CN113937502B - 一种增益平稳的宽带缝隙圆极化天线及无线通信系统 - Google Patents

一种增益平稳的宽带缝隙圆极化天线及无线通信系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于微带天线技术领域，公开了一种增益平稳的宽带缝隙圆极化天线及无线通信系统，包括上层谐振单元、中间介质板以及下层带缝隙的地板；上层谐振单元由50欧姆的微带线连接在一个矩形贴片上组成；下层带缝隙的地板中间开设有开槽，开槽中心设置有贴片，槽和贴片之间通过两级渐变矩形贴片连接，贴片的一侧引入一截短截线，两级渐变矩形贴片由窄部分和宽部分组成，窄部分与地板开槽边缘相接，宽部分与地板中心贴片相接；地面开槽的轮廓为由6个椭圆形成的花形，贴片轮廓与开槽轮廓具有相同的形状不同的尺寸。本发明解决了微带双向圆极化天线增益不稳定和低频处增益差的问题，实现了小型化。

Description

一种增益平稳的宽带缝隙圆极化天线及无线通信系统
技术领域
本发明属于微带天线技术领域，尤其涉及一种增益平稳的宽带缝隙圆极化天线及无线通信系统。
背景技术
目前：现阶段各种无线电通信技术已经广泛应用于军事、国防、气象、生活、声场等领域，无线电通信设备已经成为了我们生活中必不可少的重要组成成分，具有很大的发展空间。各种无线通信设备的高度集成化也为现代生活提供了许多便利，而微带天线是这种小型，低成本和高度集成的通信设备的最佳选择。同时，圆极化天线不需要在发射和接收之间严格对准，可以有效减少极化损耗天线。因此，通信的需求大大促进了微带圆极化天线的研究。为了进一步减小圆极化天线的极化损耗，在过去的几年中，各种具有出色性能的双圆极化天线得到了相继研发面世。从一开始的窄带天线，不断拓展阻抗带宽和轴比带宽，现在已经出现了超宽带的微带双圆极化天线。
但是，类似阻抗失配，相位误差以及组件之间的相互耦合等问题，使得平衡双圆极化天线各项指标系数(例如回波损耗，轴比和增益)始终受到限制。特别地，大部分微带双圆极化天线在其工作频带的低频处，增益很差，无法应用于实际中。同时随着对通信设备体积和便携性的要求不断提高，因此，必须研制一种结构紧凑简单、性价比更高、低频处具有良好增益且增益稳定的小型化双圆极化天线。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的微带双圆极化天线在其工作频带的低频处，增益很差，不能够保证良好的通信效果，无法应用于实际中，而且无法适应现有的通信设备体积和便携性的要求。
解决以上问题及缺陷的难度为：
1.微带天线普遍存在损耗大，因而增益较低的问题。加之在设计过程中为了拓展一部分带宽，也会损失一些增益特性，使得拓展微带天线增益变得十分困难。
2.微带天线重量轻、体积小、剖面薄是其投入制造生产的优势，但同时也增加了小型化难度。在调整结构均衡天线各个性能时，对某个部分做细小的变动都会产生较大影响，对设计和制造精度都提出了较高要求。
解决以上问题及缺陷的意义为：
1.得到稳定增益的天线，尤其是解决好整个工作频段的低频处增益突变的问题，能保证更好的通信效果。
2.小型化天线可以满足现有的通信设备体积和便携性的要求，并且贴合通信设备高度集成化的发展趋势。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种增益平稳的宽带缝隙圆极化天线及无线通信系统。
本发明是这样实现的，一种增益平稳的宽带缝隙圆极化天线包括：
上层谐振单元、中间介质板以及下层带缝隙的地板；
所述上层谐振单元由50欧姆的微带线连接在一个矩形贴片上组成；
所述下层带缝隙的地板中间开设有开槽，所述开槽中心设置有贴片，所述槽和贴片之间通过两级渐变矩形微带连接，所述贴片的一侧引入一截短截线。
