CN112072302A - 一种顺序旋转馈电的宽带圆极化滤波阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种顺序旋转馈电的宽带圆极化滤波阵列天线。本发明结构通过方形贴片切对角，引入简并模分离实现圆极化天线单元；然后通过在贴片表面蚀刻不同尺寸的开口谐振环，在工作频带两侧分别引入增益零点，实现较好的带外抑制；并且通过增加寄生贴片、开T型槽、采用带线‑探针混合馈电结构和顺序旋转馈电技术实现相对带宽为43.14％，轴比带宽为1.71％，最高增益达到14.64dBi的2×2圆极化天线阵列。

Description

一种顺序旋转馈电的宽带圆极化滤波阵列天线
技术领域
本发明属于无线通信技术的天线设计技术领域，特别涉及一种顺序旋转馈电的宽带圆极化滤波阵列天线，可应用于移动通信、卫星通信以及雷达等无线通信系统中，可应用于当前5G通信网络。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，圆极化天线越来越受到广泛重视，它与线极化天线相比，优势在于能够接收任意极化方向的线极化波，并且辐射出的电磁波能够被任意的线极化天线接收，除此之外圆极化天线还有极化旋转性、旋向正交性，这些优势使圆极化天线在无线通信系统中大放异彩。而滤波器作为射频前端电路的重要元器件，经常需要和天线一起设计，这就考虑到如何将滤波器和天线结合起来。传统设计方法通常是将天线和滤波器作为独立部分分开设计然后进行级联，或者将滤波器与馈电网络结合，这些方法都会存在匹配不好、引入插入损耗、降低增益等问题。因此，如何将天线和滤波器有效结合以实现小型化，减少或者避免损耗一直是国内外学者研究的热点。
单馈点的圆极化微带贴片天线有天生窄带宽的缺陷，为了实现宽带性能，学者们研究出了很多方法，例如增加基板厚度、降低介质基板介电常数等。本发明选取加载堆叠寄生贴片和在辐射贴片上蚀刻T型槽的方法展宽带宽。除此之外，为了获得更高的天线增益和更宽轴比带宽，使天线的辐射方向性更好，选择制作成2×2的天线阵列。
综上所述，在微带贴片上同时实现圆极化特性和滤波性能可以减小射频前端尺寸，降低损耗，实现天线-滤波特性一体化，通过堆叠贴片和顺序旋转馈电技术可以有效展宽轴比带宽，增强圆极化特性，提高天线的增益。
发明内容
针对上述技术的不足，本发明的目的在于实现一种宽带圆极化滤波阵列天线，不仅可以将圆极化特性和滤波特性进行整体设计以减小匹配不好造成的不良影响，而且还能展宽阻抗带宽和轴比带宽，解决了微带天线频段窄的问题，并且增强了天线辐射的方向性和增益。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种顺序旋转馈电的宽带圆极化滤波阵列天线，包括从上至下依次设置的介质基板S1、S2、S3、S4、馈电结构；介质基板S1与介质基板S2之间设有一层空气层，该空气层高度小于介质基板S2波长的八分之一；介质基板S3与介质基板S4之间设有同等大小的金属层M1作为接地面。
作为优选，介质基板S1、S2、S4的厚度不同，介质基板S2、S3厚度相同；介质基板S1、S2、S2、S4的介电常数相同。
所述的介质基板S1的上表面设有四个呈中心对称的寄生贴片P1，每个寄生贴片P1为切角贴片，具体为沿对角线切掉一对顶角上的等腰直角三角形的方形贴片，寄生贴片P1开有开口谐振环a；
所述的介质基板S2的上表面设有四个呈中心对称的辐射贴片P2，每个辐射贴片P2为切角贴片，具体为沿对角线切掉一对顶角上的等腰直角三角形的方形贴片，辐射贴片P2开有两条T型缝隙、开口谐振环b；两条T型缝隙轴对称设置；上下对应位置上辐射贴片P2开口谐振环b的开口与寄生贴片P1开口谐振环a的开口朝向相同。
