CN111224236B - 一种宽带圆极化微带天线阵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带圆极化微带天线阵，具体结构包括：介质基板、圆极化天线、馈电网络和金属地板；所述圆极化天线固定连接在介质基板的上表面，所述金属地板固定连接在介质基板的下表面；所述圆极化天线包括四个相同结构的侧边耦合圆极化天线单元；所述侧边耦合圆极化天线单元包括方形切角辐射贴片、微带耦合线、微带枝节线I、微带枝节线II和微带连接线I；由于采用侧边耦合的天线单元，提高了天线的匹配带宽；通过调节所述侧边耦合线两侧加载的垂直枝节线，展宽了圆极化天线的3dB轴比带宽；另外，采用具有圆极化波辐射功能的馈电网络，减小了天线尺寸和提高了天线增益，同时具有结构紧凑，制作成本低等特点。

Description

一种宽带圆极化微带天线阵
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种宽带圆极化微带天线阵。
背景技术
圆极化天线能抑制外来波的干扰、减少多径传播效应、消除极化畸变，因此广泛应用于雷达、卫星、WIFI、RFID、蓝牙等无线通信系统中。随着无线通信技术的飞速发展，圆极化天线朝着宽带化、低成本、小型化的方向发展。
微带天线由于其易加工、重量轻等优点，在无线通信领域广泛应用。微带天线实现圆极化的技术措施种类繁多，大致分为单点馈电和双点馈电，例如采用切角微扰、贴片表面开槽、交叉缝隙耦合等等。但大多数单点馈电带宽窄，为了提高带宽而采用叠层结构，但采用叠层结构导致加工工艺复杂、批量生产难度大大提升，并且难以组成天线阵。而双点馈电轴比带宽较宽，但馈线较长损耗较大。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种宽带圆极化微带天线阵，具体结构包括：介质基板、圆极化天线、馈电网络和金属地板；
所述圆极化天线固定连接在介质基板的上表面，所述金属地板固定连接在介质基板的下表面；
所述圆极化天线包括四个相同结构的侧边耦合圆极化天线单元I、侧边耦合圆极化天线单元II、侧边耦合圆极化天线单元III和侧边耦合圆极化天线单元；
所述侧边耦合圆极化天线单元I包括方形切角辐射贴片、微带耦合线、微带枝节线I、微带枝节线II和微带连接线I；所述微带枝节线I和微带枝节线II分别连接于微带耦合线两侧；所述微带连接线I与微带耦合线相连接，其连接点与微带耦合线的中央位置的距离为中心工作频率所对应的0.04个波长；
所述馈电网络包括两个具有圆极化波辐射功能、相同结构的缺陷方形功分器I、缺陷方形功分器II以及微带连接线II和输入连接器；所述馈电网络辐射圆极化波的极化方向与圆极化天线辐射圆极化波的极化方向相同；
所述缺陷方形功分器I包括缺陷方形贴片、输入端口I、输出端口I和输出端口II；其中输出端口I和输出端口II的输出信号功率相等，输出端口I的输出信号比输出端口II的输出信号相位落后180度；
所述缺陷方形功分器II包括缺陷方形贴片II、输入端口II、第二输出端口I和第二输出端口II；所述第二输出端口I和第二输出端口II的输出信号功率相等，且第二输出端口I的输出信号比第二输出端口II的输出信号相位落后180度；所述输入端口II与输入端口I通过微带连接线II相连接；
所述输出端口I与侧边耦合圆极化天线单元I相连接；所述输出端口II与侧边耦合圆极化天线单元III相连接；所述第二输出端口II与侧边耦合圆极化天线单元II相连接；所述第二输出端口II与侧边耦合圆极化天线单元相连接；
所述输入连接器包括内导体、外导体以及设置在内导体和外导体之间的填充介质；所述内导体穿过金属地板和介质基板、并与微带连接线II相连接，其连接点与微带连接线II的中央位置的距离为中心工作频率所对应的0.25个波长；所述外导体与金属地板相连接。
进一步的，所述侧边耦合圆极化天线单元I和侧边耦合圆极化天线单元II之间的中心距离为中心工作频率所对应的0.8个波长；所述侧边耦合圆极化天线单元III和侧边耦合圆极化天线单元之间的中心距离为中心工作频率所对应的0.8个波长。
进一步的，所述微带耦合线、微带枝节线I和微带枝节线II的总长度为中心工作频率所对应的0.5个波长。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种宽带圆极化微带天线阵，该结构通过采用侧边耦合馈电的天线单元，提高了天线的匹配带宽；并在侧边耦合线两侧加载垂直枝节线，提高了圆极化天线的3dB轴比带宽；另外，采用具有圆极化波辐射功能的馈电网络，减小了天线尺寸和提高了天线增益，同时具有结构紧凑，制作成本低等特点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明宽带圆极化微带天线阵的俯视图；
