CN112821056A - 一种具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线 - Google Patents

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CN112821056A CN202110157025.2A CN202110157025A CN112821056A CN 112821056 A CN112821056 A CN 112821056A CN 202110157025 A CN202110157025 A CN 202110157025A CN 112821056 A CN112821056 A CN 112821056A
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Abstract

本发明提供一种具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线，包括依次层叠设置的主贴片、第一介质层和金属地板，还包括用于向主贴片馈电的馈电探针；主贴片为矩形贴片，且设置有第一镂空槽和第二镂空槽；主贴片的长边长度大于短边的长度；第一镂空槽的一端延伸至主贴片的一长边边沿，第二镂空槽的一端延伸至主贴片的另一长边边沿；馈电探针与主贴片之间的连接点位于第一镂空槽与第二镂空槽之间；连接点与主贴片的中心重合。充分利用主贴片的主模和高阶模，并巧妙地引入缝隙加载来改变他们的电流分布，使得它们不仅具有正交的极化方式，其最大辐射方向一致，极化特性保持稳定，进而使得天线具有双波束、剖面低、结构简单的效果。

Description

一种具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线
技术领域
本发明涉及微波通信技术领域，尤其是指一种具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线。
背景技术
圆极化天线目前广泛地应用于卫星通信、导航定位、射频身份识别(RFID)等系统，相对于线极化天线，主要有两大优势。一方面，圆极化天线可以减轻或者避免极化失配带来的增益损失，在卫星通信中不受大气层的法拉第旋转效应的影响，收发天线之间不需要对准，摆放灵活，通信质量稳定。另一方面，圆极化天线对多径反射的圆极化信号有天然抑制效果，在导航系统中可以提高定位精度。在实际的产品应用中，圆极化天线除了要满足特定的电气性能外，还要兼顾剖面、重量和成本等因素。微带贴片天线具有低剖面、重量轻、易于集成、易于加工等优点，是圆极化天线的最佳实现形式之一。
近几十年来，国内关于圆极化微带贴片天线的研究取得了极大的发展，提出了满足不同应用需求的各种类型的圆极化贴片天线。总的来说，根据天线辐射波束形状的不同，目前的圆极化微带贴片天线大致可以分为两类。第一类是具有边射波束方向图的圆极化微带贴片天线，其最大辐射方向沿法线方向。例如，文献“M.K.Ray,K.Mandal andN.Nasimuddin,"Low-Profile Circularly Polarized Patch Antenna With Wide 3dBBeamwidth,"in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,vol.18,no.12,pp.2473-2477,Dec.2019”提出一种方形圆极化贴片天线，通过激励起一对正交主模(TM01和TM10模)，获得宽边辐射的圆极化波束。这类圆极化贴片天线的方向图为单向辐射，一般应用于室外场景，如GPS终端和基站天线。第二类是具有锥状波束的圆极化微带贴片天线，其最大辐射方向为天线的某仰角方形，最大辐射方向的方向图近似为圆形，在吸顶安装时，可获得水平全向覆盖。例如，文献“Y.Shi and J.Liu,"ACircularly Polarized Octagon-Star-Shaped Microstrip Patch Antenna With Conical Radiation Pattern,"in IEEETransactions on Antennas and Propagation,vol.66,no.4,pp.2073-2078,April 2018”中提出一种八角星状的圆极化贴片天线，通过利用方形贴片天线一对正交的TM11模，产生了最大辐射方向在45度仰角的锥状圆极化波束。这种天线一般适用于室内分布系统，用于改善楼宇、商场、体育馆等场景的信号覆盖。
此外，对于一些特定的场合，如隧道、廊道等，由于其结构为窄长状，则需要具有双波束方向图的天线。方便安装、具有低剖面特性的双波束圆极化贴片天线是最佳的选择。目前，关于双波束贴片天线的研究主要集中在线极化。例如，文献“J.Li,Z.N.Chen,D.Wu,G.Zhang and Y.Wu,"Dual-Beam Filtering Patch Antennas for WirelessCommunication Application,"in IEEE Transactions on Antennas and Propagation,vol.66,no.7,pp.3730-3734,July 2018”中提出一种具有滤波特性双波束贴片天线，其极化方式为线极化。
