CN112968279A - 一种紧凑型超宽带圆极化阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种紧凑型超宽带圆极化阵列天线，包括第一基板、支撑结构、第二基板、馈电网络、同轴馈电单元和多个交叉偶极子单元，第一基板和第二基板间隔设置并由支撑结构固定，馈电网络设置于第一基板，第一基板的一侧设置接地层，交叉偶极子单元通过同轴馈电单元连接于馈电网络和接地层，各交叉偶极子单元环绕一轴心线等角度排布，交叉偶极子单元包括分别设置于第二基板的两侧的第一偶极子和第二偶极子，第一偶极子位于第二偶极子的靠近轴心线侧，第一偶极子的面积与第二偶极子的面积不同，相邻的交叉偶极子单元的第一偶极子位于第二基板的不同侧且至少部分重叠。本方案的阵列天线结构简单、占用空间小且工作带宽高，更能满足实际应用需求。

Description

一种紧凑型超宽带圆极化阵列天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种紧凑型超宽带圆极化阵列天线。

背景技术

近年来，越来越多的超宽带天线被广泛应用于室内外定位、雷达成像、无线数据采集等无线通信系统中。随着多功能系统和小型化系统的日益普及，对紧凑型圆极化超宽带天线的需求也越来越大。

在相关技术中，存在各种不同结构的紧凑型圆极化超宽带天线，然而相关技术中的天线通常存在结构复杂、尺寸过大或者带宽窄的问题，并不能很好地满足实际需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种紧凑型超宽带圆极化阵列天线，结构简单、占用空间小且工作带宽高，更能满足实际应用需求。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的，提供一种紧凑型超宽带圆极化阵列天线，包括第一基板、支撑结构、第二基板、馈电网络、同轴馈电单元和多个交叉偶极子单元，所述支撑结构固定于所述第一基板的一侧，所述第二基板固定于所述支撑结构且与所述第一基板间隔设置，所述馈电网络设置于所述第一基板，所述第一基板的一侧设置有接地层，所述交叉偶极子单元通过所述同轴馈电单元连接于所述馈电网络和所述接地层，各所述交叉偶极子单元环绕一垂直于所述第二基板的轴心线等角度排布，所述交叉偶极子单元包括分别设置于所述第二基板的两侧的第一偶极子和第二偶极子，所述第一偶极子位于所述第二偶极子的靠近所述轴心线侧，所述第一偶极子的面积与所述第二偶极子的面积不同，相邻的所述交叉偶极子单元的第一偶极子位于所述第二基板的不同侧且至少部分重叠。

进一步地，所述交叉偶极子单元设置有四个，所述第一偶极子和所述第二偶极子均包括两相互连接且具有90°相位差的辐射臂，各所述辐射臂的形状相同。

进一步地，所述辐射臂为椭圆形，所述辐射臂的长轴和短轴的比值在1.2-2以内。

进一步地，所述第一偶极子的辐射臂和所述第二偶极子的辐射臂的长轴比值在1.1-1.6以内。

进一步地，相邻的所述交叉偶极子单元的第一偶极子的重叠方向为对应的辐射臂的长轴方向，且重叠部分的沿长轴方向的宽度与对应的所述辐射臂的长轴总长度的比值在0.3-0.8以内。

进一步地，同一偶极子的两辐射臂之间通过四分之三的圆环结构相连，且其中一所述辐射臂具有延伸至所述圆环结构的圆心处的馈电端。

进一步地，所述圆环结构的外径和相连的所述辐射臂的长轴总长度的比值在0.25-0.35之间，所述圆环结构的宽度为其外径的0.1-0.2。

进一步地，所述馈电网络包括180°异相巴伦和分别连接于所述180°异相巴伦两端的两90°巴伦，所述90°巴伦包括两端口，各所述交叉偶极子单元连接于对应的所述端口。

进一步地，所述第一基板的介电常数在2.0-11以内，所述第二基板的介电常数在1.5-6.0以内。

进一步地，所述第一基板和所述第二基板的厚度与工作波波长的比值均在0.001-0.2内，所述第一基板与所述第二基板之间的距离为所述第一基板厚度的10-100倍。

本发明中紧凑型超宽带圆极化阵列天线与现有技术相比，有益效果在于：

交叉偶极子单元可以通过同轴馈电单元与馈电网络相连，馈电网络具有超宽带功分器和稳定的相位差性能，使得相邻的交叉偶极子单元间具有适应的相位差，能够提高轴比(AR)带宽，由于第一偶极子的与第二偶极子的面积不同，可以进一步地提高轴比(AR)带宽，而相邻的交叉偶极子单元的第一偶极子位于第二基板的不同侧且至少部分重叠的设置方式可以使得阵列天线获得稳定和对称的辐射模式，并且，可以缩短阵列天线中交叉偶极子单元之间的距离，从而减小阵列天线的总体尺寸。因此，本方案的阵列天线结构简单、占用空间小且工作带宽高，更能满足实际应用需求。

