CN110797650A - 一种具有顺序旋转馈电网络的圆极化天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有顺序旋转馈电网络的圆极化天线阵列，涉及天线技术领域，包括介质基板，所述介质基板正面设有四个天线单元，所述天线单元包括贴片，贴片上开设有椭圆形槽，通过改变单元贴片的大小、椭圆槽长轴和短轴的大小以及椭圆槽长轴与贴片一侧边之间夹角来使每个天线单元覆盖不同的阻抗带宽和轴比带宽的频段范围；天线单元连接至顺序旋转馈电网络，顺序旋转馈电网络连接至的接地面，接地面位于介质基板背面。通过工作在不同频段的单元天线，并与顺序旋转馈电网络相连接组成天线阵列，从而获得具有小型化、低剖面、宽的阻抗带宽和轴比带宽的圆极化阵列天线。

Description

一种具有顺序旋转馈电网络的圆极化天线阵列
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种具有顺序旋转馈电网络的圆极化天线阵列。
背景技术
近年来，圆极化微带天线在诸如雷达、导航、移动卫星以及无线通信等许多应用中非常具有吸引力，因为它们具有众所周知的优势，比如外形较小、重量轻以及容易和集成电路相兼容，与线性极化天线相比较发射器和接收器之间的定向角具有更大的灵活性等。随着现代科技和微带天线技术的发展，在现代无线通信中对圆极化天线的性能要求越来越高，圆极化微带天线阵列由于具有结构紧凑、重量轻、以及增益高等优点，在现代无线电领域特别是在电子对抗和无线通信领域具有重要的应用前景。但是现有的圆极化微带天线往往阻抗带宽和轴比带宽较窄，仍然具有改进的空间。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有顺序旋转馈电网络的圆极化天线阵列，通过工作在不同频段的单元天线，并与顺序旋转馈电网络相连接组成天线阵列，从而获得具有小型化、低剖面、宽的阻抗带宽和轴比带宽的圆极化阵列天线。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种具有顺序旋转馈电网络的圆极化天线阵列，包括介质基板，所述介质基板正面设有四个天线单元，所述天线单元包括贴片，贴片上开设有椭圆形槽，通过改变单元贴片的大小、椭圆槽长轴和短轴的大小以及椭圆槽长轴与贴片一侧边之间夹角来使每个天线单元覆盖不同的阻抗带宽和轴比带宽的频段范围；天线单元连接至顺序旋转馈电网络，顺序旋转馈电网络连接至的接地面，接地面位于介质基板背面。
更进一步地，馈电网络包括开口圆环和矩形馈线。
更进一步地，天线单元依次包括第一单元、第二单元、第三单元和第四单元；第一单元的椭圆槽长轴为A1=3.78mm。
更进一步地，第一单元的椭圆槽短轴B1=0.6mm。
更进一步地，第一单元的椭圆槽长轴与贴片一侧边之间夹角C=30°。
更进一步地，第二单元椭圆槽长轴A2=3.5mm，短轴B2=0.5mm；第三单元椭圆槽长轴A3=3.3mm，短轴B3=0.6mm；第四单元椭圆槽长轴A4=3.2mm，短轴B4=0.5mm。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1. 该天线阵列尺寸较小，具有小型化低剖面等优点；
2. 该天线阵列由大小不同工作在不同频段的单元组成，可以获得宽的阻抗带宽和轴比带宽；
3. 该天线阵列可以应用在C波段，其通过改变单元贴片的大小、椭圆槽的尺寸以及倾斜角度尺寸，即可实现工作频带的变化。
附图说明
图1为单元天线结构示意图；
图2为天线阵列的整体结构示意图；
图3为天线阵列的正面馈电网络的尺寸示意图；
图4为改变椭圆槽长轴A1的大小对单元1的阻抗带宽和轴比带宽的影响；
图5为改变椭圆槽短轴B1的大小对单元1的阻抗带宽和轴比带宽的影响；
图6为改变角度C的大小对单元1的阻抗带宽和轴比带宽的影响；
图7为第一单元、第二单元、第三单元和第四单元的阻抗带宽和轴比带宽曲线图；
图8天线阵列的阻抗带宽曲线；
图9天线阵列的轴比带宽曲线；
图10天线阵列在6.6GHz处的辐射方向图(a)E面(b)H面；
图11天线阵列的增益曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，本实施例不构成对本发明的限制。
一种具有顺序旋转馈电网络的圆极化天线阵列，如图1和图2所示，包括介质基板，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1.6mm)，天线阵列整体尺寸为
Figure 900280DEST_PATH_IMAGE001
。
如图2所示，介质基板正面四个角处印有四个天线单元；天线单元包括方形贴片，每个天线单元贴片印刷在
Figure 121177DEST_PATH_IMAGE002
的FR4介质基板上，贴片上开设有椭圆形槽，通过改变单元贴片的大小、椭圆槽长轴和短轴的大小以及椭圆槽长轴与贴片一侧边之间夹角来使每个天线单元覆盖不同的阻抗带宽和轴比带宽的频段范围。
如图2和图3所示，天线单元连接至顺序旋转馈电网络，顺序旋转馈电网络连接至的接地面，接地面位于介质基板背面。其中馈电网络由矩形馈线和中央的3/4个圆环组成，其具体尺寸如图3所示。本实施例中，四个天线单元依次旋转90°摆放，然后与设计的顺序旋转馈电网络相连接，最后通过SMA接头把接地面与顺序旋转馈电网络相连接完成圆极化阵列天线的设计。
