CN113437499B - 圆极化微带天线以及天线阵列 - Google Patents

圆极化微带天线以及天线阵列 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种圆极化微带天线，包括：绝缘层、设置在绝缘层一面的金属接地层以及设置在绝缘层另一面的金属辐射阵子和用于为金属辐射阵子馈电的馈电网络，金属辐射阵子包括4N个金属贴片，每4个金属贴片组成一个基本小阵，基本小阵的4个金属贴片的中心排布在同一圆周上，馈电网络包括与金属贴片一一对应的微带线，各微带线的一端与对应的金属贴片相连，另一端连接阻抗变换器，阻抗变换器连接天线阵端口；通过微带线相位延迟来补偿金属贴片空间旋转产生的相位差；利用阻抗变换器使射频信号能量分成不同大小，按照顺时针或者逆时针的方向依次传输到个金属贴片。本申请提供了一种低旁瓣、窄波束、高增益、体积小、轴比带宽大的微带天线。

Description

圆极化微带天线以及天线阵列
技术领域
本发明涉及天线领域，特别是涉及圆极化微带天线以及天线阵列。
背景技术
智能交通领域中，专用短程无线通信DSRC对信号覆盖的范围有较高的要求，希望在RSU内使用较小的天线面积实现高增益、低旁瓣、窄波束、圆极化的天线性能，需要对微带天线进行组阵，通过相位、功率分配对天线阵的方向图进行综合赋形设计。
微带天线阵在馈电网络设计中，常用的馈电网络有并联馈电和串联馈电。并联馈电易于实现等幅同相馈电和不等幅同相馈电设计，但往往因为馈电网络较长使天线方向图发生畸变，在等幅同相馈电中，天线方向图的第一旁瓣电平较高。串联馈电结构紧凑、体积小巧，但该方案在串联级数较多时，馈电网络会对天线方向图有影响，且随着频率的变化，馈电网络相位变化会引起方向图偏移。
发明内容
基于此，有必要针对常用的馈电网络的上述问题，提供一种圆极化微带天线以及天线阵列。
一种圆极化微带天线，包括：绝缘层、设置在所述绝缘层一面的金属接地层以及设置在所述绝缘层另一面的金属辐射阵子和用于为所述金属辐射阵子馈电的馈电网络，所述金属辐射阵子包括4N个金属贴片，每4个所述金属贴片组成一个基本小阵，各所述基本小阵的第一金属贴片、第二金属贴片、第三金属贴片和第四金属贴片的中心排布在同一圆周上；所述馈电网络包括微带线和阻抗变换器，所述基本小阵的4个金属贴片中的第一金属贴片和第二金属贴片通过第一微带线并联组成第一并联结构，第三金属贴片和第四金属贴片通过第二微带线并联组成第二并联结构，所述第一并联结构和所述第二并联结构通过第一阻抗变换器串联，所述第一并联结构和所述第二并联结构的串联连接点通过第二阻抗变换器并联至天线阵端口；
当信号由所述天线阵端口输入各所述基本小阵时，从所述串联连接点通过所述第二阻抗变换器进行阻抗变换，从所述第一微带线和所述第一阻抗器连接处通过所述第一阻抗变换器进行阻抗变换，所述第一微带线对所述第一金属贴片和所述第二金属贴片进行相位补偿，所述第二微带线对所述第三金属贴片和所述第四金属贴片进行相位补偿，使射频信号能量分成不同大小，按照顺时针或者逆时针的方向依次传输到所述基本小阵的各金属贴片。
在其中一个实施例中，所述基本小阵的4个金属贴片呈中心对称、旋转间隔90度排布在同一圆周上。
在其中一个实施例中，所述第一微带线包括第一子段和第二子段，所述第一子段和第二子段的连接处为所述第一微带线与所述第一阻抗器的连接处，所述第一子段与所述第一金属贴片相连，所述第二子段与所述第二金属贴片相连；所述第二微带线包括第三子段和第四子段，所述第三子段和第四子段的连接处为所述串联连接点，所述第三子段与所述第三金属贴片相连，所述第四子段与所述第四金属贴片相连；
所述第二子段比所述第一子段长，所述第四子段比第三子段长，所述第一子段和所述第二子段完成所述第一金属片和所述第二金属片90度的相位补偿；所述第三子段、第四子段和第一阻抗变换器完成所述第三金属片和所述第四金属片180度的相位补偿；所述第一阻抗变换器决定基本小阵的4个金属贴片的功率分配。
