CN114976621B - 一种高增益双贴片圆极化滤波天线及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高增益双贴片圆极化滤波天线，其特征在于：包括第一介质基板和第二介质基板，第一介质基板上设置第一辐射贴片，第二介质基板上设置第二辐射贴片；所述第二介质基板位于第一介质基板的上方，且二者之间有间距。本发明还公开了一种高增益双贴片圆极化滤波天线的设计方法。本发明的天线结构简单，没有额外的滤波电路但实现了很好的滤波效果；天线的增益曲线具有很好的平整度，因此具有很好的稳定性，且两个辐射零点可调控；天线轴比带宽相对于已有的无额外滤波电路的圆极化滤波天线结构来说更宽。

Description

一种高增益双贴片圆极化滤波天线及设计方法
技术领域
本发明涉及通信和天线技术领域，尤其是一种高增益双贴片圆极化滤波天线及设计方法。
背景技术
在传统的设计概念中，滤波器和天线是射频前端的两个关键元素，通常需要独立设计，然后通过额外的传输线进行级联，以抑制不必要的信号。这些额外的线路不仅带来了插入损耗，降低了系统的性能，而且还占用了额外的电路面积。因此，将天线与滤波器组合成滤波天线，在现代工程中具有必要的现实意义。
近年来，滤波天线的概念被提出并进行了广泛的研究。特别是，圆极化滤波天线由于可以消除极化失配而受到越来越多的关注，这是在无线局域网(WLAN)系统中所需要的。目前，大多数圆极化滤波天线都是通过在圆极化天线的馈电结构中添加一个带通滤波器来实现的，或者通过合成方法将圆极化天线的辐射器与一个带通滤波器集成来实现的。这样，就可以实现相当好的滤波响应，但由于仍然需要外部滤波器或滤波网络，因此集成级别是有限的。此外，由于滤波器/滤波网络不可避免的插入损耗，所产生的滤波天线的实现增益和效率一般在一定程度上降低了。
寄生元件在通带旁引入辐射零值，抑制近阻带内的辐射，从而实现带通滤波响应，该方法已广泛应用于线极化滤波天线的设计。到目前为止，使用这种方法设计的圆极化滤波天线很少，因为使用简单的寄生元件同时考虑滤波和圆极化性能相对困难。到目前为止，设计一个不使用额外滤波电路/网络、结构简单的圆极化滤波天线仍然是一个挑战。
发明内容
本发明的首要目的在于提供一种结构简单、天线的增益曲线具有很好的平整度，具有很好的稳定性的高增益双贴片圆极化滤波天线。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种高增益双贴片圆极化滤波天线，包括第一介质基板和第二介质基板，第一介质基板上设置第一辐射贴片，第二介质基板上设置第二辐射贴片；所述第二介质基板位于第一介质基板的上方，且二者之间有间距。
所述第一介质基板的下板面上设置金属地板，第一介质基板和金属地板上设置同轴馈线。
所述第一辐射贴片的中心位置处开设一个矩形槽，在矩形槽位置处设有一个四分之三圆形枝节，四分之三圆形枝节的两端通过两个I形枝节连接到第一辐射贴片上；第一辐射贴片沿周边开设倒U形槽。
所述第二辐射贴片的中心位置处开设一个环形槽。
本发明的另一目的在于提供一种高增益双贴片圆极化滤波天线的设计方法，该方法包括下列顺序的步骤：
(1)建立初始双贴片天线模型即第一Ant模型，第一Ant模型由第一介质基板和第二介质基板组成，第一介质基板上设置第一辐射贴片，第二介质基板上设置第二辐射贴片，第一辐射贴片的中心位置处开设一个矩形槽，在矩形槽位置处设有一个四分之三圆形枝节，四分之三圆形枝节的两端通过两个I形枝节连接到第一辐射贴片上；
(2)在第一Ant模型的第二辐射贴片上开设一个环形槽，形成第二Ant模型；
(3)在第一Ant模型的基础上，在第一辐射贴片上沿周边开设倒U形槽，形成第三Ant模型；
(4)对第三Ant模型进行仿真优化，并对天线参数进行分析；
