CN115566420B - 一种全向圆极化的倒f天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全向圆极化的倒F天线，包括天线、匹配枝节、馈电端口、金属地板及介质基板，所述天线包括第一环形倒L天线与第二环形倒L天线设置于介质基板的两侧，且所述第一环形倒L天线与第二环形倒L天线均为倒L型，所述匹配枝节分别与第一环形倒L天线和馈电端口连接，且设置于金属底板的上方。本发明具有结构简单、轻量化、小型化、低成本、保持稳定的全向圆极化辐射特性，适用于各种不同的终端应用环境。

Description

一种全向圆极化的倒F天线
技术领域
本发明涉及射频通信技术领域，更具体地说，它涉及一种全向圆极化的倒F天线。
背景技术
天线作为射频通讯系统的最前端，其性能极大地影响了整个系统的实现效果。同时，天线常被称作定制件，需要根据具体的应用环境进行特定的设计，从而满足特定的目标需求。在卫星通信、遥感遥测以及电子侦察等领域，全向圆极化天线被广泛应用于移动终端设备。一方面，全向辐射特性可以使终端与不同方位的目标保持稳定通信。另一方面，圆极化辐射特性可以克服大气层的法拉第极化旋转效应，也可以减小由障碍物引起的多径传输干扰效应。因此，研究全向圆极化天线具有较高的经济价值。
基于工作原理，传统的全向圆极化天线可以分为三类。第一类，采用多个定向圆极化天线单元的组合，每个圆极化天线单元(如贴片单元)的辐射主瓣覆盖一定的角度，再利用多个单元按照一定的方式组合起来，从而实现全向圆极化辐射。但该方案需要引入较多的天线单元和复杂的馈电网络，增加了天线的设计难度、成本、体积和重量，从而使得该方案的应用价值大大缩减。第二类，利用具有全向辐射特性的天线，通过加载寄生单元、圆极化器等，实现圆极化全向辐射。全向天线辐射出的水平/垂直极化波，通过外面加载的寄生单元或圆极化器，将单一线极化波分解成幅度相等、极化正交、相位相差90°的两个线极化波分量，从而激励起全向圆极化波。该方案需要精心设计圆极化器，并且需要较高的剖面，而且轴比带宽较窄，因此实际应用价值并不高。第三类，利用磁电偶极子组合，平行放置的磁偶极子和电偶极子具有相同形状的全向方向图，且两者的极化正交，再利用馈电结构对两者进行90°相位差的信号激励，从而实现全向圆极化。至今为止，利用该原理设计的天线大都基于“环天线-偶极子”模型，但设计的天线结构复杂、体积大，不利于应用在愈加小型化、轻量化、低成本的终端设备中。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种全向圆极化的倒F天线，该天线及馈电结构简单、轻量化、小型化、低成本、保持稳定的全向圆极化辐射特性，适用于各种不同的终端应用环境。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种全向圆极化的倒F天线，包括：天线、匹配枝节、馈电端口、金属地板及介质基板，所述天线包括第一环形倒L天线与第二环形倒L天线设置于介质基板的两侧，且所述第一环形倒L天线与第二环形倒L天线均为倒L型，所述匹配枝节分别与第一环形倒L天线和馈电端口连接，且设置于金属底板的上方。
作为本发明的较佳实施例，本发明所述第一环形倒L天线与第二环形倒L天线呈平行设置。
作为本发明的较佳实施例，本发明所述第二环形倒L天线单独馈电，激励所述第一环形倒L天线与金属底板，从而组合成一对平行的，且两者间形成90°相位差的磁电偶极子。
作为本发明的较佳实施例，本发明所述第一环形倒L天线的长度为四分之一波长，所述金属底板的尺寸小于波长。
作为本发明的较佳实施例，本发明所述馈电端口对具有短路枝节的第二环形倒L天线单元进行馈电。
与现有技术相比，本发明提供了全向圆极化的倒F天线及通信设备，具备以下有益效果：
1、本发明采用的“环形倒L天线-小地板”模型极大地减小了天线的体积，且仅需要对其中一个倒L天线馈电，其匹配只需通过一个简易短路枝节即可实现
2、本发明天线及馈电结构简单、轻量化、小型化、低成本、保持稳定的全向圆极化辐射特性，适用于各种不同的终端应用环境。
附图说明
图1是本发明实施例1的天线结构3D图；
图2是本发明实施例1的天线结构俯视图；
图3是本发明实施例1的天线结构侧视图；
图4为反射系数仿真结果图；
图5为谐振频率的实际右旋增益3D辐射方向图；
图6为轴比带宽仿真图；
图7为轴比波宽仿真图。
图中：1、天线；11、第一环形倒L天线；12、第二环形倒L天线；2、匹配枝节；3、馈电端口；4、金属地板；5、介质基板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”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发明和简化描述，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发明的限制。
实施例1：
请参阅图1-7所示，本发明的一种全向圆极化的倒F天线，包括天线1、匹配枝节2、馈电端口3、金属地板4及介质基板5，所述天线1包括第一环形倒L天线11与第二环形倒L天线12设置于介质基板5的两侧，且所述第一环形倒L天线11与第二环形倒L天线12均为倒L型，所述匹配枝节2分别与第一环形倒L天线11和馈电端口3连接，且设置于金属底板4的上方。
