CN113131204A - 圆极化天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种圆极化天线。所述圆极化天线包括：彼此平行的介质基板和金属地板；第一偶极子和第二偶极子，位于介质基板上并且彼此正交，第一偶极子和第二偶极子各自包括第一金属贴片和第二金属贴片，第一金属贴片的第一端部与第二金属贴片的第一端部彼此相对；以及多条电缆和移相馈电网络，第一偶极子和第二偶极子各自的第一金属贴片的第一端部经由多条电缆连接至移相馈电网络，第一偶极子和第二偶极子各自的第二金属贴片的第一端部经由多条电缆连接到金属地板，其中，介质基板和金属地板之间为空气介质。根据本发明实施例的圆极化天线，在金属贴片和金属地板之间采用低介电常数的空气介质以增大了圆极化天线的工作带宽。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种圆极化天线。
背景技术
随着无线通信技术的飞速发展，天线技术所涉及的领域越来越广泛，在许多特殊的应用中，对于天线性能的要求也越来越高。
现有技术中，是在馈电网络上添加贴片天线，以满足天顶半球形圆极化辐射的要求。但现有的技术方案存在着带宽较窄的缺陷，无法满足通信系统对天线天顶方向图的高增益和宽频带的要求。
因此，希望能有一种新的圆极化天线能够满足通信系统中对天顶方向图高增益和宽频带的要求。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供了一种圆极化天线，其中，采用低介电常数的空气介质实现宽频带，采用金属辐射腔提高在天顶方向的增益。
根据本发明的实施例，提供一种圆极化天线，包括：彼此平行的介质基板和金属地板；第一偶极子和第二偶极子，位于所述介质基板上并且彼此正交，所述第一偶极子和所述第二偶极子各自包括第一金属贴片和第二金属贴片，所述第一金属贴片的第一端部与所述第二金属贴片的第一端部彼此相对；以及多条电缆和移相馈电网络，所述第一偶极子和所述第二偶极子各自的第一金属贴片的第一端部经由所述多条电缆连接至所述移相馈电网络，所述第一偶极子和所述第二偶极子各自的第二金属贴片的第一端部经由所述多条电缆连接到所述金属地板，其中，所述介质基板和所述金属地板之间为空气介质。
优选地，所述第一金属贴片和所述第二金属贴片分别为矩形形状，并且所述第一端部分别为所述矩形在沿其长度方向上切角之后的侧边，使得所述第一金属贴片和所述第二金属贴片的主体部分的宽度大于所述第一端部的宽度。
优选地，所述第一偶极子的第一金属贴片、第二金属贴片以及所述第二偶极子的第一金属贴片、第二金属贴片排列成中心对称的形状。
优选地，所述第一偶极子的第一金属贴片、第二金属贴片以及所述第二偶极子的第一金属贴片、第二金属贴片排列成十字形。
优选地，所述第一端部的所述切角包括所述矩形在沿其长度方向上对称设置的两个角。
优选地，所述移相馈电网络位于所述金属地板上。
优选地，所述介质基板和/或所述金属地板为圆形。
优选地，所述第一金属贴片和所述第二金属贴片呈中心对称；所述介质基板的中心和所述金属地板的中心和所述中心对称的中心共线。
优选地，所述多条电缆包括四条电缆。
优选地，所述馈电网络包括公共的馈入端，以及从所述馈入端分别沿第一路径延伸至的第一馈出端和沿第二路径延伸至的第二馈出端。
优选地，所述第一路径和所述第二路径围绕成至少一个移相环。
优选地，还包括：金属辐射腔，所述金属辐射腔围绕所述介质基板和所述金属地板，并且开口部分暴露所述第一偶极子和所述第二偶极子。
根据本发明实施例的圆极化天线，采用一对正交的偶极子辐射/接收电磁波，在介质基板和金属地板之间采用低介电常数的空气介质，以及通过移相馈电网络进行馈电，从而可以实现高增益和宽频带。
在优选的实施例中，采用多条电缆提供移相馈电网络的电连接和机械支撑，从而可以省去用于支撑移相馈电网络的介质基板，或者减小用于支撑移相馈电网络的介质基板的面积。该圆极化天线的设计减小了移相馈电网络的支撑结构引入的介质损耗，从而可以进一步利用空气介质增大工作带宽。
在优选的实施例中，该对偶极子的四个金属贴片排列成十字形，第一端部彼此相对或彼此邻近，并且主体部分的宽度大于第一端部的宽度，该设计可以增大金属贴片的宽度以增大工作带宽。
在优选的实施例中，采用金属辐射腔围绕介质基板和金属地板，并且金属辐射腔的开口部分暴露该对偶极子，该开口部分朝向天顶方向，从而采用金属辐射腔的设计提高了圆极化天线在天顶方向的增益。
根据本发明实施例的圆极化天线，可以应用于L波段通信系统。在满足通信系统对天线要求的基础上，天线驻波≤1.5的工作带宽达到了55.9％。同时圆极化天线在宽频带的前提下提高了低仰角上方向图的增益，使得天线在天顶方向的覆盖范围更加宽广。根据本发明实施例的圆极化天线还采用了金属谐振腔的设计，提高了天线在天顶方向的增益，使天线的增益达到了5至8dBi。该圆极化天线可以减少通信系统在天顶方向的盲区，弥补现有通信系统的不足，使通信系统实现天顶方向140°锥角内的全空域覆盖。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出了根据本发明第一实施例的圆极化天线的立体结构示意图；
