CN110518350A - 一种高增益小型化的圆极化贴片天线 - Google Patents

一种高增益小型化的圆极化贴片天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有小尺寸且高增益特性的圆极化天线，具体设计了一个带有开槽的方形贴片单元，其相邻两边有金属化通孔，可以等效为电壁，视为短路，电场从另外的两边辐射，通过调整开槽以及馈电位置来控制电场分量的幅度和相位差进而实现圆极化，然后将四个天线单元依次旋转90°排列组阵，提高天线增益。

Description

一种高增益小型化的圆极化贴片天线
技术领域
本发明属于无线通信的技术领域，具体涉及一种高增益小型化的圆极化贴片天线。
背景技术
随着卫星通信和网络技术的发展，北斗导航系统、合成孔径雷达以及个人通信设备等需要具有高增益特性、小尺寸、易于加工制造、易于与微带电路集成的天线。因为圆极化天线可以接受任意的线极化波，并且可以有效减少多径效应和法拉第旋转效应，所以圆极化被广泛地应用在各个通信领域。但是目前的圆极化微带天线增益一般只有4～6dB，并且辐射效率较低，无法满足当下多数通信系统的性能指标要求。并且现有的贴片天线边长都是半波长。近年来，有人提出利用平面倒F天线(PIFA)设计来减小天线尺寸，通过正交放置两个天线以及功率分配网络来实现圆极化，但是增益没有明显提升。除此之外，还有人利用基片集成波导(SIW)进行圆极化天线设计，但是馈电方式受到限制，并且不易组合排列以实现高增益阵列。综上所述，现在需要设计一种结构紧凑，易于组阵和集成，高增益小型化的圆极化贴片天线。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种高增益小型化的圆极化贴片天线，能够在电尺寸较小的基础上实现了高增益。
实现本发明的技术方案如下：
一种高增益小型化的圆极化贴片天线，包括介质板以及介质板上表面中心的方形金属贴片和下表面的金属层，所述介质板上设置有馈电柱安装孔和金属化通孔阵列，所述馈电柱安装孔和金属化通孔阵列均贯穿上表面金属贴片、介质板和下表面金属层；所述金属贴片边长为1/4波长；所述金属化通孔阵列设置在金属贴片的两相邻边的边缘，所述馈电柱安装孔与金属化通孔阵列所在边的距离分别为金属贴片边长的0.42-0.46倍和0.14-0.18倍；在金属贴片上，由另两个相邻边之间的顶点起，沿金属贴片的对角线开槽，槽的长度为对角线长度的0.64-0.76倍。
进一步地，所述金属的材料为铜。
进一步地，所述介质板采用介电常数为3，损耗正切值为0.0013，厚度为2mm的Rogers RO3003材料。
进一步地，对于中心工作频率为1.94GHZ的圆极化贴片天线，金属贴片边长为31.2mm，馈电柱安装孔与金属化通孔阵列所在边的距离分别为13.9mm和5mm，槽的长度为30.78mm。
一种高增益小型化的圆极化贴片天线阵列，包括第一介质板、第一介质板上表面中心的方形金属贴片、中间金属层、第二介质板和第二介质板下表面的馈电网络；
所述第一介质板和第二介质板上均设置有四个馈电柱安装孔，所述馈电柱安装孔贯穿金属贴片、第一介质板、中间金属层和第二介质板；所述第一介质板上设置有金属化通孔阵列，所述金属化通孔阵列贯穿金属贴片、第一介质板和中间金属层；所述金属化通孔阵列横向、纵向各两排，呈十字形分布在金属贴片的两条中心线上，四个馈电柱安装孔分别设置在由金属化通孔阵列分隔出的四个区域内，每个馈电柱安装孔和与其最临近的金属化通孔阵列所在边的距离分别为金属贴片边长的0.1-0.3倍和0.06-0.08倍，将一个馈电柱安装孔沿一个方向旋转90°，180°和270°即分别与其余三个馈电柱安装孔重合；在金属贴片上，由四个顶点开始，沿金属贴片的对角线开槽，每个槽的长度为对角线长度的0.3-0.35倍；
