CN111446543A - 一种极小频率比单馈双圆极化定向天线、天线系统 - Google Patents

一种极小频率比单馈双圆极化定向天线、天线系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于天线零部件或与天线结合装置技术领域，公开了一种极小频率比单馈双圆极化定向天线、天线系统，设置有矩形微带，矩形微带位于天线的最上层，矩形微带采用印刷电路工艺印刷在介质基板的上；短截线，位于天线的最上层，通过印刷电路工艺印刷在介质基板的上；金属通孔，设置在短截线上方，沿中心对称位置安装有两个；介质基板，位于天线的中间层；金属底板，位于介质基板的下层，所述金属底板安装射频接头。解决了传统单一馈电下低剖面微带天线实现极小频率比的双频双圆极化定向辐射特性的需求。本发明在保证天线高性能的同时，可以最大程度减小天线对载体的外形的影响，减小输入端口数量，不用切换不同端口来实现上述特性。

Description

一种极小频率比单馈双圆极化定向天线、天线系统
技术领域
本发明属于天线零部件或与天线结合装置技术领域，尤其涉及一种极小频率比单馈双圆极化定向天线、天线系统。
背景技术
目前，在现代无线通信系统中，双圆极化定向天线(兼顾左旋和右旋圆极化特性)以多频工作、避免极化损失和抑制多径散射和多径干扰等的优势，受到了越来越多的关注。而微带贴片天线具有成本低、重量轻、易于共形等优点，所以对双频圆极化微带天线的研究势在必行。
然而，传统的双频圆极化微带贴片天线，特别是正交极化的圆极化微带贴片天线，其频率比通常在1.7左右。为了解决这一问题，研究人员提出了一些有效的方法，比如，寄生贴片加载到辐射贴片的上方、使用超表面技术、在辐射贴片的外围附加元件等。申请专利号CN 109301444 A[1]“双馈双频双圆极化微带贴片天线”通过采用叠层贴片结构实现了微带天线的双频双圆极化的性能，且可实现任意频率比的双频工作模式。但是，这种方法使天线厚度增大，破坏了微带天线固有的低剖面特性，并且其需要双端口馈电。申请专利号CN110148833 A[2]“基于超表面的高增益双频圆极化天线”通过应用超表面使天线的频率比降低到1.37，但是无法实现极小频率比1.04。申请专利号CN 102931476 A[3]“双频圆极化天线”通过在辐射贴片增加L形短截线，此天线的频率比降低到1.48，但是无法实现极小频率比1.04。因此，设计出具有极小频率比的单馈双圆极化定向天线是天线技术领域亟需解决的问题，具有极大的实用意义和应用需求。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)现有方法使天线厚度增大，破坏了微带天线固有的低剖面特性，并且其需要双端口馈电。
(2)现有方法无法实现极小频率比1.04。
解决以上问题及缺陷的难度为：
(1)降低天线的剖面，会使天线的频带变窄，不易获得双频的特性，还会使天线的频率比变大；单端口馈电的天线相比于双馈电的天线辐射能力下降，不易实现良好的性能。
(2)未有有效方法实现双频圆极化微带天线的极小频率比。
解决以上问题及缺陷的意义为：
(1)天线的低剖面特性，可以减小天线对载体的外形的影响，还可以降低天线的整体重量及制作成本；使用单端口馈电，使天线的结构变得简单，制作成本降低。
(2)为了适应现代通信发展的需要，研究降低双频圆极化微带天线频率比的方法很有必要。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于L形短截线加载的极小频率比单馈双圆极化定向天线。
本发明是这样实现的，一种基于L形短截线加载的极小频率比单馈双圆极化定向天线设置有矩形微带，矩形微带位于天线的最上层，矩形微带采用印刷电路工艺印刷在介质基板的上；
短截线，位于天线的最上层，通过印刷电路工艺印刷在介质基板上；
金属通孔，设置在短截线上方，沿中心对称位置安装有两个；
介质基板，位于天线的中间层；
金属底板，位于介质基板的下层，所述金属底板安装射频接头。
进一步，矩形微带左上位置还设置有通孔，该通孔内贯穿设置有为矩形微带馈电的同轴探针。
进一步，所述同轴探针穿过金属底板与介质基板相连接，在介质基板中的通孔与矩形辐射微带焊接，射频接头的同轴探针的外皮与金属底板连接。
进一步，所述矩形微带的长、宽分别为0.309λ、0.358λ，矩形微带下方设置有用来使天线产生宽边辐射的L形金属短截线，短截线长0.206λ；本发明中波长都归算于低频2.15GHz，矩形微带贴片下方增加一段L形金属短截线，用来使天线产生宽边辐射，短截线长0.213λ；将短截线进行弯折，以减小天线的尺寸。
