CN114421151B - 赋形全向圆极化天线 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种赋形全向圆极化天线，包括微带阵、馈电网络和底板。微带阵包括介质基板和刻蚀于介质基板表面的辐射层，介质基板中心处设有过孔，辐射层边缘最远点距离过孔的距离为一个介质波长，微带阵还设有至少一个馈电孔。馈电网络与微带阵间隔设置，馈电网络通过馈针连接馈电孔。底板位于馈电网络与微带阵相背的一侧，底板通过导电短路柱连接过孔。在上述方案中，一方面通过将辐射层边缘最远点距离过孔的距离为一个介质波长，以减少接收端的极化损失；另一方面还通过将馈电网络与微带阵间隔设置，使得馈电网络和微带阵之间存在空气间隙，通过空气介质较低的介电常数中和介质基板的介电常数，以使总体介电常数下降，从而增加天线带宽。

Description

赋形全向圆极化天线

技术领域

本申请涉及天线技术领域，特别是涉及一种赋形全向圆极化天线。

背景技术

随着全球导航卫星定位系统(GNSS系统)的发展，导航信号在室内的运用也越来越重要，主要是把卫星导航信号，引入车库、隧道、高层建筑室内等一些卫星信号照射盲区。

导航信号为圆极化信号，现有室内分布天线技术主要采用的垂直极化天线，利用金属底板反射的原理形成垂直极化的方向图下倾的天线方向图。采用垂直极化的天线发射，接收端有3dB（分贝）的极化损失。为了减少接收端的极化损失，可以在发射端增加功放功率，或者可以增加发射天线的增益。发射端增加功放的功率增加了功耗，缩短了系统的待机时间，增加了用电量，而增加发射天线的增益则方向图的覆盖范围会变小。

发明内容

基于此，有必要提供一种赋形全向圆极化天线，旨在解决现有技术存在的极化损失较大的问题。

本申请提供一种赋形全向圆极化天线，包括微带阵、馈电网络和底板。所述微带阵包括介质基板和刻蚀于所述介质基板表面的辐射层，所述介质基板的中心处设有过孔，所述辐射层边缘最远点距离所述过孔的距离为一个介质波长，所述微带阵还设有至少一个馈电孔。所述馈电网络与所述微带阵间隔设置，所述馈电网络通过馈针连接所述馈电孔。所述底板位于所述馈电网络与所述微带阵相背的一侧，所述底板通过导电短路柱连接所述过孔。

在上述方案中，一方面通过将辐射层边缘最远点距离过孔的距离为一个介质波长，以减少接收端的极化损失；另一方面，还通过将馈电网络与微带阵间隔设置，使得馈电网络和微带阵之间存在空气间隙，通过空气介质较低的介电常数中和介质基板的介电常数，以使总体介电常数下降，从而增加天线带宽。

在任意实施方式中，所述赋形全向圆极化天线还包括天线罩，所述天线罩包覆所述微带阵和所述馈电网络。

在任意实施方式中，所述辐射层包括多个相连接的单元，多个单元绕所述过孔沿周向均匀分布，且每个单元分别对应一个馈电孔。

在任意实施方式中，每个单元均呈正方形结构，每个单元距离所述过孔最远的边角为边缘点，所述边缘点距离所述过孔的距离为一个介质波长。

在任意实施方式中，多个单元相连接处朝向单元内部凹设并形成连接块，所述连接块呈正方形结构，且所述过孔位于所述连接块的内部。

在任意实施方式中，多个所述馈电孔沿所述连接块的边缘均布。

在任意实施方式中，所述微带阵和所述馈电网络之间设有多个绝缘支撑。

在任意实施方式中，所述馈电网络包括输入口和输出口，所述输出口连接所述馈针。

在任意实施方式中，所述微带阵采用微带板加工而成。

在任意实施方式中，所述馈电网络为功分器，所述功分器由3dB电桥搭建而成。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施方式及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

为了更清楚地说明本申请实施方式中的技术方案，下面将对实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施方式，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是本申请一实施方式所示的赋形全向圆极化天线的分解结构示意图；

图2是图1中的微带阵的结构示意图；

图3是图1中的馈电网络的结构示意图；

图4是图3中的馈电网络的原理示意图；

图5是本申请一实施方式所示的赋形全向圆极化天线的V面方向图；

图6是本申请一实施方式所示的赋形全向圆极化天线在145°的E面方向图。

附图标记说明：

100、赋形全向圆极化天线；110、微带阵；111、介质基板；112、辐射层；1121、单元；1122、边缘点；1123、连接块；113、过孔；114、馈电孔；120、馈电网络；121、输入口；122、输出口；130、馈针；140、底板；150、导电短路柱；160、天线罩；170、绝缘支撑；180、连接器。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施方式的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