从原理上来讲，双波束圆极化贴片天线单元的设计是困难的。常规的宽边辐射圆极化贴片天线基于正交简并模(如方形贴片的TM01、TM10模)，每个辐射模旋转90°后，最大辐射方向不变且重合。而双波束的辐射模在旋转90°前后，最大辐射方向不再重合，在最大辐射方向上无法满足圆极化所需要的幅度条件。因此，基于传统的设计方法，是很难实现双波束圆极化的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：设计一种具有双波束、馈电结构简单、加工工艺简单、成本低的圆极化贴片天线。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线，包括依次层叠设置的主贴片、第一介质层和金属地板，还包括用于向所述主贴片馈电的馈电探针；所述主贴片为矩形贴片，且设置有第一镂空槽和第二镂空槽；所述主贴片的长边长度大于短边的长度；所述第一镂空槽的一端延伸至主贴片的一长边边沿，所述第二镂空槽的一端延伸至主贴片的另一长边边沿；所述馈电探针与所述主贴片之间的连接点位于所述第一镂空槽与所述第二镂空槽之间；所述连接点与所述主贴片的中心重合。
进一步地，所述第一镂空槽和所述第二镂空槽均为矩形槽，二者的长度方向均与所述短边平行；所述第一镂空槽、所述连接点和所述第二镂空槽到同一所述短边的距离分别为a、b、c，其中，a<b<c，或a>b>c。
进一步地，所述第一镂空槽与所述第二镂空槽关于所述连接点呈中心对称。
进一步地，所述长边长度为A，所述短边长度为B，其中，1.5<A/B<2.5。
进一步地，所述第一镂空槽和所述第二镂空槽的长度均为C，其中，0.25B≤C<B。
进一步地，还包括寄生贴片和第二介质层；所述第二介质层位于所述寄生贴片与所述主贴片之间。
进一步地，所述寄生贴片呈矩形状，其一边与所述短边相互平行。
进一步地，所述寄生贴片设置有两个，两所述寄生贴片的中心的投影均落在所述短边的中垂线上，且两投影分居所述连接点两侧。
进一步地，两所述寄生贴片关于所述长边的中垂线呈镜像对称。
进一步地，所述第一介质层由空气和/或介质板构成，所述第二介质层由空气和/或介质板构成。
本发明的有益效果在于：充分利用主贴片的主模和高阶模，并巧妙地引入缝隙加载来改变他们的电流分布，使得它们不仅具有正交的极化方式，其最大辐射方向一致，极化特性保持稳定，进而使得天线具有双波束、剖面低、结构简单等效果，也易于加工，加工成本低。
附图说明
下面结合附图详述本发明的具体结构
图1为本发明的一种具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线的实施例1的结构立体示意图(左旋圆极化贴片天线)；
图2为本发明的一种具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线的实施例1的结构俯视图(左旋圆极化贴片天线)；
图3为本发明的一种具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线的实施例3-4的结构立体示意图；
图4为本发明的一种具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线的实施例3的部分结构爆炸图(左旋圆极化贴片天线)；
图5为本发明的一种具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线的实施例3的结构主视图(左旋圆极化贴片天线)；
图6为本发明的一种具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线的实施例3的过馈电探针的结构剖视图(左旋圆极化贴片天线)；
图7为本发明的一种具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线的实施例3-4的结构俯视图；
图8为本发明的一种具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线的实施例1-4的结构仰视图；
图9为本发明的一种具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线的实施例1的仿真轴比曲线图(观察点为theta＝38°，phi＝90°)；
图10为本发明的一种具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线的实施例1的仿真左旋圆极化实际增益变化曲线图(观察点为theta＝38°，phi＝90°)；
图11为本发明的一种具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线的实施例1的3.42GHz频点处的仿真左旋圆极化辐射方向图；
图12为本发明的一种具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线的实施例3的仿真轴比曲线图(观察点为theta＝38°，phi＝90°)；