进一步，所述L形金属短截线上开有使TM10,TM01和TM20模式的谐振频点相互接近的两个金属通孔，所述金属通孔的半径为0.0645λ；所述矩形微带贴片的长度被减小，使TM10,TM01和TM20模式的谐振频点进一步接近，从而产生了双圆极化及双频特性。
进一步，所述射频接头置于金属底板的下侧，所述射频接头的同轴探针穿过所述介质基板，与微带贴片进行焊接，所述射频接头的外皮与金属底板连接。
本发明的另一目的在于提供一种安装有所述基于L形短截线加载的极小频率比单馈双圆极化定向天线的天线系统。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
(1)矩形微带贴片是天线的辐射单元，通过单一同轴探针进行馈电，其具备定向辐射特性；矩形微带贴片的长宽分别为0.309λ、0.358λ(本发明中波长都归算于低频2.152GHz)；矩形微带贴片下方增加一段L形金属短截线，用来将非法向辐射的TM20模方向图转换成法向辐射，短截线总长0.206λ；L形短截线上开有半径为0.0645λ的两个金属通孔用以使TM10,TM01和TM20模式的谐振频点相互接近；矩形微带贴片的长度被减小，使TM10,TM01和TM20模式的谐振频点进一步接近，从而产生了双圆极化及双频特性。
(2)采用单点馈电，辐射圆极化电磁波；整个天线具有低剖面特性，天线的整体尺寸0.789λ×0.789λ，天线的厚度约为0.02λ。本发明天线可以实现双频带特性，频带范围为2.148GHz-2.164GHz(0.74％)，2.2GHz-2.272GHz(3.22％)，本发明实现极小频率比的双频带特性的原理是：通过在短截线2上打两个金属通孔4，使天线的TM10模、TM01模和TM20模相互接近；通过减小矩形微带贴片1的横向尺寸，使天线的三个模式进一步接近，从而实现了极小频率比的双频带特性。
(3)本发明天线在低、高频段分别获得了正交的左旋圆极化和右旋圆极化辐射场，实现双圆极化特性的原理是：通过在矩形微带1的边缘增加短截线2，使TM20模的|Eθ|分量在由非法向辐射变成法向辐射方向图，从而与TM10模和 TM01模产生双圆极化辐射。
(4)采用在微带贴片上增加L形金属短截线、在金属短截线上打金属通孔和减小矩形微带贴片的长度的方式，同时实现天线的双圆极化特性以及极小频率比的双频特性，解决了传统单一馈电下低剖面微带天线实现极小频率比的双频双圆极化定向辐射特性的需求。本发明在保证天线高性能的同时，可以最大程度减小天线对载体的外形的影响，减小输入端口数量，不用切换不同端口来实现上述特性。此外，本发明天线技术也可作阵列单元，有助于获得高性能的圆极化阵列天线。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，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是本发明实施例提供的极小频率比的双圆极化定向天线结构示意图；
其中，a、介质基板透视；b、介质基板俯视图。
图2是本发明实施例提供的极小频率比的双圆极化定向天线的剖面图。
图3是本发明实施例提供的极小频率比的双圆极化定向天线的制作实物图。
图4是本发明实施例提供的极小频率比的双圆极化定向天线端口的反射系数曲线图。
图5是本发明实施例提供的极小频率比的双圆极化定向天线在低频处的方向图；
其中，a、xoz面的仿真结果；b、yoz面的仿真结果；c、xoz面的测试结果； d、yoz面的测试结果。
图6是本发明实施例提供的极小频率比的双圆极化定向天线在高频处的方向图；
其中，a、xoz面的仿真结果；b、yoz面的仿真结果；c、xoz面的测试结果； d、yoz面的测试结果。
图7是本发明实施例提供的极小频率比的双圆极化定向天线端口的增益变化图。
图中：1、矩形微带；2、短截线；3、同轴探针；4、金属通孔；5、介质基板；6、金属底板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于L形短截线加载的极小频率比单馈双圆极化定向天线，下面结合附图1至附图7及表1对本发明作详细的描述。
针对现有的移动通信中实现天线单元剖面较高，多端口馈电以及难以实现极小频率比的双圆极化定向辐射特性的问题。本发明采用在微带贴片的一边增加打金属通孔的L形短截线以及减小贴片横向尺寸的方式；同时实现天线的双圆极化特性以及极小频率比的双频特性，解决了传统低剖面微带天线的单一馈电条件下实现天线极小频率比的双频双圆极化定向辐射的问题。
如图1、图2和图3所示，本发明实施例提供的极小频率比的双频双圆极化定向天线包括矩形微带1，矩形微带1位于天线的最上层，矩形微带1采用印刷电路工艺制造，印刷在介质基板的5上；在矩形微带1左上位置打一个通孔，用来穿过同轴探针3，通过同轴探针3给矩形微带1馈电；