两条T型缝隙轴对称设置，且两者间留有一定的空隙；T型缝隙与辐射贴片P2的中心线(此中心线与T型缝隙平行)具有一定的距离d1，用以避免T型缝隙与开口谐振环b引起耦合效应，用以增大阻抗带宽。
两条T型缝隙位于开口谐振环b开口侧；
辐射贴片P2的馈电点(即金属柱T2与辐射贴片P2的连接点)位于开口谐振环b环内，寄生贴片P1的中心位于开口谐振环a环外。
金属柱T1和T2与金属贴片P3连接部分距离为S可调，范围是0.017λg～0.035λg，主要是为了调节阻抗匹配。
所述的介质基板S3的上表面设有四个呈中心对称的金属贴片P3；金属贴片P3用于带线-探针混合馈电，均为大小一致的长方形贴片。
作为优选，寄生贴片P11、P12、P13、P14形状尺寸完全相同，依次旋转90°，辐射贴片P21、P22、P23、P24形状尺寸完全相同，依次旋转90°。
作为优选，寄生贴片P1、辐射贴片P2、金属贴片P3一一对应，且三者中心点位于同一直线上。
作为优选，寄生贴片P1和辐射贴片P2的切角位置一样，用以激励出更多的圆极化特性。
作为优选，每个寄生贴片P1的边与介质基板的边均平行；每个辐射贴片P2的边与介质基板的边均平行。
所述介质基板S4的下表面印刷有用以产生四路幅度相等、相对相位差依次为0°、90°、180°和270°信号的宽带馈电网络F；宽带馈电网络F由三级组成，第一级是从输入端口Port1输入的Wilkinson功分器；第二级是宽带90°相移网络，一路经过特性阻抗为50Ω的微带线到达C点，另一路经过特性阻抗为30Ω的微带线到达B点；第三级是从B点到输出端口PA和PC以及C点到输出端口PB和PD的180°功分相移网络。四个输出端口PA、PB、PC、PD输出的信号幅度相等，相对相位差依次为0°、90°、180°、270°。
所述的馈电结构包括作为探针的2组金属柱T1、T2，金属贴片P3和宽带馈电网络F；四个金属柱T1贯穿第三层介质基板S3、第四层介质基板S4和接地面M1，一端分别与四个金属贴片P3对应连接，另一端则分别与宽带馈电网络F的四个输出端口PA、PB、PC、PD对应连接，上述四个金属柱T1与接地面M1不接触；金属柱T2贯穿介质基板S2，一端分别与四个金属贴片P3对应连接，另一端分别与四个辐射贴片P2对应连接；金属柱T1和金属柱T2在金属贴片P3上的连接位置关于所在金属贴片P3对称轴对称设置。
由介质基板S1、S2、S3、S4、馈电结构以及寄生贴片P1、辐射贴片P2、金属贴片P3、金属柱T1、金属柱T2组成四组阵元，四组阵元依次旋转90°组成2*2阵列，馈电网络的四个输出端口的相位也是依次相差90°(逆时针)。
作为优选，改变寄生贴片P1和辐射贴片P2的尺寸可对S参数、轴比和天线增益进行调节。
作为优选，寄生贴片P1的两个切角c3、c4和辐射贴片P2上的两个切角c1、c2均镜像对称，并且改变其尺寸可调节S参数和轴比。、
作为优选，寄生贴片P1上的开口谐振环a和辐射贴片P2上的开口谐振环b产生滤波特性，通过调节开口谐振环a的长宽、寄生贴片P1中心点与开口谐振环a非开口所在长边的距离(d2)可改变高频段增益零点的频率和带外抑制程度，通过调节开口谐振环b的长宽、辐射贴片P2馈电点与开口谐振环b非开口所在长边的距离(d3)可改变低频段增益零点的频率和带外抑制程度。
作为优选，微带线的阻抗包含30Ω，45Ω，50Ω和70.7Ω，其中在宽带90°相移网络中，特性阻抗为30Ω的微带线中心连接长度λ/2、特性阻抗为45Ω的开路微带线，起到阻抗匹配的作用。
