CN112968272B - 一种宽带宽波束低剖面圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种宽带宽波束低剖面圆极化天线，属于无线通信领域。该天线包括天线辐射组件和天线馈电组件；天线辐射组件包括主辐射贴片，围绕主辐射贴片四周放置的四个结构相同的耦合贴片及上层介质基板，天线辐射组件用于辐射信号；天线的馈电组件包括下层介质基板、印刷在下层介质基板下表面的一个输出四路等幅度、等90°相位差信号的功分器及贯穿上层介质基板与下层介质基板的四个铜柱，馈电组件用于对主辐射贴片进行馈电。本发明解决了现有圆极化天线存在的带宽窄、波束窄、剖面高的问题，满足汽车、飞机等通信系统收发天线对宽频带、宽波束、低剖面的要求。

Description

一种宽带宽波束低剖面圆极化天线
技术领域
本发明属于无线通信领域，涉及汽车、飞机、船舶等通信系统，具体涉及一种宽带宽波束低剖面圆极化天线。
背景技术
圆极化天线由于其特殊的极化模式，其在抗多径衰落的影响，降低极化匹配损耗，消除法拉第旋转效应等具有优势，因此圆极化天线被广泛应用于卫星、汽车、轮船等通信系统。随着通信系统的发展，进一步提出了大带宽，宽波束，低剖面的通信系统要求，进一步获得更高的通信速率、覆盖更多用户以及降低风阻。然而大多数圆极化天线阻抗带宽与轴比带宽较窄、波束较窄及剖面较高，不符合当下移动通信系统的使用要求。因此如何设计出宽带、宽波束且具有低剖面特点的圆极化天线成为亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种宽带宽波束低剖面圆极化天线，解决现有圆极化天线的阻抗带宽、轴比带宽较窄、波束宽度较窄及剖面较高的技术问题。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种宽带宽波束低剖面圆极化天线，包括：天线辐射组件和天线馈电组件；
所述天线辐射组件包括：主辐射贴片1、四个结构相同的耦合贴片2及上层介质基板7，用于辐射信号；所述主辐射贴片1设置在上层介质基板7的上表面；所述四个结构相同的耦合贴片2围绕主辐射贴片1四个边旋转90°放置；
所述天线馈电组件包括：下层介质基板8、功分器10及四个铜柱9，用于对主辐射贴片1进行馈电；所述功分器10能输出四路等幅度和等90°相位差信号，设置在下层介质基板8下表面；所述四个铜柱9贯穿上层介质基板7与下层介质基板8将功分器10四个输出端口(1001、1002、1003、1004)与主辐射贴片1连接起来，对其进行馈电；所述四个输出端口(1001、1002、1003、1004)输出四路等幅度和等90°相位差的信号。
进一步，所述主辐射贴片1四个边腐蚀有四个等大的矩形槽一3，其尺寸为W1×L3；所述主辐射贴片1的两条对角线上腐蚀有四个等大的矩形槽二4，其尺寸为W2×L4；在主辐射贴片1的中心腐蚀有圆槽5，其直径为R1；离主辐射贴片1的中心位置O距离为R2的位置设置有四个馈电点6，馈电点6靠近矩形槽二4的中部。
进一步，所述主辐射贴片1印刷于上层介质基板7的上表面。
进一步，所述的四个结构相同的耦合贴片2包括：均为矩形的第一垂直结构201、第一水平结构202，第二垂直结构203和第二水平结构204；
所述第一垂直结构201垂直于上层介质基板7且穿过上层介质基板7与上层介质基板7的下表面金属层相连，其尺寸为H3×L5；所述第一水平结构202印刷于上层介质基板7的上表面，其尺寸为W3×L6；所述的第二垂直结构203垂直于上层介质基板7，其尺寸为W4×L7；所述第二水平结构204平行于上层介质基板7，其尺寸为W5×L8，其中L6＝L7＝L8。