在其中一个实施例中，所述第一阻抗变换器包括第一子阻抗段和第二子阻抗段，所述第一子阻抗段和所述第一微带线相连，所述第二子阻抗段和所述第二微带线相连，所述第一子阻抗段的线宽为2.26mm，线长为8.9mm；所述第二子阻抗段的线宽为1.1mm，线长为89.1mm；所述第二阻抗变换器包括第三子阻抗段和第四子阻抗段，所述第三子阻抗段和所述第四子阻抗段上分配的功率相等；所述天线阵端口的输入阻抗为50欧姆，从所述串联连接点通过所述第二阻抗变换器对天线阵端口的输入阻抗变换至100欧姆，从所述第一子段和所述第二子段的连接处，通过所述第一阻抗变换器对天线阵端口的输入阻抗变换至100欧姆。
在其中一个实施例中，各所述基本小阵的第二阻抗变换器通过与蛇形微带相位延迟线相连后并联至所述天线阵端口。
在其中一个实施例中，所述金属贴片通过切角微扰技术实现阵元的圆极化。
在其中一个实施例中，所述金属贴片由正方形的金属贴片相对的两个角处形成切角而形成，所述切角是一等边三角形。
在其中一个实施例中，所述4个金属贴片的圆心和任一所述金属贴片的中心的连线与所述金属贴片的边垂直或平行。
在其中一个实施例中，还包括与所述基本小阵同层设置的屏蔽墙，所述屏蔽墙通过金属过孔连通所述金属接地层，所述屏蔽墙呈环形结构，且所述基本小阵位于所述屏蔽墙的环形空间内。
一种天线阵列，至少包括两个上述的圆极化微带天线。
上述圆极化微带天线以及天线阵列，相邻的两个金属贴片在空间上有一定度的相位差，连接多个金属贴片的馈电网络通过微带线相位延迟来补偿金属贴片空间旋转产生的相位差，以达到展宽天线阵轴比带宽目的；利用阻抗变换器使射频信号能量分成不同大小，按照顺时针或者逆时针的方向依次传输到个金属贴片；再以多个金属贴片为一组通过组阵，收窄天线波束角度，并降低天线旁瓣电平。
附图说明
图1示出了一个实施例中圆极化微带天线侧视结构图；
图2示出了一个实施例中圆极化微带天线俯视结构图；
图3示出了一个实施例中圆极化微带天线底视结构图；
在附图中，10、金属贴片；11、基本小阵；12、屏蔽墙；101、切角；21、第一子段；22、第二子段；31、第一阻抗变换器；32、第二阻抗变换器；33、第三阻抗变换器；34、第四阻抗变换器；40、天线阵端口；41、蛇形微带相位延迟线。
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。
可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。
如图1至3所示，在一个实施例中，提供了一种圆极化微带天线，绝缘层、设置在绝缘层一面的金属接地层以及设置在绝缘层另一面的金属辐射阵子和用于为金属辐射阵子馈电的馈电网络，金属辐射阵子包括4N个金属贴片10，每4个金属贴片10组成一个基本小阵11，各基本小阵11的第一金属贴片10、第二金属贴片10、第三金属贴片10和第四金属贴片10的中心排布在同一圆周上；馈电网络包括微带线和阻抗变换器，基本小阵11的4个金属贴片10中的第一金属贴片10和第二金属通过第一微带线并联组成第一并联结构，第三金属贴片10和第四金属贴片10通过第二微带线并联组成第二并联结构，第一并联结构和第二并联结构通过第一阻抗变换器串联，第一并联结构和第二并联结构的串联连接点通过第二阻抗变换器并联至天线阵端口；
当信号由天线阵端口输入各基本小阵11时，从串联连接点通过第二阻抗变换器进行阻抗变换，从第一微带线和第一阻抗器连接处通过第一阻抗变换器进行阻抗变换，第一微带线对第一金属贴片10和第二金属贴片10进行相位补偿，第二微带线对第三金属贴片10和第四金属贴片10进行相位补偿，使射频信号能量分成不同大小，按照顺时针或者逆时针的方向依次传输到基本小阵11的各金属贴片10。
