CN114361784B - 一种基于共模差模的宽频带紧凑型圆极化天线 - Google Patents

一种基于共模差模的宽频带紧凑型圆极化天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于共模差模的宽频带紧凑型圆极化天线，包括印刷在介质基板上表面的环形金属结构和介质基板下表面的T形金属结构，介质基板上表面的环形金属结构中蚀刻有T形开口缝隙；T形开口缝隙外侧介质基板上表面有端口a，T形金属结构尾部有端口b；通过同轴线内芯与外导体分别连接端口a两侧金属结构实现端口a馈电；分别连接介质基板下表面T形金属结构和介质基板上表面环形金属结构实现端口b馈电；端口a和端口b等幅同相馈电时该天线可实现圆极化辐射。此天线同时兼顾圆极化天线小型化与宽频带，具有频带宽、尺寸小、结构紧凑、方向图稳定和双向辐射等优点，适合用于无线通信领域实现天线的宽频带圆极化辐射。

Description

一种基于共模差模的宽频带紧凑型圆极化天线
技术领域
本发明涉及无线通信领域中的天线设计技术，特别涉及一种基于共模差模的宽频带紧凑型圆极化天线。
背景技术
现代通信系统需要在复杂的环境和条件下实现稳定的通信，这对天线的稳定性和抗干扰性有很高的要求。圆极化因其能够避免极化损失，抑制多径干扰等优点广泛应用于射频识别、电子对抗、无线局域网和全球定位系统等领域中。随着现代无线通信技术的快速发展，人们对通信设备的带宽提出了越来越高的要求，所以近年来，宽频带圆极化天线已成为了研究的热点。传统的单馈圆极化天线带宽受限，不能满足宽频带工作的需求。传统的多馈天线需要占用较大的空间设计馈电网络，增加了圆极化天线设计的复杂度。综上，本文提出了一种基于共模差模的宽频带紧凑型圆极化天线，用于解决现有圆极化天线工作带宽与小型化的矛盾。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于共模差模的宽频带紧凑型圆极化天线，以解决现有圆极化天线小型化与宽频带难以兼顾的问题。通过两个端口等幅同相馈电，分别激励起天线的共模模式和差模模式以实现紧凑型圆极化天线的设计；并且此天线在频带内具有稳定增益，高效率、双向辐射等优点。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
本发明提供了一种基于共模差模的宽频带紧凑型圆极化天线，天线包括一块介质基板以及印刷在介质基板上表面的环形金属结构和介质基板下表面的T形金属结构，介质基板上表面的环形金属结构中蚀刻有T形开口缝隙；T形开口缝隙外侧的介质基板上表面对应有端口a，T形金属结构的尾部对应有端口b；
通过同轴线内芯与外导体分别连接端口a两侧金属结构实现端口a馈电；通过同轴线内芯和外导体分别连接介质基板下表面T形金属结构和介质基板上表面环形金属结构实现端口b馈电；
当端口a馈电时，激励起天线的差模模式，当端口b馈电时，激励起天线的共模模式；端口等幅同相馈电时，两组差模模式与共模模式的模式强度相同且正交，天线实现圆极化辐射。
上述方案中，所述环形金属结构的外沿与介质基板边长相等。
上述方案中，所述天线的介质基板以及印刷在介质基板上表面的环形金属结构和介质基板下表面T形金属结构在y轴方向上对称。
上述方案中，所述T形开口缝隙的内外侧分别开有窄缝和宽缝，端口a对应在宽缝处。
上述方案中，端口b位于介质基板侧面，T形金属结构尾部。
上述方案中，介质基板1下表面T形金属结构超出上表面环形金属结构的长度L2、Y轴枝节的宽度L3与介质基板上表面环形金属结构中的T形开口缝隙宽度W4满足关系式：(L2+L3)/W4∈[0.8,1.2]。
上述方案中，所述天线介质基板的材质为FR4，厚度为1mm。
上述方案中，天线的差模模式与共模模式极化正交，辐射强度相等并且具有90°相位差，形成圆极化辐射波。
上述方案中，天线以2.8GHz为中心频率时，公共相对带宽不低于35.7％；公共带宽包括端口a和端口b反射系数小于-10dB的带宽，轴比小于3dB的带宽。
上述方案中，天线为双向圆极化辐射，+z方向为右旋圆极化辐射，-z方向为左旋圆极化辐射，在频带内增益变化低于1dB。
本发明的特点在于：
本发明通过两个端口分别激励不同的天线工作模式，实现了天线的宽频带圆极化设计。当端口a馈电时，可以激励起此天线的两个差模模式，当端口b馈电时，可以激励起此天线的两个共模模式。该天线的差模模式与共模模式具有正交极化的特性和90°相位差。因此，当天线端口a和端口b等幅同相馈电时，两组差模模式与共模模式的模式强度相同且正交，可实现天线的宽频带圆极化辐射。