图13为本发明的一种具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线的实施例3的仿真左旋圆极化实际增益变化曲线图(观察点为theta＝38°，phi＝90°)；
图14为本发明的一种具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线的实施例3的3.28GHz频点处的仿真左旋圆极化辐射方向图；
图15为本发明的一种具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线的实施例3的3.52GHz频点处的仿真左旋圆极化辐射方向图；
图16为本发明的一种具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线的实施例2的结构立体示意图(右旋圆极化贴片天线)；
图17为本发明的一种具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线的实施例4的部分结构爆炸图(右旋圆极化贴片天线)；
图18为本发明的一种具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线的实施例2的仿真轴比曲线图(观察点为theta＝38°，phi＝90°)；
图19为本发明的一种具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线的实施例2的仿真右旋圆极化实际增益变化曲线图(观察点为theta＝38°，phi＝90°)；
图20为本发明的一种具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线的实施例2的0.920GHz频点处的仿真右旋圆极化辐射方向图；
图21为本发明的一种具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线的实施例4的仿真轴比曲线图(观察点为theta＝38°，phi＝90°)；
图22为本发明的一种具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线的实施例4的仿真右旋圆极化实际增益变化曲线图(观察点为theta＝38°，phi＝90°)；
图23为本发明的一种具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线的实施例4的0.88GHz频点处的仿真右旋圆极化辐射方向图；
图24为本发明的一种具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线的实施例4的0.92GHz频点处的仿真右旋圆极化辐射方向图；
其中，1-主贴片，11-第一楼空槽，12-第二镂空槽，13-长边，14-短边；2-第一介质层，3-金属地板，4-第二介质层，5-寄生贴片，6-馈电探针。
具体实施方式
根据本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果的具体实施方式并配合附图详予说明。
实施例1
请参阅图1、图2以及图8，一种具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线，包括依次层叠设置的主贴片1、第一介质层2和金属地板3，还包括用于向所述主贴片1馈电的馈电探针6；所述主贴片1为矩形贴片，且设置有第一镂空槽11和第二镂空槽12；所述主贴片1的长边13长度大于短边14的长度；所述第一镂空槽11的一端延伸至主贴片1的一长边13边沿，所述第二镂空槽12的一端延伸至主贴片1的另一长边13边沿；所述馈电探针6与所述主贴片1之间的连接点位于所述第一镂空槽11与所述第二镂空槽12之间；所述连接点与所述主贴片1的中心重合，使天线形成圆极化双波束方向图。
在上述结构基础上，所述第一镂空槽11和所述第二镂空槽12均为矩形槽，二者的长度方向均与所述短边14平行。所述第一镂空槽11、所述连接点和所述第二镂空槽12到同一所述短边14的距离分别为a、b、c，其中，a<b<c，或a>b>c。即所述第一镂空槽11、所述连接点和所述第二镂空槽12到同一所述短边14的距离均不相同，所述第一镂空槽11、所述连接点和所述第二镂空槽12三者均不在同一直线上。
在上述结构基础上，所述第一镂空槽11与所述第二镂空槽12关于所述连接点呈中心对称。
在上述结构基础上，所述长边13长度为A，所述短边14长度为B，其中，1.5<A/B<2.5。
在上述结构基础上，所述第一镂空槽11和所述第二镂空槽12的长度均为C，其中，0.25B≤C<B。
在上述结构基础上，所述第一介质层2由空气和/或介质板构成，所述第二介质层4由空气和/或介质板构成。金属地板3上设置有圆孔，馈电探针6依次穿过圆孔、第一介质层2后与所述主贴片1相接。
本实施例中，充分利用主贴片1的主模和高阶模，并巧妙地引入缝隙加载来改变主模和高阶模的电流分布(改变最大的是主模电流分布)，使得它们不仅具有正交的极化方式，其最大辐射方向一致，极化特性保持稳定，进而使得天线具有双波束、剖面低、结构简单等效果，也易于加工，加工成本低。