其中：绝缘介质基板，其厚度、相对介电常数、正切损耗角参数是天线设计的重要输入要素，其中正切损耗角参数对天线阵的增益和辐射效率有明显影响，通常会选相对介电常数小的低损耗高频板做设计板材。金属接地层3，与射频接头或者射频座的外导体，方便与电路系统连接。例如，选用常用的相对介电常数为2.6，正切损耗0.0017的低损耗高频板材Arlon AD260A，考虑到结构强度问题，选择基板厚度为1.524mm，铜厚1盎司。
本实施例中，金属贴片10包括4个金属贴片10(金属贴片10)，金属贴片10在绝缘介质基板上按照4个为一基本小阵11，金属贴片10通过切角101微扰技术实现阵元的圆极化。连接4个金属贴片10的馈电网络通过微带线相位延迟来补偿金属贴片10空间旋转产生的相位差，以达到展宽天线阵轴比带宽目的；利用阻抗变换器使射频信号能量分成不同大小，按照顺时针或者逆时针的方向依次传输到金属贴片10；再以4个基本小阵为一组通过组阵，收窄天线波束角度，并降低天线旁瓣电平。
在一些实施例中，基本小阵11的4个金属贴片10呈中心对称、旋转间隔90度排布在同一圆周上。
基本小阵11包括顺时针排布的第一金属贴片10、第二金属贴片10、第三金属贴片10和第四金属贴片10，第一金属贴片10、第二金属贴片10、第三金属贴片10和第四金属贴片10分别连接第一微带线的第一子段21、第二子段22、第二微带线的第三子段和第二微带线的第四子段，第一子段21和第二子段22相连，第三子段和第四子段相连；第一子段21和第二子段22的连接处与第一子阻抗段31相连，第三子段和第四子段的连接处与第二子阻抗段32相连，且第一子阻抗段31与第二子阻抗段32相连，第三子段和第四子段的连接处连接有相互连接的第三子阻抗段33和第四子阻抗段34，第四子阻抗段34用于连接至天线阵端口40；
通过第一子段21和第二子段22之间传输的相位延迟对第一金属贴片10和第二金属贴片10的空间相位差进行相位补偿，通过第一子阻抗段31与第二子阻抗段32、第三微带线和第四微带完成第金属贴片10和第四辐射阵子的相位补偿，当信号输入时，通过第三子阻抗段33与第四子阻抗段34分配4个金属贴片10的信号强度。
在一些实施例中，基本小阵11的4个金属贴片10呈中心对称、旋转间隔90度排布在同一圆周上。
其中，将相同尺寸的4个金属贴片10以其几何中心为基准按照90度的间隔，例如，旋转陈列在直径为42.42mm的圆周上。
在一些实施例中，第一微带线包括第一子段和第二子段，第一子段和第二子段的连接处为第一微带线与第一阻抗器的连接处，第一子段与第一金属贴片10相连，第二子段与第二金属贴片10相连；第二微带线包括第三子段和第四子段，第三子段和第四子段的连接处为串联连接点，第三子段与第三金属贴片10相连，第四子段与第四金属贴片10相连；
第二子段比第一子段长，第四子段比第三子段长，第一子段和第二子段完成第一金属片和第二金属片90度的相位补偿；第三子段、第四子段和第一阻抗变换器完成第三金属片和第四金属片180度的相位补偿；第一阻抗变换器决定基本小阵11的4个金属贴片10的功率分配。
以下代入具体数据对本实施例进行工作原理的说明：第一阻抗变换器包括第一子阻抗段和第二子阻抗段，第一子阻抗段和第一微带线相连，第二子阻抗段和第二微带线相连，第一子阻抗段的线宽为2.26mm，线长为8.9mm；第二子阻抗段的线宽为1.1mm，线长为89.1mm；第二阻抗变换器包括第三子阻抗段和第四子阻抗段，第三子阻抗段和第四子阻抗段上分配的功率相等；当天线阵端口的输入阻抗为50欧姆，从串联连接点通过第二阻抗变换器对天线阵端口的输入阻抗变换至100欧姆，从第一子段和第二子段的连接处，通过第一阻抗变换器对天线阵端口的输入阻抗变换至100欧姆。相邻的两个金属贴片10通过特征阻抗为100欧姆的第一子段21、第二子段22相连接，第一子段21和第二子段22线宽为1.1mm。因为第一金属贴片10和第二金属贴片10在空间上有90度的相位差，因此需要通过90度的传输延迟线对两个金属贴片10进行相位补偿，第二子段22比第一子段21要长9.1mm。