此圆极化天线具有频带宽、尺寸小、结构紧凑、方向图稳定和双向辐射等优点，适合用于射频识别、电子对抗、无线局域网和全球定位系统等领域，在无线通信领域具有很好的应用前景。
附图说明
图1为本发明一种基于共模差模的宽频带紧凑型圆极化天线的立体结构视意图；
图2为本发明一种基于共模差模的宽频带紧凑型圆极化天线的底视图；
图3为本发明一种基于共模差模的宽频带紧凑型圆极化天线的端口a和端口b的反射系数曲线图；
图4为本发明一种基于共模差模的宽频带紧凑型圆极化天线的圆极化轴比曲线图；
图5为本发明一种基于共模差模的宽频带紧凑型圆极化天线的归一化辐射方向图；
图6为本发明一种基于共模差模的宽频带紧凑型圆极化天线的增益曲线图；
图7为本发明一种基于共模差模的宽频带紧凑型圆极化天线的辐射效率曲线图；
图中：1、介质基板；2、环形金属结构；3、T形金属结构；4、端口a；5、端口b；21、T形开口缝隙。
具体实施方式
为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。
如图1所示，为本实施例一种基于共模差模的宽频带紧凑型圆极化天线的立体结构示意图。天线包括一块介质基板1以及印刷在介质基板1上表面的环形金属结构2和下表面T形金属结构3。其中，环形金属结构2的外沿与介质基板1边长相等，天线的介质基板1以及印刷在介质基板1上表面的环形金属结构2和介质基板1下表面T形金属结构3在y轴方向上对称。
介质基板1上表面环形金属结构2中蚀刻有T形开口缝隙21，T形开口缝隙21两侧的介质基板1上表面对应有端口a4，T形开口缝隙21的内外侧分别开有窄缝和宽缝，端口a4对应在宽缝处。T形金属结构3的尾部对应有端口b5，端口b5位于介质基板1侧面，T形金属结构3尾部。介质基板1下表面T形金属结构超出上表面环形金属结构的长度L2、Y轴枝节的宽度L3与介质基板上表面环形金属结构中的T形开口缝隙宽度W4应近似相等，范围为：(L2+L3)/W4∈[0.8,1.2]。
通过同轴线内芯与外导体分别连接馈电点两侧金属实现馈电；端口b5位于介质基板侧面，通过同轴线内芯和外导体分别连接馈电点下表面T形金属枝节3和上表面环形金属结构2实现馈电。端口a4和端口b5等幅同相馈电时该天线可实现圆极化辐射。
如图2所示，为本实施例一种基于共模差模的宽频带紧凑型圆极化天线的底视图。圆极化天线的介质基板尺寸为42mm×42mm，介质基板上表面的环形金属结构的宽度均为6mm。两个端口在较低的工作频段共用该环形金属辐射，产生低频的圆极化工作模式。此外，在环形金属结构内蚀刻T形开口缝隙21，可以扩展端口a在高频的阻抗带宽，端口b可以激励起介质基板下表面T型金属结构3的高频辐射模式，以实现高频段的圆极化工作模式。因此，端口a和端口b同时工作即可实现宽频带圆极化天线设计。
本发明实施例中，天线介质基板的材质为FR4，厚度为1mm。
本发明实施例中，当端口a馈电时，激励起天线的差模模式，当天线端口b馈电时，激励起天线的共模模式，两种模式极化正交，辐射强度相等并且具有90°相位差，从而形成圆极化辐射波。
本发明实施例中，天线以2.8GHz为中心频率时，公共相对带宽不低于35.7％。公共带宽包括端口a和端口b反射系数小于-10dB的带宽，轴比小于3dB的带宽。
本发明实施例中，天线为双向圆极化辐射，+z方向为右旋圆极化辐射，-z方向为左旋圆极化辐射，在频带内增益变化低于1dB。
其他结构尺寸见表1所示。
表1
结构 L<sub>0</sub> L<sub>1</sub> L<sub>2</sub> L<sub>3</sub> L<sub>4</sub> L<sub>5</sub>
尺寸(mm) 42 6 9 1 2 2
结构 W<sub>0</sub> W<sub>1</sub> W<sub>2</sub> W<sub>3</sub> W<sub>4</sub> W<sub>5</sub>
尺寸(mm) 42 6 1.4 12 11 0.1
其中：L0为介质基板1的长度，L1为介质基板1上表面环形金属结构2沿宽边的宽度，L2为介质基板1下表面T型金属结构3超出上表面环形金属2的长度，L3为介质基板1下表面T形金属结构3中沿Y轴枝节的宽度，L4为介质基板1上表面环形金属结构2中T型开口缝隙21的宽缝宽度，L5为介质基板1上表面环形金属结构2中T型开口缝隙21的窄缝宽度，W0为介质基板1的宽度，W1为介质基板1上表面环形金属结构2沿长边的宽度，W2为介质基板1下表面T型金属结构3沿X轴枝节的宽度，W3为介质基板1下表面T形金属结构3沿Y轴枝节的长度，W4为介质基板1上表面环形金属结构2中T型开口缝隙21的宽缝长度，W5为介质基板1上表面环形金属结构2中T型开口缝隙21的窄缝长度。
