CN111342226A - 一种宽带全向圆极化天线及无线通信设备 - Google Patents

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苏华峰
陈志兴
叶亮华
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Abstract

本发明公开了一种宽带全向圆极化天线及无线通信设备，包括同轴馈线、接地柱、位于顶层基板的零阶谐振辐射单元、位于中间层基板的半模基片集成波导单元及位于底层基板的准圆环形辐射单元；所述零阶谐振辐射单元包括顶层圆形Patch、顶层折弯电感线及顶层外圆环，所述半模基片集成波导单元包括中间层圆形Patch、中间层折弯电感线及中间层外圆环，所述准圆环形辐射单元包括底层圆形Patch、四个1/4圆弧及微带臂，本发明天线实现了2.3‑2.6GHz圆极化的全向覆盖，轴比性能再2.3‑2.6GHz均小于3dB。

Description

一种宽带全向圆极化天线及无线通信设备
技术领域
本发明涉及射频通信领域，具体涉及一种宽带全向圆极化天线及无线通信设备。
背景技术
天线极化是天线性能的一个重要指标。在过去的通信系统中，线极化是天线设计的主要选择，比如在2G-5G的基站通信系统中，天线极化方式采用的是±45°线极化。但是，线极化天线的抗多径衰落以及抗干扰的性能较差，因此，在卫星、船舶、广播等通信以及导航等性能要求很高的领域，天线的极化方式普遍采用圆极化，圆极化天线在上述领域中扮演了极为突出的贡献。
在传统的圆极化天线中，天线的普遍采用辐射朝某一方向的定向设计方案，该方案在通信方向已知的情况下，利用其窄波束、高增益特性，提高了系统的通信质量。但是，在绝大多数的民用通信领域中，通信方向是随机的、不可预测的，这导致了定向天线在民用通信领域受到了极大的限制，主要表现为覆盖性能差，信号无法360°全向地覆盖通信范围。
为解决上述问题，现有技术中存在各类型全向圆极化天线的设计方案。在较为传统方案中，如螺旋全向圆极化、圆极化贴片圆型阵列等均可实现全向圆极化的辐射特性，但是，该类型天线剖面高、体积较大、重量重，在很多通信领域中受到极大的限制。近年来，随着复合左右手传输线(CRLH)技术的发展，小型化全向圆极化天线的发展取得了突破性的成果。基于CRLH的全向圆极化天线利用了零阶谐振器电场垂直均匀分布的特性，并利用其激励出全向垂直极化的辐射特性，同时在零阶谐振器的地面上增加了准环天线实现全向水平极化，并让其与垂直极化出现90°相差，从而实现了全向圆极化特性。CRLH全向圆极化天线具有剖面低、体积小等尺寸优势。但是，由于CRLH为单点谐振结构，带宽较窄，因此，在带宽性能要求较高的应用场景，该类型天线仍然受到极大的限制。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种宽带全向圆极化天线及无线通信设备。
本发明天线不仅实现全向圆极化的辐射特性，还具有天线的低剖面特性，同时还实现天线的宽带化和小型化。
本发明采用如下技术方案：
一种宽带全向圆极化天线，包括位于顶层基板的零阶谐振辐射单元、位于中间层基板的半模基片集成波导单元及位于底层基板的准圆环形辐射单元；
所述零阶谐振辐射单元包括顶层圆形Patch、顶层折弯电感线及顶层外圆环，所述顶层圆形Patch通过顶层折弯电感线与顶层外圆环连接，所述顶层圆形Patch设置在顶层外圆环内；
所述半模基片集成波导单元包括中间层圆形Patch、中间层折弯电感线及中间层外圆环，所述中间层圆形Patch通过中间层折弯电感线与中间层外圆环连接，所述中间层圆形Patch设在中间层外圆环内；
所述准圆环形辐射单元包括底层圆形Patch、四个1/4圆弧及微带臂，所述四个1/4圆弧构成一个准圆环，所述底层圆形Patch构成整个天线的电气地，所述底层圆形Patch通过四个微带臂分别与四个1/4圆弧连接，所述底层圆形Patch设置在准圆环内；