所述馈电网络印在第二介质板下表面。
进一步地，所述第一介质板采用介电常数为3，损耗正切值为0.0013，厚度为2mm的Rogers RO3003材料；第二介质板采用介电常数为10.2，损耗正切值为0.0035，厚度为2mm的Rogers RO3010材料。
进一步地，所述金属的材料为铜。
进一步地，对于中心工作频率为1.94GHZ的圆极化贴片天线阵列，金属贴片边长为65mm，金属贴片顶点到金属化通孔阵列所在边的距离为31.2mm，馈电柱安装孔和与其最临近的金属化通孔阵列所在边的距离分别为13.9mm和5mm，槽的长度为30.78mm。
附图说明
图1为本发明的天线俯视图。
图2为本发明的天线仰视图。
图3为本发明的天线剖视图。
图4为本发明的天线阵列俯视图。
图5为本发明的天线阵列中间金属层示意图。
图6为本发明的天线阵列馈电网络示意图。
图7为本发明的天线阵列剖视图。
图8是本发明的天线阵列的反射系数曲线图。
图9是本发明的天线阵列增益曲线图。
图10是本发明的天线阵列轴比曲线图。
图11是本发明的天线阵列辐射方向图。
其中，1-介质板，2-金属贴片，3-中间金属层，4-馈电柱安装孔，5-金属化通孔，6-槽，7-馈电网络，8-第二介质板。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种具有小尺寸且高增益特性的圆极化天线，圆极化天线的实现主要依靠天线辐射出两个相互正交的电场分量，并且两个分量幅度相等，相位相差90°。本发明设计了一个带有开槽的方形贴片单元，其相邻两边有金属过孔，可以等效为电壁，视为短路，电场从另外的两边辐射。通过调整开槽以及馈电位置来控制电场分量的幅度和相位差进而实现圆极化。然后将四个天线单元依次旋转90°排列组阵，提高天线增益。最后设计了具有功率分配和相移功能的馈电网络对天线进行馈电。
本发明的圆极化天线具体包括介质板以及介质板上表面中心的方形金属贴片(如图1)和下表面的金属层(如图2)，所述介质板上设置有馈电柱安装孔和金属化通孔阵列，所述馈电柱安装孔和金属化通孔阵列均贯穿上表面金属贴片、介质板和下表面金属层，如图3所示；所述方形金属贴片边长为1/4波长；所述金属化通孔阵列设置在金属贴片的两相邻边的边缘，所述馈电柱安装孔与金属化通孔阵列所在边的距离分别为Fx和Fy，在金属贴片上，由另两个相邻边之间的顶点开始，沿金属贴片的对角线开槽，槽的长度为对角线长度的0.64-0.76倍(即0.19-0.27倍中心频率对应波长)。
金属的材料为铜，介质板采用介电常数为3，损耗正切值为0.0013，厚度为2mm的Rogers RO3003材料。
对于中心工作频率为1.94GHZ的圆极化贴片天线，天线的具体尺寸为：Lu＝31.2mm，Fx＝13.9mm，Fy＝5mm，G＝11.5mm。
上述天线单元与传统贴片天线相比，实现相同增益时有着更小的电尺寸，并且不同于其他圆极化贴片天线阵列中的天线单元必须通过组阵以及馈电网络才能实现圆极化，上述天线单元本身即可实现圆极化。考虑到实际应用中对增益的较高需求，进一步提出了利用上述天线单元进行组阵，并且利用功率分配器和相移网络进行馈电的具有高增益的圆极化贴片天线阵列。