图2为本发明宽带圆极化微带天线阵的侧视图；
图3为本发明宽带圆极化微带天线阵中的馈电网络的S参数幅度曲线；
图4为本发明宽带圆极化微带天线阵中的馈电网络的S参数相位曲线；
图5为本发明宽带圆极化微带天线阵中的馈电网络在中心工作频率5.8GHz处的水平面方向图；
图6为本发明宽带圆极化微带天线阵的轴比曲线；
图7为本发明宽带圆极化微带天线阵的输入电压驻波比曲线；
图8为本发明宽带圆极化微带天线阵在中心工作频率5.8GHz处的水平面方向图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
如图1所示的一种宽带圆极化微带天线阵，图1为本发明宽带圆极化微带天线阵的俯视图。图2为本发明宽带圆极化微带天线阵的侧视图。如图1和2所示，该天线阵包括介质基板1、圆极化天线2、馈电网络3和金属地板4。
所述圆极化天线2印制于介质基板1的上表面，所述金属地板4印制于介质基板1的下表面。
所述圆极化天线2包括四个结构和尺寸都完全相同的侧边耦合圆极化天线单元I21、侧边耦合圆极化天线单元II 22、侧边耦合圆极化天线单元III 23和侧边耦合圆极化天线单元24。
所述侧边耦合圆极化天线单元I 21包括方形切角辐射贴片211、微带耦合线212、微带枝节线I 213、微带枝节线II 214和微带连接线I 215；所述微带枝节线I 213和微带枝节线II 214分别连接于微带耦合线212两侧；所述微带连接线I 215与微带耦合线212相连接，其连接点与微带耦合线212的中央位置距离为中心工作频率所对应的0.04个波长。
所述馈电网络3包括两个具有圆极化波辐射功能以及相同结构的缺陷方形功分器I 31、缺陷方形功分器II 32以及微带连接线II 33和输入连接器34；所述馈电网络3辐射圆极化波的极化方向与圆极化天线2辐射圆极化波的极化方向相同。
所述缺陷方形功分器I 31包括缺陷方形贴片311、输入端口I 312、输出端口I 313和输出端口II 314；其中输出端口I 313和输出端口II 314的输出信号功率相等，输出端口I 313的输出信号比输出端口II 314的输出信号相位落后180度。
所述缺陷方形功分器II 32包括缺陷方形贴片II 321、输入端口II 322、第二输出端口I 323和第二输出端口II 324；所述第二输出端口I 323和第二输出端口II 324的输出信号功率相等，且第二输出端口I 323的输出信号比第二输出端口II 324的输出信号相位落后180度；所述输入端口II 322与输入端口I 312通过微带连接线II 33相连接。
所述输出端口I 313与侧边耦合圆极化天线单元I 21相连接；所述输出端口II314与侧边耦合圆极化天线单元III 23相连接；所述第二输出端口I 323与侧边耦合圆极化天线单元II 22相连接；所述第二输出端口II 324与侧边耦合圆极化天线单元24相连接。
所述输入连接器34包括内导体341、外导体342以及设置在内导体341和外导体342之间的填充介质343；所述内导体341穿过金属地板4和介质基板1、并与微带连接线II 33相连接，其连接点与微带连接线II 33的中央位置的距离为中心工作频率所对应的0.25个波长；所述外导体342与金属地板4相连接。
进一步的，所述侧边耦合圆极化天线单元I 21和侧边耦合圆极化天线单元II22之间的中心距离为中心工作频率所对应的0.8个波长；所述侧边耦合圆极化天线单元III 23和侧边耦合圆极化天线单元24之间的中心距离为中心工作频率所对应的0.8个波长。
进一步的，所述微带耦合线212、微带枝节线I 213和微带枝节线II 214的总长度为中心工作频率所对应的0.5个波长。
图3为本发明宽带圆极化微带天线阵中的馈电网络的S参数幅度曲线。从图3可以看到，馈电网络在5.3GHz～6.43GHz频率范围内匹配良好，并且在5.6GHz～6.2GHz频率范围内四个输出端口的输出信号功率基本相等。图4为本发明宽带圆极化微带天线阵中的馈电网络的S参数相位曲线。从图4可以看到，在中心工作频率5.8GHz处，输出端口I 313的输出信号比输出端口II 314的输出信号相位落后180度，第二输出端口I 323的输出信号比第二输出端口II 324的输出信号相位落后180度，输出端口I 313的输出信号与第二输出端口I323的输出信号相位基本相同，输出端口II 314的输出信号与第二输出端口II 324的输出信号相位基本相同。图5为本发明宽带圆极化微带天线阵中的馈电网络在5.8GHz处的水平面方向性图。从图5可以看到，在水平面的最大辐射方向(Theta＝0度)，馈电网络的增益为5dBi，右旋圆极化比左旋圆极化大25dB以上。图6为本发明宽带圆极化微带天线阵的轴比曲线。从图6可以看到，天线阵在5.5GHz～6.0GHz频率范围内轴比小于3dB，3dB轴比带宽达到了500MHz。图7为本发明宽带圆极化微带天线阵的输入电压驻波比曲线。从图7可以看到，天线阵在5.40GHz～6.32GHz频率范围内输入电压驻波比小于2，说明天线匹配良好。图8为本发明宽带圆极化微带天线阵在中心工作频率5.8GHz处的水平面方向性图。从图8可以看到，本发明宽带圆极化微带天线阵的增益达12.2dBi，最大辐射方向上的右旋圆极化波比左旋圆极化波大31.4dB。图5和图8表明馈电网络辐射的圆极化波与微带天线阵辐射的圆极化波极化方向一致。
