CN114552221A - 一种改善方向性的圆极化腔体天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改善方向性的圆极化腔体天线，包括外部腔体(3)，外部腔体(3)上设置有极化选择性吸收器(5)，外部腔体(3)内设置有双层圆极化天线阵列，双层圆极化天线阵列包括上下设置的上层介质基板(1)和下层介质基板(2)，下层介质基板(2)上设有移相馈电网络(6)，移相馈电网络(6)通过金属探针(11)馈电至上层介质基板(2)，上层介质基板(2)上设置有辐射贴片(1)。本发明提供的一种改善方向性的圆极化腔体天线，能够拓宽天线的带宽、实现方向性的改善以及提升工作频段内增益。

Description

一种改善方向性的圆极化腔体天线
技术领域
本发明涉及一种改善方向性的圆极化腔体天线，属于电子通信技术领域。
背景技术
随着人类社会的发展，人们对通信质量的要求也越来越高。天线作为发射和接收电磁波的设备，在通信系统中起着举足轻重的作用。天线是一种自由空间中的无线电波与传输线上的导行波之间的转换器，可以完成这二者之间的相互转换。如今，天线在移动通信、雷达、导航等领域都有广泛应用，已经成为远距离传递信息必不可少的条件。
相对于传统的微波天线，微带天线具有体积小、重量轻、低剖面的优点，从而得到更广泛的应用。除此之外，微带天线还有一个显著的特点，就是容易实现圆极化。如果在卫星通信中使用线极化天线对电磁波进行发射或接收，波在穿过电离层时会发生法拉第旋转效应，抗干扰性差，从而信号会出现极化失配而影响通信质量。而采用圆极化天线则不会存在这样的问题，因为圆极化天线可以接收任意的线极化波，当圆极化天线作为发射天线的时候，也同样可以用线极化天线来接收，在此过程中不会产生极化失配。因此圆极化天线被广泛应用于军事领域。在移动通信、全球定位系统、卫星通信等领域中。
随着时代的发展，现代无线通信技术对天线带宽、增益、方向性等性能有了更高要求，而传统的微带天线阵列仅能实现狭义的带宽扩展，不能实现方向性的改善。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的缺陷，提供一种改善方向性的圆极化腔体天线，能够拓宽天线的带宽、实现方向性的改善以及提升工作频段内增益。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种改善方向性的圆极化腔体天线，包括外部腔体，所述外部腔体上设置有极化选择性吸收器，所述外部腔体内设置有双层圆极化天线阵列，所述双层圆极化天线阵列包括上下设置的上层介质基板和下层介质基板，所述下层介质基板上设有移相馈电网络，所述移相馈电网络通过金属探针馈电至所述上层介质基板，所述上层介质基板上设置有辐射贴片。
所述外部腔体为方形结构，所述外部腔体每个侧面设置有四个所述极化选择性吸收器。
所述极化选择性吸收器正面包括上下设置的T型金属和旋转枝节，所述极化选择性吸收器背面设置有金属不规则槽，所述金属不规则槽由圆环槽和截角的方环槽组成。
所述外部腔体的材质为FR4，厚度为6mm，相对介电常数为4.4，损耗角正切值为0.02。
所述金属不规则槽之间加载有两个电阻。
所述辐射贴片个数为4个，形状为月牙形结构，是由一个圆形辐射贴片裁剪去一个圆形贴片而得到。
所述上层介质基板和下层介质基板的材质均为F4B，厚度均为0.5mm，相对介电常数均为2.2，损耗角正切值均为0.003。
所述移相馈电网络包括第一威尔金森功分器，所述第一威尔金森功分器分别连接有180°移相器和第三威尔金森功分器，所述180°移相器连接有第二威尔金森功分器，所述第二威尔金森功分器分别连接有第一90°移相器和微带线，所述第三威尔金森功分器分别连接有第二90°移相器和微带线，所述第一威尔金森功分器、第二威尔金森功分器和第三威尔金森功分器的输入端口均连接两段长度为λg/4的微带线，两段微带线之间加载有隔离电阻。
所述180°移相器包括三条支路，其中第一条支路为长度为λg/2的微带线，第二条支路由两条短路的电长度为λg/8的微带线组成，第三条支路由两条开路的电长度为λg/8的微带线组成，λg表示输入信号在5GHz时的工作波长。
所述移相馈电网络为立体结构，所述移相馈电网络设有四个垂直于所述下层介质基板的竖直介质基板，四个所述竖直介质基板上分别设置有端口1的第一90°移相器和端口3的第二90°移相器以及端口2和端口4的微带线。
本发明的有益效果：本发明提供的一种改善方向性的圆极化腔体天线，突破了传统圆极化天线的设计思路，在双层圆极化天线阵列结构之外设有具有抑制交叉极化功能的外部腔体，能够拓宽天线的带宽、实现方向性的改善以及提升工作频段内增益；本发明通过使用立体的移相馈电网络，大大减少了馈电网络与辐射贴片之间的耦合；本发明具有设计新颖、成本较低和应用范围广等特点。
附图说明
