CN113013602A - 低剖面宽波束圆极化微带天线 - Google Patents

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齐世山
黄慧
吴文
周恬
孙勇
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    • H01Q15/24—Polarising devices; Polarisation filters 

Abstract

本发明公开了一种低剖面宽波束圆极化微带天线，包括一个FR‑4介质基板、一个微带辐射贴片、四个加载金属圆盘的金属柱、一个同轴探针和一个接地板；所述微带辐射贴片由方形贴片和以方形贴片的四个顶角为圆心加载的四个半径不同的圆形贴片组成，用以实现圆极化性能；在贴片的四周加载四个与贴片各边等距离的金属柱以拓宽天线的波束覆盖范围，并在金属柱上方附加一个金属圆盘以降低天线的剖面。本发明的低剖面宽波束圆极化微带天线具有宽波束、圆极化性能，带宽较宽，剖面低，且结构简单、易于制造。

Description

低剖面宽波束圆极化微带天线
技术领域
本发明涉及微波毫米波天线领域，具体涉及一种低剖面宽波束圆极化微带天线。
技术背景
随着卫星导航系统的不断发展，北斗导航系统是未来发展的一个必然趋势。其中，天线作为导航系统中收发信号的终端模块，对整个通信系统的性能起着至关重要的作用。而且为了尽可能多的接收卫星信号，卫星导航系统不仅对天线的轴比和尺寸有较高的要求，还要求天线能实现宽角圆极化覆盖，有较高的低仰角增益和较宽的波束宽度。其中，圆极化宽波束天线由于其抗多径效应和较强的抑制雨雾干扰等优良特性，成了研究热点。
2014年，华南理工大学褚庆昕教授团队提出一个应用于CNSS的带有寄生环的宽波束圆极化微带天线。该天线设计为双层结构，下层介质板上是一个沿直径方向上带有两个矩形短截线的圆形辐射贴片，上层介质板上是一个寄生环。在该设计中，谐振频率和圆极化性能主要由圆形贴片和矩形短截线控制，寄生环可以拓宽垂直面的半功率波束宽度。但是该天线在中心频率2.492GHz处-10dB阻抗带宽为1.2％，半功率波束宽度为140°，其波束宽度和带宽都不足。除此之外，保持微带辐射贴片和接地板的尺寸不变而将介质基板的尺寸延伸可以展宽天线的波束，但会略微增加天线的横向尺寸且对接地板有特殊的要求；采用三维地结构也可拓宽天线的波束宽度，但此类结构也需要考虑接地板的特殊性，对周围环境有所要求；加载反射圆盘也可用来实现宽波束，但会增加天线的剖面。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、带宽较宽，具有圆极化、宽波束性能的低剖面宽波束圆极化微带天线。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种低剖面宽波束圆极化微带天线，包括介质基板、设置在介质基板上表面的微带辐射贴片、四个加载金属圆盘的金属柱、一个同轴探针和设置在介质基板下表面的接地板；
所述微带辐射贴片是由方形贴片和以方形贴片的四个顶角为圆心加载的四个半径不同的圆形贴片组成；
所述加载金属圆盘的金属柱位于在微带辐射贴片的四周，且与微带辐射贴片各边的距离相同。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)宽波束：在微带辐射贴片的四周加载四个与贴片各边等距离的接地金属柱，此时金属柱等效为单极子，单极子在水平方向辐射最强，而微带贴片天线在竖直方向上辐射最强，将两者的辐射进行叠加就可以展宽天线的波束宽度；
(2)圆极化：在方形贴片的四个角处以顶角所在位置为圆心加载四个半径不同的圆片，形成极化正交、幅度相等、具有90°相位差的简并模，从而实现圆极化；
(3)结构简单，易于加工：此结构采用单点馈电，结构简单；金属柱易焊接在微带贴片四周，易于加工制造。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1是低剖面宽波束圆极化微带天线三维结构示意图。
图2是低剖面宽波束圆极化微带天线的俯视图。
图3是低剖面宽波束圆极化微带天线的主视图。
图4是低剖面宽波束圆极化微带天线仿真的回波损耗图。
图5是微带贴片四周有无金属柱加载的归一化方向图。
图6是该天线在xz面和yz面的轴比变化图。
图7是天线轴比随频率变化的曲线图。
具体实施方式
如图1所示，一种低剖面宽波束圆极化微带天线，包括介质基板1、设置在介质基板1上表面的微带辐射贴片2、四个加载金属圆盘的金属柱3、一个同轴探针4和设置在介质基板1下表面的接地板5；
所述微带辐射贴片2是由方形贴片6和以方形贴片6的四个顶角为圆心加载的四个半径不同的圆形贴片7组成，用以实现圆极化性能；
所述加载金属圆盘的金属柱3位于在微带辐射贴片2的四周，且与微带辐射贴片2各边的距离相同。
所述加载金属圆盘的金属柱3包括四个金属柱8和四个附加在金属柱8上方的金属圆盘9，以降低天线的剖面。
所述加载金属圆盘的金属柱3与接地板5相连接。
介质基板1为FR-4介质基板。
同轴探针4中心偏离方形贴片中心。
同轴探针4中心距离方形贴片中心11mm。
本发明提出的低剖面宽波束圆极化微带天线采用在规则微带贴片的基础上加载圆形贴片来实现圆极化性能，采用顶端加载圆盘的金属柱拓宽天线的波束宽度。该天线具有宽波束、圆极化性能，带宽较宽，剖面低，且结构简单，易于加工。
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，一种低剖面宽波束圆极化微带天线，包括一个FR-4介质基板、一个微带辐射贴片、四个加载金属圆盘的金属柱、一个同轴探针和一个接地板；
所述微带辐射贴片由方形贴片和以方形贴片四个顶角为圆心加载的四个半径不同的圆形贴片组成；
所述四个加载金属圆盘的金属柱，是在方形贴片的四周与贴片各边等距离加载四个金属柱，并在金属柱顶端加载半径相同的金属圆盘，且与接地板相连接；在贴片2的四周加载四个与贴片2各边等距离的金属柱8以拓宽天线的波束覆盖范围，在金属柱8上方附加一个金属圆盘9以降低天线的剖面；
图2和图3分别是该低剖面宽波束圆极化微带天线的俯视图和主视图。该天线优化参数为：
FR-4介质基板的尺寸为：l＝w＝60mm，h＝3mm；
方形贴片的尺寸为l1＝23.9mm，加载的四个圆片的半径分别为：r1＝4.5mm，r2＝2.6mm，r3＝1.8mm，r4＝1.4mm；
四个金属柱的直径d1＝2mm，高度为h1＝10mm；圆盘的直径为d2＝16mm，厚度为h2＝0.5mm；
同轴探针中心置于y轴上，距离方形贴片中心(坐标几何中心)d＝11mm。
考虑到结构简单，在该天线中，采用单点馈电。一个具有规则形状的微带贴片天线由单点馈电时可产生极化正交、幅度相等的两个简并模，但一般不能形成90°相位差。在微带贴片上附加一些简并分离单元，使简并正交模的谐振频率产生分离。选择合适的简并模分离单元大小，可以实现圆极化。在方形贴片的四个角处以顶角为圆心加载四个半径不同的圆片可以实现圆极化。
然后在方形贴片的四周与贴片各边等距离处加载四个金属柱，金属柱与接地板相连接，等效为单极子。利用单极子在水平方向辐射最强，而微带贴片天线在竖直方向上辐射最强，将两者的辐射进行叠加就可以展宽天线的波束宽度。
由传输线理论，一段小于四分之一波长的开路线的输入阻抗为容性，故在单极天线的顶端加载电容，相当于替代了一段短开路线，从而减小天线长度。在此采用加载金属圆盘等效于容性负载，从而降低天线的剖面。
图4是该低剖面宽波束圆极化微带天线的仿真回波损耗图。从图中可以看出，该天线在中心频率2.492GHz处-10dB阻抗带宽为17％。
图5是利用HFSS仿真软件，在工作频率为2.492GHz时该天线加载金属柱和未加载金属柱时的归一化仿真方向图对比。从图中可以看出，加载金属柱后具有更宽的波束宽度。xz面和yz面的半功率波束宽度都能达到171°，峰值增益约为2.2dB。
图6展示了在工作频率为2.492GHz时该天线的轴比变化。从图中可以看出，该天线在2.492GHz时xz面的3dB轴比波束宽度为194°，yz面的3dB轴比波束宽度为211°。该天线能够覆盖超过半球面的右旋极化波。
图7是天线轴比随频率变化的曲线，由图可以看出，该天线的3dB轴比宽带为5.8％。
因此，所述低剖面宽波束圆极化微带天线具有良好的宽波束、圆极化性能，带宽较宽，且结构简单、易于加工。