工作过程：本发明主要通过三个方式展宽带宽，一是增加堆叠寄生贴片，二是在辐射贴片上蚀刻T形缝隙，三是通过宽带馈电网络F和带线-探针混合馈电进行结合，共同馈电。信号通过宽带馈电网络F分别从四个输出端口输出，四个输出端口的信号相位依次相差90°，经金属柱T2、长方形金属贴片P3、金属柱T1输入到辐射贴片P2。辐射贴片P2通过单馈点产生两个相互正交、幅度相等的简并模，切角C1和C2是简并模分离单元，可使两个简并模发生分离，进而产生两个不同的谐振点，当工作频率选在这两个谐振点之间时，一个模的等效阻抗相角超前45°，另一个模的等效阻抗相角滞后45°，从而产生90°相位差，由此实现圆极化。辐射贴片P2辐射出的能量通过耦合进入到寄生贴片P1中，寄生贴片P2的两个切角C3、C4起到了与辐射贴片两个切角C1、C2相同的作用，即又产生了两个不同的谐振点。当工作频率选在上述四个谐振点之间时，轴比带宽就能得到显著展宽。此外，为了进一步展宽带宽，在辐射贴片P2上蚀刻了一对T形缝隙，并且将天线单元组成了2×2阵列。然后，还在寄生贴片P1和辐射贴片P2上各蚀刻了一个开口谐振环，当这两个谐振环谐振时，能量不能有效辐射从而产生了两个辐射零点，实现了滤波功能，通过调整开口谐振环的尺寸，可以调节辐射零点的位置，并且增强带外抑制。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
本发明提出的一种顺序旋转馈电的宽带圆极化滤波阵列天线，采用带线-探针混合馈点与宽带馈电网络结合，极大的展宽了阻抗带宽。
本发明提出的一种顺序旋转馈电的宽带圆极化滤波阵列天线，采用T形缝隙使得阻抗带宽进一步扩展，并且对圆极化特性也有一定的优化。
本发明提出的一种顺序旋转馈电的宽带圆极化滤波阵列天线，采用堆叠式寄生贴片，不仅可以展宽阻抗带宽，还能增加轴比带宽。
本发明提出的一种顺序旋转馈电的宽带圆极化滤波阵列天线，将滤波性能直接通过天线本身实现，避免了引入滤波器而造成的体积增大和插入损耗，降低了结构复杂度。
附图说明
图1是本发明一种顺序旋转馈电的宽带圆极化滤波阵列天线的立体结构示意图；
图2是本发明一种顺序旋转馈电的宽带圆极化滤波阵列天线的侧视图；
图3是本发明第一层介质基板和四个寄生贴片的示意图；
图4是本发明第二层介质基板和四个辐射贴片的示意图；
图5是本发明第三层介质基板和四个长方形金属贴片的示意图；
图6是本发明第四层介质基板和其下表面的馈电网络的示意图；
图7是本发明一种顺序旋转馈电的宽带圆极化滤波阵列天线S参数和轴比带宽曲线的仿真图；
图8是本发明一种顺序旋转馈电的宽带圆极化滤波阵列天线增益曲线仿真图；
图9是本发明一种顺序旋转馈电的宽带圆极化滤波阵列天线的辐射方向图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明进行进一步分析。
结合图1和图2，一种顺序旋转馈电的宽带圆极化滤波阵列天线，包括从上至下依次设置的不同厚度介质基板S1、S2、S3、S4、馈电结构；介质基板S1与介质基板S2之间设有一层高度h3空气层,二层介质基板S2、第三层介质基板S3和第四层介质基板S4接触设置。介质基板S3与介质基板S4之间设有同等尺寸大小的金属层M1作为接地面。
介质基板S1采用厚度h2的Rogers5880介质基板，介质基板S2采用厚度h1的Rogers5880介质基板，介质基板S3采用厚度h1的Rogers5880介质基板，介质基板S4采用厚度h4的Rogers5880介质基板。
如图3介质基板S1上表面设有四个关于中心旋转对称边长L2的方形切角寄生贴片P1(图中标记P11、P12、P13、P14)；
如图4介质基板S2上表面设有四个关于中心旋转对称边长L1的方形切角辐射贴片P2(图中标记P21、P22、P23、P24)；
如图5介质基板S3上表面设有四个关于中心旋转对称长Ls和宽Ws的长方形金属贴片P3(图中标记P31、P32、P33、P34)；
