CN112134012A - 一种圆极化天线及圆极化阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种圆极化天线及圆极化阵列天线，圆极化天线包括：反射地板、双面敷铜板、引向器和连接杆，所述连接杆连接反射地板、双面敷铜板和引向器，双面敷铜板的上敷铜面一长和一短相互正交的缝隙实现圆极化，下敷铜面为一圆环和两段长方形，下敷铜面与上敷铜面缝隙耦合成馈电电路，能够有效提升天线增益，从而提高圆极化天线的抗多径干扰能力。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种圆极化天线及圆极化阵列天线。
背景技术
现有低成本单馈圆极化天线3dB轴比带宽小且增益低，从而导致天线的抗干扰能力差。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种圆极化天线及圆极化阵列天线，通过提高3dB轴比带宽和增益，提高抗多径干扰能力。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种圆极化天线，所述圆极化天线包括：反射地板A3、双面敷铜板A2、引向器A1和连接杆A7；
所述反射地板A3的中心设有第一过孔A4，所述双面敷铜板A2的中心设有第二过孔A5，所述引向器A1的中心设有第三过孔A6，所述连接杆A7依次穿过所述第一过孔A4、所述第二过孔A5和所述第三过孔A6，所述引向器A1所在平面与所述双面敷铜板A2所在平面具有第一设定距离且相互平行，所述双面敷铜板A2所在平面与所述反射地板A3所在平面具有第二设定距离且相互平行；
所述双面敷铜板A2的上敷铜面A21上设有第一缝隙和第二缝隙，所述第一缝隙和所述第二缝隙相互正交于所述双面敷铜板A2的中心，所述第一缝隙的长度大于所述第二缝隙的长度；所述双面敷铜板A2的下敷铜面A22为跨过所述第二过孔A5的条形，所述条形长度方向所在直线与所述第一缝隙长度方向所在直线之间的夹角为45度。
可选地，所述连接杆A7为金属螺钉，所述金属螺钉依次穿过所述第一过孔A4、第一螺母A8、所述第二过孔A5、第二螺母A9、所述第三过孔A6和第三螺母A10，所述反射地板A3与所述双面敷铜板A2之间通过所述第一螺母A8紧固，所述双面敷铜板A2与所述引向器A1之间通过所述第二螺母A9紧固，所述金属螺钉穿过所述引向器A1之后通过第三螺母A10紧固。
可选地，所述第一螺母A8和所述第二螺母A9为尼龙螺母，所述第三螺母A10为金属螺母。
可选地，所述第一设定距离为0.046λ，所述第二设定距离为0.038λ，λ表示所述圆极化天线的中心频率波长。
可选地，所述双面敷铜板A2为玻璃纤维环氧树脂双面敷铜板A2。
可选地，所述引向器A1为圆形金属引向器。
可选地，所述反射地板A3为金属反射地板。
本发明还公开了一种圆极化阵列天线，所述圆极化阵列天线包括连接线和多个上述任意所述圆极化天线；
各所述圆极化天线的所述反射地板A3共面，各所述圆极化天线的所述双面敷铜板A2共面；各所述圆极化天线的下敷铜面A22通过所述连接线连接为T型馈电网络。
可选地，所述圆极化天线的数量为4，所述连接线包括第一长方形连接线1、第二长方形连接线2、第三长方形连接线3、第四长方形连接线4、第五长方形连接线5、第六长方形连接线6、第七长方形连接线7和第八长方形连接线8；
所述圆极化天线中所述条形的两端分别记为第一连接端和第二连接端，4个所述圆极化天线分别记为第一圆极化天线、第二圆极化天线、第三圆极化天线和第四圆极化天线；
所述第一圆极化天线的第一连接端与所述第四长方形连接线4的一端连接，所述第四长方形连接线4的另一端与所述第三长方形连接线3的一端连接，所述第三长方形连接线3的另一端与所述第二长方形连接线2的一端连接，所述第二长方形连接线2的另一端与第一长方形连接线1的一端连接，所述第一长方形连接线1的另一端与所述第六长方形连接线6的一端连接，所述第六长方形连接线6的另一端与所述第五长方形连接线5的一端，所述第五长方形连接线5的另一端与所述第二圆极化天线的第一连接端连接；