附图说明

图1是本发明实施例中紧凑型超宽带圆极化阵列天线的整体结构示意图；

图2是本发明实施例中紧凑型超宽带圆极化阵列天线的交叉偶极子单元和第二基板的位置布局示意图；

图3是本发明实施例中紧凑型超宽带圆极化阵列天线的主视示意图；

图4是本发明实施例中紧凑型超宽带圆极化阵列天线的馈电网络在第一基板上的布局示意图；

图5是本发明实施例中紧凑型超宽带圆极化阵列天线的馈电网络的仿真性能示意图；

图6是本发明实施例中紧凑型超宽带圆极化阵列天线的参数表；

图7是参考天线(a)和本发明实施例中交叉偶极子单元(b)的结构对比示意图；

图8是参考天线(虚线)和本发明实施例中交叉偶极子单元(实线)的S11性能示意图；

图9是参考天线(虚线)和本发明实施例中交叉偶极子单元(实线)的AR性能示意图；

图10是本发明实施例中紧凑型超宽带圆极化阵列天线的用于测试的实物示意图；

图11是本发明实施例中紧凑型超宽带圆极化阵列天线的S11的模拟(实线)和实测(虚线)性能示意图；

图12是本发明实施例中紧凑型超宽带圆极化阵列天线的AR和增益的模拟(实线)和实测(虚线)性能示意图；

图13是本发明实施例中紧凑型超宽带圆极化阵列天线的辐射方向图的模拟(实线)和实测(虚线)示意图；c：2.5GHz，d:3.5GHz，e：4.5GHz，f：5.5GHz。

在附图中，各附图标记表示：1、第一基板；11、接地层；2、支撑结构；3、第二基板；4、馈电网络；41、180°异相巴伦；42、90°巴伦；5、同轴馈电单元；6、交叉偶极子单元；61、第一偶极子；62、第二偶极子；60、圆环结构。

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。

实施例：

在本实施例中，结合图1-6，紧凑型超宽带圆极化阵列天线包括第一基板1、支撑结构2、第二基板3、馈电网络4、同轴馈电单元5和多个交叉偶极子单元6，支撑结构2固定于第一基板1的一侧，第二基板3固定于支撑结构2且与第一基板1间隔设置，馈电网络4设置于第一基板1，第一基板1的一侧设置有接地层11，交叉偶极子单元6通过同轴馈电单元5连接于馈电网络4和接地层11，各交叉偶极子单元6环绕一垂直于第二基板3的轴心线等角度排布，交叉偶极子单元6包括分别设置于第二基板3的两侧的第一偶极子61和第二偶极子62，第一偶极子61位于第二偶极子62的靠近轴心线侧，第一偶极子61的面积与第二偶极子62的面积不同，相邻的交叉偶极子单元6的第一偶极子61位于第二基板3的不同侧且至少部分重叠。

交叉偶极子单元6可以通过同轴馈电单元5与馈电网络4相连，馈电网络4具有超宽带功分器和稳定的相位差性能，使得相邻的交叉偶极子单元6间具有适应的相位差，能够提高轴比(AR)带宽，由于第一偶极子61与第二偶极子62的面积不同，可以进一步地提高轴比(AR)带宽，而相邻的交叉偶极子单元6的第一偶极子61位于第二基板3的不同侧且至少部分重叠的设置方式可以使得阵列天线获得稳定和对称的辐射模式，并且，可以缩短阵列天线中交叉偶极子单元6之间的距离，从而减小阵列天线的总体尺寸。因此，本方案的阵列天线结构简单、占用空间小且工作带宽高，更能满足实际应用需求。

交叉偶极子单元6设置有四个，第一偶极子61和第二偶极子62均包括两相互连接且具有90°相位差的辐射臂，各辐射臂的形状相同。具体的，同一交叉偶极子的相邻的辐射臂之间均具有90°的相位差，各第一偶极子61的辐射臂的形状和尺寸相同，各第二偶极子62的辐射臂的形状和尺寸相同，因此，四个交叉偶极子的位置关系为中心对称，而相邻的交叉偶极子的第一偶极子61和第二偶极子62位于第二基板3的不同侧，从而能够在第二基板3的厚度方向上部分重叠。应当理解，交叉偶极子的辐射臂可以为椭圆形、长方形、菱形、五边形、六边形等等，具体形状可以根据实际需求进行设定，只要第一偶极子61的面积与第二偶极子62的面积不同，且相邻的交叉偶极子的第一偶极子61部分重合即可。