为了进一步说明本实施例的效果，采用如图1所示结构进行仿真测试，其中，第一镂空槽11和第二镂空槽12的长度均为0.271λ，宽度均为0.027λ；主贴片1的短边14的长度为0.446λ，长边13的长度为1.001λ(其中λ为介质波长)；第一镂空槽11的长度方向、第二镂空槽12的长度方向均与短边14相互平行。测试结果详见图9至图11。
图9展示的是本实施例天线的轴比仿真数据，观察点为theta＝38°及phi＝90°。从图9中可以看出，轴比曲线在3.42GHz出现了零点，本实施例天线的3dB轴比带宽较窄覆盖的频段从3.40GHz到3.44GHz，3dB轴比带宽为1.17％。该天线的轴比带宽并不限制于图9上所覆盖的频率，可以通过改变天线系统的尺寸或者介质基板的介电常数，使其能够覆盖在其他所需要的频段。
图10为本实施例天线的左旋圆极化真实增益随频率变化的曲线，从图10中可以看出，天线在工作频带内具有较好的增益。
图11为本实施例天线在谐振频率为3.42GHz的二维方向图，说明了本实施例天线的辐射方向图为双波束。
实施例2
本实施例2与实施例1相比，差异在于，第一镂空槽11、第二镂空槽12相对于连接点的摆放位置发生改变，使得天线的极化由左旋圆极化变为右旋圆极化，其结构立体示意图如图16所示。仿真测试结果详见图18至图20。
图18展示的是本实施例天线的轴比仿真数据，观察点为theta＝38°及phi＝90°。从图9中可以看出，轴比曲线在0.920GHz出现了零点，本实施例天线的3dB轴比带宽较窄覆盖的频段从0.916GHz到0.925GHz，3dB轴比带宽为0.98％。该天线的轴比带宽并不限制于图18上所覆盖的频率，可以通过改变天线系统的尺寸或者介质基板的介电常数，使其能够覆盖在其他所需要的频段。
图19为本实施例天线的右旋圆极化真实增益随频率变化的曲线，从图19中可以看出，天线在工作频带内具有较好的增益。
图20为本实施例天线在谐振频率为0.920GHz的二维方向图，说明了本实施例天线的辐射方向图为双波束。
实施例3
请参阅图3至图8，一种具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线，包括依次层叠设置的寄生贴片5、第二介质层4、主贴片1、第一介质层2和金属地板3，还包括用于向所述主贴片1馈电的馈电探针6；所述主贴片1为矩形贴片，且设置有第一镂空槽11和第二镂空槽12；所述主贴片1的长边13长度大于短边14的长度；所述第一镂空槽11的一端延伸至主贴片1的一长边13边沿，所述第二镂空槽12的一端延伸至主贴片1的另一长边13边沿；所述馈电探针6与所述主贴片1之间的连接点位于所述第一镂空槽11与所述第二镂空槽12之间；所述连接点与所述主贴片1的中心重合，使天线形成圆极化波束。主贴片1经过馈电探针6馈电后产生谐振，寄生贴片5通过主贴片1的耦合进行馈电并产生谐振。
在上述结构基础上，所述第一镂空槽11和所述第二镂空槽12均为矩形槽，二者的长度方向均与所述短边14平行。所述第一镂空槽11、所述连接点和所述第二镂空槽12到同一所述短边14的距离分别为a、b、c，其中，a<b<c，或a>b>c。即所述第一镂空槽11、所述连接点和所述第二镂空槽12到同一所述短边14的距离均不相同，所述第一镂空槽11、所述连接点和所述第二镂空槽12三者均不在同一直线上。
在上述结构基础上，所述第一镂空槽11与所述第二镂空槽12关于所述连接点呈中心对称。
在上述结构基础上，所述长边13长度为A，所述短边14长度为B，其中，1.5<A/B<2.5。
在上述结构基础上，所述第一镂空槽11和所述第二镂空槽12的长度均为C，其中，0.25B≤C<B。
在上述结构基础上，所述寄生贴片5呈矩形状，其一边与所述短边14相互平行。
在上述结构基础上，所述寄生贴片5设置有两个，两所述寄生贴片5的中心的投影均落在所述短边14的中垂线上，且两投影分居所述连接点两侧。
在上述结构基础上，两所述寄生贴片5关于所述长边13的中垂线呈镜像对称。
在上述结构基础上，所述第一介质层2由空气和/或介质板构成，所述第二介质层4由空气和/或介质板构成。金属地板3上设置有圆孔，馈电探针6依次穿过圆孔、第一介质层2后与所述主贴片1相接。
本实施例中，充分利用主贴片1的主模和高阶模，并巧妙地引入缝隙加载来改变主模和高阶模的电流分布(改变最大的是主模电流分布)，使得它们不仅具有正交的极化方式，其最大辐射方向一致，极化特性保持稳定，进而使得天线具有双波束、工作带宽宽、剖面低、结构简单等效果，也易于加工，加工成本低。
为了进一步说明本实施例的效果，采用如图3所示结构进行仿真测试，其中，第一镂空槽11和第二镂空槽12的长度均为0.260λ，宽度均为0.025λ；主贴片1的短边14的长度为0.409λ，长边13的长度为0.918λ；第一镂空槽11的长度方向、第二镂空槽12的长度方向均与短边14相互平行。寄生贴片5的一边与主贴片1的短边14平行且边长为0.419λ，另一边边长为0.385λ；两寄生贴片5中心之间的距离为0.511λ(其中λ为介质波长)。测试结果详见图12至图15。
图12展示的是本实施例天线的轴比仿真数据，观察点为theta＝38°以及phi＝90°。从图12中可以看出，轴比曲线出现了两个零点，分别代表主贴片产生的圆极化以及两个寄生贴片产生的圆极化，本实施例天线的3dB轴比带宽达到了10.03％，覆盖的频段从3.22GHz到3.56GHz。该天线的轴比带宽并不限制于图12上所覆盖的频率，可以通过改变天线系统的尺寸或者介质基板的介电常数，使其能够覆盖在其他所需要的频段。