由图1、图2、图5和图6所示，馈电结构由四个长方形金属贴片P3、四个半径r1、高度(h1+h4)的金属柱T1、四个半径r1、高度h1的金属柱T2和由Wilkinson功分器、宽带90°移相网络和180°移相网络组成的馈电网络F组成。长方形金属贴片P3位于介质基板S2和介质基板S3之间，金属柱T1、T2分立于长方形金属贴片的两边；金属柱T1一头贯穿第三层介质基板S3、接地面M1和第四层介质基板S4与馈电网络F的输出端口相连，接地面M1开有四个半径为1.38mm的圆孔，金属柱T1贯穿圆孔与接地面M1不接触，另一头与长方形金属贴片P3相连；金属柱T2一头与长方形金属贴片P3相连，另一头贯穿第二层介质基板S2与方形切角辐射贴片P2相连。
由图6所示，馈电网络设在第四层介质基板S4的下表面，由三级组成第一级是从Port1端口输入的Wilkinson功分器，该功分器的输出两端之间连接一个100Ω的电阻；第二级是宽带90°相移网络，一路经过特性阻抗为50Ω的微带线到达C点，另一路经过特性阻抗为30Ω的微带线到达B点，并且在30Ω微带线的中心连接特性阻抗为45Ω的开路微带线，到达B点和C点的电流具有宽带90°相位差；第三级是从B点到达PA和PC端口以及C点到达PB和PD端口的功分180°相移网络，PA、PB、PC和PD这四个输出端口具有幅度相等，相对相位差依次为0°、90°、180°、270°的特点。
由图3所示，方形切角寄生贴片P1开有一对边长C2的切角c3、c4，关于贴片中心线对称蚀刻一个开口环形槽构成开口谐振环，槽宽W5，总长度为27.3mm，槽长边与馈电点(即P1中心)的距离d2。
由图4所示，方形切角辐射贴片P2开有一对边长C1的切角c1、c2，关于贴片中心线对称蚀刻一对T形缝隙和一个开口谐振环，T形缝隙轴对称设置且位于开口谐振环开口处，T形缝隙的槽宽W3和W4为1mm，竖边长L3为3.9mm，横边长L4为5mm，两个T形槽间距2*d0为10mm，与馈电点的距离d1是3mm；开口谐振环，槽宽W6为0.2mm，总长度为40mm，槽长边与馈电点的距离d3为1.3mm。
四层介质基板S1、S2、S3、S4与接地面M1的中心位于同一条垂直线上，寄生贴片P1和辐射贴片P2一一对应，中心均位于同一条垂线上。
介质基板的相对介电常数为2.2，λ为85.7mm。
阵元间距d5为70mm。
表1各参数尺寸(单位为mm)
Figure BDA0002658182650000061
Figure BDA0002658182650000071
结合图7，一种顺序旋转馈电的宽带圆极化滤波阵列天线反射系数低于-10dB的工作频带为2.76～4.27GHz，相对带宽为43.14％；轴比低于3dB的频段为2.74～4.16GHz，轴比带宽达到41.71％，轴比带宽与阻抗带宽基本吻合。
结合图8，一种顺序旋转馈电的宽带圆极化滤波阵列天线工作频带内的最大增益为3.69GHz处的14.64dBi，实现了右旋圆极化，通带内增益稳定，增益曲线在频带边缘下降较快，并且带外抑制明显，实现了较好的增益选择特性。
结合图9可见，本设计无论在E面还是H面都能得到对称的辐射方向图，且具有定向性良好等优良辐射特性。
上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种顺序旋转馈电的宽带圆极化滤波阵列天线，其特征在于包括从上至下依次设置的介质基板S1、S2、S3、S4、馈电结构；介质基板S1与介质基板S2之间设有一层空气层；介质基板S3与介质基板S4之间设有金属层M1作为接地面；