(5)通过对圆极化辐射频点的天线表面电流进行分析，来解释圆极化辐射产生的原理；
(6)通过对辐射零点处的天线表面电流分布进行分析，解释两个辐射零点产生的原理。
由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：第一点，本发明的天线结构简单，没有额外的滤波电路但实现了很好的滤波效果；第二，天线的增益曲线具有很好的平整度，因此具有很好的稳定性，且两个辐射零点可调控；第三，天线轴比带宽相对于已有的无额外滤波电路的圆极化滤波天线结构来说更宽；第四，因为同时考虑滤波和圆极化性能相对困难，到目前为止，设计一个不使用额外滤波电路/网络、结构简单的圆极化滤波天线仍然是一个挑战，本发明为解决这个问题给出了答案。
附图说明
图1是本发明的主视图；
图2是本发明的俯视图；
图3是本发明中第一辐射贴片的结构示意图；
图4是本发明中第二辐射贴片的结构示意图；
图5是本发明的回波损耗图；
图6是本发明的轴比参数图；
图7是本发明的辐射增益图；
图8是参考天线和本天线的研制过程图；
图9是参考天线和本天线的反射系数图；
图10是参考天线和本天线的轴比参数图；
图11是参考天线和本天线的辐射增益图；
图12是不同g长度的滤波天线的增益示意图；
图13是不同b4长度的滤波天线的增益示意图；
图14是第一Ant模型下天线的第一辐射贴片、第二辐射贴片在圆极化辐射频点下相位差为90度时的电流流向分布示意图；
图15是第二Ant模型下天线的第一辐射贴片、第二辐射贴片在圆极化辐射频点下相位差为90度时的电流流向分布示意图；
图16是第三Ant模型下天线在较低辐射零频率(1.32GHz)下的电流分布示意图；
图17是第三Ant模型下天线在较高辐射零频率(2.68GHz)下的电流分布示意图。
具体实施方式
如图1、2、3、4所示，一种高增益双贴片圆极化滤波天线，包括第一介质基板1和第二介质基板2，第一介质基板1上设置第一辐射贴片4，第二介质基板2上设置第二辐射贴片10；所述第二介质基板2位于第一介质基板1的上方，且二者之间有间距。
所述第一介质基板1的下板面上设置金属地板3，第一介质基板1和金属地板3上设置同轴馈线5。
所述第一辐射贴片4的中心位置处开设一个矩形槽9，在矩形槽9位置处设有一个四分之三圆形枝节6，四分之三圆形枝节6的两端通过两个I形枝节7连接到第一辐射贴片4上；第一辐射贴片4沿周边开设倒U形槽8。
所述第二辐射贴片10的中心位置处开设一个环形槽11。
本方法包括下列顺序的步骤：
(1)建立初始双贴片天线模型即第一Ant模型，第一Ant模型由第一介质基板1和第二介质基板2组成，第一介质基板1上设置第一辐射贴片4，第二介质基板2上设置第二辐射贴片10，第一辐射贴片4的中心位置处开设一个矩形槽9，在矩形槽9位置处设有一个四分之三圆形枝节6，四分之三圆形枝节6的两端通过两个I形枝节7连接到第一辐射贴片4上；
(2)在第一Ant模型的第二辐射贴片10上开设一个环形槽11，形成第二Ant模型；
(3)在第一Ant模型的基础上，在第一辐射贴片4上沿周边开设倒U形槽8，形成第三Ant模型；
(4)对第三Ant模型进行仿真优化，并对天线参数进行分析；
(5)通过对圆极化辐射频点的天线表面电流进行分析，来解释圆极化辐射产生的原理；
(6)通过对辐射零点处的天线表面电流分布进行分析，解释两个辐射零点产生的原理。
以下结合图1至图17作进一步的说明。
