CN112952388B - 一种宽轴比波束的宽带圆极化微带天线 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种宽轴比波束的宽带圆极化微带天线，其包括：介质基板、共面波导馈电结构，矩形槽，平行枝节和输入端口；共面波导馈电结构位于介质基板上表面；所述矩形槽位于介质基板下表面，矩形槽包括外部槽和内部槽；平行枝节位于介质基板下表面；平行枝节包括长平行枝节和短平行枝节。本发明所述的共面波导馈电结构两侧矩形地板接地，通过适当调节尺寸，可以匹配阻抗带宽；本发明的外部槽和内部槽，由导体带条耦合馈电，可以产生高低频两处谐振，适当调节外部槽、内部槽和导体带条的尺寸可以实现宽阻抗带宽；通过加载长平行枝节引入了水平电流分量，满足了圆极化波的产生条件；通过引入短平行枝节，优化了天线轴比波束特性。

Description

一种宽轴比波束的宽带圆极化微带天线

技术领域

本发明涉及微带天线技术领域，尤其涉及一种宽轴比波束的宽带圆极化微带天线。

背景技术

随着无线通信的快速发展，天线在无人驾驶、雷达测距、射频识别、海陆通信和卫星通信等领域得到了广泛应用。与以前的无线通信系统相比较，现如今的无线通信系统的系统结构更加复杂、系统性能更加优异，这就对天线的形式和性能的要求更加苛刻。简单的线极化天线已经难以满足通信系统不断更新换代的需求。圆极化天线凭借其特有的极化特性，在抗干扰方面表现出色。圆极化天线可以接收任何形式的线极化波和与其旋转方向相同的圆极化波，并且当圆极化波遇到地面或者其他物体发生反射时，其旋转方向发生改变，因此不会被相同极化的天线接收。所以现代无线通信系统中大部分发射/接收器是圆极化天线，可以更好的保证传输信号的良好质量和通信道路的畅通。

在未来的通信系统中，为了满足更快的传输速率，更高的系统容量，系统带宽将会更大，发展宽带通信系统是必然趋势。但是，采用传统的使用多副窄带天线同时进行不同频段内的信号收发工作会面临因天线间的互耦效应而造成的通信质量不佳等一系列问题，而拥有宽带特性能够有效地减少天线的数量从而解决上述问题，所以宽带天线的研究显得格外重要。

具体而言，传统宽带圆极化天线片面追求阻抗带宽的最大化而无法兼顾其他重要性能参数(如轴比带宽、3-dB轴比波束宽度、半功率波束宽度等)。其中，轴比带宽决定了宽带圆极化天线的可应用频率范围；3-dB轴比波束宽度决定了宽带圆极化天线在空间中的圆极化信号接收范围；半功率波束宽度决定了宽带圆极化天线在空间中稳定接收圆极化信号的能力。除此之外，为了提高设备集成度，小型化宽带圆极化天线备受关注。

另，宽带圆极化天线的实现方法包括单馈电和多馈电两种方式。其中多馈电天线由于引入了额外的馈电网络，导致天线结构复杂，尺寸较大，不利于集成。单馈电天线结构简单，尺寸小，易于集成，更适用于无线通信系统应用。已报道的单馈宽带圆极化天线大多侧重于宽轴比带宽和宽阻抗带宽，其阻抗带宽和轴比带宽大多小于20％，且忽略了天线的另一重要指标——轴比波束宽度。

发明内容

基于此，为解决现有技术存在的不足，特提出了一种小体积的宽轴比波束的宽带圆极化微带天线，该天线的阻抗带宽和3dB轴比带宽均大于40％，且具有较宽的3-dB轴比波束。

