CN111628286A - 双频双圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种双频双圆极化天线，主要解决现有技术结构复杂，工作带宽窄的问题。其包括底、中、顶三层介质板(1、6、11)，该底层介质板(1)的侧边设有馈电口(4)，下表面设有微带馈线(3)，上表面设有地板(5)，地板的中心设有缝隙(2)，用于耦合馈电；该中层介质板(6)的上表面设有高频辐射贴片(8)和寄生贴片(9)，内部设有高、低频短路柱(7，13)；该顶层介质板(11)的上表面设有低频辐射贴片(12)，低频短路柱(13)穿过顶层介质基板(11)实现对低频辐射贴片与地板的连接，高频短路柱(7)用于实现高频辐射贴片与地板的连接。本发明结构简单，体积小，成本低，频带宽，可用于收发双工通信系统。

Description

双频双圆极化天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别涉及一种双频双圆极化天线，可用于收发双工通信系统。
背景技术
相比于线极化天线，圆极化天线可以接收任意方向的来波，具有更好的接收电磁波、抑制多径效应以及抗雨雾干扰的能力。因此近些年来，圆极化天线广泛应用于雷达探测、卫星通信、卫星导航、电子侦察、电子对抗等领域。在无线通信和卫星通信领域中，通信系统对通信容量的需求越来越高。在天线设计中，除了要求所设计的天线高增益、宽带宽、高辐射效率、低生产成本外，还要求天线具备双工作频带、双圆极化、收发一体的特性，以满足通信系统小型化、收发双工、频率复用等多方面的需求。因此双频双圆极化天线应运而生。双频双圆极化天线可以作为收发天线工作在两个不同频带，实现全双工工作模式，不仅能增加通信系统的通信容量，还能减少通信系统中天线的数目，节省天线的成本。同时，双频双圆极化天线在两个不同的频带能实现两种方向相反的圆极化方式，在抑制发射信号与接收信号相互干扰的同时具有良好的极化匹配。这些优良特性使得双频双圆极化天线在卫星通信、车载通信、无人驾驶等移动通信系统中具有广阔的应用前景。因而双频双圆极化天线的设计也成为天线工程师们面临的新的挑战。
设计双频双圆极化天线的一种思路是先设计双频线极化天线单元，再采用顺序旋转馈电的方式设计出双频双圆极化阵列天线。2018年Qi Yao等人在IEEE 4thInternational Conference on Computer and Communications上发表的文章A Dual-Band and Dual-Circularly-Polarized Array Antenna with a Single Element中设计一款如图1(a)所示双馈线极化天线单元，该天线单元在低频时工作于TM10模式，而在高频时工作于TM01模式。并采用顺序旋转馈电的方法，设计出如图1(b)所示的双频双圆极化阵列天线，该天线在低频和高频段分别实现左旋和右旋圆极化。但该天线的顺序旋转馈电网络结构较为复杂，不仅增大了天线的体积，不利于通信系统的小型化，而且增大了天线的损耗，降低了天线辐射效率。
双频双圆极化天线设计的另一个思路是直接设计双频双圆极化天线单元。2016年Jin-Dong Zhang等人在IEEE Transactions on Antennas and Propagation发表的文章Dual-Band and Dual-Circularly Polarized Shared-Aperture Array Antennas WithSingle-Layer Substrate设计了如图1(c)所示的双频双圆极化天线单元。该天线通过连接两个分别工作在不同频率不同极化方式的辐射贴片实现双频双圆极化的工作模式，虽然结构简单，但天线的带宽较窄，且体积较大，限制了天线的应用场景，不利于通信系统的小型化。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种双频双圆极化天线，以简化结构，拓宽带宽，降低成本，减小体积，满足无线通信系统对双频双圆极化天线宽带小型化的需求。
为实现上述目的，本发明的双频双圆极化天线，包括介质基板、辐射贴片、寄生贴片、地板、微带馈线和金属短路柱，其特征在于：
所述介质基板，包括底层介质基板1、中间层介质基板6、顶层介质基板11，这三层介质基板之间通过导体胶粘合；
所述辐射贴片，包括高频辐射贴片8和低频辐射贴片12；
所述金属短路柱，包括高频短路柱7和低频短路柱13；
所述微带馈线3和地板5，分别位于底层介质基板1的下表面和上表面，且地板5的中心位置设有地板缝隙2；
所述高频辐射贴片8和寄生贴片9，均位于中间层介质基板6的上表面；
所述低频辐射贴片13位于顶层寄生贴片11的上表面；
所述高频短路柱7位于中间层介质基板6的内部，用于连接高频辐射贴片8和地板5；
所述低频短路柱13位于中间层介质基板6和顶层介质基板11内部，用于连接低频辐射贴片12和地板5。
进一步，所述高频辐射贴片8由两块沿着中间层介质基板6对角线放置的相同矩形贴片对角相连而组成。
进一步，所述低频辐射贴片12由两块沿着顶层介质基板13对角线放置的相同矩形贴片对角相连而组成。
进一步，所述高频辐射贴片8与低频辐射贴片12交叉垂直放置。