所述的介质基板S1的上表面设有四个呈中心对称的寄生贴片P1，每个寄生贴片P1为切角贴片，寄生贴片P1开有开口谐振环a；
所述的介质基板S2的上表面设有四个呈中心对称的辐射贴片P2，每个辐射贴片P2为切角贴片，辐射贴片P2开有两条T型缝隙、开口谐振环b；两条T型缝隙轴对称设置，且两者间留有一定的空隙；两条T型缝隙位于开口谐振环b开口侧；
所述的辐射贴片P2的馈电点位于开口谐振环b环内，寄生贴片P1的中心位于开口谐振环a环外；
所述的介质基板S3的上表面设有四个呈中心对称的金属贴片P3；
所述介质基板S4的下表面印刷有宽带馈电网络F；
所述的馈电结构包括作为探针的2组金属柱T1、T2，金属贴片P3和宽带馈电网络F；四个金属柱T1贯穿介质基板S3、介质基板S4和接地面M1，一端分别与四个金属贴片P3对应连接，另一端则分别与宽带馈电网络F的四个输出端口对应连接，且四个金属柱T1与接地面M1不接触；金属柱T2贯穿介质基板S2，一端分别与四个金属贴片P3对应连接，另一端分别与四个辐射贴片P2对应连接。
2.根据权利要求1所述的一种顺序旋转馈电的宽带圆极化滤波阵列天线，其特征在于由介质基板S1、S2、S3、S4、馈电结构以及寄生贴片P1、辐射贴片P2、金属贴片P3、金属柱T1、金属柱T2组成四组阵元，四组阵元依次旋转90°组成2*2阵列，馈电网络的四个输出端口的相位也是依次相差90°。
3.根据权利要求2所述的一种顺序旋转馈电的宽带圆极化滤波阵列天线，其特征在于每组阵元上辐射贴片P2开口谐振环b的开口与寄生贴片P1开口谐振环a的开口朝向相同。
4.根据权利要求1所述的一种顺序旋转馈电的宽带圆极化滤波阵列天线，其特征在于介质基板S1与介质基板S2之间空气层高度小于介质基板S2波长的八分之一。
5.根据权利要求1所述的一种顺序旋转馈电的宽带圆极化滤波阵列天线，其特征在于寄生贴片P1切角和辐射贴片P2切角均为镜像对称的两个切角，且切角位置一样，用以激励出更多的圆极化特性。
6.根据权利要求1所述的一种顺序旋转馈电的宽带圆极化滤波阵列天线，其特征在于改变寄生贴片P1和辐射贴片P2的尺寸可对S参数、轴比和天线增益进行调节。
7.根据权利要求1所述的一种顺序旋转馈电的宽带圆极化滤波阵列天线，其特征在于T型缝隙与辐射贴片P2与T型缝隙平行的中心线具有一定的距离d1，用以避免T型缝隙与开口谐振环b引起耦合效应，以增大阻抗带宽。
8.根据权利要求1所述的一种顺序旋转馈电的宽带圆极化滤波阵列天线，其特征在于宽带馈电网络F由三级组成，第一级是从输入端口Port1输入的Wilkinson功分器；第二级是宽带90°相移网络，一路经过特性阻抗为50Ω的微带线到达C点，另一路经过特性阻抗为30Ω的微带线到达B点；第三级是从B点到输出端口PA和PC以及C点到输出端口PB和PD的180°功分相移网络；四个输出端口PA、PB、PC、PD输出的信号幅度相等，相对相位差依次为0°、90°、180°、270°。
9.根据权利要求1所述的一种顺序旋转馈电的宽带圆极化滤波阵列天线，其特征在于寄生贴片P1上的开口谐振环a和辐射贴片P2上的开口谐振环b产生滤波特性，通过调节开口谐振环a的长宽、寄生贴片P1中心点与开口谐振环a非开口所在长边的距离(d2)可改变高频段增益零点的频率和带外抑制程度，通过调节开口谐振环b的长宽、辐射贴片P2馈电点与开口谐振环b非开口所在长边的距离(d3)可改变低频段增益零点的频率和带外抑制程度。
10.根据权利要求1所述的一种顺序旋转馈电的宽带圆极化滤波阵列天线，其特征在于介质基板S1、S2、S4的厚度不同，介质基板S2、S3厚度相同；介质基板S1、S2、S2、S4的介电常数相同。
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