为了实现上述目的，其对应的技术方案是：

一种宽轴比波束的宽带圆极化微带天线，其特征在于，包括：介质基板、共面波导馈电结构，矩形槽，平行枝节和输入端口；所述共面波导馈电结构位于介质基板的上表面，所述共面波导馈电结构包括导体带条、第一矩形地板和第二矩形地板，所述第一矩形地板和第二矩形地板对称设置在所述导体带条两侧；所述矩形槽位于介质基板的下表面，所述矩形槽包括外部槽和内部槽，所述内部槽(32)以中心对齐方式设置在外部槽(31)内，所述外部槽的中心与介质基板的中心重合，所述外部槽包括第一外部槽边框以及第一矩形边框，所述第一矩形边框与第一外部槽边框的中心重合；所述内部槽包括第二矩形边框以及第三矩形边框，所述第三矩形边框与第二矩形边框的中心重合；所述平行枝节位于介质基板的下表面；所述平行枝节包括长平行枝节和短平行枝节；所述长平行枝节一端连接第一矩形边框，另一端连接第二矩形边框；所述短平行枝节具有两组相对设置在第二矩形边框以及第一矩形边框上的短枝节组。

可选的，在其中一个实施例中，所述第一外部槽框包括第一外部切角带条、第二外部切角带条、第三外部切角带条和第四外部切角带条；上述各外部切角带条组成四角具有三角形切角的块状结构。

可选的，在其中一个实施例中，所述第一外部切角带条与第二外部切角带条的尺寸结构一致；所述第三外部切角带条与第四外部切角带条的尺寸结构一致。

可选的，在其中一个实施例中，所述内部槽包括第一内部带条、第二内部带条、第三内部带条和第四内部带条；上述各内部带条组成矩形框结构。

可选的，在其中一个实施例中，所述第一内部带条与第二内部带条的尺寸结构一致；所述第三内部带条与第四内部带条的尺寸结构一致。

可选的，在其中一个实施例中，所述长平行枝节的数量为多个，各所述长平行枝节相互平行设置在第一矩形边框与第二矩形边框之间。

可选的，在其中一个实施例中，所述短平行枝节包括第一组短平行枝节以及第二组短平行枝节，所述第一组短平行枝节以及第二组短平行枝节的数量均为多个，所述第一组短平行枝节一端均设置在第二矩形边框上，另一端均开路设置，所述第二组短平行枝节一端均相对设置在第一矩形边框上，另一端均开路设置。

可选的，在其中一个实施例中，所述导体带条(21)的长度由单极子天线中心频率公式计算获得。

实施本发明实施例，将具有如下有益效果：

(1)、本发明所述的共面波导馈电结构两侧矩形地板接地，通过适当调节尺寸，可以匹配阻抗带宽，此外设计中保持两个矩形地板尺寸相同，从而达到使本发明所述的天线具有天线方向性图对称的优点；(2)、本发明的外部槽和内部槽，由导体带条耦合馈电，可以产生高低频两处谐振，适当调节外部槽、内部槽和导体带条的尺寸可以实现宽阻抗带宽；(3)、介质基板上表面两侧矩形地板关于导体带条对称，因此水平方向电流相互抵消，天线上由矩形槽产生较多垂直方向电流；(4)、通过加载长平行枝节引入了水平电流分量，满足了圆极化波的产生条件；(5)、适当调节长平行枝节的尺寸可以实现较宽的轴比带宽；(6)、调节各个外部切角带条的尺寸，优化天线圆极化性能，如当第一外部切角带条的宽度比第三外部切角上侧带条窄时，可以使第一外部切角左侧带条上的垂直方向电流更集中；(5)、通过引入短平行枝节，可以在天线右侧引入一些水平电流，平衡天线上的电流分布，优化天线轴比波束特性。

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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