如图2所示，天线单元依次包括第一单元、第二单元、第三单元和第四单元。
第一单元的椭圆槽长轴为A1、短轴为B1，图4为改变椭圆槽长轴A1的大小对第一单元的阻抗带宽和轴比带宽的影响。从图(a)中可以看出，随着椭圆槽长轴A1逐渐增大，阻抗带宽的范围也逐渐增大且匹配效果越来越好；从图(b)中可以看出，当椭圆槽长轴A1=3.9mm时的圆极化效果不好，而当A1=3.66mm和A1=3.78mm时的圆极化效果较好且轴比带宽的范围基本一样。再考虑到A1=3.78mm时的轴比带宽的范围要比A1=3.66mm时的阻抗带宽的范围要宽一些且匹配更好，所以选择A1=3.78mm时的第一单元的阻抗带宽和轴比带宽较好。
图5所示为改变椭圆槽短轴B1的大小对第一单元的阻抗带宽和轴比带宽的影响。从图(a)中可以看出，当B1=0.6mm和B1=0.8mm时都有符合要求的阻抗带宽，但B1=0.6mm时的阻抗带宽范围较大，而B1=0.4mm时第一单元处在不匹配状态。从图(b)中可以看出,只有B1=0.6mm时出现圆极化特性，而B1=0.4mm和B1=0.8mm时第一单元并没有出现圆极化。所以选择B1=0.6mm时的第一单元的阻抗带宽和轴比带宽较好。
图6所示为改变角度C的大小对第一单元的阻抗带宽和轴比带宽影响曲线图，从图(a)中可以出，随着角度C的增大，第一单元的阻抗带宽范围逐渐增大，在C=30°时的阻抗带宽的匹配特性较好。从图(b)中可以看出，随着角度C的变化，在C=40°时没有形成圆极化，C=20°和C=30°时的轴比带宽的范围基本一样。考虑到C=30°时的阻抗带宽的范围比C=20°时的阻抗带宽的范围要大一些，同时C=30°时的阻抗带宽的匹配特性较好。所以选择C=30°时的第一单元的阻抗带宽和轴比带宽都比较好。
本实施例中，如图3所示，第一单元贴片边长为12mm，第二单元贴片边长为11mm，第三单元贴片边长为10mm，第四单元贴片边长为9mm；第二单元椭圆槽长轴A2=3.5mm，短轴B2=0.5mm；第三单元椭圆槽长轴A3=3.3mm，短轴B3=0.6mm；第四单元椭圆槽长轴A4=3.2mm，短轴B4=0.5mm。
图7是第一单元、第二单元、第三单元和第四单元的阻抗带宽和轴比带宽曲线图，从图中可以看出，第一单元的阻抗带宽范围为5.21-5.57GHz，轴比带宽范围为5.26-5.37GHz；第二单元的阻抗带宽范围为5.65-6.05GHz，轴比带宽范围为5.73-5.87GHz；第三单元的阻抗带宽范围为6.12-6.53GHz，轴比带宽范围为6.23-6.4GHz；第四单元的阻抗带宽范围为6.61-7.05GHz，轴比带宽范围为6.74-6.86GHz。
图8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5.74-6.89GHz。
图9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6.16-6.82GHz。
图10所示为阵列天线在6.6GHz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11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6.5GHz处为5.38dBi。
本发明中，辐射元件上所有主电流的矢量和的方向是逆时针方向，所提出的
Figure 615744DEST_PATH_IMAGE003
阵列在+Z方向上呈现右旋圆极化(RHCP)。本装置利用贴片中椭圆槽的尺寸变化形成具有不同频段的天线单元，在通过将这些单元这次阵列，从而获得宽的频带，上述天线尺寸等为特定频段上的较佳实施例。
以上所述，仅是本发明在特定频段的较佳实施例而已，不用于限制本发明，本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种具有顺序旋转馈电网络的圆极化天线阵列，其特征在于：包括介质基板，所述介质基板正面设有四个天线单元，所述天线单元包括贴片，贴片上开设有椭圆形槽，通过改变单元贴片的大小、椭圆槽长轴和短轴的大小以及椭圆槽长轴与贴片一侧边之间夹角来使每个天线单元覆盖不同的阻抗带宽和轴比带宽的频段范围；天线单元连接至顺序旋转馈电网络，顺序旋转馈电网络连接至的接地面，接地面位于介质基板背面。
2.根据权利要求1所述的一种具有顺序旋转馈电网络的圆极化天线阵列，其特征在于：馈电网络包括开口圆环和矩形馈线。
3.根据权利要求1所述的一种具有顺序旋转馈电网络的圆极化天线阵列，其特征在于：天线单元依次包括第一单元、第二单元、第三单元和第四单元；第一单元的椭圆槽长轴为A1=3.78mm。
4.根据权利要求3所述的一种具有顺序旋转馈电网络的圆极化天线阵列，其特征在于：第一单元的椭圆槽短轴B1=0.6mm。
5.根据权利要求4所述的一种具有顺序旋转馈电网络的圆极化天线阵列，其特征在于：第一单元的椭圆槽长轴与贴片一侧边之间夹角C=30°。
6.根据权利要求5所述的一种具有顺序旋转馈电网络的圆极化天线阵列，其特征在于：第二单元椭圆槽长轴A2=3.5mm，短轴B2=0.5mm；第三单元椭圆槽长轴A3=3.3mm，短轴B3=0.6mm；第四单元椭圆槽长轴A4=3.2mm，短轴B4=0.5mm。
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