进一步，所述四个结构相同的耦合贴片2在主辐射贴片1的四周依次按90°旋转进行排列，且其第一水平结构202靠近主辐射贴片的边与主辐射贴片位置O的水平垂直距离为L9。
进一步，所述功分器10印刷于下层介质基板8的下表面。
进一步，所述四个铜柱9的直径均为0.6mm。
进一步，所述上层介质基板7上下表面均有金属覆盖，下表面金属层在馈电的四个铜柱9穿过的位置处腐蚀有四个直径为1.1mm的隔离孔11。
本发明的有益效果在于：
1)本发明天线的主辐射贴片产生谐振的频率为f1，在主辐射贴片周围旋转放置的四个结构相同的耦合贴片受到主辐射贴片的辐射出的电磁波的影响进一步在频点f1附近产生新的谐振频点，谐振频点为f2，当两个谐振频点叠加，即可使天线获得较大的阻抗带宽。同时，印刷于下层介质基板的下表面的功分器，可使天线获得宽带的轴比带宽并进一步拓宽天线的阻抗带宽，因此该天线在结构设计上较易获得较大的阻抗带宽及轴比带宽。
2)本发明天线的四个耦合贴片中，第一水平结构与第二水平结构上的分布电流存在一定的相位差，所以第一水平结构与第二水平结构产生的垂直方向的辐射会部分相互抵消，同时第一垂直结构与第二垂直结构等价于磁偶极子将产生垂直辐射，可以拓宽波束宽度，因此本天线采用的耦合贴片结构可以使得天线具有较宽的波束宽度。
3)本发明天线的耦合贴片采用的是折叠结构，同时主辐射贴片四个边上开的槽也可以延长耦合贴片辐射电流的路径，因此耦合贴片辐射某一频率需要更低的剖面，因此该天线在结构设计上具有较低的剖面。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明实施例的宽带宽波束低剖面圆极化天线的整体剖视图；
图2为本发明实施例的宽带宽波束低剖面圆极化天线的主辐射贴片结构图；
图3为本发明实施例的宽带宽波束低剖面圆极化天线的上下层介质基板结构侧视图；
图4为本发明实施例的宽带宽波束低剖面圆极化天线的耦合贴片结构图a；
图5为本发明实施例的宽带宽波束低剖面圆极化天线的耦合贴片结构图b；
图6为本发明实施例的宽带宽波束低剖面圆极化天线的馈电组件结构图；
图7为本发明实施例的宽带宽波束低剖面圆极化天线的S参数结果图；
图8为本发明实施例的宽带宽波束低剖面圆极化天线的左右旋增益带宽结果图；
图9为本发明实施例的宽带宽波束低剖面圆极化天线的轴比带宽结果图；
图10为本发明实施例的宽带宽波束低剖面圆极化天线1.5GHZ增益方向图；
图11为本发明实施例的宽带宽波束低剖面圆极化天线1.5GHZ轴比波束图；
附图标记：1-主辐射贴片，2-耦合贴片，3-矩形槽一，4-矩形槽二，5-圆槽，6-馈电点，7-上层介质基板，8-下层介质基板，9-铜柱，10-功分器，11-隔离孔，1001～1004-输出端口，201-第一垂直结构，202-第一水平结构，203-第二垂直结构，204-第二水平结构。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图11，如图1至图6所示，本发明设计的宽带宽波束低剖面圆极化天线，其结构包括：天线辐射组件和天线馈电组件；天线辐射组件包括：主辐射贴片1，围绕主辐射贴片四个边旋转90°放置的四个结构相同的耦合贴片2及上层介质基板7，用于辐射信号；天线的馈电组件包括下层介质基板8、印刷在下层介质基板下表面的一个输出四路等幅度、等90°相位差信号的功分器10及贯穿第一层介质基板与第二层介质基板将功分器四个输出端与主辐射单元连接起来的四个铜柱9，用于对主辐射贴片1进行馈电。主辐射贴片1印刷于上层介质基板，同时在其上面蚀刻有四个等大的矩形槽一3、四个等大的矩形形槽二4、一个直径为R1的圆槽5。功分器10印刷于下层介质基片的下表面，功分器的四个输出端口(1001、1002、1003、1004)通过四个直径为0.6mm贯穿上层介质基片7与下层介质基片8的四个铜柱9顺时针依次对主辐射贴片1进行等幅度的、馈电相位分别为0°、90°、180°、270°的馈电，因此产生右旋极化波。同时主辐射贴片1作为辐射源对在其四周依次按90°旋转的四个耦合贴片进行馈电，使其产生新的谐振，进一步获得更大的阻抗带宽、轴比带宽、更宽的半功率波束宽度与轴比波束宽度。
