CN114336029A - 一种宽带圆极化贴片天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种宽带圆极化贴片天线，包括介质基片、方形金属贴片元件、微带线、多组折叠耦合线组、三维金属地板和多个金属过孔；方形金属贴片元件、微带线和折叠耦合线组均位于介质基片的表面，三维金属地板位于介质基片的另一表面，方形金属贴片元件与微带线连接，微带线与折叠耦合线组连接，金属过孔穿透介质基片一端与折叠耦合线组连接形成并联谐振器，另一端与三维金属地板连接。本发明通过增加由金属过孔与折叠耦合线组形成的并联谐振器结构，实现拓展宽带特性的目的；同时使用微带线直接连接天线的方式，降低馈电电路的寄生辐射；并且天线辐射单元与馈电电路可以放置在介质基片的同一个表面上，便于加工和装配。
Description
技术领域
本发明属于微波通信领域，具体涉及一种宽带圆极化贴片天线。
背景技术
圆极化贴片天线在卫星通信、GPS定位等方面得到广泛应用。随着无线通信系统不断更新换代，新的应用场合对无线通信系统中天线的性能要求越来越高。圆极化天线的工作带宽越来越宽。在更小的空间内需要集成更多的天线单元，故而天线的馈电电路需要减少寄生辐射，以降低对天线整体性能的影响。从市场产品角度考虑，天线单元和馈电电路印刷在同一个介质基片上可以减低加工和装配的成本。
传统的宽带圆极化贴片天线有使用多个寄生辐射单元，但是这样增大了天线的复杂度，不便于加工和装配。利用宽带90°移相器和Wilkinson功率分配器对贴片天线馈电，拓展天线带宽，但是功率分配器的隔离电路会吸收功率，降低天线的效率，不适应于大功率的发射天线。近年来，有学者使用耦合谐振器对天线进行馈电，实现宽带圆极化特性。然而，馈电电路中的耦合结构容易产生寄生辐射，影响天线的辐射方向图。因此，易于加工装配、馈电电路寄生辐射小，同时可以拓展宽频带特性的宽带圆极化贴片天线在无线通信系统中具有较大的实用意义。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种新型的宽带圆极化贴片天线，馈电电路使用多段微带线直接连接，再并联折叠耦合线谐振器，实现拓展宽频带特性的目的。同时天线馈电结构采用直接连接的方式，有利于减少馈电电路产生的寄生辐射，降低对天线辐射的影响，并且整个天线结构可以在单层介质板实现，便于加工。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种宽带圆极化贴片天线，包括厚度小于工作频点的波长的介质基片、方形金属贴片元件、微带线、多组折叠耦合线组、三维金属地板和金属过孔；所述方形金属贴片元件、所述微带线和所述折叠耦合线组均位于所述介质基片的表面，所述三维金属地板位于所述介质基片的另一表面，所述方形金属贴片元件和所述折叠耦合线组均与所述微带线连接，所述金属过孔穿透所述介质基片一端与所述折叠耦合线组连接形成并联谐振器，另一端与所述三维金属地板连接。
进一步优化的，所述微带线包括第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线和馈电微带线；
所述第一微带线和所述第二微带线的一端分别与所述方形金属贴片元件的相邻两条边连接，所述第一微带线的另一端与所述第三微带线的一端连接，所述第二微带线的另一端与所述第四微带线的一端连接；所述第三微带线和所述第四微带线的另一端相连接；所述馈电微带线的一端与所述第三微带线连接形成馈电端口。
进一步优化的，所述第一微带线和所述第二微带线均为四分之一波长微带线。
进一步优化的，所述第一微带线和所述第二微带线与所述方形金属贴片元件的相邻两条边连接的连接点为所述的方形金属贴片元件的两条边的中心点，优先的所述方形金属贴片元件为正方形形状。
进一步优化的，所述第一微带线和所述第二微带线的电长度在中心频率上均为90°。
进一步优化的，所述第三微带线和所述第四微带线的特征阻抗均为100欧姆。
进一步优化的，所述第三微带线和所述第四微带线之间的电长度相差90°