一种具有高增益特性且小型化的圆极化贴片天线阵列，包括第一介质板、第一介质板上表面中心的方形金属贴片(如图4)、中间金属层(如图5)、第二介质板和第二介质板下表面的馈电网络(如图6)；所述第一介质板和第二介质板上均设置有四个馈电柱安装孔，馈电柱安装孔贯穿金属贴片、第一介质板、中间金属层和第二介质板，用于SMA接口的安装，如图7所示；所述第一介质板上设置有金属化通孔阵列，所述金属化通孔阵列贯穿金属贴片、第一介质板和中间金属层；所述金属化通孔阵列横向、纵向各两排，呈十字形分布在金属贴片的两条中心线上，从而将金属贴片分为四个区域，四个馈电柱安装孔分别设置在四个区域内，每个馈电柱安装孔和与其最临近的金属化通孔阵列所在边的距离分别为金属贴片边长的0.1-0.3倍和0.06-0.08倍，将一个馈电柱安装孔沿一个方向旋转90°，180°和270°即分别与其余三个馈电柱安装孔重合；在金属贴片上，由四个顶点开始，沿金属贴片的对角线开槽，每个槽的长度为对角线长度的0.3-0.35倍；所述中间金属层在四个馈电柱安装孔的位置开有四个直径为3.5mm的圆槽，用于隔离馈电柱和中间金属层；所述馈电网络印在第二介质板下表面，馈电网络由50欧姆，70欧姆，100欧姆的微带线构成，50欧姆微带线用于阻抗匹配，70欧姆的微带线作为四分之一波长阻抗变换器，100欧姆微带线用于产生相位差，馈电网络具有将功率从一个输入端分配到四个输出端的功能，并且使四个输出端的电场幅度相等，相位依次相差90°。金属贴片与馈电网络之间通过馈电孔连接进行馈电。
金属的材料为铜；第一介质板采用介电常数为3，损耗正切值为0.0013，厚度为2mm的Rogers RO3003材料；第二介质板采用介电常数为10.2，损耗正切值为0.0035，厚度为2mm的Rogers RO3010材料。
对于中心工作频率为1.94GHZ的圆极化贴片天线阵列，天线阵列的具体尺寸为：Lu＝31.2mm，L＝65mm，Fx＝13.9mm，Fy＝5mm，G＝11.5mm。
本发明对圆极化天线的设计过程具体包括以下步骤：
步骤1，首先确定天线的中心工作频率，其中心频率由天线单元的长度Lu决定，长度约为中心频率对应波长的四分之一。在本例中，将天线单元的长度Lu设定为31.2mm，四个单元旋转放置获得完整天线，其长度L设定为65mm，使得该频率选择表面工作在L波段范围内。
步骤2，调整天线单元馈电孔的位置Fx以及开槽的长度G，控制单元的两个正交的电场分量相位和幅度差，将Fx设定为13.9mm，G设定为11.5mm。调整天线单元馈电孔位置Fy来控制单元的输入阻抗以实现良好的阻抗匹配，将Fy设定为5mm。
步骤3，设计馈电网络，以实现由一个输入端到四个输入端，输出端幅度相等，但相位依次相差90°，输入端与SMA接口焊接，输出端通过馈电孔与对应的天线单元连接。
综上，最终设计的高增益小型化的圆极化贴片天线反射系数曲线、增益曲线、轴比曲线以及在1.94GHz处的辐射方向图分别如图8，9，10，11所示，其性能如下：
(1)天线的回波损耗带宽为80MHz(1.91GHz到1.99GHz)，测试结果与仿真结果符合较好，由于实际加工时尺寸误差和材料性能不同，品质因数降低，所以测试结果带宽略宽于仿真结果，如图8所示。
(2)有效带宽内增益均大于7.3dB，在1.935GHz处峰值增益为8.4dB，测试结果与仿真结果符合良好，如图9所示。
(3)3dB轴比带宽为30MHz(1.925GHz到1.955GHz)，测试结果与仿真结果符合较好，由于实际加工时尺寸误差和材料性能不同，品质因数降低，所以测试结果带宽略宽于仿真结果，如图10所示。
(4)在1.94GHz处的辐射方向图如图11所示，该天线实现了优秀的圆极化性能和高增益特性，最大辐射方向和左旋极化抑制最优角度都为0°，测试结果和仿真结果符合良好。
(5)本发明的天线阵列结构整体厚度为4mm，相对于中心频率1.94GHz处的波长所对应的电尺寸为0.026倍波长。
(6)本发明的天线阵列的辐射部分的面积为65mm×65mm，相对于中心频率1.94GHz处的波长所对应的电尺寸为0.176倍波长的平方。