图13为本实施例天线的左旋圆极化真实增益随频率变化的曲线，从图13中可以看出，天线在工作频带内具有平坦的增益，满足宽带通信的需求。
图14和图15分别为本实施例天线在工作带宽上的两个频点(3.28GHz、3.52GHz)的左旋圆极化实际增益的二维方向图，说明了本实施例天线在通带在具有稳定的辐射方向图。
实施例4
本实施例4与实施例3相比，差异在于，第一镂空槽11、第二镂空槽12相对于连接点的摆放位置改变，使得天线的极化由左旋圆极化变为右旋圆极化，其部分结构爆炸图如图17所示。仿真测试结果详见图21至图24。
图21展示的是本实施例天线的轴比仿真数据，观察点为theta＝38°以及phi＝90°。从图21中可以看出，轴比曲线出现了两个零点，分别代表主贴片产生的圆极化以及两个寄生贴片产生的圆极化，本实施例天线的3dB轴比带宽达到了9.11％，覆盖的频段从0.859GHz到0.941GHz。该天线的轴比带宽并不限制于图21上所覆盖的频率，可以通过改变天线系统的尺寸或者介质基板的介电常数，使其能够覆盖在其他所需要的频段。
图22为本实施例天线的右旋圆极化真实增益随频率变化的曲线，从图22中可以看出，天线在工作频带内具有平坦的增益，满足宽带通信的需求。
图23和图24分别为本实施例天线在工作带宽上的两个频点(0.88GHz、0.92GHz)的右旋圆极化实际增益的二维方向图，说明了本实施例天线在通带在具有稳定的辐射方向图。
综上所述，本发明提供的一种具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线，充分利用主贴片的主模和高阶模，并巧妙地引入缝隙加载来改变他们的电流分布，使得它们不仅具有正交的极化方式，其最大辐射方向一致，极化特性保持稳定，进而使得天线具有双波束、工作带宽宽、剖面低、结构简单等效果，也易于加工，加工成本低。
此处第一、第二……只代表其名称的区分，不代表它们的重要程度和位置有什么不同。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线，其特征在于，包括依次层叠设置的主贴片、第一介质层和金属地板，还包括用于向所述主贴片馈电的馈电探针；所述主贴片为矩形贴片，且设置有第一镂空槽和第二镂空槽；所述主贴片的长边长度大于短边的长度；所述第一镂空槽的一端延伸至主贴片的一长边边沿，所述第二镂空槽的一端延伸至主贴片的另一长边边沿；所述馈电探针与所述主贴片之间的连接点位于所述第一镂空槽与所述第二镂空槽之间；所述连接点与所述主贴片的中心重合。
2.如权利要求1所述的具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线，其特征在于，所述第一镂空槽和所述第二镂空槽均为矩形槽，二者的长度方向均与所述短边平行；所述第一镂空槽、所述连接点和所述第二镂空槽到同一所述短边的距离分别为a、b、c，其中，a<b<c，或a>b>c。
3.如权利要求2所述的具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线，其特征在于，所述第一镂空槽与所述第二镂空槽关于所述连接点呈中心对称。
4.如权利要求3所述的具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线，其特征在于，所述长边长度为A，所述短边长度为B，其中，1.5<A/B<2.5。
5.如权利要求4所述的具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线，其特征在于，所述第一镂空槽和所述第二镂空槽的长度均为C，其中，0.25B≤C<B。
6.如权利要求1至5任一所述的具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线，其特征在于，还包括寄生贴片和第二介质层；所述第二介质层位于所述寄生贴片与所述主贴片之间。
7.如权利要求6所述的具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线，其特征在于，所述寄生贴片呈矩形状，其一边与所述短边相互平行。
8.如权利要求7所述的具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线，其特征在于，所述寄生贴片设置有两个，两所述寄生贴片的中心的投影均落在所述短边的中垂线上，且两投影分居所述连接点两侧。
9.如权利要求8所述的具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线，其特征在于，两所述寄生贴片关于所述长边的中垂线呈镜像对称。
10.如权利要求7至9任一所述的具有双波束方向图的宽带圆极化贴片天线，其特征在于，所述第一介质层由空气和/或介质板构成，所述第二介质层由空气和/或介质板构成。
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