其中，如图1-7所示，本发明提供了一种全向圆极化的倒F天线，该天线1基于磁电偶极子组合原理，通过构建“环形倒L天线-小地板”模型，在极小的天线1体积下，构建了一对平行的磁电偶极子，且两者间形成90°相位差，从而实现全向圆极化辐射特性。其中，由于磁、电偶极子的远场辐射方向图形状一致，故两者组合能实现很宽的轴比波宽和轴比带宽。该发明采用倒L天线的长度为四分之一波长，小地板尺寸远小于波长，因此环形倒L天线与小地板的组合极大地减小了天线的体积。此外，该天线仅需要对其中一个倒L天线馈电，另一个倒L天线与小地板短路连接，阻抗匹配通过一个短路枝节即可实现，因此具有极其简单的、小型化的结构，具有重要的经济、应用价值。
一种可选的实施方式，如图1所示，本发明中所述第一环形倒L天线11与第二环形倒L天线12呈平行设置；单独馈电所述第二环形倒L天线12，激励所述第一环形倒L天线11与金属底板4，从而组合成一对平行的，且两者间形成90°相位差的磁电偶极子。
其中，本发明一对平行环形倒L天线等效为磁偶极子(或称为磁流源)，小地板等效为电偶极子(或称为电流源)，该磁、电偶极子是同向的，其远场辐射电场正交。通过单独馈电一个环形倒L天线单元，来同时激励起另一个环形倒L天线单元和小地板，从而组合形成一对平行的、具有90°相位差的磁电偶极子，实现稳定的全向圆极化辐射性能。
一种可选的实施方式，如图1所示，本发明中所述第一环形倒L天线11的长度为四分之一波长，所述金属底板4的尺寸远小于波长。
其中，如图1-3所示，该发明采用倒L天线的长度为四分之一波长，小地板尺寸远小于波长，因此环形倒L天线与小地板的组合极大地减小了天线的体积，具有极其简单的、小型化的结构。
一种可选的实施方式，如图1所示，本发明中所述馈电端口3对具有短路枝节的第二环形倒L天线12单元进行馈电。
其中，如图1-3所示，环形倒L天线的边长为边长1/4介质波长，四周介质基板均采用介电常数为2.2，厚度为0.8mm的F4Bm板材。正方形地板的边长为0.064真空波长。该天线1仅需要对其中一个倒L天线馈电，另一个倒L天线与小地板短路连接，阻抗匹配通过一个短路枝节即可实现。
如图4所示为反射系数仿真结果图。可以发现，谐振频点为1.599GHz，-10dB阻抗带宽为1.596GHz-1.601GHz。
如图5所示为谐振频率的实际右旋增益3D辐射方向图。方向图展示了稳定的全向右旋圆极化辐射特性，其最大的实际右旋增益为1.8dBic。
如图6所示为轴比带宽仿真图。可以发现，轴比小于3dB的频段为1.52-1.85GHz，证明该天线具有良好的轴比带宽特性。
如图7所示为轴比波宽仿真图。可以发现，在中心频点1.599GHz处，在phi＝0°、90°切面上，轴比小于3dB的角度分别为：134°、360°，证明该天线具有很宽的轴比波束宽度。
本发明的工作过程如下：
如图1-7所示，天线1工作在全向右旋圆极化辐射状态，其谐振频率为1.599GHz。当所述天线端口激励时，两个环形倒L天线激励起旋向相同的环形电流，地板上形成与两个环垂直的电流，此时，一对等效平行的磁电偶极子得以激励，从而形成全向圆极化辐射。
实施例2：
如图1所示，本发明中所述天线1可更换为缝隙形式，其余与实施例1完全相同。
实施例3：
如图1所示，所述第一环形倒L天线11与第二环形倒L天线12镜像对称后，与原小地板金属地板4组合，可以激励起稳定的全向左旋圆极化辐射波，其余与实施例1和实施例2完全相同。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种全向圆极化的倒F天线，其特征在于，包括天线（1）、匹配枝节（2）、馈电端口（3）、金属地板（4）及介质基板（5），金属地板（4）位于介质基板（5）下方，所述天线（1）包括第一环形倒L天线（11）与第二环形倒L天线（12）设置于介质基板（5）相对的两侧，馈电端口（3）只对第一环形倒L天线（11）馈电，第二环形倒L天线（12）接地；所述匹配枝节（2）与第一环形倒L天线（11）连接，连接点靠近馈电端口（3），且设置于金属地板（4）的上方；所述匹配枝节（2）接地；
所述倒F天线基于磁电偶极子组合原理，通过构建环形倒L天线-小地板模型；第一环形倒L天线（11）与第二环形倒L天线（12）激励起旋向相同的环形电流，等效为磁流源，金属地板（4）上形成与之垂直的电流，等效为电流源，形成一对等效平行的具有90度相位差的磁电偶极子，从而形成全向圆极化辐射；其中，磁偶极子和电偶极子的远场辐射方向图形状一致，故两者组合能实现宽的轴比波宽和轴比带宽。
2.根据权利要求1所述的一种全向圆极化的倒F天线，其特征在于：所述第一环形倒L天线（11）与第二环形倒L天线（12）呈平行设置。
3.根据权利要求1所述的一种全向圆极化的倒F天线，其特征在于：所述第一环形倒L天线（11）的长度为四分之一波长，所述金属地板（4）的边长小于波长。
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