如图2所示，主辐射贴片1印刷于上层介质基板7的上表面。其四个边腐蚀有四个等大的矩形槽一3，其尺寸为W1×L3；主辐射贴片1两条对角线上腐蚀有四个等大的矩形槽二4，其尺寸为W2×L4；在主辐射贴片1的中心腐蚀有圆槽5，其直径为R1；主辐射贴片1的中心位置为O，其与四个馈电点6的距离均为R2。
如图3所示，上层介质基板7采用的材质为F4BME320，介电常数为3.2，尺寸为L1×L1×H1，其上下表面均有金属覆盖，下表面金属层在馈电的四个铜柱9穿过的位置处腐蚀有四个直径为1.1mm的隔离孔11。下层介质基板8采用的材质为TRF45，介电常数为4.5，尺寸为L1×L1×H2，上表面有金属覆盖且在馈电的四个铜柱穿过的位置处腐蚀有四个直径为1.1mm的隔离孔11。
如图4所示，四个结构相同的耦合贴片2，其结构由第一垂直结构201、第一水平结构202，第二垂直结构203和第二水平结构204组成，其在主辐射贴片的四周依次按90°旋转进行排列，且其第一水平结构202靠近主辐射贴片的边与主辐射贴片中心O的水平垂直距离为L9。
如图5所示，第一垂直结构201其形状为矩形，垂直于上层介质基板7且穿过上层介质基板7与上层介质基板7的下表面金属层相连，其设计尺寸为H3×L5；第一水平结构202其形状为矩形，印刷于上层介质基板7的上表面，其设计尺寸为W3×L6；第二垂直结构203其形状为矩形，垂直于上层介质基板7，其设计尺寸为W4×L7；第二水平结构204其形状为矩形，平行于上层介质基板7，其设计尺寸为W5×L8，其中L6＝L7＝L8。
如图6所示，功分器10印刷于下层介质基板的下表面，四个输出端(1001、1002、1003、1004)输出四路等幅度，等90°相位差的信号。所述的贯穿上层介质基板与下层介质基板的四个铜柱9，其直径为0.6mm，贯穿上下两层介质基板，将功分器四个输出端与主辐射单元连接起来，对其进行馈电。
表1本实施例中宽带宽波束低剖面圆极化天线的参数优选值
参数 值 参数 值 参数 值
W1 9mm L3 10.5mm H1 5mm
W2 4mm L4 14mm H2 0.8mm
W3 12.5mm L5 13.5mm H3 5mm
W4 6mm L6 27mm R1 13.5mm
W5 24mm L7 27mm R2 18.4mm
L1 83mm L8 27mm
L2 49mm L9 27mm
由图3、图5及表1可知，该天线的剖面高度为：H1+H2+W4＝11.8mm＝0.059λ0(λ0为中心频率1.5GHZ对应的自由空间波长)，由此可知该天线的剖面极低，为低剖面的天线。
如图7至图9所示，其提供了根据本发明设计的宽带低剖面背射圆极化天线S参数结果展示图以及增益和轴比带宽结果展示图，天线工作时，天线的阻抗带宽为1.032GHZ～2.1688GHZ,在带宽范围内回波损耗S11＜-10dB，相对带宽为71％。轴比带宽为0.78GHZ～1.76GHZ,在带宽范围内回波损耗AR＜3dB，相对带宽为77.2％。3dB增益带宽为1.2HZ～1.7GHZ，相对带宽为34.5％。
