CN113270730A - 一种顺序旋转馈电的圆极化阵列天线 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种顺序旋转馈电的圆极化阵列天线，其特征在于，包括：辐射顶板、馈电网络及底板，所述辐射顶板与馈电网络通过第一连接件间隔的连接，所述辐射顶板包括复数辐射单元，其分别通过耦接至馈电网络，所述底板配置于所述馈电网络的远离所述辐射顶板侧，作为天线反射板。该圆极化阵列天线具有体积小、增益高、剖面低的特点，可用于在建隧道等受限空间应用场景，且能工作LTE(1.7‑2.7GHz)频段。

Description

一种顺序旋转馈电的圆极化阵列天线

技术领域

本申请涉及天线技术领域，具体地涉及一种顺序旋转馈电网络的圆极化阵列天线。

背景技术

随着卫星通信、导航定位以及射频识别系统的快速发展，圆极化天线引起了广泛的关注。由于圆极化天线可以接收任何方向的入射波，并且可以显著降低多径效应，减少时延扩散，有效降低误码率，提高通信可靠性。

近年来，国内外学者提出了多款宽频带、高增益、低剖面带有顺序旋转馈电的圆极化天线。文献[Hu W,Wen G,Inserra D,et al.A Circularly Polarized Antenna Arraywith Gain Enhancement for Long-Range UHF RFIDSystems[J].Electronics,2019,8(4)]提出一种2×2顺序旋转的微带贴片圆极化阵列天线，通过使用串联功分形式来实现四个端口幅度相等相位依次产生90°，其3dB轴比带宽为18.2％(828-994MHz)对应的峰值增益为12.5dBi。但其天线反射板尺寸较大而且不易于安装生产。文献[Ibrahim K M,Hassan WM,Abdallah E A,et al.Wideband sequential feeding network for Ku-band dualcircularly polarized 4×4antenna array[J].International Journal of RF andMicrowave Computer-Aided Engineering,2020(11)]提出一种双圆极化4×4阵列天线。所设计的馈电网络由2个顺序旋转馈电网络组成。通过在馈电网络中添加适当的短节来补偿馈电网络之间的耦合效应。天线圆极化性能良好，且具有较小尺寸。但是其馈电网络复杂，耦合变量较多，不便于设计制作。文献[Verma A,Arrawatia M,Kumar G.BroadbandSeries-fed Circularly Polarized Microstrip Antenna Array[C]//2020IEEEInternational Symposium on Antennas and Propagation and North American RadioScience Meeting.IEEE,2020]采用四个顺序旋转的微带圆极化微带天线与一个圆极化贴片天线相连组成。中心贴片由两个正交的L探针进行馈电。文献[Ong C S,Karim M F,Ong LC,et al.A 2×4circularly polarized antenna Array for WLAN applications[C]//Asia-Pacific Microwave Conference 2011.IEEE,2012]展示了一款紧凑型的2.45GHz圆极化天线和2×4天线阵列，该圆极化特性是利用圆形贴片上的不平衡槽实现的，并且采用顺序旋转馈电方案设计了一组2×4的天线阵列。3dB轴比带宽大于45MHz,增益为12.5dBi。除了要考虑受限空间内圆极化阵列天线与移动设别之间通信的有效性，还要考虑圆极化阵列天线的鲁棒性，另外的受限空间可能会使圆极化阵列天线阻抗带宽和轴比带宽有一些频偏，还要求运行于LTE频段的圆极化阵列天线阻抗带宽及轴比带宽有一定冗余量。现有的圆极化阵列天线在此方面还存在一些不足。