进一步，两级渐变矩形微带由窄部分和宽部分组成，窄部分与地板开槽边缘相接，宽部分与开槽边缘之间存在缝隙。
进一步，所述开槽为由6个椭圆形成的花形槽，所述贴片为与开槽具有相似形状但尺寸不同的小花形贴片。
进一步，所述上层谐振单元与两级渐变矩形微带在空间上垂直，两者形成180度相位差。
本发明的另一目的在于提供一种无线通信系统，所述无心通信系统安装有所述的增益平稳的宽带缝隙圆极化天线。
本发明的另一目的在于提供一种军事无线电通信设备，所述军事无线电通信设备安装有所述的增益平稳的宽带缝隙圆极化天线。
本发明的另一目的在于提供一种国防无线电通信设备，所述国防无线电通信设备安装有所述的增益平稳的宽带缝隙圆极化天线。
本发明的另一目的在于提供一种气象无线电通信设备，所述气象无线电通信设备安装有所述的增益平稳的宽带缝隙圆极化天线。
本发明的另一目的在于提供一种声场无线电通信设备，所述声场无线电通信设备安装有所述的增益平稳的宽带缝隙圆极化天线。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供了一种在低频处具有良好增益的微带双向圆极化宽带天线，该天线的工作带宽可以完全覆盖常用的通信频段(1.7-2.7GHz)。同时，所提出的天线总体积仅为0.28λ×0.28λ×0.005λ(λ为低频处自由空间波长)，实现了小型化设计。在整个工作频段内增益变化小于0.5dBic。特别是，低频处的天线增益可以比类似的微带天线高出0.5-1dBic。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的增益平稳的宽带缝隙圆极化天线整体结构示意图。
图2是本发明实施例提供的宽带缝隙圆极化天线正面和背面示意图。
图3是本发明实施例提供的宽带缝隙圆极化天线在四个不同相位时电流分布图。
图4是本发明实施例提供的宽带缝隙圆极化天线阻抗带宽、轴比带宽、以及增益的仿真和实测结果图。
图5是本发明实施例提供的宽带缝隙圆极化天线在1.7GHz和2.7GHz的辐射方向图。
图中：1、上层谐振单元；2、中间介质板；3、馈电端口；4、下层带缝隙的地板；5、50欧姆的微带线；6、窄贴片；7、宽贴片；8、地面花形开槽；9、短截线；10、地面中心贴片。
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。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种增益平稳的宽带缝隙圆极化天线及无线通信系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的增益平稳的宽带缝隙圆极化天线为结构简单的贴片天线，由上层谐振单元1、中间介质板2以及下层带缝隙的地板4组成。
上层谐振单元1与下层两级渐变矩形微带在空间上垂直，自然形成180度相位差。
如图2的(a)所示，天线的上层谐振单元1由50欧姆的微带线5连接在一个矩形贴片上组成，矩形贴片(窄贴片6、宽贴片7)与开槽地板8的相对位置对阻抗带宽和轴比带宽影响较大。
如图2的(b)所示，下层带缝隙的地板中间开设有开槽，所述开槽中心设置有地面中心贴片10。
下层带缝隙的地板的开槽过程如下：先开出一个由6个椭圆形成的花形槽，在槽的中心是一个与槽具有相似形状但尺寸不同的小花形贴片，并且槽和贴片之间用一个两级渐变矩形微带连接，最后在花形贴片的一侧引入一截短截线。其中，两级渐变矩形微带的长宽和短截线的长度对天线的轴比影响较大。
地板上的两级渐变矩形微带由窄部分和宽部分组成，窄部分与地板开槽边缘相接，宽部分始终与开槽边缘之间存在一定缝隙。