还包括同轴馈线及接地柱，所述同轴馈线的内导体依次穿过底层圆形Patch、中间层圆形Patch与顶层圆形Patch连接，所述同轴馈线的外导体与底层圆形Patch及中间层圆形Patch连接；
所述顶层圆形Patch通过接地柱穿过中间层圆形Patch与底层圆形Patch连接。
所述顶层基板、中间层基板及底层基板均与同轴馈线连接；
所述顶层圆形Patch、中间层圆形Patch及底层圆形Patch的圆心分别为顶层基板、中间层基板及底层基板的中心位置。
所述顶层基板、中间层基板及底层基板均为圆形。
所述接地柱为四个，顶层与底层基板均开有四个金属过孔供接地柱穿过并连接，中间层基板开孔供接地柱通过。
所述四个接地柱环绕天线中心对称且周期性设置。
所述顶层外圆环、中间层外圆环及底层准圆环的直径分别为29mm、18mm及44mm。
一种无线通信设备，包括输入设备及输出设备，所述输入设备及输出设备均由所述的宽带全向圆极化天线构成。
本发明采用如下技术方案：
(1)本发明改善了中心馈电结构的VSWR带宽，大幅度展宽了中心馈电结构的VSWR带宽；
(2)本发明使用加载半模基片集成波导的方法保持了天线垂直极化纯度，展宽了天线极化带宽；
(3)本发明相比较于螺旋或者组阵实现全向圆极化的辐射特性，本发明保留了低剖面、尺寸小等优点；
(4)本发明半模基片集成波导的加载共用同轴馈线的外导体作为接地柱，不额外增加物料成本。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是图1中零阶谐振辐射单元的结构示意图；
图3是图1中半模基片集成波导单元的结构示意图；
图4是图1中底层准圆环形辐射单元的结构示意图；
图5是本发明的回波损耗仿真结果图；
图6(a)是本发明主极化-左旋圆极化方向图的结果图；
图6(b)是本发明交叉极化-右旋圆极化方向图的结构图；
图7是本发明2.3-2.6GHz轴比的结果图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1-图4所示，一种宽带全向圆极化天线，整个天线由多层pcb板结构组装而成，本实施例由三层间隔一定距离的，且相互平行的pcb板构成，三层pcb板为圆形，其中心点在同一条竖直直线上，三层板间隔距离根据实际情况而定。包括位于顶层基板的零阶谐振辐射单元1、位于中间层基板的半模基片集成波导单元3及位于底层基板的准圆环形辐射单元4。
所述零阶谐振辐射单元包括顶层圆形Patch、顶层折弯电感线及顶层外圆环，所述顶层圆形Patch通过顶层折弯电感线与顶层外圆环连接，所述顶层圆形Patch设置在顶层外圆环内；所述顶层折弯电感线有四条，间隔相等距离设置在顶层圆形Patch与顶层圆形Patch之间，电感折弯线的引入增加了零阶谐振的等效电感，增强了零阶谐振的辐射效率，并有效减少了顶层单元的面积。
零阶谐振辐射单元中的圆形Patch及外圆环的圆心均与顶层基板的圆心重合。
所述半模基片集成波导单元包括中间层圆形Patch、中间层折弯电感线及中间层外圆环，所述中间层圆形Patch通过四个周期性设置的中间层折弯电感线与中间层外圆环连接，所述中间层圆形Patch设在中间层外圆环内，实现了小型化。
半模基片集成波导单元的中间层圆形Patch及中间层外圆环的圆心与中间层基板的圆心重合。
所述准圆环形辐射单元包括底层圆形Patch、四个1/4圆弧及微带臂，所述底层圆形Patch构成整个天线的电气地，需要接地的结构均与底层圆形Patch连接，如顶层零阶谐振辐射单元四根周期性接地柱和中间层半模基片集成波导单元的圆形Patch上所接的同轴外导体，均最后与底层准圆环形辐射单元上的圆形Patch电气地相连接。
所述底层圆形Patch通过四个微带臂分别与四个1/4圆弧连接，本实施例中微带臂与圆弧的一端连接，所述底层圆形Patch设置在准圆环内；
所述四个1/4圆弧构成一个准圆环天线，所述四个1/4圆弧间隔相等距离，该准圆环天线通过四个微带臂与圆形Patch地相连，并辐射出全向水平极化电场。
准圆环天线的圆心与底层圆形Patch的圆心均与底层基板的圆心重合。