为此需要改进现有的圆极化阵列天线。

发明内容

为克服上述缺陷点，本申请的目的在于：提出一种新型顺序旋转馈电网络的小型化圆极化阵列天线，其具有圆极化、低剖面、结构简单、便于加工生产等特点。

为实现上述目的，本申请采用如下的技术方案：

一种顺序旋转馈电的圆极化阵列天线，其特征在于，包括：

辐射顶板、馈电网络及底板，

所述辐射顶板与馈电网络通过第一连接件间隔的连接，

所述辐射顶板包括复数辐射端，其分别通过耦接至馈电网络，每个辐射端包括对2个辐射单元，

所述底板配置于所述馈电网络的远离所述辐射顶板侧，作为天线反射板。

优选的，该辐射顶板包括3个或4个辐射端，其分别通过耦接至馈电网络。

优选的，该每个辐射端包括对2个对称的辐射单元，所述辐射端的中心在同一圆上，且所述辐射端沿所述圆顺序旋转(如顺时针/逆时针旋转，3个辐射端时旋转120°，4个辐射端时旋转90°，其他数量时类似方式旋转)相同的角度均匀分布。

优选的，该辐射单元的中心在同一圆上，且沿该圆均匀的分布。

优选的，该顺序旋转馈电的圆极化阵列天线，其特征在于，包括：

所述辐射单元包括：圆形辐射基片及具有弧形切角的寄生单元，

所述寄生单元均匀的配置于圆形辐射基片的四周。

优选的，该圆极化阵列天线，其特征在于，还包括：矩形枝节，

所述矩形枝节配置于圆形辐射基片上且对称配置，用以改变电流路径、拓宽天线阻抗带宽。

优选的，该辐射顶板利用M3铜柱连接辐射顶板和馈电网络。

优选的，该矩形枝节与辐射基片一体设计。优选的，该馈电网络包括：7个三阶威尔金森功分器、4个45°希夫曼移相器、2个90°希夫曼移相器和1个180°希夫曼移相器组成。

优选的，该辐射顶板包括辐射顶板包括8个依次旋转45°配置的辐射单元，其分别与匹配的端口通过加入等长的微带线连接至圆形辐射基片。

优选的，该底板为铝板，所述铝板配置呈铝板的边缘具有向辐射顶板侧弯折的折弯部。

优选的，该铝板上配置有矩形枝节。所述矩形枝节位于所述铝板中心的偏左预设位置。

有益效果

与现有技术相比，本申请实施方式的圆极化阵列天线具有：较宽的阻抗带宽、轴比带宽，良好的圆极化性能；且天线的结构简单、具有高增益、低剖面、小型化等优点，且便于安装。圆极化阵列天线可用于在建隧道等受限空间应用场景。

附图说明

图1为本申请实施例的天线仿真模型图；

图2为本申请实施例的天线结构示意图；

图3为本申请实施例的天线单元布局示意图；

图4为本申请实施例的馈电网络俯视图；

图5为本申请实施例的馈电网络性能仿真图；

图6为本申请实施例的天线阻抗仿真图

图7为本申请实施例的天线回波损耗仿真图；

图8为本申请实施例的天线增益和轴比仿真图；

图9为本申请实施例的天线2.2GHz频点辐射方向图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以如具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

本申请提供一种圆极化阵列天线，其包括：辐射顶板、馈电网络及底板，

辐射顶板与馈电网络通过第一连接件间隔的连接，辐射顶板包括复数辐射端，每个辐射端包含2个对称的辐射单元，辐射端通过耦接至馈电网络，底板配置于馈电网络的远离辐射顶板侧，作为天线反射板。该辐射端间隔的配置，其中心皆处于半径R的圆上。该第一/第二连接件皆为铜柱。该圆极化阵列天线通过由三阶威尔金森和希夫曼移相器所组合的功分移相网络，可以有效激励天线的圆极化特性；通过在馈电网络中加入T型匹配枝节可以达到拓展带宽的效果；在天线辐射单元上加载一个关于左右对称的矩形枝节结构，延长电流路径，有效拓展带宽；通过增加四个寄生单元，使得圆形辐射基片耦合到寄生单元增加辐射面积，并且可以通过调节寄生单元与圆形辐射基片距离来调节轴比带宽及增益平稳度；采用法兰盘NKF射频同轴连接器进行馈电，便于安装固定且具有良好的匹配特性。

该圆极化阵列天线具有体积小、增益高、剖面低的特点，可用于在建隧道等受限空间应用场景，且能工作LTE(1.7-2.7GHz)频段的具有顺序旋转馈电网络的圆极化阵列天线。将圆极化天线应用到在建隧道等受限空间内可以有效减少通信覆盖盲区，提升数据通信质量，降低误码率。通过在施工隧道环境下架设圆极化阵列天线，从天线架设处向隧道内步行，间隔一定距离进行场强和数据下载速率测试，并通过拨打电话和微信视频通话等方式进行实际通信效果测试。