在本实施例中，辐射臂为椭圆形，辐射臂的长轴和短轴的比值在1.2-2以内，第一偶极子61的辐射臂和第二偶极子62的辐射臂的长轴比值在1.1-1.6以内。具体的，第一偶极子61的辐射臂长轴半径r3为13mm，短轴半径r4为10mm，第二偶极子62的辐射臂的长轴半径r5为11mm，短轴半径r6为8.5mm。在一些实施例中，辐射臂的长轴和短轴的比值可以为1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9等等，第一偶极子61的辐射臂和第二偶极子62的辐射臂的长轴比值可以为1.2、1.3、1.4、1.5等等，第一偶极子61的辐射臂长轴半径可以为11mm、12mm、14mm、15mm、16mm等等，第一偶极子61的辐射臂短轴半径、第二偶极子62的辐射臂的长轴半径和短轴半径可以参照上述参数比值进行相应调整。

相邻的交叉偶极子单元6的第一偶极子61的重叠方向为对应的辐射臂的长轴方向，且重叠部分的沿长轴方向的宽度与对应的辐射臂的长轴总长度(即两倍长轴半径)的比值在0.3-0.8以内。具体的，在本实施例中，重叠部分的宽度d为13.4mm。在一些实施例中，重叠部分的沿长轴方向的宽度与对应的辐射臂的长轴总长度的比值可以为0.4、0.5、0.6、0.7等等，具体重叠宽度可以根据比值范围及第一偶极子61的辐射臂的尺寸进行适应性调整。在辐射臂为其它形状时，重叠部分的面积与对应的辐射臂的面积的比值可以参照前述椭圆形状的情况时相应的比值进行设置。

同一偶极子的两辐射臂之间通过四分之三的圆环结构60相连，且其中一辐射臂具有延伸至圆环结构60的圆心处的馈电端；圆环结构60的外径和相连的辐射臂的长轴总长度的比值在0.25-0.35之间，圆环结构60的宽度为其外径的0.1-0.2。具体的，在本实施例中，连接第一偶极子61的两个辐射臂的圆环结构60的外径r1为4.2mm，宽度w1为1.5mm，第一偶极子61的馈电端的宽度w3为3.5mm，连接第二偶极子62的两个辐射臂的圆环结构60的外径r2为3.5mm，宽度w2为1mm，第二偶极子62的馈电端的宽度w4为2.5mm。在一些实施例中，圆环结构60的外径和相连的辐射臂的长轴总长度的比值可以为0.26、0.27、0.28、0.29、0.30、0.31、0.32、0.33、0.34等等。

在本实施例中，馈电网络4包括180°异相巴伦41和分别连接于180°异相巴伦41两端的两90°巴伦42，90°巴伦42包括两端口，各交叉偶极子单元6连接于对应的端口。具体的，馈电网络4包括四个位于正方形的角部位置的端口，相邻角部位置的端口的相位差在1.82GHz到6.21GHz的带宽内保持在约90°，馈电网络4的插入损耗的不平衡量小于1.5db，四个交叉偶极子单元6分别通过同轴馈电单元5分别连接于四个端口。

第一基板1的介电常数在2.0-11以内，第二基板3的介电常数在1.5-6.0以内；第一基板1和第二基板3的厚度与工作波波长的比值均在0.001-0.2内，所述第一基板1与所述第二基板3之间的距离为所述第一基板1厚度的10-100倍,优选为20-60倍。具体的，在本实施例中，支撑结构2为四个塑料支撑柱，塑料支撑柱的两端分别固定在第一基板1和第二基板3，第一基板1和第二基板3相互平行，第一基板1为宽度wg＝140mm且厚度为h2＝0.508mm的正方形板，第一基板1的介电常数ε2＝3.55，第二基板3为宽度ws＝100mm且厚度为h1＝0.508mm的正方形板，第一基板1和第二基板3之间的距离h＝22mm。

本方案的紧凑型超宽带圆极化阵列天线具有较高的轴比(AR)带宽，在S11<-10dB和3dB AR带宽的测量阻抗带宽分别为106.5％(3.28:1，1.9-6.23GHz)和114.5％(3.68:1，1.71-6.29GHz)，在4.5ghz时，峰值增益为13.5dBic，阵列天线的整体尺寸只有0.88λ*0.88λ*0.14λ(λ是指自由空间中最低工作频率的波长)。

结合图7-13，如下为本方案阵列天线的设计与分析：

如图7-9所示，相比于对称椭圆臂的交叉偶极子单元6(参考天线)，本申请的非对称椭圆臂的交叉偶极子单元6的一半尺寸略大于参考天线的对应部分，本申请的非对称椭圆臂的交叉偶极子单元6的另一半尺寸略小于参考天线的对应部分，这样可以使得参考天线和本申请的天线的阻抗带宽几乎一致，而本申请的天线单元的3db AR带宽要宽得多，因此，适当选择非对称椭圆臂的尺寸比例可以获得合适的工作带宽。