其中：

图1是本发明宽轴比波束的宽带圆极化微带天线的分解结构示意图；

图2是本发明宽轴比波束的宽带圆极化微带天线的下表面示意图；

图3是本发明宽轴比波束的宽带圆极化微带天线的S11结果图；

图4是本发明宽轴比波束的宽带圆极化微带天线的轴比随频率变化的曲线；

图5是本发明宽轴比波束的宽带圆极化微带天线在3.5GHz的轴比波束曲线；

图6是本发明宽轴比波束的宽带圆极化微带天线在4GHz的轴比波束曲线；

图7是本发明宽轴比波束的宽带圆极化微带天线在4.5GHz的轴比波束曲线；

图中：1、介质基板；2、共面波导馈电结构，21、导体带条，22、第一矩形地板，23、第二矩形地板；3、矩形槽，31、外部槽，311、第一外部切角带条，312、第二外部切角带条，313、第三外部切角带条，314、第四外部切角带条；32、内部槽，321、第一内部带条，322、第二内部带条，323、第三内部带条，324、第四内部带条；4、平行枝节，41、长平行枝节，411、第一长枝节，412、第二长枝节，413、第三长枝节；42、短平行枝节，421、第一短枝节，422、第二短枝节，423、第三短枝节，424、第四短枝节，425、第五短枝节，426、第六短枝节；5、输入端口。

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，以下结合附图及实施例，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。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。可以理解，本发明所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一元件称为第二元件，且类似地，可将第二元件称为第一元件。第一元件和第二元件两者都是元件，但其不是同一元件。

在本实施例中，如图1-2所示，提出了一种宽轴比波束的宽带圆极化微带天线，其特征在于，包括：介质基板1、共面波导馈电结构2，矩形槽3，平行枝节4和输入端口5；所述共面波导馈电结构2位于介质基板1的上表面，所述共面波导馈电结构2包括导体带条21、第一矩形地板22和第二矩形地板23，所述第一矩形地板22和第二矩形地板23尺寸相同、对称设置在所述导体带条21两侧；所述矩形槽3位于介质基板1的下表面，所述矩形槽3包括外部槽31和内部槽32，所述内部槽(32)以中心对齐方式设置在外部槽(31)内，所述外部槽31的中心与介质基板1的中心重合，所述外部槽31包括第一外部槽边框以及第一矩形边框，所述第一矩形边框与第一外部槽边框的中心重合；所述内部槽32包括第二矩形边框以及第三矩形边框，所述第三矩形边框与第二矩形边框的中心重合；所述平行枝节4位于介质基板1的下表面；所述平行枝节4包括长平行枝节41和短平行枝节42；所述长平行枝节41一端连接第一矩形边框，另一端连接第二矩形边框；所述短平行枝节42具有两组相对设置在第二矩形边框以及第一矩形边框上的短枝节组。基于上述结构可知，本发明中的天线基本结构为上表面的单极子以及下表面的外部槽和内部槽；上表面单极子用于馈电，下表面的矩形槽通过耦合馈电产生两个谐振模式，适当调节两个外部槽和内部槽大小，使两个谐振模式靠近实现宽带操作并通过在天线上表面单极子两侧添加对称的两块矩形地面，形成共面波导馈电结构，进一步优化了天线的阻抗带宽且同时保持了矩形地面对称，也使得天线整体尽可能对称，有利于天线产生对称的方向性图；另由于天线的对称性，使得天线上表面矩形地面产生的水平方向电流相互抵消，下表面矩形槽上的水平电流也有部分被抵消，因此通过在天线下表面添加长水平枝节连接外部槽和内部槽，来引入水平电流，并通过调节长水平枝节尺寸和数量，与矩形槽上的垂直电流形成了圆极化波。

在一些具体的实施例中，所述第一外部槽框包括第一外部切角带条311、第二外部切角带条312、第三外部切角带条313和第四外部切角带条314；上述各外部切角带条组成四角具有三角形切角的块状结构(即其具有第一外部槽边框以及第一矩形边框)；通过在外部槽四角引入切角来优化天线的轴比波束。所述块状结构类似于在矩形槽四角各切去一个角，以此来避免电流在天线四角堆积，留滞，进而使得电流在天线上流转顺畅，优化了天线的圆极化性能，展宽了3-dB轴比波束。在一些更具体的实施例中，所述第一外部切角带条311与第二外部切角带条312的尺寸结构一致；所述第三外部切角带条313与第四外部切角带条314的尺寸结构一致。基于上述结构，来通过调节外部槽的长宽差异，让外部槽上下两侧宽于左右两侧，使得天线的电流在垂直方向的流动更集中，进而优化了天线的圆极化性能。