所述第四长方形连接线4与所述第一圆极化天线的第二长方形长度方向所在直线之间的夹角为90度，所述第四长方形连接线4与所述第三长方形连接线3之间的夹角为90度，所述第三长方形连接线3与所述第二长方形连接线2之间的夹角为90度，所述第二长方形连接线2与所述第一长方形连接线1之间的夹角为90度，所述第一长方形连接线1与所述第六长方形连接线6之间的夹角为90度，所述第六长方形连接线6与所述第五长方形连接线5之间的夹角为90度，所述第五长方形连接线5与所述第二圆极化天线的第二长方形长度方向所在直线相互平行；
所述第一圆极化天线、所述第二圆极化天线和连接线构成第一连接结构；所述第三圆极化天线、所述第四圆极化天线和连接线构成第二连接结构；所述第一连接结构与所述第二连接结构镜像对称，所述第一连接结构中第一长方形连接线1与所述第二连接结构中第一长方形连接线1相互平行并通过所述第七长方形连接线7连接，所述第七长方形连接线7与所述第一长方形连接线1垂直，所述第七长方形连接线7的中点与所述第八长方形连接线的一端连接，所述第八长方形连接线8与所述第七长方形连接线7垂直。
可选地，所述连接线材料为铜。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开了一种圆极化天线及圆极化阵列天线，圆极化天线包括：反射地板、双面敷铜板、引向器和连接杆，所述连接杆连接反射地板、双面敷铜板和引向器，双面敷铜板的上敷铜面一长和一短相互正交的缝隙实现圆极化，下敷铜面为一圆环和两段长方形，下敷铜面与上敷铜面缝隙耦合成馈电电路，能够有效提升天线增益，从而提高圆极化天线的抗多径干扰能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种圆极化天线结构爆炸图；
图2为本发明实施例双面敷铜板的上敷铜面示意图；
图3为本发明实施例双面敷铜板的下敷铜面示意图；
图4为本发明实施例一种圆极化天线侧视图；
图5为本发明实施例一种圆极化阵列天线侧视图；
图6为本发明实施例一种圆极化阵列天线俯视图；
图7为本发明实施例一种圆极化阵列天线馈电网络；
图8为本发明实施例一种圆极化天线驻波曲线图；
图9为本发明实施例一种圆极化天线增益图；
图10为本发明实施例一种圆极化天线3dB轴比曲线图；
图11为本发明实施例一种圆极化阵列天线增益曲线图；
图12为本发明实施例一种圆极化阵列天线3dB轴比曲线图；
图13为本发明实施例圆极化波形成示意图。
具体实施方式
下面将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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种圆极化天线及圆极化阵列天线，通过提高3dB轴比带宽和增益，提高抗多径干扰能力。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明公开了一种圆极化天线，如图1-4所示，一种圆极化天线，所述圆极化天线包括：反射地板A3、双面敷铜板A2、引向器A1和连接杆A7。
所述反射地板A3的中心设有第一过孔A4，所述双面敷铜板A2的中心设有第二过孔A5，所述引向器A1的中心设有第三过孔A6，所述连接杆A7依次穿过所述第一过孔A4、所述第二过孔A5和所述第三过孔A6，所述引向器A1所在平面与所述双面敷铜板A2所在平面具有第一设定距离且相互平行，所述双面敷铜板A2所在平面与所述反射地板A3所在平面具有第二设定距离且相互平行。
所述双面敷铜板A2的上敷铜面A21为矩形，所述上敷铜面A21上设有第一缝隙和第二缝隙，所述第一缝隙和所述第二缝隙相互正交于所述双面敷铜板A2的中心，所述第一缝隙的长度大于所述第二缝隙的长度；所述双面敷铜板A2的下敷铜面A22为跨过所述第二过孔A5的条形，所述条形具体为一个圆环和分别与所述圆环连接的第一长方形和第二长方形，所述第一长方形长度方向上的两个侧边的延长线分别与所述第二长方形长度方向上的两个侧边的延长线重合；所述第一长方形的宽度小于所述圆环的外径，所述第一长方形长度方向所在直线与所述第一缝隙长度方向所在直线之间的夹角为45度。
本发明一种圆极化天线的技术原理如下：
两个相位差90°，等幅且正交的线极化，合成圆极化的条件：
1)在直角坐标系中，两个波的电场矢量在空间必须相互垂直，E1＝ExX、E2＝EyY；
2)两个波的电场矢量随时间变化的相位相差90°，E1＝Exsin(wr)，
E2＝Eysin(wr±90°)＝±Eycos(wr)，取正号则E1＝Exsin(wr)，E2＝Eycos(wr)；