如图10至图11所示，在1.5GHZ时的该天线增益是3.52dB,半功率波束宽度是112.4°，轴AR＜3dB比波束宽度Phi＝0°,Theta＝170.6°；Phi＝90°,Theta＝168.7°；因此从以上数据可知该天线是一个在半功率波束宽度及AR＜3dB的波束宽度上为宽波束圆极化天线。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种宽带宽波束低剖面圆极化天线，其特征在于，该天线包括：天线辐射组件和天线馈电组件；
所述天线辐射组件包括：主辐射贴片(1)、四个结构相同的耦合贴片(2)及上层介质基板(7)，用于辐射信号；所述主辐射贴片(1)设置在上层介质基板(7)的上表面；所述四个结构相同的耦合贴片(2)围绕主辐射贴片(1)四个边旋转90°放置；
所述主辐射贴片(1)四个边腐蚀有四个等大的矩形槽一(3)；所述主辐射贴片(1)的两条对角线上腐蚀有四个等大的矩形槽二(4)；在主辐射贴片(1)的中心腐蚀有圆槽(5)；离主辐射贴片(1)的中心位置O距离为R2的位置设置有四个馈电点(6)，馈电点(6)靠近矩形槽二(4)的中部；
所述的四个结构相同的耦合贴片(2)包括：均为矩形的第一垂直结构(201)、第一水平结构(202)、第二垂直结构(203)和第二水平结构(204)；所述第一垂直结构(201)垂直于上层介质基板(7)且穿过上层介质基板(7)与上层介质基板(7)的下表面金属层相连；所述第一水平结构(202)印刷于上层介质基板(7)的上表面；所述的第二垂直结构(203)垂直于上层介质基板(7)；所述第二水平结构(204)平行于上层介质基板(7)；
所述天线馈电组件包括：下层介质基板(8)、功分器(10)及四个铜柱(9)，用于对主辐射贴片(1)进行馈电；所述功分器(10)能输出四路等幅度和等90°相位差信号，设置在下层介质基板(8)下表面；所述四个铜柱(9)贯穿上层介质基板(7)与下层介质基板(8)，将功分器(10)四个输出端口(1001、1002、1003、1004)与主辐射贴片(1)连接起来，对其进行馈电；所述四个输出端口(1001、1002、1003、1004)输出四路等幅度和等90°相位差的信号。
2.根据权利要求1所述的宽带宽波束低剖面圆极化天线，其特征在于，所述矩形槽一(3)的尺寸为W1×L3；所述矩形槽二(4)的尺寸为W2×L4；圆槽(5)半径为R1。
3.根据权利要求1所述的宽带宽波束低剖面圆极化天线，其特征在于，所述主辐射贴片(1)印刷于上层介质基板(7)的上表面。
4.根据权利要求1所述的宽带宽波束低剖面圆极化天线，其特征在于，所述第一垂直结构(201)的宽×长＝H3×L5，所述第一水平结构(202)的宽×长＝W3×L6，所述第二垂直结构(203)的宽×长＝W4×L7，所述第二水平结构(204)的宽×长＝W5×L8，其中L6＝L7＝L8。
5.根据权利要求1所述的宽带宽波束低剖面圆极化天线，其特征在于，所述四个结构相同的耦合贴片(2)在主辐射贴片(1)的四周依次按90°旋转进行排列，且其第一水平结构(202)靠近主辐射贴片的边与主辐射贴片位置O的水平垂直距离为L9。
6.根据权利要求1所述的宽带宽波束低剖面圆极化天线，其特征在于，所述功分器(10)印刷于下层介质基板(8)的下表面。
7.根据权利要求1所述的宽带宽波束低剖面圆极化天线，其特征在于，所述四个铜柱(9)的直径均为0.6mm。
8.根据权利要求7所述的宽带宽波束低剖面圆极化天线，其特征在于，所述上层介质基板(7)的介电常数为3.2，尺寸为L1×L1×H1，下层介质基板(8)的介电常数为4.5，尺寸为L1×L1×H2；上层介质基板(7)与下层介质基板(8)上下表面均有金属覆盖，上层介质基板(7)下表面金属层与下层介质基板(8)上表面金属层在馈电的四个铜柱(9)穿过的位置处腐蚀有四个直径为1.1mm的隔离孔(11)。
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