进一步，所述寄生贴片9为两块放置在高频辐射贴片8两旁的扇环形贴片，这两块扇环形贴片关于介质基板中心对称。
进一步，所述中间层介质基板6对角线方向设有低频短路柱通孔10，用于实现低频短路柱13与地板5的连接。
进一步，所述底层介质基板1的侧边中心位置设有馈电口4，用于给天线馈电。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明通过在地板中心位置设置地板缝隙，给高频辐射贴片8、寄生贴片9、低频辐射贴片12耦合馈电，提高了天线的工作带宽。
2、本发明通过采用三层介质基板结构，将低频辐射贴片放置在顶层介质基板上表面，将高频辐射贴片和寄生贴片放置在中间层介质基板上表面，将馈电结构放在底层介质基板上，使得每一层介质基板结构简单、便于加工；并通过三层介质基板叠层粘合，使天线整体体积减小。
附图说明
图1是现有双频双圆极化天线的结构示意图；
图2是本发明的整体结构示意图；
图3是本发明中的底层基板结构示意图；
图4是本发明中的中间层基板结构示意图；
图5是本发明中的顶层基板结构示意图；
图6是本发明实施例在17～23GHz、27～33GHz电压驻波比仿真曲线图；
图7是本发明实施例在17～23GHz、27～33GHz左旋圆极化与右旋圆极化增益仿真曲线图；
图8是本发明实施例在17～23GHz、27～37GHz轴比仿真曲线图；
图9分别是本发明实施例在20GHz、30GHz处的XOZ和YOZ面左旋/右旋圆极化辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例和效果作进一步描述：
参照图2，本实例的双频双圆极化天线，包括底层介质基板1，地板缝隙2，微带馈线3，馈电口4，地板5，中间层介质基板6，高频短路柱7，高频辐射贴片8，寄生贴片9，低频短路柱通孔10，顶层介质基板11，低频辐射贴片12，低频短路柱13。馈电口4位于底层介质基板1侧面中央，由SMA接头馈电。微带馈线3与地板5分别位于底层介质基板1的底面与顶面。地板5的中央位置开有矩形地板缝隙2。高频辐射贴片8位于中间层介质基板6的顶面对角线方向上，由两块矩形贴片对角相连接而组成，分别与高频短路柱7相连接，并通过高频短路柱7与地板5相连接。高频短路柱7与低频短路柱通孔10分别位于中间层介质基板6的两条对角线方向上。寄生贴片9为一对扇环形辐射贴片，分别位于辐射贴片8的两侧。低频辐射贴片12位于顶层介质基板11顶面的对角线方向上，由两块矩形贴片对角相连而组成。低频短路柱13穿过低频短路柱通孔10分别与低频辐射贴片12和地板5连接。底层介质基板1、中间层介质基板6、顶层介质基板11采用的均是边长D为9mm的方形Rogers4350介质基板，其厚度分别为h1＝0.254mm，h2＝1.524mm，h3＝0.762mm。这三层介质基板之间通过厚度为0.1mm的导体胶粘合，形成基板一体结构。
参照图3，底层介质基板1侧边的中心位置设有馈电口4，通过该馈电口4对高频辐射贴片8、寄生贴片9和低频辐射贴片12进行激励。微带馈线3位于底层介质基板1的底面，微带馈线3的长度L2取值范围为6-7mm，宽度W2取值范围为0.31-0.49mm，本实例取但不限于L2＝6.5mm，W2＝0.4mm。地板5为边长是9mm的正方形铜层。矩形缝隙2位于地板5的中心，缝隙长L1的取值范围为5.1-6.9mm，缝隙宽度W1取值范围为0.5-0.9mm，本实例取但不限于L1＝mm，W1＝0.7mm。
参照图4，高频辐射贴片8位于中间层介质基板6上表面的对角线方向上，其由两块长L3，宽W2的矩形贴片对角相连接组成，L3的取值范围为1.8-2.3mm，W2的取值范围为1.5-1.9mm，本实例取但不限于L3＝2mm，W2＝1.7mm。高频短路柱7位于中间层介质基板6对角线上，由两个半径为R1的铜柱组成，R1的取值范围为0.3-0.5mm，本实例取但不限于R1＝0.35mm。高频辐射贴片8与高频短路柱7相连，并通过高频短路柱7与地板5相连。寄生贴片9由一对关于中间层介质基板6中心对称的扇环贴片组成，该扇环形贴片的角度Φ取值范围为32°-40°，内径R3的取值范围为2.3-2.8mm，外径R4的取值范围为3.6-4mm，本实例取但不限于Φ＝35°，R3＝2.55mm，R4＝3.85mm。低频短路柱通孔10位于介质基板的另一条对角线上，其半径R2取值范围为0.4-0.9mm，本实例取但不限于R2＝0.6mm。
参照图5，低频辐射贴片12位于顶层介质基板11上表面的对角线方向上，与高频辐射贴片8交叉垂直放置。低频辐射贴片12由两块长为L4，宽为W4的矩形贴片对角相连接组成，L4的取值范围为1.8-2.5mm，W4的取值范围为1.5-2.3mm，本实例取但不限于L4＝2.15mm，W4＝1.9mm。低频短路柱13由一对半径为R4的沿顶层介质基板11对角线方向放置的铜柱组成，半径R4的取值范围为0.5-0.7mm，本实例取但不限于R4＝0.6mm。低频短路柱13的一端与低频辐射贴片12相连，另一端穿过低频短路柱通孔10与地板5相连。
以下结合仿真结果，对本发明的技术效果作进一步描述：
1、仿真条件