在本申请实施方式的描述中，术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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申请和简化描述，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申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

下面结合附图，说明本申请的较佳实施方式。

如图1所示，为本申请一实施方式展示的一种赋形全向圆极化天线100，包括微带阵110、馈电网络120和底板140。微带阵110包括介质基板111和刻蚀于介质基板111表面的辐射层112，介质基板111的中心处设有过孔113，辐射层112边缘最远点距离过孔113的距离为一个介质波长，微带阵110还设有至少一个馈电孔114。馈电网络120与微带阵110间隔设置，馈电网络120通过馈针130连接馈电孔114。底板140位于馈电网络120与微带阵110相背的一侧，底板140通过导电短路柱150连接过孔113。

微带阵110是在一个介质基板111上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法作出一定形状的辐射层112，利用馈电网络120通过馈针130对辐射层112馈电。也就是说，介质基板111与辐射层112相背的一侧为金属薄层，以作为接地板。根据本申请的一些实施方式，可选地，微带阵110采用微带板加工而成。辐射层112采用金属材质，通常为金属辐射贴片。在一些实施方式中，介质基板111可以采用介电常数为2.2、厚度为1.5mm的双面覆铜板。

过孔113也称金属化孔，在双面板和多层板中，为连通各层之间的印制导线，在各层需要连通的导线的交汇处钻上一个公共孔，即过孔113。在工艺上，过孔113的孔壁圆柱面上用化学沉积的方法镀上一层金属，用以连通中间各层需要连通的导线，而过孔113的上下两面做成圆形焊盘形状，过孔113的参数主要有孔的外径和钻孔尺寸。过孔113属于接地类型的过孔，作用是给信号提供一个最短的回流路径。

介质波长为电磁波在赋形全向圆极化天线100传播时的波长，具体可以通过介质基板111的介电常数、介质基板111的厚度以及馈电网络120与微带阵110之间的空气间隙的空气介电常数、空气间隙的厚度计算得出或通过仿真模拟得出。计算公式均为公知常识，本申请不作赘述。

馈电网络120用于保证圆极化工作条件，馈电孔114的数量可以是多个，多个馈电孔114对应多个馈针130，馈针130用于有效地传输信号能量到辐射层112。馈电网络120使得多个馈电孔114处的振幅相等且相位相差90°。馈针130本身不应拾取或产生杂散干扰信号。

馈电网络120与微带阵110间隔设置，馈电网络120和微带阵110之间存在空气间隙，通过空气介质较低的介电常数中和介质基板111的介电常数，以使总体介电常数下降，从而增加天线带宽。

底板140和介质基板111所设置的金属薄层分别为微带阵110和馈电网络120的接地板，通过导电短路柱150将底板140和介质基板111连接起来，能够给信号提供一个最短的回流路径。在如图1和图2所示的实施方式中，导电短路柱150通过紧固螺钉连接微带阵110。

在上述方案中，一方面通过将辐射层112边缘最远点距离过孔113的距离设置为一个介质波长，以减少接收端的极化损失，增加增益；另一方面，还通过将馈电网络120与微带阵110间隔设置，使得馈电网络120和微带阵110之间存在空气间隙，通过空气介质较低的介电常数中和介质基板111的介电常数，以使总体介电常数下降，从而增加天线带宽。

请参阅图1，根据本申请的一些实施方式，可选地，赋形全向圆极化天线100还包括天线罩160。天线罩160包覆微带阵110和馈电网络120。

天线罩160用于保护微带阵110和馈电网络120免受外部环境影响，避免微带阵110和馈电网络120遇水受潮、灰尘堆积等导致的天线精度降低、寿命缩短和工作可靠性差。

在如图1所示的实施方式中，天线罩160可以采用树脂材料制成，例如采用PC（聚碳酸酯）和ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）制备，加工方式可以采用模具加工。在其他实施方式中，天线罩160也可以采用其他材料制成，例如陶瓷、玻璃陶瓷等。

请参阅图2，根据本申请的一些实施方式，可选地，辐射层112包括多个相连接的单元1121，多个单元1121绕过孔113沿周向均匀分布，并形成以过孔113为对称点的中心对称图形，且每个单元1121分别对应一个馈电孔114。

多个单元1121绕过孔113沿周向均匀分布，并形成以过孔113为对称点的中心对称图形，且多个单元1121相连接，以获得较高的增益。每个单元1121分别对应一个馈电孔114，以使得每个单元1121在馈电孔114处的振幅相等且相位相差90°。