进一步优化的，所述馈电端口的阻抗为50欧姆。
进一步优化的，所述多组折叠耦合线组由第一组折叠耦合线组和第二组折叠耦合线组组成，第一组折叠耦合线组包括第一段折叠耦合线和第二段折叠耦合线，第二组折叠耦合线组包括第三段折叠耦合线和第四段折叠耦合线，每组折叠耦合线组由两段折叠耦合线构成，第一段折叠耦合线和第二段折叠耦合线之间互相不接触且互相之间耦合，第三段折叠耦合线和第四段折叠耦合线之间互相不接触且互相之间耦合；第一段折叠耦合线、第二段折叠耦合线、第三段折叠耦合线和第四段折叠耦合线均为折叠状，相对布置。第一段折叠耦合线、第二段折叠耦合线、第三段折叠耦合线和第四段折叠耦合线的优选折叠状为垂直折叠，呈S型折叠状，相对布置
进一步优化的，所述金属过孔包括第一金属过孔和第二金属过孔，第一组折叠耦合线组和第二组折叠耦合线在所述金属贴片元件的两侧对称布置,所述第一段折叠耦合线与所述第一金属过孔连接，所述第二段折叠耦合线连接于所述第一微带线与第三微带线之间，所述第一段折叠耦合线，第二段折叠耦合线与所述第一金属过孔共同形成并联谐振器；
所述第三段折叠耦合线与第二金属过孔连接，第四段折叠耦合线连接于所述第二微带线与所述第四微带线之间；
所述第三段折叠耦合线，第四段折叠耦合线与所述第二金属过孔共同形成并联谐振器。
进一步优化的，所述的第一段折叠耦合线、第二段折叠耦合线、第三段折叠耦合线、第四段折叠耦合线的电长度为在中心频率为四分之一波长。
有益效果：本发明通过增加由金属过孔与折叠耦合线组形成的并联谐振器结构，实现拓展宽带特性的目的；同时使用微带线直接连接天线的方式，降低馈电电路的寄生辐射；并且天线辐射单元与馈电电路可以放置在介质基片的同一个表面上，剖面低、成本低、制作简单，便于加工和装配。
附图说明
图1是本发明宽带圆极化贴片天线的立体图；
图2是本发明宽带圆极化贴片天线的俯视图；
图3是本发明宽带圆极化贴片天线的输入反射系数示意图；
图4是本发明宽带圆极化贴片天线的增益曲线图；
图5是本发明宽带圆极化贴片天线的轴比曲线图；
图6是本发明宽带圆极化贴片天线在工作频率的方向图；
其中：1为介质基片，2为方形金属贴片元件，3为三维金属地板，4为第一微带线，5为第二微带线，6为第一段折叠耦合线，7为第二段折叠耦合线，8为第三段折叠耦合线，9为第四段折叠耦合线，10为第二金属过孔，11为第一金属过孔,12为第三微带线，13为第四微带线，14为馈电微带线。
具体实施方案
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明：
如图1和图2所示，一种宽带圆极化贴片天线，包括厚度小于工作频点的波长的介质基片1、方形金属贴片元件2、微带线、多组折叠耦合线组、三维金属地板3和金属过孔；所述方形金属贴片元件2、所述微带线和所述折叠耦合线组均位于所述介质基片1的表面，所述三维金属地板3位于所述介质基片1的另一表面，所述方形金属贴片元件2和所述折叠耦合线组均与所述微带线连接，所述金属过孔穿透所述介质基片1一端与所述折叠耦合线组连接形成并联谐振器，另一端与所述三维金属地板3连接。
进一步优化的，所述微带线包括第一微带线4、第二微带线5、第三微带线12、第四微带线13和馈电微带线14；
所述第一微带线4和所述第二微带线5的一端分别与所述方形金属贴片元件2的相邻两条边连接，所述第一微带线4的另一端与所述第三微带线12的一端连接，所述第二微带线5的另一端与所述第四微带线13的一端连接；所述第三微带线12和所述第四微带线13的另一端相连接；所述馈电微带线14的一端连接于所述第三微带线12和所述第四微带线13的连接处形成馈电端口。
进一步优化的，所述第一微带线4和所述第二微带线5均为四分之一波长微带线。四分之一波长的连接微带线，等同于一个四分之一波长阻抗变换器，作为方形金属贴片元件和折叠耦合线谐振器之间的耦合结构。
进一步优化的，所述方形金属贴片元件2为正方形，所述第一微带线4和所述第二微带线5与所述方形金属贴片元件2的相邻两条边连接的连接点为所述的方形金属贴片元件2的两条边的中心点。此种连接方式，分别单独激励天线TM10模和TM01模，可达到避免相互干扰的有益效果。