美国Ansoft公司开发的基于电磁场有限元的全波三维电磁仿真软件HFSS能精确仿真计算出天线的各种性能，包括二维和三维远场/近场辐射方向图、天线增益、轴比、半功率波瓣宽度、内部电磁场分布、天线阻抗、电压驻波比以及S参数等。本发明实例使用HFSS2019版本对天线驻波比、增益、轴比、方向图进行仿真分析。
2、仿真内容
仿真1：对本发明实例在17～23GHz、27～33GHz的电压驻波比进行仿真分析，结果如图6。从图6可以看出，本发明实例在17.68～22.65GHz及28.76～31.55GHz两频带范围内电压驻波比小于2。说明本发明具有良好的阻抗匹配特性。
仿真2：对本发明实例在17～23GHz、27～33GHz的增益进行仿真分析，结果如图7。从图7可以看出，在18.04～22.94GHz的低频范围内，天线为左旋圆极化，且左旋圆极化增益较为稳定，始终大于5dBi；在29.4-31GHz的高频范围内，天线为右旋圆极化，且增益大于4.22dBi。说明本发明在工作频带内具有较高、稳定的增益。
仿真3：对本发明实例在17～23GHz、27～37GHz的轴比进行仿真分析，结果如图8。从图8可以看出，在17.93～23.15GHz及28.66～35.47GHz两频带范围内天线轴比小于6dB，在18.63～22.45GHz及29.43～34.30GHz两频带范围内天线轴比小于3dB。说明本发明具有良好的圆极化性能。
仿真4：对本发明实例在20GHz、30GHz处的XOZ和YOZ面左旋/右旋圆极化增益方向图进行仿真分析，结果如图9。其中：
图9(a)为本发明实施例在20GHz处XOZ面左旋与右旋圆极化的增益仿真方向图；
图9(b)为本发明实施例在20GHz处YOZ面左旋与右旋圆极化的增益仿真方向图；
图9(c)为本发明实施例在30GHz处XOZ面左旋与右旋圆极化的增益仿真方向图；
图9(d)为本发明实施例在30GHz处YOZ面左旋与右旋圆极化的增益仿真方向图。
从图9可以看出，在20GHz处，天线交叉极化小，具有良好的左旋圆极化方向图；在30GHz处，天线在主辐射方向上交叉极化小，具有良好的右旋圆极化辐射性能。
上述仿真结果说明本发明在20GHz附近具有良好的左旋圆极化辐射性能，在30GHz附近具有良好的右旋圆极化辐射性能。
以上描述和实施例，仅为本发明的优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和设计原理后，都可能在基于本发明的原理和结构的情况下，进行形式上和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双频双圆极化天线，包括介质基板、辐射贴片、寄生贴片、地板、微带馈线和金属短路柱，其特征在于：
所述介质基板，包括底层介质基板(1)、中间层介质基板(6)、顶层介质基板(11)，这三层介质基板之间通过导体胶粘合；
所述辐射贴片，包括高频辐射贴片(8)和低频辐射贴片(12)；
所述金属短路柱，包括高频短路柱(7)和低频短路柱(13)；
所述微带馈线(3)和地板(5)，分别位于底层介质基板(1)的下表面和上表面，且地板(5)的中心位置设有地板缝隙(2)；
所述高频辐射贴片(8)和寄生贴片(9)，均位于中间层介质基板(6)的上表面；
所述低频辐射贴片(13)位于顶层寄生贴片(11)的上表面；
所述高频短路柱(7)位于中间层介质基板(6)的内部，用于连接高频辐射贴片(8)和地板(5)；
所述低频短路柱(13)位于中间层介质基板(6)和顶层介质基板(11)内部，用于连接低频辐射贴片(12)和地板(5)。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，高频辐射贴片(8)由两块沿着中间层介质基板(6)对角线放置的相同矩形贴片对角相连而组成。
3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，低频辐射贴片(12)由两块沿着顶层介质基板(13)对角线放置的相同矩形贴片对角相连而组成。
4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，高频辐射贴片(8)与低频辐射贴片(12)交叉垂直放置。
5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，寄生贴片(9)为两块放置在高频辐射贴片(8)两旁的扇环形贴片，这两块扇环形贴片关于介质基板中心对称。
6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，中间层介质基板(6)对角线方向设有低频短路柱通孔(10)，用于实现低频短路柱(13)与地板(5)的连接。
7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，在底层介质基板(1)的侧边中心位置设有馈电口(4)，用于给天线馈电。
8.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，三层介质基板(1，6，11)和地板(5)的尺寸和形状相同。
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