本发明通过两个端口分别激励不同的天线工作模式，实现了天线的宽频带圆极化设计。当端口a馈电时，可以激励起此天线的两个差模模式，当端口b馈电时，可以激励起此天线的两个共模模式。该天线的差模模式与共模模式具有正交极化的特性和90°相位差。因此，当天线端口a和端口b等幅同相馈电时，两组差模模式与共模模式的模式强度相同，可实现天线的宽频带圆极化设计。此圆极化天线具有频带宽、尺寸小、结构紧凑、方向图稳定和双向辐射等优点，适合用于射频识别、电子对抗、无线局域网和全球定位系统等领域。
本发明的效果可结合仿真结果作进一步说明：
如图3所示，为本实施例一种基于共模差模的宽频带紧凑型圆极化天线的端口a和端口b的反射系数曲线图。端口a的反射系数为|S11|，可激励起两个差模模式，工作频带为2.05-3.30GHz；端口b的反射系数为|S22|，可激励起两个共模模式，工作频带为2.15-3.30GHz。
如图4所示，为本实施例一种基于共模差模的宽频带紧凑型圆极化天线的圆极化轴比曲线图。该圆极化天线的轴比带宽为2.3-3.3GHz。因此圆极化该天线的公共工作带宽为2.3-3.3GHz，中心频率为2.8GHz，相对带宽为35.7％。
如图5所示，为本实施例一种基于共模差模的宽频带紧凑型圆极化天线的归一化辐射方向图。该圆极化天线具备双向辐射能力，3dB波瓣宽度为60°。
如图6所示，为本实施例一种基于共模差模的宽频带紧凑型圆极化天线的增益曲线图。该圆极化天线工作频带内增益变化低于1dB。
如图7所示，为本实施例一种基于共模差模的宽频带紧凑型圆极化天线的辐射效率曲线图。该圆极化天线工作频带内辐射效率大于95％。
以上对本发明所提供的一种基于共模差模的宽频带紧凑型圆极化天线进行了详细介绍，并应用了详细的结构设计参数对本发明的原理及实施方式进行了阐述及实现。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于共模差模的宽频带紧凑型圆极化天线，其特征在于，天线包括一块介质基板(1)以及印刷在介质基板(1)上表面的环形金属结构(2)和介质基板(1)下表面的T形金属结构(3)，所述天线的介质基板(1)以及印刷在介质基板(1)上表面的环形金属结构(2)和介质基板(1)下表面T形金属结构(3)在y轴方向上对称；
所述介质基板（1）下表面T形金属结构（3）的X方向枝节超出上表面环形金属结构（2）的长度L2、Y轴枝节的宽度L3与介质基板上表面环形金属结构(2)中的T形开口缝隙(21)的宽度W4满足关系式：(L2+L3)/W4∈[0.8,1.2]；
介质基板(1)上表面的环形金属结构(2)中蚀刻有T形开口缝隙(21)；T形开口缝隙(21)外侧的介质基板(1)上表面对应有端口a(4)，T形金属结构(3)的尾部对应有端口b(5)；端口b(5)位于介质基板(1)侧面，T形金属结构(3)尾部；
通过同轴线内芯与外导体分别连接端口a(4)两侧金属结构实现端口a馈电；通过同轴线内芯和外导体分别连接介质基板(1)下表面T形金属结构(3)和介质基板(1)上表面环形金属结构(2)实现端口b馈电；
当端口a馈电时，激励起天线的差模模式，当端口b馈电时，激励起天线的共模模式；端口等幅同相馈电时，两组差模模式与共模模式的模式强度相同且正交，天线实现圆极化辐射。
2.根据权利要求1所述的一种基于共模差模的宽频带紧凑型圆极化天线，其特征在于，所述环形金属结构(2)的外沿与介质基板(1)边长相等。
3.根据权利要求1所述的一种基于共模差模的宽频带紧凑型圆极化天线，其特征在于，所述T形开口缝隙(21)的内外侧分别开有窄缝和宽缝，端口a(4)对应在宽缝处。
4.根据权利要求1所述的一种基于共模差模的宽频带紧凑型圆极化天线，其特征在于，所述天线介质基板(1)的材质为FR4，厚度为1mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于共模差模的宽频带紧凑型圆极化天线，其特征在于，天线的差模模式与共模模式极化正交，辐射强度相等并且具有90°相位差，形成圆极化辐射波。
6.根据权利要求1所述的一种基于共模差模的宽频带紧凑型圆极化天线，其特征在于，天线以2.8GHz为中心频率时，公共相对带宽不低于35.7%；公共带宽包括端口a和端口b反射系数小于-10dB的带宽，轴比小于3dB的带宽。
7.根据权利要求1所述的一种基于共模差模的宽频带紧凑型圆极化天线，其特征在于，天线为双向圆极化辐射，+z方向为右旋圆极化辐射，-z方向为左旋圆极化辐射，在频带内增益变化低于1dB。
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