从第一Ant模型到第三Ant模型的参考天线的研制过程如图8所示，参考天线与拟建天线的地面尺寸相同。图9、图10和图11分别描述了天线的反射系数、其轴比参数和已实现的增益。首先，第一Ant模型由第一介质基板1和第二介质基板2组成，第一介质基板1上设置第一辐射贴片4，第二介质基板2上设置第二辐射贴片10，第一辐射贴片4的中心位置处开设一个矩形槽9，在矩形槽9位置处设有一个四分之三圆形枝节6，四分之三圆形枝节6的两端通过两个I形枝节7连接到第一辐射贴片4上，此四分之三圆形枝节6具有良好的九十度相位差，使天线辐射产生了圆极化辐射的趋势在图10中可以看出。从图9中可以看出，它的阻抗匹配不好，需要进一步对其进行阻抗匹配，其阻抗带宽范围是1.84GHz至2.23GHz。而且从图11中可以看出说明该天线没有明显的滤波性能。
接下来，在第二辐射贴片10上开出一个环形槽11，形成第二Ant模型。如图9所示，第二Ant模型的阻抗并没有变好，但是在图11中可以看出，天线在高频段引入了辐射零点，提高了天线高频段的频率选择性。并且从图10可以看到相对于第一Ant模型来讲，第二Ant模型很好的提高了其圆极化辐射。因此第二Ant模型完成了圆极化辐射和在高频段引入一个辐射零点的工作，其阻抗带宽范围是1.81GHz至2.17GHz，其轴比带宽范围为1.87GHz至2.03GHz。
因此，想要提高低频段的频率选择性需要在低频段引入另一个辐射零点。基于第二Ant模型的结构的基础上在第一辐射贴片4上开了一个U形槽8，形成第三Ant模型，天线的阻抗带宽约为16.7％(1.81GHz-2.14GHz)，轴比带宽约为8.78％(1.85GHz-2.02GHz)。从图10和图11可以看出，在第一辐射贴片4上引入U形槽8后天线在低频段引入了一个新的辐射零点，提高了天线在低频频段的频率选择性，而且对其圆极化辐射基本没有太大的影响。至此完成了整个圆极化滤波天线的设计工作。
图5是本发明设计完整结构的回波损耗，图6是本发明设计完整结构的轴比参数，图7是本发明设计完整结构的增益图。此圆极化滤波天线增益具有很好的平坦性，两个辐射零点给天线带来了很好的滤波特性。
所述步骤(1)具体包括以下步骤：
(1a)首先在HFSS软件中对第一Ant模型进行建模；
(1b)得到第一Ant模型的回波损耗(图9)、增益图(图11)和轴比参数(图10)；
(1c)对步骤(1b)所得到的结果进行分析，从图9中可以看出，它的阻抗匹配不好，需要进一步对其进行阻抗匹配，其阻抗带宽范围是1.84GHz至2.23GHz。此四分之三圆形枝节6具有良好的九十度相位差，使天线辐射产生了圆极化辐射的趋势在图10中可以看出，从图11中可以看出，该天线没有明显的滤波性能。因此需要改变天线结构来引入辐射零点进而来提高天线的滤波性能。
所述步骤(2)具体包括以下步骤：
(2a)首先在HFSS软件中对第二Ant模型进行建模；
(2b)得到第二Ant模型的回波损耗(图9)、增益图(图11)和轴比参数(图10)；
(2c)对步骤(2b)所得到的结果进行分析，在图11中可以看出，天线在高频段引入了辐射零点，提高了天线高频段的频率选择性。并且从图10可以看到相对于第一Ant模型，第二Ant模型很好的提高了其圆极化辐射。因此第二Ant模型完成了圆极化辐射和在高频段引入一个辐射零点的工作。其阻抗带宽范围是1.81GHz至2.17GHz，其轴比带宽范围为1.87GHz至2.03GHz。
所述步骤(3)具体包括以下步骤：
(3a)首先在HFSS软件中对第三Ant模型进行建模；
(3b)得到第三Ant模型的回波损耗(图9)、增益图(图11)和轴比参数(图10)；
(3c)对步骤(3b)所得到的结果进行分析，天线的阻抗带宽约为16.7％(1.81GHz至2.14GHz)，轴比带宽约为8.78％(1.85GHz至2.02GHz)。从图10和图11可以看出，在第一辐射贴片4上引入U形槽8后天线在低频段引入了一个辐射零点，因此提高了天线在低频频段的频率选择性，而且对其圆极化辐射基本没有太大的影响。至此完成了整个圆极化滤波天线的设计工作。
所述步骤(4)具体包括以下步骤：
(4a)对本发明设计的完整结构第三Ant模型在HFSS软件中进行各个参量的优化分析，得到最好的参数结果。