图1是本发明一种改善方向性的圆极化腔体天线的三维结构示意图；
图2是本发明中内部双层天线的结构示意图；
图3是本发明中介质基板上微带线的结构示意图；
图4是本发明中移相馈电网络的结构示意图；
图5是本发明中极化选择性吸收器的结构示意图；
图6是本发明中极化选择性吸收器左右旋吸收曲线示意图；
图7是本发明中双层天线加入具有极化选择性吸收器的腔体与加入金属腔体在5GHz处的3dB角度带宽对比示意图：(a)0°，(b)90°；
图8是本发明中|S11|曲线示意图；
图9是本发明中轴比曲线示意图；
图10是本发明中增益曲线示意图；
图11是本发明中5GHz处方向图的示意图：(a)0°，(b)90°。
图中附图标记如下：1-辐射贴片；2-下层介质基板；3-外部腔体；4-上层介质基板；5-选择性极化吸收器；6-移相馈电网络；7-竖向介质基板；8-第一威尔金森功分器；9-第一90°移相器；10-180°移相器；11-金属探针；12-电阻；13-第二威尔金森功分器；14-第三威尔金森功分器；15-第二90°移相器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1到图5所示，本发明提供一种改善方向性的圆极化腔体天线，包括外部腔体3，外部腔体3上设置有极化选择性吸收器5，外部腔体3内设置有双层圆极化天线阵列，双层圆极化天线阵列包括上下设置的上层介质基板1和下层介质基板2，下层介质基板2上设有移相馈电网络6，移相馈电网络6通过金属探针11馈电至上层介质基板2，上层介质基板2上设置有辐射贴片1。本发明的天线从下层介质基板2的侧面馈电，输入信号经移相馈电网络6至金属探针11，激励四个辐射贴片1向外辐射圆极化波。用设有极化选择性吸收器5的外部腔体3，在提升增益的同时还可以在较宽的频带范围内吸收交叉极化以改善方向性。
外部腔体3为方形结构，材质为FR4，厚度为6mm，相对介电常数为4.4，损耗角正切值为0.02。外部腔体3底部挖有一个长40mm、宽40mm、高6mm的槽，外部腔体3每个侧面设置有四个极化选择性吸收器5。
极化选择性吸收器5正面为一个不对称的金属结构和三个金属枝节，包括上下设置的T型金属和旋转枝节，旋转枝节个数为3个，旋转角度为30°。极化选择性吸收器5背面设置有金属不规则槽，金属不规则槽由圆环槽和截角的方环槽组成。金属不规则槽之间加载有两个电阻12，电阻12的阻值为390Ω，通过设置电阻以改变电流路径。
辐射贴片1个数为4个，形状为月牙形结构，四个月牙形辐射贴片1呈中心对称分布在上层介质基板2上，辐射贴片1是由一个半径为12mm的圆形辐射贴片裁剪去一个半径为10mm的圆形贴片而得到。
上层介质基板1和下层介质基板2的材质均为F4B，厚度均为0.5mm，相对介电常数均为2.2，损耗角正切值均为0.003。
移相馈电网络6包括第一威尔金森功分器8，第一威尔金森功分器8连接有180°移相器10以及通过弯曲的微带线连接第三威尔金森功分器14，输入信号通过第一威尔金森功分器8等分成两路信号，分别通过180°移相器和弯曲的微带线。180°移相器10连接有第二威尔金森功分器13，第二威尔金森功分器13分别连接有第一90°移相器9和微带线，第三威尔金森功分器14分别连接有第二90°移相器15和微带线，第一威尔金森功分器8、第二威尔金森功分器13和第三威尔金森功分器14的输入端口均连接两段长度为λg/4的微带线，两段微带线之间加载有隔离电阻。
180°移相器10包括三条支路，其中第一条支路为长度为λg/2的微带线，第二条支路由两条短路的电长度为λg/8的微带线组成，第三条支路由两条开路的电长度为λg/8的微带线组成，λg表示输入信号在5GHz时的工作波长。
移相馈电网络6为立体结构，移相馈电网络6设有四个垂直于下层介质基板2的竖直介质基板7，四个竖直介质基板7上分别设置有端口1的第一90°移相器9和端口3的第二90°移相器15以及端口2和端口4的微带线，四个端口分别连接金属探针11。
本发明提出的一种改善方向性的圆极化腔体天线的具体结构参数如表1所示：
表1
参数 l<sub>1</sub> l<sub>2</sub> r<sub>1</sub> r<sub>2</sub> h<sub>1</sub> h<sub>2</sub> h<sub>3</sub> h<sub>4</sub>
值(mm) 65 28 12 10.3 0.5 11 9 3
参数 h<sub>5</sub> w<sub>1</sub> w<sub>2</sub> w<sub>3</sub> w<sub>4</sub> w<sub>5</sub> d<sub>1</sub> d<sub>2</sub>
值(mm) 6 1.5 0.66 0.84 1.1 0.2 2.4 2
参数 d<sub>3</sub> d<sub>4</sub> a<sub>1</sub> a<sub>2</sub> a<sub>3</sub> b<sub>1</sub>