在一些具体的实施例中，所述内部槽32包括第一内部带条311、第二内部带条312、第三内部带条313和第四内部带条314；上述各内部带条组成矩形框结构。在一些更具体的实施例中，所述第一内部带条321与第二内部带条322的尺寸结构一致；所述第三内部带条323与第四内部带条324的尺寸结构一致。

在一些具体的实施例中，所述长平行枝节41的数量为多个，各所述长平行枝节41相互平行设置在第一矩形边框与第二矩形边框之间。例如所述长平行枝节41的数量为3个，即所述长平行枝节41包括第一长枝节411、第二长枝节412和第三长枝节413；所述第一长枝节411的一端与第一内部带条321的下端连接，另一端与第一外部切角带条311连接；所述第二长枝节412的一端与第一内部带条321的中部连接，另一端与第一外部切角带条311连接；所述第三长枝节413的一端与第一内部带条321的上端连接，另一端与第一外部切角带条311连接；所述第一长枝节411、第二长枝节412和第三长枝节413的尺寸相同。

在一些具体的实施例中，所述短平行枝节42包括第一组短平行枝节以及第二组短平行枝节，所述第一组短平行枝节以及第二组短平行枝节的数量均为多个，所述第一组短平行枝节一端均设置在第二矩形边框上，另一端均开路设置，所述第二组短平行枝节一端均相对设置在第一矩形边框上，另一端均开路设置。例如所述短平行枝节42包括第一短枝节421、第二短枝节422、第三短枝节423、第四短枝节424、第五短枝节425和第六短枝节426；所述第1-6短枝节(421-426)的尺寸相同；第一组短平行枝节包括第一短枝节421、第二短枝节422、第三短枝节423；第二组短平行枝节包括第四短枝节424、第五短枝节425和第六短枝节426；所述第一短枝节421的一端与第二内部带条322的下端连接，另一端开路；所述第二短枝节422的一端与第二内部带条322的中部连接，另一端开路；所述第三短枝节423的一端与第二内部带条322的上端连接，另一端开路；所述第四短枝节424、第五短枝节425和第六短枝节426的一端均与第二外部切角带条312连接，另一端均开路；所述第一长枝节411、第一短枝节421和第四短枝节424与第四外部切角带条314的距离相同；所述第二长枝节412、第二短枝节422和第五短枝节425与第四外部切角带条314的距离相同；所述第三长枝节413、第三短枝节423和第六短枝节426与第三外部切角带条313的距离相同；通过在天线右半边，内部槽和外部槽上各引出3个短水平枝节，优化了天线3-dB轴比波束对称性；同时为了天线的对称性，使得短水平枝节和长水平枝节在水平方向上对齐；引入短水平枝节是为了尽量平衡天线结构的左右对称性，改善天线的电流运转，进而优化天线的3-dB轴比波束对称性。

在一些具体的实施例中，所述导体带条21的长度由单极子天线中心频率公式计算获得。通过加载所述矩形槽3和长平行枝节41结构，实现圆极化辐射；通过调节左侧的第一矩形地板22和右侧的第二矩形地板23的尺寸，实现较宽的阻抗带宽；通过调节内部矩形槽32的尺寸，实现较宽的轴比带宽；通过调节短平行枝节42和外部矩形槽31的尺寸可以实现较宽的3-dB轴比波束宽度。

在一些具体的实施例中，所述介质基板1采用聚四氟乙烯玻璃布覆铜箔板即F4B材料，厚度为1.465mm。

基于上述设计方案，下述给出对应的仿真过程以验证本发明的实际效果，具体如下：技术指标如下：极化方式：右旋圆极化阻抗带宽：>50％

轴比带宽：>40％轴比波束宽度：>90°

图3所示，本发明提出的圆极化天线的-10dB阻抗带宽覆盖3.07GHz到7.11GHz频段，在3.2GHz到5.85GHz频段内天线的S11参数小于-15dB，说明此频段内天线匹配较好。