在实际设计中，既可以考虑作为双向圆极化天线使用，也可以考虑作为在下方加入反射板后作为定向圆极化天线使用，可以得到更高的增益。
下面结合仿真试验对本发明的技术效果作详细的描述。
如图3所示，是天线在四个不同相位时电流分布图，直观展示了天线圆极化波的产生原理。天线的圆极化波的形成与地面缝隙轮廓和中心贴片外边沿两个结构紧密相关的。在0°相位时，槽轮廓上的合成电流沿着-Y方向，偏角φ为-45°，地面中心的金属贴片上的电流则是沿-Y方向。当ωt＝90°时，合成电流为+Y方向，偏角φ为45°，地面中心的金属贴片上内部电流沿-X方向。同理可以看出，在相位分别为180°和270°时，天线表面电流分布与0°和90°相位的方向正好相反。因此，从顺时针方向旋转的电流流向得出结论，该天线在介质板的上侧沿+Z轴向外辐射左旋圆极化波，在地面另一侧沿-Z轴方向向外辐射右旋圆极化波。
图4为该天线的仿真结果和实验测试结果。该天线的阻抗带宽可达到1560MHz(1.65-3.21GHz),轴比带宽可达到1130MHz(1.65-3.21GHz)。增益在最低频1.69GHz处可达到3.3dBic,在整个工作频段增益变化量小于0.5dBic。
图5为该天线左旋圆极化和右旋圆极化的辐射方向图，从该方向图可看出天线是双向圆极化，并且交叉极化很小。
该天线工作频段可以完全覆盖1.7-2.7GHz，阻抗带宽和轴比带宽都可以达到百分之50以上。同时在整个工作频段内增益稳定，变化量小于0.5dBic，并且在低频处增益即可达到3.3dBic。
由于地板开槽相对较大，在实际设计中，除了在馈电口一段留出足够的焊接空间，也可以通过馈电将端口引导侧边进行馈电。
天线整体尺寸为50mm*50mm*1mm，电尺寸仅有0.28λ0*0.28λ0*0.005λ0(λ0为1.69GHz时自由空间波长)，小型化程度能够满足现今大多数通信设备便携和体积的要求。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种增益平稳的宽带缝隙圆极化天线，其特征在于，所述增益平稳的宽带缝隙圆极化天线由上层谐振单元、中间介质板以及下层带缝隙的地板组成；
所述上层谐振单元由微带线连接在一个矩形贴片上组成；
所述下层带缝隙的地板中间开设有开槽，所述开槽中心设置有贴片，所述槽和贴片之间通过两级渐变矩形微带连接，所述贴片的一侧引入一截短截线；
两级渐变矩形微带由窄部分和宽部分组成，窄部分与地板开槽边缘相接，宽部分与开槽边缘之间存在缝隙；
所述开槽为由6个椭圆形成的花形槽，所述贴片为与开槽具有相似形状但尺寸不同的小花形贴片。
2.如权利要求1所述的增益平稳的宽带缝隙圆极化天线，其特征在于，所述上层谐振单元与两级渐变矩形微带在空间上垂直，两者形成180度相位差。
3.如权利要求1所述的增益平稳的宽带缝隙圆极化天线，其特征在于，所述上层谐振单元由50欧姆的微带线连接在一个矩形贴片上组成。
4.一种无线通信系统，其特征在于，所述无线通信系统安装有权利要求1~3任意一项所述的增益平稳的宽带缝隙圆极化天线。
5.一种军事无线电通信设备，其特征在于，所述军事无线电通信设备安装有权利要求1~3任意一项所述的增益平稳的宽带缝隙圆极化天线。
6.一种国防无线电通信设备，其特征在于，所述国防无线电通信设备安装有权利要求1~3任意一项所述的增益平稳的宽带缝隙圆极化天线。
7.一种气象无线电通信设备，其特征在于，所述气象无线电通信设备安装有权利要求1~3任意一项所述的增益平稳的宽带缝隙圆极化天线。
8.一种声场无线电通信设备，其特征在于，所述声场无线电通信设备安装有权利要求1~3任意一项所述的增益平稳的宽带缝隙圆极化天线。
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