有益效果：
本发明与现有技术相比，其显著优点为：基于贴片天线的结构，在电尺寸较小的基础上实现了高增益，在天线工作频段内，最高增益达到8.4dB，并且最大纹波小于0.9dB。另外，通过馈电点的位置以及开槽的长度，能相对独立地调整该天线的圆极化辐射中两个正交电场分量的幅度和相位差，以及天线的输入阻抗大小。所以，本发明具有良好的应用前景。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高增益小型化的圆极化贴片天线，其特征在于，包括介质板以及介质板上表面中心的方形金属贴片和下表面的金属层，所述介质板上设置有馈电柱安装孔和金属化通孔阵列，所述馈电柱安装孔和金属化通孔阵列均贯穿上表面金属贴片、介质板和下表面金属层；所述金属贴片边长为1/4波长；所述金属化通孔阵列设置在金属贴片的两相邻边的边缘，所述馈电柱安装孔与金属化通孔阵列所在边的距离分别为金属贴片边长的0.42-0.46倍和0.14-0.18倍；在金属贴片上，由另两个相邻边之间的顶点起，沿金属贴片的对角线开槽，槽的长度为对角线长度的0.64-0.76倍。
2.如权利要求1所述的一种高增益小型化的圆极化贴片天线，其特征在于，所述金属的材料为铜。
3.如权利要求1所述的一种高增益小型化的圆极化贴片天线，其特征在于，所述介质板采用介电常数为3，损耗正切值为0.0013，厚度为2mm的Rogers RO3003材料。
4.如权利要求1所述的一种高增益小型化的圆极化贴片天线，其特征在于，对于中心工作频率为1.94GHZ的圆极化贴片天线，金属贴片边长为31.2mm，馈电柱安装孔与金属化通孔阵列所在边的距离分别为13.9mm和5mm，槽的长度为30.78mm。
5.一种高增益小型化的圆极化贴片天线阵列，其特征在于，包括第一介质板、第一介质板上表面中心的方形金属贴片、中间金属层、第二介质板和第二介质板下表面的馈电网络；
所述第一介质板和第二介质板上均设置有四个馈电柱安装孔，所述馈电柱安装孔贯穿金属贴片、第一介质板、中间金属层和第二介质板；所述第一介质板上设置有金属化通孔阵列，所述金属化通孔阵列贯穿金属贴片、第一介质板和中间金属层；所述金属化通孔阵列横向、纵向各两排，呈十字形分布在金属贴片的两条中心线上，四个馈电柱安装孔分别设置在由金属化通孔阵列分隔出的四个区域内，每个馈电柱安装孔和与其最临近的金属化通孔阵列所在边的距离分别为金属贴片边长的0.1-0.3倍和0.06-0.08倍，将一个馈电柱安装孔沿一个方向旋转90°，180°和270°即分别与其余三个馈电柱安装孔重合；在金属贴片上，由四个顶点开始，沿金属贴片的对角线开槽，每个槽的长度为对角线长度的0.3-0.35倍；
所述馈电网络印在第二介质板下表面。
6.如权利要求5所述的一种高增益小型化的圆极化贴片天线阵列，其特征在于，所述第一介质板采用介电常数为3，损耗正切值为0.0013，厚度为2mm的Rogers RO3003材料；第二介质板采用介电常数为10.2，损耗正切值为0.0035，厚度为2mm的Rogers RO3010材料。
7.如权利要求5所述的一种高增益小型化的圆极化贴片天线阵列，其特征在于，所述金属的材料为铜。
8.如权利要求5所述的一种高增益小型化的圆极化贴片天线阵列，其特征在于，对于中心工作频率为1.94GHZ的圆极化贴片天线阵列，金属贴片边长为65mm，金属贴片顶点到金属化通孔阵列所在边的距离为31.2mm，馈电柱安装孔和与其最临近的金属化通孔阵列所在边的距离分别为13.9mm和5mm，槽的长度为30.78mm。
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