接下来结合附图1及图2来描述本申请提出的圆极化阵列天线(下称天线)。

如图1所示为天线的仿真模型示意图，图2为天线的结构示意图。

天线结构如图2所示，该天线包括：辐射顶板10、馈电网络20及底板30，

在辐射顶板10与馈电网络20之间具有空气间隙，

该辐射顶板10包括八个辐射单元11，其分别通过连接件(如M3铜柱)连接辐射顶板和馈电网络，

该底板30包括：铝板，其位于天线最下侧，作为天线反射板使用。

本申请实施方式中参数配置为：L1＝70.5mm，L2＝280mm，L3＝350mm，H1＝0.8mm，H2＝1mm，H3＝7.5mm，H4＝8mm，R1＝120Ω，R2＝221Ω，R3＝324Ω。较佳的，该八单元辐射单元的中心在同一圆上，且沿该圆均匀的分布。在一实施方式中，底板(通过涂布、粘胶、贴合或螺丝固定等方式)配置馈电网络的介质基板的一侧。馈电网络20包括馈电口21，用以连接馈电端。

该天线的工作原理如下：天线采用法兰盘NKF射频同轴连接器进行馈电，其在2.2GHz时天线端输入阻抗为：61+j*1.66Ω。并且使用宽为2.72mm的50欧姆微带线连接具有相位顺序旋转特性的馈电网络，从而实现圆极化特性。馈电网络满足相位差0°、45°、90°、180°、225°、270°、315°、360°等幅值。

该辐射单元包括：圆形辐射基片，采用圆形可以有效提升天线增益。

在圆形辐射基片的四边配置寄生单元及矩形枝节，通过加入该寄生单元可以改善天线轴比及增益平衡度。配置左右两个矩形枝节可以改变电流路径，拓宽天线阻抗带宽。辐射单元利用四根M3铜柱连接辐射顶板和馈电网络，这样设计便于生产组装，更加可靠稳定。

该辐射顶板上的辐射单元布局如图3示，八个顺序旋转的辐射单元组成。

每一个辐射单元11都包括：一个圆形辐射基片11a，两个左右对称的矩形枝节11c以及四个弧形切角的寄生单元11b。本实施方式中，介质基板选用相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02厚度为h1，长宽均为L1的FR4基板。辐射单元11呈正方形或四方形(参见图3)。

辐射顶板和馈电网络通过复数(如32个M3*h3的)铜柱间隔连接，该间隔为空气间隙。

该馈电网络，包括介质基板，其一侧配有馈电层，与馈电层相对的一侧配置有底部金属平面，其俯视图如图4所示。馈电网络(馈电层)包括：7个三阶威尔金森功分器23、4个45°希夫曼移相器24、2个90°希夫曼移相器25和1个180°希夫曼移相器26组成，通过图4的摆放配置可以使Port2-Port9端口产生幅度相等相位依次相差45°的右旋圆极化波，实现圆极化。馈电网络还包括T-型匹配结构22。通过法兰盘NKF射频同轴连接器(图未示)进行馈电，在馈电网络中加入二阶T型匹配枝节可获得良好的阻抗匹配特性。该方式利用功分器与移相器相连接形成功分移相器，180°功分移相器的两个输出端口与2个90°功分移相器相连接，90°功分移相器的两个输出端口与两个45°功分移相器相连接，为了满足相位依次相差45°(参见图4)。本实施方式中，介质基板选用的F4-B基板，其相对介电常数为2.65,损耗角正切为0.002，厚度为H2，长宽均为L2。天线的最下面设有厚度为1.5mm，长宽均为L2的铝板，其主要作用是作为天线的反射板其尺寸大小影响增益大小。辐射顶板包括8个依次旋转45°配置的辐射单元，其分别与匹配的端口通过加入等长的微带线进行连接(连接至圆形辐射基片11a的预设连接点)，这样可以确保激励的天线上的信号仍然可以满足幅度相等相位依次相差45°的右旋圆极化波。