3)两个波电场矢量其幅度必须相等，Ex＝Ey＝E。
在直角坐标系中：E1(t)＝Esin(wr)，E2(t)＝Ecos(wr)，此即为圆的参数方程。
合成波的合成电场矢量EΣ的幅度值，
合成电场矢量EΣ是以θ＝wt随时间t以w角速率旋转的，其模EΣ的大小不变，即圆极化波的形成，如图13所示。
所述连接杆A7为金属螺钉，所述金属螺钉依次穿过所述第一过孔A4、第一螺母A8、所述第二过孔A5、第二螺母A9、所述第三过孔A6和第三螺母A10，所述反射地板A3与所述双面敷铜板A2之间通过所述第一螺母A8紧固，所述双面敷铜板A2与所述引向器A1之间通过所述第二螺母A9紧固，所述金属螺钉穿过所述引向器A1之后通过第三螺母A10紧固。
本发明一种圆极化天线通过螺钉和螺母紧固反射地板A3、双面敷铜板A2和引向器A1，使圆极化天线结构简单、免焊接、易装配。
所述第一螺母A8和所述第二螺母A9为尼龙螺母，所述第三螺母A10为金属螺母。
所述双面敷铜板A2为玻璃纤维环氧树脂(FR4)双面敷铜板A2。
FR4双面敷铜板A2分三层：上层为上敷铜面A21；中层为介质层A23；下层为下敷铜面A22。
FR4双面敷铜板A2的详细结构为：
上敷铜面A21几何中心有一圆孔。
上敷铜面A21有一长和一短相互正交的缝隙，即第一缝隙和第二缝隙，实现天线圆极化及其左、右旋向，如图2所示。调整这两个相互正交的第一缝隙和第二缝隙的长度，使其激发等幅的电场矢量Ex＝Ey＝E，在时间t上变化的相位相差90°。第一缝隙和第二缝隙一长一短两个缝隙激发等幅的电场矢量Ex和Ey，合成电场矢量EΣ，合成电场矢量的模EΣ大小不变，随时间t以w角速率旋转形成圆极化。
介质层A23几何中心有一通孔。
下敷铜面A22为一圆环和两段长方形，即第一长方形和第二长方形，如图3所示，下敷铜面A22组合上敷铜面缝隙形成耦合馈电电路。
所述引向器A1为圆形金属引向器。本实施例中引向器A1为圆形铝片
所述反射地板A3为金属反射地板。反射地板A3的几何中心为第一过孔A4，本实施例中反射地板A3为铝板。
引向器A1距FR4双面敷铜板A2上敷铜面A21的距离为0.046λ中心频率波长，通过缝隙耦合馈电激发电场谐振、产生圆极化磁场辐射波。
反射地板A3距下敷铜面A22的距离为0.038λ中心频率波长。
反射地板A3抵挡后向的电磁辐射波，有效提升天线增益。
反射地板A3与FR4双面敷铜板A2的上敷铜面A21间，对下敷铜面A22馈电电路，形成空气腔回路。
λ表示所述圆极化天线的中心频率波长。
图8为圆极化天线驻波曲线。图9为单个圆极化天线的增益曲线，图10为单个圆极化天线的3dB轴比曲线。
本实施例中，反射地板A3为厚度1.2mm，长和宽均53mm的正方形铝板，反射地板A3的几何中心有一直径为2.2mm的通孔，即第一过孔A4。
FR4双面敷铜板A2厚度为1mm，介电常数4.4，长和宽均为53mm。上敷铜面A21上第一缝隙几何尺寸为：18*1mm，第二缝隙几何尺寸为：8*1mm，
第一缝隙和第二缝隙相互正交于FR4双面敷铜板A2几何中心的圆孔的直径为：3.2mm。
第一缝隙和第二缝隙相对于馈电电路呈±45°斜角相互正交；
通过调整第一缝隙和第二缝隙相互正交的缝隙长度可实现圆极化3dB轴比。FR4双面敷铜板A2的几何中心有一直径为2.2mm通孔，即第二过孔A5。
FR4双面敷铜板A2下敷铜面A22中第一长方形尺寸为2.4*5mm，第二长方形尺寸为2.4*12mm，圆环内径3.2mm，外径6mm。
引向器A1是一厚度为1mm，直径为23.8mm的圆铝片，其几何中心有一直径为2.2mm的通孔，即第三过孔A6。
反射地板A3与FR4双面敷铜板A2之间螺母为M2的尼龙螺母；R4双面敷铜板A2与引向器A1之间螺母为M2的尼龙螺母。
本发明一种圆极化天线，采用微带缝隙耦合馈电加引向器谐振实现圆极化天线，是一种结构简单、免焊接、易装配、增益高和3dB轴比带宽宽的低成本天线，具有很大的市场价值。本发明3dB轴比带宽可达3.8％，有效提升抗多径干扰能力、降低时延，可广泛应用于RFID(RadioFrequencyIdentification System射频识别)系统、ETC(ElectronicTollCollection电子不停车收费)系统和RSU(RoadSideUnit路测单元)等。
图5和图6为一种圆极化阵列天线结构示意图，如图5-6所示，本发明还公开了一种圆极化阵列天线，所述圆极化阵列天线包括连接线和上述任意所述圆极化天线。