图2a和2b分别示出了根据本发明第一实施例的圆极化天线的主视图和俯视图；
图3a和3b分别示出了根据本发明第二实施例的圆极化天线的主视图和俯视图；
图4示出了根据本发明第二实施例的圆极化天线的电压驻波比曲线图；
图5示出了根据本发明第二实施例的圆极化天线在1.25GHz时的增益方向图；
图6示出了根据本发明第二实施例的圆极化天线在1.5GHz时的增益方向图；
图7示出了根据本发明第二实施例的圆极化天线在1.735GHz时的增益方向图；
图8示出了根据本发明第二实施例的圆极化天线在2GHz时的增益方向图；
图9示出了根据本发明第二实施例的圆极化天线在2.22GHz时的水平面增益方向图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如部件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
应当理解，在描述部件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将部件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。
图1示出了根据本发明第一实施例的圆极化天线的立体结构示意图。图2a和2b分别示出了根据本发明第一实施例的圆极化天线的主视图和俯视图。圆极化天线100包括介质基板110、金属地板120、第一偶极子111、第二偶极子112、移相馈电网络130、多条电缆140。
介质基板110和金属地板120彼此平行，二者之间为低介电常数的空气介质。
第一偶极子111和第二偶极子112位于介质基板110上。第一偶极子111包括第一金属贴片111a和第二金属贴片111b，第一金属贴片111a的第一端部与第二金属贴片111b的第一端部彼此相对。第二偶极子112包括第一金属贴片112a和第二金属贴片112b，第一金属贴片112a的第一端部与第二金属贴片112b的第一端部彼此相对。圆极化天线100既可以用作发射天线也可以用作接收天线，其中，偶极子的金属贴片用于辐射和/或接收电磁波。
第一偶极子111和第二偶极子112彼此正交。优选地，第一偶极子111的第一金属贴片111a、第二金属贴片111b以及第二偶极子112的第一金属贴片112a、第二金属贴片112b排列成中心对称的形状，例如十字形。第一偶极子111和第二偶极子112的这种排列方式可以有效减小天线的体积，并且提供良好的圆极化特性。进一步地，第一偶极子111和第二偶极子112的金属贴片的主体部分的宽度大于第一端部的宽度。该设计可以增大金属贴片的主体部分的宽度，从而增大圆极化天线的工作带宽。在该实施例中，第一偶极子111和第二偶极子112的金属贴片分别为矩形形状，并且第一端部分别为矩形在沿其长度方向上切角之后的侧边。可选地，第一端部的切角包括矩形在沿其长度方向上对称设置的两个角。
在该实施例中，介质基板和/或金属地板为圆形。可选地，介质基板的中心、金属地板的中心和金属贴片呈中心对称的中心，这三个中心共线。
在该实施例中，介质基板110例如为第一印刷电路板的基板，第一偶极子111的第一金属贴片、第二金属贴片以及第二偶极子112的第一金属贴片、第二金属贴片由第一印刷电路板的铜层形成。
移相馈电网络130位于介质基板110和金属地板120之间。移相馈电网络130包括公共的馈入端131，以及从馈入端131分别沿第一路径延伸至的第一馈出端132和沿第二路径延伸至的第二馈出端133。移相馈电网络130第一路径和第二路径围绕成至少一个移相环。
在该实施例中，移相馈电网络130例如由第二印刷电路板的铜层形成。
多条电缆140包括第一组电缆和第二组电缆，第一组电缆分别与移相馈电网络130相连接，第二组电缆与金属地板120相连接。第一偶极子111和第二偶极子112各自的第一金属贴片的第一端部经由第一组电缆连接至移相馈电网络130，第一偶极子111和第二偶极子112各自的第二金属贴片的第一端部经由第二组电缆连接到金属地板120。可选地，多条电缆140包括四条电缆。
在该实施例中，多条电缆140不仅用于提供电连接，而且作为至少一些部件的支撑结构。一方面，第一组电缆为移相馈电网络130提供机械支撑，另一方面，第二组电缆提供介质基板110和金属地板120之间的机械支撑。优选地，多条电缆140为半钢同轴电缆。
采用第一组电缆支撑移相馈电网络130，可以省去用于支撑移相馈电网络的介质基板，或者减小用于支撑移相馈电网络的介质基板的面积。该圆极化天线的设计减小了移相馈电网络的支撑结构引入的介质损耗，从而可以进一步利用空气介质增大工作带宽。
图3a和3b分别示出了根据本发明第二实施例的圆极化天线的主视图和俯视图。