在一实施方式中，为了进一步减小天线尺寸，将铝板四边进行弯折，弯折的高度为H4，弯折后的天线阵列使得天线增益进一步提升。在弯折铝板处中心偏左预设位置(如15mm位置)处挖去一个宽度为10mm高为H4的矩形枝节，可以使得整个LTE频段增益稳定在15dBi以上。

接下来结合图5-9来描述上述天线的性能。

图5所示为馈电网络性能表现图，馈电端口的反射系数在1.5-2.9GHz内都小于-10dB。S21、S31、S41、S51、S61、S71、S81和S91在1.7-2.7GHz频段内均低于9.7dB，考虑到三阶的功分器的损耗为9dB，馈电网络带来的内部损耗为0.7dB左右。在1.7-2.7GHz内，相位能够保持在45°±8°的精度范围内。

图6为天线阻抗仿真图，其在中心频率2.2GHz时天线端输入阻抗为：61+j*1.66Ω。

图7为本发明天线回波损耗仿真图，从图中可以看出，仿真结果的-10dB阻抗带宽为1.31GHz，从1.52GHz到2.83GHz，可以覆盖整个LTE频段。

图8展示了阵列天线增益和轴比的仿真图，从图中可以看天线在1.7GHz-2.7GHz增益几乎都在15dBi以上，最高增益可到17.6dBi左右，其轴比在1.5GHz-3GHz均在3dB以内满足圆极化要求。

图9给出了该天线在2.2GHz频点处辐射方向图。在狭长直通隧道环境下公网覆盖距离大于1千米，可以满足移动设备的正常数据传输。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡如本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种顺序旋转馈电的圆极化阵列天线，其特征在于，包括：

辐射顶板、馈电网络及底板，

所述辐射顶板与馈电网络通过连接件间隔的连接，

所述辐射顶板包括复数辐射端，其分别通过耦接至馈电网络，每个辐射端包括:2个辐射单元，

所述底板配置于所述馈电网络的远离所述辐射顶板侧，用以作天线反射板。

2.如权利要求1所述的顺序旋转馈电的圆极化阵列天线，其特征在于，所述辐射顶板包括：3个或4个辐射端，所述辐射端分别耦接至馈电网络。

3.如权利要求1或2所述的顺序旋转馈电的圆极化阵列天线，其特征在于，包括：

每个辐射端包括：2个辐射单元，所述辐射端的中心处在同一圆上，且所述辐射端沿所述圆顺序旋转相同的角度分布。

4.如权利要求1所述的顺序旋转馈电的圆极化阵列天线，其特征在于，

所述辐射单元的中心在同一圆上，且沿所述圆顺序旋转相同的角度分布。

5.如权利要求1所述的顺序旋转馈电的圆极化阵列天线，其特征在于，

所述辐射单元包括：圆形辐射基片及具有弧形切角的寄生单元，

所述寄生单元均匀的配置于圆形辐射基片外侧的四周，所述辐射单元呈正方形或四方形。

6.如权利要求5所述的顺序旋转馈电的圆极化阵列天线，其特征在于，还包括：矩形枝节，

所述矩形枝节配置于圆形辐射基片上且对称配置，用以改变电流路径、拓宽天线阻抗带宽。

7.如权利要求6所述的顺序旋转馈电的圆极化阵列天线，其特征在于，

所述矩形枝节与辐射基片一体设计。

8.如权利要求1所述的顺序旋转馈电的圆极化阵列天线，其特征在于，所述辐射顶板包括：8个依次旋转45°配置的辐射单元，所述辐射单元分别与匹配的端口通过加入等长的微带线连接至圆形辐射基片。

9.如权利要求1所述的顺序旋转馈电的圆极化阵列天线，其特征在于，

所述底板为铝板，所述铝板配置呈铝板的边缘具有向辐射顶板侧弯折的折弯部。

10.如权利要求9所述的顺序旋转馈电的圆极化阵列天线，其特征在于，所述铝板上配置有矩形枝节。所述矩形枝节位于所述铝板中心的偏左预设位置。

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