4个所述圆极化天线的所述反射地板A3连接为一个平面，4个所述圆极化天线的所述双面敷铜板A2连接为一个平面；4个所述圆极化天线的下敷铜面A22通过所述连接线连接为T型馈电网络。通过T型馈电网络给阵列内各圆极化天线耦合馈电。
所述连接线包括第一长方形连接线1、第二长方形连接线2、第三长方形连接线3、第四长方形连接线4、第五长方形连接线5、第六长方形连接线6、第七长方形连接线7和第八长方形连接线8。
本实施例中第一长方形连接线1的尺寸为：0.8×40mm；第二长方形连接线2的尺寸为：1×13.2mm；第三长方形连接线3的尺寸为：1.2×5mm；第四长方形连接线4的尺寸为：1.2×2.8mm；第五长方形连接线5的尺寸为：1.2×5mm；第六长方形连接线6的尺寸为：1.2×8.6mm；第七长方形连接线7的尺寸为：1.2×22mm；第八长方形连接线8的尺寸为：1.6×39mm。
所述圆极化天线中第二长方形与所述圆环连接的一端相对的另一端记为第一连接端，4个所述圆极化天线分别记为第一圆极化天线、第二圆极化天线、第三圆极化天线和第四圆极化天线。
所述第一圆极化天线的第一连接端与所述第四长方形连接线4的一端连接，所述第四长方形连接线4的另一端与所述第三长方形连接线3的一端连接，所述第三长方形连接线3的另一端与所述第二长方形连接线2的一端连接，所述第二长方形连接线2的另一端与第一长方形连接线1的一端连接，所述第一长方形连接线1的另一端与所述第六长方形连接线6的一端连接，所述第六长方形连接线6的另一端与所述第五长方形连接线5的一端，所述第五长方形连接线5的另一端与所述第二圆极化天线的第一连接端连接。
所述第四长方形连接线4与所述第一圆极化天线的第二长方形长度方向所在直线之间的夹角为90度，所述第四长方形连接线4与所述第三长方形连接线3之间的夹角为90度，所述第三长方形连接线3与所述第二长方形连接线2之间的夹角为90度，所述第二长方形连接线2与所述第一长方形连接线1之间的夹角为90度，所述第一长方形连接线1与所述第六长方形连接线6之间的夹角为90度，所述第六长方形连接线6与所述第五长方形连接线5之间的夹角为90度，所述第五长方形连接线5与所述第二圆极化天线的第二长方形长度方向所在直线相互平行。
所述第一圆极化天线、所述第二圆极化天线和连接线构成第一连接结构，如图7中虚线框Ⅰ所示；所述第三圆极化天线、所述第四圆极化天线和连接线构成第二连接结构，如图7中虚线框Ⅱ所示；所述第一连接结构与所述第二连接结构镜像对称，所述第一连接结构中第一长方形连接线1与所述第二连接结构中第一长方形连接线1相互平行并通过所述第七长方形连接线7连接，所述第七长方形连接线7与所述第一长方形连接线1垂直，所述第七长方形连接线7的中点与所述第八长方形连接线的一端连接，所述第八长方形连接线8于所述第七长方形连接线7垂直。
所述连接线材料为铜。
本发明一种圆极化阵列天线中各圆极化天线中心之间的距离为0.81λ。
图11为圆极化阵列天线的增益曲线，图12为圆极化阵列天线的3dB轴比曲线。
本发明一种圆极化阵列天线增益达13.1dBi。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种圆极化天线，其特征在于，所述圆极化天线包括：反射地板(A3)、双面敷铜板(A2)、引向器(A1)和连接杆(A7)；
所述反射地板(A3)的中心设有第一过孔(A4)，所述双面敷铜板(A2)的中心设有第二过孔(A5)，所述引向器(A1)的中心设有第三过孔(A6)，所述连接杆(A7)依次穿过所述第一过孔(A4)、所述第二过孔(A5)和所述第三过孔(A6)，所述引向器(A1)所在平面与所述双面敷铜板(A2)所在平面具有第一设定距离且相互平行，所述双面敷铜板(A2)所在平面与所述反射地板(A3)所在平面具有第二设定距离且相互平行；
所述双面敷铜板(A2)的上敷铜面(A21)上设有第一缝隙和第二缝隙，所述第一缝隙和所述第二缝隙相互正交于所述双面敷铜板(A2)的中心，所述第一缝隙的长度大于所述第二缝隙的长度；所述双面敷铜板(A2)的下敷铜面(A22)为跨过所述第二过孔(A5)的条形，所述条形长度方向所在直线与所述第一缝隙长度方向所在直线之间的夹角为45度。