如图4所示，本发明提出的圆极化天线的3dB轴比带宽覆盖3.19GHz到4.9GHz频段，在此频段内天线处于圆极化工作状态，因此本频带是天线的圆极化工作带宽。

如图5所示，本发明提出的圆极化天线在3.5GHz时，当phi＝0deg时，3dB轴比波束宽度为96°；当phi＝90deg时，3dB轴比波束宽度为101°。说明本发明提出的圆极化天线在3.5GHz频点下可以接收较宽角度范围内的圆极化信号。

如图6所示，本发明提出的圆极化天线在4GHz时，当phi＝0deg时，3dB轴比波束宽度为89°；当phi＝90deg时，3dB轴比波束宽度为101°。说明本发明提出的圆极化天线在4GHz频点下可以接收较宽角度范围内的圆极化信号。

如图7所示，本发明提出的圆极化天线在4.5GHz时，当phi＝0deg时，3dB轴比波束宽度为91°；当phi＝90deg时，3dB轴比波束宽度为93°。说明本发明提出的圆极化天线在4.5GHz频点下可以接收较宽角度范围内的圆极化信号。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种宽轴比波束的宽带圆极化微带天线，其特征在于，包括：介质基板（1）、共面波导馈电结构（2），矩形槽（3），平行枝节（4）和输入端口（5）；所述共面波导馈电结构（2）位于介质基板（1）的上表面，所述共面波导馈电结构（2）包括导体带条（21）、第一矩形地板（22）和第二矩形地板（23），所述第一矩形地板（22）和第二矩形地板（23）对称设置在所述导体带条（21）两侧；所述矩形槽（3）位于介质基板（1）的下表面，所述矩形槽（3）包括外部槽（31）和内部槽（32），所述内部槽（32）以中心对齐方式设置在外部槽（31）内，所述外部槽（31）的中心与介质基板（1）的中心重合，所述外部槽（31）包括第一外部槽边框以及第一矩形边框，所述第一矩形边框与第一外部槽边框的中心重合；所述内部槽（32）包括第二矩形边框以及第三矩形边框，所述第三矩形边框与第二矩形边框的中心重合；所述平行枝节（4）位于介质基板（1）的下表面；所述平行枝节（4）包括长平行枝节（41）和短平行枝节（42）；所述长平行枝节（41）一端连接第一矩形边框，另一端连接第二矩形边框；所述短平行枝节（42）具有两组相对设置在第二矩形边框以及第一矩形边框上的短枝节组；

所述外部槽包括第一外部切角带条（311）、第二外部切角带条（312）、第三外部切角带条（313）和第四外部切角带条（314）；上述各外部切角带条组成四角具有三角形切角的块状结构；

所述第一外部切角带条（311）与第二外部切角带条（312）相对设置且尺寸结构一致；所述第三外部切角带条（313）与第四外部切角带条（314）相对设置且尺寸结构一致；所述内部槽（32）包括第一内部带条（321）、第二内部带条（322）、第三内部带条（323）和第四内部带条（324）；上述各内部带条组成矩形框结构；所述短平行枝节（42）包括第一组短平行枝节以及第二组短平行枝节，所述第一组短平行枝节以及第二组短平行枝节的数量均为多个，所述第一组短平行枝节一端均设置在第二矩形边框上，另一端均开路设置，所述第二组短平行枝节一端均相对第一组短平行枝节设置在第一矩形边框上，另一端均开路设置。

2.根据权利要求1所述的宽轴比波束的宽带圆极化微带天线，其特征在于，所述第一内部带条（321）与第二内部带条（322）相对设置且尺寸结构一致；所述第三内部带条（323）与第四内部带条（324）相对设置且尺寸结构一致。

3.根据权利要求1所述的宽轴比波束的宽带圆极化微带天线，其特征在于，所述长平行枝节（41）的数量为多个，各所述长平行枝节（41）相互平行设置在第一矩形边框与第二矩形边框之间。

4.根据权利要求1所述的宽轴比波束的宽带圆极化微带天线，其特征在于，所述导体带条（21）的长度由单极子天线中心频率公式计算获得。

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