如图2所示，在一些实施方式中，辐射层112可以包括四个相连接的单元1121，相应地，四个单元1121分别对应四个馈电孔114。

请参阅图2，根据本申请的一些实施方式，可选地，每个单元1121均呈正方形结构，每个单元1121距离过孔113最远的边角为边缘点1122，边缘点1122距离过孔113的距离为一个介质波长。

边缘点1122和过孔113之间的连线为单元1121的正方形结构的对角线，边缘点1122距离过孔113的距离为一个介质波长，即单元1121的正方形结构的对角线长度为一个介质波长。

在其他实施方式中，单元1121也可以呈菱形、圆形等结构。每个单元1121距离过孔113最远的点由单元1121自身结构决定，不论单元1121的结构形状，每个单元1121距离过孔113最远的点距离过孔113的距离均为一个介质波长。

通过将每个单元1121的边缘点1122距离过孔113的距离设为一个介质波长，可以减少接收端的极化损失，增加增益。

请参阅图2，根据本申请的一些实施方式，可选地，多个单元1121相连接处向单元1121内部凹设并形成连接块1123，连接块1123呈正方形结构，且过孔113位于连接块1123的内部。

过孔113位于连接块1123的内部，且连接块1123自身是为以过孔113为对称点的中心对称图形，以免破坏多个单元1121绕过孔113沿周向均匀分布，并形成以过孔113为对称点的中心对称图形的分布方式，从而避免造成赋形全向圆极化天线100的输出信号发生偏差。

在其他实施方式中，连接块1123也可以是圆形、菱形等结构。

请参阅图2，根据本申请的一些实施方式，可选地，多个馈电孔114沿连接块1123的边缘均布。

多个馈电孔114沿连接块1123的边缘均布，多个馈电孔114绕过孔113沿周向均匀分布，并形成以过孔113为对称点的中心对称图形，且每个馈电孔114对应连接一个单元1121，以免破坏多个单元1121的分布方式，从而避免造成赋形全向圆极化天线100的输出信号发生偏差。

在如图2所示的实施方式中，馈电孔114和单元1121的数量均为4个，4个馈电孔114分别位于连接块1123的4条边的相应位置。

请参阅图1，根据本申请的一些实施方式，可选地，微带阵110和馈电网络120之间设有多个绝缘支撑170。

每个绝缘支撑170的两端均分别固定连接于微带阵110和馈电网络120。在如图1和图2所示的实施方式中，绝缘支撑170通过紧固螺钉连接微带阵110。

优选地，多个绝缘支撑170均匀分布于馈电网络120和微带阵110的边缘。绝缘支撑170分布于馈电网络120和微带阵110的边缘以达到更好的支撑效果。在如图1和图2所示的实施方式中，绝缘支撑170的数量为4个。

请参阅图1和图3，根据本申请的一些实施方式，可选地，馈电网络120包括输入口121和输出口122，输入口121通过连接器180连接外部信号，输出口122连接馈针130。

馈电网络120用于将由输入口121输入的信号分成多路互为等幅且具有一定相位差的信号，并将这些信号由输出口122输出至微带阵110。在一些实施方式中，连接器180可以采用SMA-K连接器180。

输出口122的数量和馈电孔114的数量一一对应，且每个输出口122均通过馈针130连接与其相对应的馈电孔114。如图3所示的实施方式中，输出口122的数量可以为4个，4个输出口122所输出的信号振幅相等且相位相差90°，即四个输出口122的相位分别为0°、90°、180°和270°。

请参阅图3和图4，根据本申请的一些实施方式，可选地，馈电网络120为功分器，功分器由3dB电桥搭建而成。

功分器全称功率分配器是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时可也称为合路器。

3db电桥也叫同频合路器，它能够沿传输线路某一确定方向上对传输功率连续取样，能将一个输入信号分为两个互为等幅且具有一定相位差的信号。3db电桥包括180°电桥和90°电桥。主要用于多信号合路，提高输出信号的利用率，广泛应用室内覆盖系统中对基站信号的合路，在这种场所运用效果很好。

馈电网络120的原理图如图4所示，馈电网络120首先通过一个3db180°平面电桥，将输入信号分为两个互为等幅且具有180°相位差的信号，可以标记为0°信号和180°信号。再将两个信号分别通过一个3db90°平面电桥。0°信号经过3db90°平面电桥分为两个互为等幅且具有90°相位差的信号，标记为0°信号和90°信号。180°信号经过3db90°平面电桥分为两个互为等幅且具有90°相位差的信号，标记为180°信号和270°信号。由此可以在馈电网络120的四个输出口122获得振幅相等且相位相差90°的信号，即四个输出口122的相位分别为0°、90°、180°和270°。