2.根据权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述连接杆(A7)为金属螺钉，所述金属螺钉依次穿过所述第一过孔(A4)、第一螺母(A8)、所述第二过孔(A5)、第二螺母(A9)、所述第三过孔(A6)和第三螺母(A10)，所述反射地板(A3)与所述双面敷铜板(A2)之间通过所述第一螺母(A8)紧固，所述双面敷铜板(A2)与所述引向器(A1)之间通过所述第二螺母(A9)紧固，所述金属螺钉穿过所述引向器(A1)之后通过第三螺母(A10)紧固。
3.根据权利要求2所述的圆极化天线，其特征在于，所述第一螺母(A8)和所述第二螺母(A9)为尼龙螺母，所述第三螺母(A10)为金属螺母。
4.根据权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述第一设定距离为0.046λ，所述第二设定距离为0.038λ，λ表示所述圆极化天线的中心频率波长。
5.根据权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述双面敷铜板(A2)为玻璃纤维环氧树脂双面敷铜板(A2)。
6.根据权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述引向器(A1)为圆形金属引向器。
7.根据权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述反射地板(A3)为金属反射地板。
8.一种圆极化阵列天线，其特征在于，所述圆极化阵列天线包括连接线和多个权利要求1-7任意所述圆极化天线；
各所述圆极化天线的所述反射地板(A3)共面，各所述圆极化天线的所述双面敷铜板(A2)共面；各所述圆极化天线的下敷铜面(A22)通过所述连接线连接为T型馈电网络。
9.根据权利要求8所述的圆极化阵列天线，其特征在于，所述圆极化天线的数量为4，所述连接线包括第一长方形连接线(1)、第二长方形连接线(2)、第三长方形连接线(3)、第四长方形连接线(4)、第五长方形连接线(5)、第六长方形连接线(6)、第七长方形连接线(7)和第八长方形连接线(8)；
所述圆极化天线中所述条形的两端分别记为第一连接端和第二连接端，4个所述圆极化天线分别记为第一圆极化天线、第二圆极化天线、第三圆极化天线和第四圆极化天线；
所述第一圆极化天线的第一连接端与所述第四长方形连接线(4)的一端连接，所述第四长方形连接线(4)的另一端与所述第三长方形连接线(3)的一端连接，所述第三长方形连接线(3)的另一端与所述第二长方形连接线(2)的一端连接，所述第二长方形连接线(2)的另一端与第一长方形连接线(1)的一端连接，所述第一长方形连接线(1)的另一端与所述第六长方形连接线(6)的一端连接，所述第六长方形连接线(6)的另一端与所述第五长方形连接线(5)的一端，所述第五长方形连接线(5)的另一端与所述第二圆极化天线的第一连接端连接；
所述第四长方形连接线(4)与所述第一圆极化天线的第二长方形长度方向所在直线之间的夹角为90度，所述第四长方形连接线(4)与所述第三长方形连接线(3)之间的夹角为90度，所述第三长方形连接线(3)与所述第二长方形连接线(2)之间的夹角为90度，所述第二长方形连接线(2)与所述第一长方形连接线(1)之间的夹角为90度，所述第一长方形连接线(1)与所述第六长方形连接线(6)之间的夹角为90度，所述第六长方形连接线(6)与所述第五长方形连接线(5)之间的夹角为90度，所述第五长方形连接线(5)与所述第二圆极化天线的第二长方形长度方向所在直线相互平行；
所述第一圆极化天线、所述第二圆极化天线和连接线构成第一连接结构；所述第三圆极化天线、所述第四圆极化天线和连接线构成第二连接结构；所述第一连接结构与所述第二连接结构镜像对称，所述第一连接结构中第一长方形连接线(1)与所述第二连接结构中第一长方形连接线(1)相互平行并通过所述第七长方形连接线(7)连接，所述第七长方形连接线(7)与所述第一长方形连接线(1)垂直，所述第七长方形连接线(7)的中点与所述第八长方形连接线的一端连接，所述第八长方形连接线(8)于所述第七长方形连接线(7)垂直。
10.根据权利要求8所述的圆极化阵列天线，其特征在于，所述连接线材料为铜。
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