如图10-13所示，本申请制作并测试了所提出的紧凑型超宽带圆极化阵列天线，S11<-10dB的实测阻抗带宽约为104.4％(3.88:1，1.96-6.24GHz)，与仿真结果吻合较好。测得的3db AR带宽可以覆盖1.75～6.19ghz的频率范围，达到111.8％(3.53:1)，与模拟结果略有不同。另外，测量的增益在工作带宽上为正，与模拟增益相比有轻微的波动，在4.25ghz时峰值增益为13.2dbic；在xoz平面和yoz平面上均能产生稳定的左手圆极化辐射方向图。结果表明，本申请的阵列天线具有较高的工作带宽，并且整体尺寸较小，阻抗带宽为104.4％，AR带宽为111.8％，综合性能较好，其良好性能使其在许多UWB应用中具有潜在应用前景。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种紧凑型超宽带圆极化阵列天线，其特征在于，包括第一基板(1)、支撑结构(2)、第二基板(3)、馈电网络(4)、同轴馈电单元(5)和多个交叉偶极子单元(6)，所述支撑结构(2)固定于所述第一基板(1)的一侧，所述第二基板(3)固定于所述支撑结构(2)且与所述第一基板(1)间隔设置，所述馈电网络(4)设置于所述第一基板(1)，所述第一基板(1)的一侧设置有接地层(11)，所述交叉偶极子单元(6)通过所述同轴馈电单元(5)连接于所述馈电网络(4)和所述接地层(11)，各所述交叉偶极子单元(6)环绕一垂直于所述第二基板(3)的轴心线等角度排布，所述交叉偶极子单元(6)包括分别设置于所述第二基板(3)的两侧的第一偶极子(61)和第二偶极子(62)，所述第一偶极子(61)位于所述第二偶极子(62)的靠近所述轴心线侧，所述第一偶极子(61)的面积与所述第二偶极子(62)的面积不同，相邻的所述交叉偶极子单元(6)的第一偶极子(61)位于所述第二基板(3)的不同侧且至少部分重叠。

2.根据权利要求1所述的紧凑型超宽带圆极化阵列天线，其特征在于，所述交叉偶极子单元(6)设置有四个，所述第一偶极子(61)和所述第二偶极子(62)均包括两相互连接且具有90°相位差的辐射臂，各所述辐射臂的形状相同。

3.根据权利要求2所述的紧凑型超宽带圆极化阵列天线，其特征在于，所述辐射臂为椭圆形，所述辐射臂的长轴和短轴的比值在1.2-2以内。

4.根据权利要求3所述的紧凑型超宽带圆极化阵列天线，其特征在于，所述第一偶极子(61)的辐射臂和所述第二偶极子(62)的辐射臂的长轴比值在1.1-1.6以内。

5.根据权利要求4所述的紧凑型超宽带圆极化阵列天线，其特征在于，相邻的所述交叉偶极子单元(6)的第一偶极子(61)的重叠方向为对应的辐射臂的长轴方向，且重叠部分的沿长轴方向的宽度与对应的所述辐射臂的长轴总长度的比值在0.3-0.8以内。

6.根据权利要求3所述的紧凑型超宽带圆极化阵列天线，其特征在于，同一偶极子的两辐射臂之间通过四分之三的圆环结构(60)相连，且其中一所述辐射臂具有延伸至所述圆环结构(60)的圆心处的馈电端。

7.根据权利要求6所述的紧凑型超宽带圆极化阵列天线，其特征在于，所述圆环结构(60)的外径和相连的所述辐射臂的长轴总长度的比值在0.25-0.35之间，所述圆环结构(60)的宽度为其外径的0.1-0.2。

8.根据权利要求2-7中任意一项所述的紧凑型超宽带圆极化阵列天线，其特征在于，所述馈电网络(4)包括180°异相巴伦(41)和分别连接于所述180°异相巴伦(41)两端的两90°巴伦(42)，所述90°巴伦(42)包括两端口，各所述交叉偶极子单元(6)连接于对应的所述端口。

9.根据权利要求8所述的紧凑型超宽带圆极化阵列天线，其特征在于，所述第一基板(1)的介电常数在2.0-11以内，所述第二基板(3)的介电常数在1.5-6.0以内。

10.根据权利要求9所述的紧凑型超宽带圆极化阵列天线，其特征在于，所述第一基板(1)和所述第二基板(3)的厚度与工作波波长的比值均在0.001-0.2内，所述第一基板(1)与所述第二基板(3)之间的距离为所述第一基板(1)厚度的10-100倍。

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