进一步优化的，所述第一微带线4和所述第二微带线5的电长度在中心频率上均为90°。
进一步优化的，所述第三微带线12和所述第四微带线13的特征阻抗均为100欧姆。两条100欧姆微带线并联连接后，阻抗为50欧姆，与50欧姆输入馈线匹配。
进一步优化的，所述第三微带线12和所述第四微带线13之间的电长度相差90°，可以实现天线正交辐射场的相位相差90°，满足天线圆极化辐射的条件。
进一步优化的，所述馈电端口的阻抗为50或者75欧姆。优选为50欧姆。
进一步优化的，所述多组折叠耦合线组由第一组折叠耦合线组和第二组折叠耦合线组组成，第一组折叠耦合线组包括第一段折叠耦合线6和第二段折叠耦合线7，第二组折叠耦合线组包括第三段折叠耦合线8和第四段折叠耦合线9，第一段折叠耦合线6和第二段折叠耦合线7之间互相不接触且互相之间耦合，两者之间为弱耦合，耦合度优先为小于-10db；第三段折叠耦合线8和第四段折叠耦合线9之间互相不接触且互相之间耦合,两者之间为弱耦合，耦合度优先为小于-10db；第一段折叠耦合线6、第二段折叠耦合线7、第三段折叠耦合线8和第四段折叠耦合线9均为折叠状，相对布置，优选为垂直折叠，呈S型相对布置，通过折叠方式可减少寄生辐射。
进一步优化的，所述金属过孔包括第一金属过孔11和第二金属过孔10，第一组折叠耦合线组和第二组折叠耦合线在所述金属贴片元件2的两侧对称布置,第一段折叠耦合线6、第二段折叠耦合线7与第一金属过孔11连接形成并联谐振器；第三段折叠耦合线8、第四段折叠耦合线9与第二金属过孔10连接形成并联谐振器；第一段折叠耦合线6与所述第一金属过孔11连接，第二段折叠耦合线7连接于所述第一微带线4与第三微带线12之间，优选为两者之间的连接点处；第三段折叠耦合线8与第二金属过孔10连接，第四段折叠耦合线连接于所述第二微带线5与所述第四微带线13之间，优选为两者之间的连接点处。
为了拓展天线的宽带特性，第一段折叠耦合线6、第二段折叠耦合线7和第一金属过孔11构成一个并联谐振器，方形金属贴片元件2作为天线辐射单元，四分之一波长的第一微带线4作为耦合单元连接并联谐振器与方形金属贴片元件2，这三部分可以等效为一个二阶带通滤波器网络。同样地，第三段折叠耦合线8、第四段折叠耦合线9和第二金属过孔10也构成一个并联谐振器，四分之一波长的第二微带线5作为耦合单元连接并联谐振器与方形金属贴片元件2，这三部分也等效为一个二阶带通滤波器网络。这两个带通滤波器等效电路网络设计为相同带宽和回波损耗的Chebyshev响应，因此可以起到拓展天线宽带特性的作用，同时天线的馈电电路使用直接连接的微带线，避免使用耦合结构，可以大大减少馈电电路的寄生辐射，降低对天线方向图的影响。上述的滤波器网络结构中，并联谐振器需要非常高的导纳斜率，如果使用传统的半波长或者四分之一波长谐振器，其传输线特征阻抗将会非常低，不适宜使用微带线结构实现。本发明中，第一段折叠耦合线6和第二段折叠耦合线7的电长度在中心频率优选为为四分之一波长，两段线耦合，在中心频率等效为一段四分之一波长传输线，其特征阻抗为耦合线奇偶模阻抗的差值的一半。本发明使用弱耦合，耦合线奇偶模阻抗的差值非常小，所以本发明的并联谐振器结构可以实现很高的导纳斜率，满足设计要求。第三段折叠耦合线8和第四段9也是同样原理。此外，本发明的并联谐振器结构在中心频率的低频和高频分别引入1个传输零点，如附图4所示，可以有效提高天线增益选择性。
附图3所示的本发明天线随频率变化的反射系数，可以发现，天线在5.0–5.3GHz频率内匹配良好，反射系数小于-10dB。
附图4是本发明天线的增益随频率变化特性。在中心频率附近，天线增益保持在7.8dBi左右，形成一个平坦的增益响应。在工作频带外，天线增益迅速下降，在4.83GHz和5.49GHz附近形成增益零点，天线的增益响应形成滤波特性。
附图5是本发明天线轴比随频率变化特性，可见，在工作频带内出现两个轴比最小值点，形成宽带轴比响应。