值(mm) 10 9 1.1 1.1 1.1 65.5
图6显示了是发明中极化选择性吸收器左右旋吸收曲线示意图，从图中可以看出在4.8GHz左右左旋圆极化吸收率最高，可以达到99％，而此时右旋圆极化的吸收率为30％左右，将此极化选择性吸收器与天线结合可以改善天线的方向性。如图7所示，使用具有极化选择性吸收结构的腔体相比使用金属腔体的天线的3dB角度带宽有30°左右的改善。本发明提供的天线阵列中心频率工作在5GHz，有效阻抗带宽为3.47-6.88GHz，有效相对阻抗带宽为68.2％，如图8所示。有效轴比带宽为3.52-7.19GHz，有效相对轴比带宽为73.4％，如图9所示。该天线的有效带宽为3.52-6.88GHz，有效相对带宽为67.2％。最大增益可达到15.56dBi，如图10所示。本发明阵列在5GHz处的方向图如图11所示，可以看出其方向图具有较好的对称性。
本发明提供的天线阵列，突破了传统圆极化天线的设计思路，将双层的圆极化天线阵与极化选择性吸收器结合。本发明通过移相馈电网络与威尔金森功分器和移相器相结合，实现了超宽的带宽。并且通过设有极化选择性吸收器的腔体在获得高增益的同时改善了方向性。该天线同时具有设计新颖、材料易得、成本较低、应用范围广等特点。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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 (10)

1.一种改善方向性的圆极化腔体天线，其特征在于：包括外部腔体(3)，所述外部腔体(3)上设置有极化选择性吸收器(5)，所述外部腔体(3)内设置有双层圆极化天线阵列，所述双层圆极化天线阵列包括上下设置的上层介质基板(1)和下层介质基板(2)，所述下层介质基板(2)上设有移相馈电网络(6)，所述移相馈电网络(6)通过金属探针(11)馈电至所述上层介质基板(2)，所述上层介质基板(2)上设置有辐射贴片(1)。
2.根据权利要求1所述的一种改善方向性的圆极化腔体天线，其特征在于：所述外部腔体(3)为方形结构，所述外部腔体(3)每个侧面设置有四个所述极化选择性吸收器(5)。
3.根据权利要求1所述的一种改善方向性的圆极化腔体天线，其特征在于：所述极化选择性吸收器(5)正面包括上下设置的T型金属和旋转枝节，所述极化选择性吸收器(5)背面设置有金属不规则槽，所述金属不规则槽由圆环槽和截角的方环槽组成。
4.根据权利要求1所述的一种改善方向性的圆极化腔体天线，其特征在于：所述外部腔体(3)的材质为FR4，厚度为6mm，相对介电常数为4.4，损耗角正切值为0.02。
5.根据权利要求3所述的一种改善方向性的圆极化腔体天线，其特征在于：所述金属不规则槽之间加载有两个电阻(12)。
6.根据权利要求1所述的一种改善方向性的圆极化腔体天线，其特征在于：所述辐射贴片(1)个数为4个，形状为月牙形结构，是由一个圆形辐射贴片裁剪去一个圆形贴片而得到。
7.根据权利要求1所述的一种改善方向性的圆极化腔体天线，其特征在于：所述上层介质基板(1)和下层介质基板(2)的材质均为F4B，厚度均为0.5mm，相对介电常数均为2.2，损耗角正切值均为0.003。
8.根据权利要求1所述的一种改善方向性的圆极化腔体天线，其特征在于：所述移相馈电网络(6)包括第一威尔金森功分器(8)，所述第一威尔金森功分器(8)分别连接有180°移相器(10)和第三威尔金森功分器(14)，所述180°移相器(10)连接有第二威尔金森功分器(13)，所述第二威尔金森功分器(13)分别连接有第一90°移相器(9)和微带线，所述第三威尔金森功分器(14)分别连接有第二90°移相器(15)和微带线，所述第一威尔金森功分器(8)、第二威尔金森功分器(13)和第三威尔金森功分器(14)的输入端口均连接两段长度为λg/4的微带线，两段微带线之间加载有隔离电阻。
9.根据权利要求8所述的一种改善方向性的圆极化腔体天线，其特征在于：所述180°移相器(10)包括三条支路，其中第一条支路为长度为λg/2的微带线，第二条支路由两条短路的电长度为λg/8的微带线组成，第三条支路由两条开路的电长度为λg/8的微带线组成，λg表示输入信号在5GHz时的工作波长。
10.根据权利要求8所述的一种改善方向性的圆极化腔体天线，其特征在于：所述移相馈电网络(6)为立体结构，所述移相馈电网络(6)设有四个垂直于所述下层介质基板(2)的竖直介质基板(7)，四个所述竖直介质基板(7)上分别设置有端口1的第一90°移相器(9)和端口3的第二90°移相器(15)以及端口2和端口4的微带线。
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