第一子段21和第二子段22连接处的特征阻抗因为两个金属贴片10的并联关系变成了50欧姆。从特征阻抗50欧姆处，通过第一子阻抗段31和第二子阻抗段32将天线端口的输入阻抗变换为100欧姆，并与另外两个相连接的金属贴片10串联起来，完成信号180度的相位补偿。第一子阻抗段31的线宽为2.26mm，线长为8.9mm；第二子阻抗段32的线宽为1.1mm，线长为89.1mm。这样，若信号从串联的连接点输入进去，将按照逆势针的方向依次输入四个金属贴片10，信号相位会依次相差90度，四个金属贴片10的信号强度分配由第一子阻抗段31和第二子阻抗段32决定，并会影响串联接点的输入阻抗值。
本实例中，四个金属贴片10的功率分配是2：2：1：1。从串联连接处，通过第三子阻抗段33和第四子阻抗段将端口的输入阻抗变换至100欧姆。最后第四子阻抗段34从基本小阵11的中心线处延伸出来。第三子阻抗段33205的线宽为1.4mm，第四子阻抗段34的线宽为0.4mm，线长均为9.1mm。
在一些实施例中，圆极化微带天线包括两个中心对称的基本小阵11。
基本小阵11通过蛇形微带相位延迟线41连通至天线阵端口40，蛇形微带相位延迟线41与第四子阻抗段34相连。
其中，两个基本小阵11组成2*4的八单元阵列。4单元金属贴片10基本小阵11旋转180度后，与原来的基本小阵11组成2*4的八单元阵列，在其中一个基本小阵11用特征阻抗为100欧姆的蛇形微带相位延迟线41进行相位补偿。两个基本小阵11连接处因并联关系，天线阵端口40302的输入阻抗为50欧姆。通过优化，两个基本小阵11的阵间距为55mm。
在一些实施例中，金属贴片10通过切角101微扰技术实现阵元的圆极化。
进一步地，金属贴片10由正方形的金属贴片10相对的两个角处形成切角101而形成，切角101是一等边三角形。
具体地，4个金属贴片10的圆心和任一金属贴片10的中心的连线与金属贴片10的边垂直或平行。即金属辐射阵子以正方形辐射片的中心为圆心在平面内旋转45度。
在一些实施例中，还包括与基本小阵11同层设置的屏蔽墙1212，屏蔽墙1212通过金属过孔连通金属接地层3，屏蔽墙12呈环形结构，且基本小阵11位于屏蔽墙1212的环形空间内。
本实施例中，屏蔽墙1212是为了降低天线表面波绕射到天线背面，达到降低背向辐射能量值，提高天线的辐射前后比。通过金属过孔连通背面的信号地上，以抑制天线阵表面波的绕射信号，提高天线阵的辐射前后比指标。例如，在距离金属贴片10边6.75mm处，设置一圈宽度为10mm屏蔽墙12，金属接地层3，与射频接头或者射频座的外导体，方便与电路系统连接。
在一些实施例中，绝缘层2为绝缘介质基板，绝缘介质基板的正切损耗不高于0.0017。
本实施例中，绝缘介质基板，其厚度、相对介电常数、正切损耗角参数是天线设计的重要输入要素，其中正切损耗角参数对天线阵的增益和辐射效率有明显影响，通常会选相对介电常数小的低损耗高频板做设计板材。例如，选用常用的相对介电常数为2.6，正切损耗0.0017的低损耗高频板材Arlon AD260A，考虑到结构强度问题，选择基板厚度为1.524mm，铜厚1盎司。
为了使该天线结构紧凑、体积小巧，在一些实施例中，每个基本小阵11的两个基本小阵11的阵间距为55mm。
容易理解的，多个(至少两个)本实施例提供的圆极化微带天线可以组成微带天线阵列。
容易理解的，根据具体的应用场景，圆极化微带天线的绝缘层2形状可以为方形、圆形、椭圆形、菱形、矩形、三角形中的任一种；接地层3的形状也可以为方形、圆形、椭圆形、菱形、矩形、三角形中的任一种，其中，以方形和矩形为优，更利于微带天线结构的设计和布局。