本天线还包括同轴馈线5及接地柱2，所述接地柱为四根，材料为金属，所述顶层基板、中间层基板及底层基板均开有五个非金属化过孔，其中一个位于各个基板的中心位置。
顶层基板与底层基板均开有四个金属过孔供接地柱穿过并连接，中间层基板开孔供接地柱通过。
所述同轴馈线的内导体用于全向圆极化天线馈电，所述同轴馈线的内导体穿过底层与中间层非金属化过孔连接至顶层零阶谐振辐射单元的的patch正中心，连接方式采用焊接或者金属与金属接触等其他方式；所述同轴馈线的外导体与底层圆形Patch及中间层圆形Patch连接，形成全向垂直极化辐射器。
本实施例中，工作频段为2.3-2.6GHz，选用板材为FR-4，其对应的全向圆极化天线的尺寸标注图如图2-图4所示，具体参数如下：
D1＝29mm,D2＝18mm,D3＝44mm,d1＝12mm,d2＝4mm,d3＝21mm,DS＝3.8mm，
H1＝H2＝H3＝0.8mm。
具体基本的尺寸，每层圆形形Patch及外圆环的尺寸，随频率变化。
如图5所示，是本发明一个实施例提供的一种宽带全向圆极化天线的S参数图，通带内阻抗匹配良好，回波损耗典型值在10dB以上。
如图6(a)及图6(b)所示，是本发明一个实施例提供的一种宽带全向圆极化天线的增益曲线图，工作频段2.3-2.6GHz内增益平稳，且交叉极化性能小于15dB。
如图7所示，是本发明一个实例提供的一种宽带全向圆极化天线轴比曲线图，在2.3-2.6GHz频段内轴比均小于3dB
实施例2
一种无线通信设备，包括输入设备及输出设备，所述输入设备及输出设备均由本发明所述的一种宽带全向圆极化天线构成。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种宽带全向圆极化天线，其特征在于，包括位于顶层基板的零阶谐振辐射单元、位于中间层基板的半模基片集成波导单元及位于底层基板的准圆环形辐射单元；
所述零阶谐振辐射单元包括顶层圆形Patch、顶层折弯电感线及顶层外圆环，所述顶层圆形Patch通过顶层折弯电感线与顶层外圆环连接，所述顶层圆形Patch设置在顶层外圆环内；
所述半模基片集成波导单元包括中间层圆形Patch、中间层折弯电感线及中间层外圆环，所述中间层圆形Patch通过中间层折弯电感线与中间层外圆环连接，所述中间层圆形Patch设在中间层外圆环内；
所述准圆环形辐射单元包括底层圆形Patch、四个1/4圆弧及微带臂，所述四个1/4圆弧构成一个准圆环，所述底层圆形Patch构成整个天线的电气地，所述底层圆形Patch通过四个微带臂分别与四个1/4圆弧连接，所述底层圆形Patch设置在准圆环内；
还包括同轴馈线及接地柱，所述同轴馈线的内导体依次穿过底层圆形Patch、中间层圆形Patch与顶层圆形Patch连接，所述同轴馈线的外导体与底层圆形Patch及中间层圆形Patch连接；
所述顶层圆形Patch通过接地柱穿过中间层圆形Patch与底层圆形Patch连接。
2.根据权利要求1所述的一种宽带全向圆极化天线，其特征在于，所述顶层基板、中间层基板及底层基板均与同轴馈线连接；
所述顶层圆形Patch、中间层圆形Patch及底层圆形Patch的圆心分别为顶层基板、中间层基板及底层基板的中心位置。
3.根据权利要求1所述的一种宽带全向圆极化天线，其特征在于，所述顶层基板、中间层基板及底层基板均为圆形。
4.根据权利要求1所述的一种宽带全向圆极化天线，其特征在于，所述接地柱为四个，顶层基板与底层基板均开有四个金属过孔供接地柱穿过并连接，中间层基板开孔供接地柱通过。
5.根据权利要求4所述的一种宽带全向圆极化天线，其特征在于，四个接地柱环绕天线中心对称且周期性设置。
6.根据权利要求1所述的一种宽带全向圆极化天线，其特征在于，所述顶层外圆环、中间层外圆环及底层准圆环的直径分别为29mm、18mm及44mm。
7.一种无线通信设备，其特征在于，包括输入设备及输出设备，所述输入设备及输出设备均由权利要求1-6任一项所述的宽带全向圆极化天线构成。
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