根据第二实施例的圆极化天线200与根据第一实施例的圆极化天线100的不同之处在于还包括附加的金属辐射腔150。为了简明起见，以下仅对两个实施例的不同之处进行说明，对相同之处不再详述。
金属辐射腔150围绕介质基板110和金属地板120，并且开口部分暴露第一偶极子111和第二偶极子112。例如，金属辐射腔15为圆筒状，具有开口端和封闭端，在其内部容纳介质基板110和金属地板120，以及移相馈电网络130，在开口端暴露第一偶极子111和第二偶极子112。金属辐射腔150用于提高圆极化天线200在天顶方向的增益。
在该实施例中，移相馈电网络130例如位于金属地板120上。金属地板120为移相馈电网络130提供支撑。
图4示出了根据本发明第二实施例的圆极化天线的电压驻波比曲线图。具体地，图4示出了根据本发明实施例的圆极化天线在1.25GHz至2.22GHz频段内的电压驻波比。从图中可以看出，圆极化天线在全频段内电压驻波比≤1.5，天线的阻抗带宽达到了970MHz。
图5示出了根据本发明第二实施例的圆极化天线在1.25GHz时的增益方向图。如图5所示，最大增益为5.3dBi，低仰角增益为-2.2dBi。
图6示出了根据本发明第二实施例的圆极化天线在1.5GHz时的增益方向图。如图6所示，最大增益为6.8dBi，低仰角增益为-0.9dBi。
图7示出了根据本发明第二实施例的圆极化天线在1.735GHz时的增益方向图。如图7所示，最大增益为7.3dBi，低仰角增益为-2.1dBi。
图8示出了根据本发明第二实施例的圆极化天线在2GHz时的增益方向图。如图8所示，最大增益为8.5dBi，低仰角增益为-3.5dBi。
图9示出了根据本发明第二实施例的圆极化天线在2.22GHz时的水平面增益方向图。如图9所示，最大增益为8.4dBi，低仰角增益为-6dBi。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (12)
1.一种圆极化天线，其特征在于，包括：
彼此平行的介质基板和金属地板；
第一偶极子和第二偶极子，位于所述介质基板上并且彼此正交，所述第一偶极子和所述第二偶极子各自包括第一金属贴片和第二金属贴片，所述第一金属贴片的第一端部与所述第二金属贴片的第一端部彼此相对；以及
多条电缆和移相馈电网络，所述第一偶极子和所述第二偶极子各自的第一金属贴片的第一端部经由所述多条电缆连接至所述移相馈电网络，所述第一偶极子和所述第二偶极子各自的第二金属贴片的第一端部经由所述多条电缆连接到所述金属地板，
其中，所述介质基板和所述金属地板之间为空气介质。
2.根据权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述第一金属贴片和所述第二金属贴片分别为矩形形状，并且所述第一端部分别为所述矩形在沿其长度方向上切角之后的侧边，使得所述第一金属贴片和所述第二金属贴片的主体部分的宽度大于所述第一端部的宽度。
3.根据权利要求2所述的圆极化天线，其特征在于，所述第一偶极子的第一金属贴片、第二金属贴片以及所述第二偶极子的第一金属贴片、第二金属贴片排列成中心对称的形状。
4.根据权利要求3所述的圆极化天线，其特征在于，所述第一偶极子的第一金属贴片、第二金属贴片以及所述第二偶极子的第一金属贴片、第二金属贴片排列成十字形。
5.根据权利要求2所述的圆极化天线，其特征在于，所述第一端部的所述切角包括所述矩形在沿其长度方向上对称设置的两个角。
6.根据权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述移相馈电网络位于所述金属地板上。
7.根据权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述介质基板和/或所述金属地板为圆形。
8.根据权利要求7所述的圆极化天线，其特征在于，所述第一金属贴片和所述第二金属贴片呈中心对称；
所述介质基板的中心和所述金属地板的中心和所述中心对称的中心共线。
9.根据权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述多条电缆包括四条电缆。
10.根据权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述馈电网络包括公共的馈入端，以及从所述馈入端分别沿第一路径延伸至的第一馈出端和沿第二路径延伸至的第二馈出端。
11.根据权利要求10所述的圆极化天线，其特征在于，所述第一路径和所述第二路径围绕成至少一个移相环。
12.根据权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，还包括：金属辐射腔，所述金属辐射腔围绕所述介质基板和所述金属地板，并且开口部分暴露所述第一偶极子和所述第二偶极子。
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