本实施例提供的微带天线是一种低旁瓣、窄波束、高增益、体积小、轴比带宽大的微带天线，具有小型化、结构简单、性能稳定的特点，便于内置于设备中使用，满足智能交通系统中的应用。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种圆极化微带天线，其特征在于，包括：绝缘层、设置在所述绝缘层一面的金属接地层以及设置在所述绝缘层另一面的金属辐射阵子和用于为所述金属辐射阵子馈电的馈电网络，所述金属辐射阵子包括4N个金属贴片，每4个所述金属贴片组成一个基本小阵，各所述基本小阵的第一金属贴片、第二金属贴片、第三金属贴片和第四金属贴片的中心排布在同一圆周上；所述馈电网络包括微带线和阻抗变换器，所述基本小阵的4个金属贴片中的第一金属贴片和第二金属贴片通过第一微带线并联组成第一并联结构，第三金属贴片和第四金属贴片通过第二微带线并联组成第二并联结构，所述第一并联结构和所述第二并联结构通过第一阻抗变换器串联，所述第一并联结构和所述第二并联结构的串联连接点通过第二阻抗变换器并联至天线阵端口；
当信号由所述天线阵端口输入各所述基本小阵时，从所述串联连接点通过所述第二阻抗变换器进行阻抗变换，从所述第一微带线和所述第一阻抗变换 器连接处通过所述第一阻抗变换器进行阻抗变换，所述第一微带线对所述第一金属贴片和所述第二金属贴片进行相位补偿，所述第二微带线对所述第三金属贴片和所述第四金属贴片进行相位补偿，使射频信号能量分成不同大小，按照顺时针或者逆时针的方向依次传输到所述基本小阵的各金属贴片；
所述第一微带线包括第一子段和第二子段，所述第一子段和第二子段的连接处为所述第一微带线与所述第一阻抗变换 器的连接处，所述第一子段与所述第一金属贴片相连，所述第二子段与所述第二金属贴片相连；所述第二微带线包括第三子段和第四子段，所述第三子段和第四子段的连接处为所述串联连接点，所述第三子段与所述第三金属贴片相连，所述第四子段与所述第四金属贴片相连；
所述第二子段比所述第一子段长，所述第四子段比第三子段长，所述第一子段和所述第二子段完成所述第一金属贴 片和所述第二金属贴 片90度的相位补偿；所述第三子段、第四子段和第一阻抗变换器完成所述第三金属贴 片和所述第四金属贴 片180度的相位补偿；所述第一阻抗变换器决定基本小阵的4个金属贴片的功率分配；
所述第一阻抗变换器包括第一子阻抗段和第二子阻抗段，所述第一子阻抗段和所述第一微带线相连，所述第二子阻抗段和所述第二微带线相连；所述第二阻抗变换器包括第三子阻抗段和第四子阻抗段，所述第三子阻抗段和所述第四子阻抗段上分配的功率相等。
2.如权利要求1所述的圆极化微带天线，其特征在于，所述基本小阵的4个金属贴片呈中心对称、旋转间隔90度排布在同一圆周上。
3.如权利要求2所述的圆极化微带天线，其特征在于，所述第一子阻抗段的线宽为2.26mm，线长为8.9mm；所述第二子阻抗段的线宽为1.1mm，线长为89.1mm；所述天线阵端口的输入阻抗为50欧姆，从所述串联连接点通过所述第二阻抗变换器对天线阵端口的输入阻抗变换至100欧姆，从所述第一子段和所述第二子段的连接处，通过所述第一阻抗变换器对天线阵端口的输入阻抗变换至100欧姆。
4.如权利要求3所述的圆极化微带天线，其特征在于，各所述基本小阵的第二阻抗变换器通过与蛇形微带相位延迟线相连后并联至所述天线阵端口。
5.根据权利要求1所述的圆极化微带天线，其特征在于，所述金属贴片通过切角微扰技术实现阵元的圆极化。
6.根据权利要求1所述的圆极化微带天线，其特征在于，所述金属贴片由正方形的金属贴片相对的两个角处形成切角而形成，所述切角是一等边三角形。
7.根据权利要求1所述的圆极化微带天线，其特征在于，所述4个金属贴片的圆心和任一所述金属贴片的中心的连线与所述金属贴片的边垂直或平行。
8.根据权利要求1所述的圆极化微带天线，其特征在于，还包括与所述基本小阵同层设置的屏蔽墙，所述屏蔽墙通过金属过孔连通所述金属接地层，所述屏蔽墙呈环形结构，且所述基本小阵位于所述屏蔽墙的环形空间内。
9.一种天线阵列，至少包括两个权利要求1至8任一所述的圆极化微带天线。
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