5)；介质板(2)下层印制金属板(1)，金属板上开有方形窗(6)，介质板(2)上层印制有功分器(3)、四分之一圆环90°移相器(4)、折合单极子天线(5)，两个折合单极子天线垂直放置，方形槽(6)夹在单极子天线和金属板中间。
2.根据权利要求1所述的一种Ka波段小型的圆极化单层贴片天线，其特征在于：功分器(3)输入端宽度为0.6mm，长度为1.83mm，两路输出横向贴片尺寸为宽度0.2mm，长度1.6mm，纵向贴片尺寸为宽度0.2mm，长度0.3mm，两个正交的单极子天线(5)不发生重叠，在拐角处有三角形槽。
3.根据权利要求书1所述的一种Ka波段小型的圆极化单层贴片天线，其特征在于：四分之一圆环90°移相器(4)内半径为1.2mm，宽度为2mm，与天线贴片宽度相同。
4.根据权利要求书1所述的一种Ka波段小型的圆极化单层贴片天线，其特征在于：正交折合单极子天线(5)由1.2mm，0.1mm，0.6mm长度，0.2mm宽度的三部分贴片相连而成，在天线(5)与第一馈线，第二馈线的连接处对应的介质板下层印制的金属接地板(1)上开有方形槽(6)。
5.根据权利要求书1所述的一种Ka波段小型的圆极化单层贴片天线，其特征在于：介质板(2)的长宽为6mm，厚度为0.254mm，采用的Rogers RT/duroid 5880材料，介电常数为2.2。
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