Claims (6)

1.一种低剖面宽波束圆极化微带天线，其特征在于：包括介质基板(1)、设置在介质基板(1)上表面的微带辐射贴片(2)、四个加载金属圆盘的金属柱(3)、一个同轴探针(4)和设置在介质基板(1)下表面的接地板(5)；
所述微带辐射贴片(2)是由方形贴片(6)和以方形贴片(6)的四个顶角为圆心加载的四个半径不同的圆形贴片(7)组成；
所述加载金属圆盘的金属柱(3)位于在微带辐射贴片(2)的四周，且与微带辐射贴片(2)各边的距离相同。
2.根据权利要求1所述的低剖面宽波束圆极化微带天线，其特征在于：所述加载金属圆盘的金属柱(3)包括四个金属柱(8)和四个附加在金属柱(8)上方的金属圆盘(9)。
3.根据权利要求1或2所述的低剖面宽波束圆极化微带天线，其特征在于：所述加载金属圆盘的金属柱(3)与接地板(5)相连接。
4.根据权利要求1所述的低剖面宽波束圆极化微带天线，其特征在于：所述介质基板(1)为FR-4介质基板。
5.根据权利要求1所述的低剖面宽波束圆极化微带天线，其特征在于：所述同轴探针(4)中心偏离方形贴片中心。
6.根据权利要求5所述的低剖面宽波束圆极化微带天线，其特征在于：同轴探针(4)中心距离方形贴片中心11mm。
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