(4b)并对重要的天线参数进行分析，可以更深入地了解该滤波天线的工作原理。通过分析不同长度的g，g是环形槽11的长度，从图12中可以看出，随着g长度的增加，天线的高频辐射零点的位置逐渐向左移动，而其低频辐射零点的位置基本保持不变。从图13中可以看出，随着b4长度的增加，b4是倒U形凹槽的两个对称边的长度和，天线的低频辐射零点的位置逐渐向左移动，而其高频辐射零点的位置基本保持不变。因此，可以通过调整b4和g的长度来灵活地调整辐射零点的位置。
所述步骤(5)具体包括以下步骤：
(5a)为了进一步解释圆极化辐射的产生原理，图14分别显示了在第一Ant模型的结构下两个辐射贴片在圆极化辐射频点的电流分布。如图14所示，第一Ant模型在相位差相差90度时，其第一辐射贴片4上的电流流向呈正交分布，第二辐射贴片10上也是如此。
(5b)如图15所示，在第二Ant模型的结构下两个辐射贴片在圆极化辐射频点的电流分布。如图15所示，第二Ant模型在相位差相差90度时，其第一辐射贴片4上的电流流向呈正交分布，第二辐射贴片10上也是如此，但加入的环形槽11为天线增加了新的辐射路径，环槽内侧分离出来的贴片上的电流流向也呈正交分布，因此进一步提高了圆极化辐射。
所述步骤(6)具体包括以下步骤：
(6a)辐射零点对天线的滤波性能非常重要。为了进一步解释两个辐射零的产生原理，图16和图17分别显示了两个辐射零在天线表面的电流分布。如图16所示，在较低的辐射零频率下，电流集中在第一辐射贴片4的U形槽8上，并在两个对称的分支臂上向相反的方向流动，因此辐射互相抵消，产生了辐射零点。
(6b)如图17所示，在较高的辐射零频率下，能量集中在第二辐射贴片10由环形槽11所分隔开的两个贴片边缘上，在两个贴片的对称边缘上的感应电流流向相反。因此，在这个频率下，由感应电流引起的辐射相互抵消，从而产生另一个个辐射零点。
综上所述，本发明的天线结构简单，没有额外的滤波电路但实现了很好的滤波效果；天线的增益曲线具有很好的平整度，因此具有很好的稳定性，且两个辐射零点可调控；天线轴比带宽相对于已有的无额外滤波电路的圆极化滤波天线结构来说更宽。

Claims (2)

1.一种高增益双贴片圆极化滤波天线，其特征在于：包括第一介质基板和第二介质基板，第一介质基板上设置第一辐射贴片，第二介质基板上设置第二辐射贴片；所述第二介质基板位于第一介质基板的上方，且二者之间有间距；
所述第一介质基板的下板面上设置金属地板，第一介质基板和金属地板上设置同轴馈线；
所述第一辐射贴片的中心位置处开设一个矩形槽，在矩形槽位置处设有一个四分之三圆形枝节，四分之三圆形枝节的两端通过两个I形枝节连接到第一辐射贴片上；第一辐射贴片沿周边开设倒U形槽；
所述第二辐射贴片的中心位置处开设一个环形槽。
2.根据权利要求1所述的高增益双贴片圆极化滤波天线的设计方法，其特征在于：该方法包括下列顺序的步骤：
（1）建立初始双贴片天线模型即第一Ant模型，第一Ant模型由第一介质基板和第二介质基板组成，第一介质基板上设置第一辐射贴片，第二介质基板上设置第二辐射贴片，第一辐射贴片的中心位置处开设一个矩形槽，在矩形槽位置处设有一个四分之三圆形枝节，四分之三圆形枝节的两端通过两个I形枝节连接到第一辐射贴片上；
（2）在第一Ant模型的第二辐射贴片上开设一个环形槽，形成第二Ant模型；
（3）在第一Ant模型的基础上，在第一辐射贴片上沿周边开设倒U形槽，形成第三Ant模型；
（4）对第三Ant模型进行仿真优化，并对天线参数进行分析；
（5）通过对圆极化辐射频点的天线表面电流进行分析，来解释圆极化辐射产生的原理；
（6）通过对辐射零点处的天线表面电流分布进行分析，解释两个辐射零点产生的原理。
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