附图6是本发明天线在工作频点5.1GHz的辐射方向图，最大辐射方向位于天线正上方，具有低交叉极化。
综上所述，本发明宽带圆极化贴片天线通过增加由金属过孔与折叠耦合线组形成的并联谐振器结构，实现拓展宽带特性的目的；同时使用微带线直接连接天线的方式，降低馈电电路的寄生辐射；并且天线辐射单元与馈电电路可以放置在介质基片的同一个表面上，便于加工和装配。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种宽带圆极化贴片天线，其特征在于，包括厚度小于工作频点的波长的介质基片、方形金属贴片元件、微带线、多组折叠耦合线组、三维金属地板和多个金属过孔；所述方形金属贴片元件、所述微带线和所述折叠耦合线组均位于所述介质基片的表面，所述三维金属地板位于所述介质基片的另一表面，所述方形金属贴片元件和所述折叠耦合线组均与所述微带线连接，所述金属过孔穿透所述介质基片一端与所述折叠耦合线组连接形成并联谐振器，另一端与所述三维金属地板连接。
2.如权利要求1所述的一种宽带圆极化贴片天线，其特征在于，所述微带线包括第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线和馈电微带线；
所述第一微带线和所述第二微带线的一端分别与所述方形金属贴片元件的相邻两条边连接，所述第一微带线的另一端与所述第三微带线的一端连接，所述第二微带线的另一端与所述第四微带线的一端连接；所述第三微带线和所述第四微带线的另一端相连接；所述馈电微带线的一端与所述第三微带线连接形成馈电端口。
3.如权利要求2所述的一种宽带圆极化贴片天线，其特征在于，所述第一微带线和所述第二微带线均为四分之一波长微带线。
4.如权利要求2所述的一种宽带圆极化贴片天线，其特征在于，所述第一微带线和所述第二微带线与所述方形金属贴片元件的相邻两条边连接的连接点为所述的方形金属贴片元件的两条边的中心点。
5.如权利要求2所述的一种宽带圆极化贴片天线，其特征在于，所述第一微带线和所述第二微带线的电长度在中心频率上均为90°。
6.如权利要求2所述的一种宽带圆极化贴片天线，其特征在于，所述第三微带线和所述第四微带线的特征阻抗均为100欧姆。
7.如权利要求2所述的一种宽带圆极化贴片天线，其特征在于，所述第三微带线和所述第四微带线之间的电长度相差90°。
8.如权利要求2所述的一种宽带圆极化贴片天线，其特征在于，所述馈电端口的阻抗为50欧姆。
9.如权利要求2所述的一种宽带圆极化贴片天线，其特征在于，所述多组折叠耦合线组由第一组折叠耦合线组和第二组折叠耦合线组组成，第一组折叠耦合线组包括第一段折叠耦合线和第二段折叠耦合线，第二组折叠耦合线组包括第三段折叠耦合线和第四段折叠耦合线，第一段折叠耦合线和第二段折叠耦合线之间互相不接触且互相之间耦合，第三段折叠耦合线和第四段折叠耦合线之间互相不接触且互相之间耦合；第一段折叠耦合线、第二段折叠耦合线、第三段折叠耦合线和第四段折叠耦合线均为折叠状，相对布置；所述的第一段折叠耦合线、第二段折叠耦合线、第三段折叠耦合线、第四段折叠耦合线的电长度为在中心频率为四分之一波长。
10.如权利要求9所述的一种宽带圆极化贴片天线，其特征在于，所述金属过孔包括第一金属过孔和第二金属过孔，所述第一组折叠耦合线组和所述第二组折叠耦合线在所述金属贴片元件的两侧对称布置；
所述第一段折叠耦合线与所述第一金属过孔连接，所述第二段折叠耦合线连接于所述第一微带线与第三微带线之间；所述第一段折叠耦合线，第二段折叠耦合线与所述第一金属过孔共同形成并联谐振器；
所述第三段折叠耦合线与第二金属过孔连接，第四段折叠耦合线连接于所述第二微带线与所述第四微带线之间；所述第三段折叠耦合线，第四段折叠耦合线与所述第二金属过孔共同形成并联谐振器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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