综上所述，本发明一种宽带圆极化微带天线阵，由于采用侧边耦合的天线单元，提高了天线的匹配带宽；并在侧边耦合线两侧加载垂直枝节线，提高了圆极化天线的3dB轴比带宽；另外采用具有圆极化波辐射功能的馈电网络，减小了天线尺寸和提高了天线增益，同时具有结构紧凑，制作成本低等特点。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种宽带圆极化微带天线阵，其特征在于包括：介质基板(1)、圆极化天线(2)、馈电网络(3)和金属地板(4)；
所述圆极化天线(2)固定连接在介质基板(1)的上表面，所述金属地板(4)固定连接在介质基板(1)的下表面；
所述圆极化天线(2)包括四个相同结构的侧边耦合圆极化天线单元I(21)、侧边耦合圆极化天线单元II(22)、侧边耦合圆极化天线单元III(23)和侧边耦合圆极化天线单元(24)；
所述侧边耦合圆极化天线单元I(21)包括方形切角辐射贴片(211)、微带耦合线(212)、微带枝节线I(213)、微带枝节线II(214)和微带连接线I(215)；所述微带枝节线I(213)和微带枝节线II(214)分别连接于微带耦合线(212)两侧；所述微带连接线I(215)与微带耦合线(212)相连接，其连接点与微带耦合线(212)的中央位置的距离为中心工作频率所对应的0.04个波长；
所述馈电网络(3)包括两个具有圆极化波辐射功能、结构相同的缺陷方形功分器I(31)、缺陷方形功分器II(32)以及微带连接线II(33)和输入连接器(34)；所述馈电网络(3)辐射圆极化波的极化方向与圆极化天线(2)辐射圆极化波的极化方向相同；
所述缺陷方形功分器I(31)包括缺陷方形贴片(311)、输入端口I(312)、输出端口I(313)和输出端口II(314)；其中输出端口I(313)和输出端口II(314)的输出信号功率相等，输出端口I(313)的输出信号比输出端口II(314)的输出信号相位落后180度；
所述缺陷方形功分器II(32)包括缺陷方形贴片II(321)、输入端口II(322)、第二输出端口I(323)和第二输出端口II(324)；所述第二输出端口I(323)和第二输出端口II(324)的输出信号功率相等，且第二输出端口I(323)的输出信号比第二输出端口II(324)的输出信号相位落后180度；所述输入端口II(322)与输入端口I(312)通过微带连接线II(33)相连接；
所述输出端口I(313)与侧边耦合圆极化天线单元I(21)相连接；所述输出端口II(314)与侧边耦合圆极化天线单元III(23)相连接；所述第二输出端口II(323)与侧边耦合圆极化天线单元II(22)相连接；所述第二输出端口II(324)与侧边耦合圆极化天线单元(24)相连接；
所述输入连接器(34)包括内导体(341)、外导体(342)以及设置在内导体(341)和外导体(342)之间的填充介质(343)；所述内导体(341)穿过金属地板(4)和介质基板(1)、并与微带连接线II(33)相连接，其连接点与微带连接线II(33)的中央位置的距离为中心工作频率所对应的0.25个波长；所述外导体(342)与金属地板(4)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化微带天线阵，其特征还在于：所述侧边耦合圆极化天线单元I(21)和侧边耦合圆极化天线单元II(22)之间的中心距离为中心工作频率所对应的0.8个波长；所述侧边耦合圆极化天线单元III(23)和侧边耦合圆极化天线单元(24)之间的中心距离为中心工作频率所对应的0.8个波长。
3.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化微带天线阵，其特征还在于：所述微带耦合线(212)、微带枝节线I(213)和微带枝节线II(214)的总长度为中心工作频率所对应的0.5个波长。
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