L形短截线2：短截线2位于天线的最上层，短截线2采用印刷电路工艺制造，印刷在介质基板的5上，用来使天线产生宽边辐射；在短截线2上方沿中心对称位置打两个金属通孔4，用以调整谐振；
介质基板5：介质基板5位于整个天线的中间层；
金属底板6：金属底板6位于天线的最下方；射频接头的同轴探针3穿过金属底板6与介质基板5，在介质基板5中的通孔与矩形辐射微带1焊接，射频接头的同轴探针3的外皮与金属底板6连接。
其中，介质基板采用介电常数为2.1的F4B，介质基板高h＝3mm，图2和图3中各参数的值分别为：Lg＝110mm,L1＝50mm,L2＝8.1mm,L3＝21.7mm, W1＝43.1mm,W2＝1.1mm,R＝0.9mm。
本发明实现极小频率比的双频带特性的原理是：通过在L形短截线2上打两个金属通孔4，使天线的TM10模、TM01模和TM20模相互接近；通过减小矩形微带1的横向尺寸，使天线的三个模式进一步接近，从而实现了极小频率比的双频带特性。实现双圆极化特性的原理是：通过在矩形微带1的边缘增加L 形短截线2，使TM20模的|Eθ|分量在由非法向辐射变成法向辐射方向图，从而与 TM10模和TM01模产生双圆极化辐射。
下面结合仿真和实物测试对本发明的应用效果作详细的描述。
1、仿真和测试内容
请参考图4至图7。利用仿真软件和测试方法对上述实施例天线的端口反射系数、天线方向图及增益进行了仿真和测试。
2、仿真和测试结果
图4是对实施例天线仿真和测试得到的端口反射系数随工作频率变化的曲线。可以看到，端口表现出良好的双宽带特性。仿真结果中端口反射系数低于 -10dB的频段为2.148GHz-2.164GHz(0.74％)，2.2GHz-2.272GHz(3.22％)，测试结果中端口反射系数低于-10dB的频段为2.13-2.15GHz(0.93％)和2.17-2.24 GHz(3.17％)，所测得的结果与仿真结果吻合较好，很好地实现了天线双频带的特性。
图5、图6是对实施例天线仿真和测试得到的xoy面方向图和yoz面方向图，仿真结果在2.152GHz和2.250GHz获得，测试结果在2.134GHz和2.223GHz获得。可以看到，在低、高频段分别获得了正交的左旋圆极化和右旋圆极化辐射场。此外，该天线还成功地获得了-13.1dB以下的低交叉极化和-20.6dB以下的小后瓣。
图7是对实施例天线仿真和测试增益。可以看到，天线在双频工作范围上有稳定的增益，达到了7.5dBic左右。
表1是实施例天线与相关天线的对比表格。从表中可以清楚看到，本天线在单层单馈的条件下，实现了双频双圆极化的特性，并且天线有良好的性能。
表1是本发明实施例提供的极小频率比的双圆极化定向天线与相关天线的对比表格。
Figure RE-GDA0002540864080000071
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种极小频率比单馈双圆极化定向天线，其特征在于，所述极小频率比单馈双圆极化定向天线设置有矩形微带，矩形微带位于天线的最上层，矩形微带采用印刷电路工艺印刷在介质基板的上；
短截线，位于天线的最上层，通过印刷电路工艺印刷在介质基板的上；
金属通孔，设置在短截线上方，沿中心对称位置安装有两个；
介质基板，位于天线的中间层；
金属底板，位于介质基板的下层，所述金属底板安装射频接头。
2.如权利要求1所述的极小频率比单馈双圆极化定向天线，其特征在于，矩形微带左上位置还设置有通孔，该通孔内贯穿设置有为矩形微带馈电的同轴探针。
3.如权利要求2所述的极小频率比单馈双圆极化定向天线，其特征在于，所述同轴探针穿过金属底板与介质基板相连接，在介质基板中的通孔与矩形辐射微带焊接，射频接头的同轴探针的外皮与金属底板连接。
4.如权利要求1所述的极小频率比单馈双圆极化定向天线，其特征在于左旋和右旋圆极化的极小频率比为1.04，所述矩形微带的长、宽分别为0.309λ、0.358λ，矩形微带下方设置有用来使天线产生宽边辐射的L形金属短截线，短截线长0.206λ。
5.如权利要求4所述的基于L形短截线加载的极小频率比单馈双圆极化定向天线，其特征在于，所述L形金属短截线上开有使TM10,TM01和TM20模式的谐振频点相互接近的两个金属通孔，所述金属通孔的半径为0.0645λ。
6.如权利要求1所述的极小频率比单馈双圆极化定向天线，其特征在于，所述射频接头置于金属底板的下侧，所述射频接头的同轴探针穿过所述介质基板，与微带贴片进行焊接，所述射频接头的外皮与金属底板连接。
7.一种安装有如权利要求1至6任意一项所述极小频率比单馈双圆极化定向天线的天线系统。
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