请参阅图1至图4，本申请提供了一种赋形全向圆极化天线100，包括微带阵110、馈电网络120和底板140。其中，微带阵110和馈电网络120通过导电短路柱150和过孔113接地，以给信号提供一个最短的回流路径。而且微带阵110包括介质基板111和辐射层112，辐射层112包括四个相连接的正方形单元1121，每个单元1121均设有馈电孔114，并通过馈电孔114及馈针130连接馈电网络120。馈电网络120使得多个馈电孔114处的振幅相等且相位相差90°，即四个馈电孔114的相位分别为0°、90°、180°和270°。馈电网络120与微带阵110间隔设置，两者之间存在空气间隙，通过空气介质较低的介电常数中和介质基板111的介电常数，以使总体介电常数下降，从而增加天线带宽。

天线的辐射电磁场在固定距离上随角坐标分布的图形称为方向图。图5为本申请所提供的赋形全向圆极化天线100能够实现的V面方向图。常见的天线V向方向图在0°容易出现极化损失，表现在方向图上会呈现向中心点内凹的现象，可以参考图5中180°位置。而本申请所提供的赋形全向圆极化天线100，通过将辐射层112边缘最远点距离过孔113的距离为一个介质波长，以减少接收端的极化损失，增加增益，使得赋形全向圆极化天线100能够实现图5所示的V面方向图，其在0°位置没有出现极化损失，改善了现有技术中0°容易出现极化损失的问题。天线的最大辐射方向与电场方向所组成的平面叫E面，图6为本申请所提供的赋形全向圆极化天线100能够实现的在145°的E面方向图，用于体现天线的最大辐射。如图6所示，本申请所提供的赋形全向圆极化天线100在各个角度的最大辐射较均匀，且最大辐射值较强。

最后应说明的是：以上各实施方式仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施方式对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施方式技术方案的范围，其均应涵盖在本申请的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施方式中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本申请并不局限于文中公开的特定实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种赋形全向圆极化天线，其特征在于，包括：

微带阵(110)，包括介质基板(111)和刻蚀于所述介质基板(111)表面的辐射层(112)，所述介质基板(111)的中心处设有过孔(113)，所述过孔(113)与所述辐射层(112)连接，所述辐射层(112)边缘最远点距离所述过孔(113)的距离为一个介质波长，所述微带阵(110)还设有至少一个馈电孔(114)；

馈电网络(120)，与所述微带阵(110)间隔设置，所述馈电网络(120)通过馈针(130)连接所述馈电孔(114)；

底板(140)，所述底板(140)位于所述馈电网络(120)与所述微带阵(110)相背的一侧，所述底板(140)通过导电短路柱(150)连接所述过孔(113)。

2.根据权利要求1所述的赋形全向圆极化天线，其特征在于，还包括天线罩(160)，所述天线罩(160)包覆所述微带阵(110)和所述馈电网络(120)。

3.根据权利要求1所述的赋形全向圆极化天线，其特征在于，所述辐射层(112)包括多个相连接的单元(1121)，多个单元(1121)绕所述过孔(113)沿周向均匀分布，且每个单元(1121)分别对应一个馈电孔(114)。

4.根据权利要求3所述的赋形全向圆极化天线，其特征在于，每个单元(1121)均呈正方形结构，每个单元(1121)距离所述过孔(113)最远的边角为边缘点(1122)，所述边缘点(1122)距离所述过孔(113)的距离为一个介质波长。

5.根据权利要求4所述的赋形全向圆极化天线，其特征在于，多个单元(1121)相连接处朝向单元(1121)内部凹设并形成连接块(1123)，所述连接块(1123)呈正方形结构，且所述过孔(113)位于所述连接块(1123)的内部。

6.根据权利要求5所述的赋形全向圆极化天线，其特征在于，多个所述馈电孔(114)沿所述连接块(1123)的边缘均布。

7.根据权利要求1所述的赋形全向圆极化天线，其特征在于，所述微带阵(110)和所述馈电网络(120)之间设有多个绝缘支撑(170)。

8.根据权利要求1所述的赋形全向圆极化天线，其特征在于，所述馈电网络(120)包括输入口(121)和输出口(122)，所述输出口(122)连接所述馈针(130)。

9.根据权利要求1所述的赋形全向圆极化天线，其特征在于，所述微带阵(110)采用微带板加工而成。

10.根据权利要求1所述的赋形全向圆极化天线，其特征在于，所述馈电网络(120)为功分器，所述功分器由3dB电桥搭建而成。

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