CN115603042B - 一种三频点圆极化贴片天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三频点圆极化贴片天线，包括上层介质基板、下层介质基板、空气介质层、贴片、第一矩形槽、第二矩形槽、第一寄生贴片、第二寄生贴片、阻抗延长线、第三矩形槽及接地板,贴片设置于上层介质基板的上表面，贴片上方加载有第一矩形槽，下方加载有第二矩形槽，第二矩形槽内加载有第一寄生贴片，第一寄生贴片不与贴片接触，贴片下方加载有第二寄生贴片；空气介质层位于上层介质基板与下层介质基板之间；接地板设置于下层介质基板的上表面，且上方设置有第三矩形槽，阻抗延长线设置于下层介质基板的下表面，阻抗延长线在接受到信号后，电磁波透过接地板的第三矩形槽，通过空气介质层中的空气实现对贴片进行缝隙耦合馈电。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，更具体地说，它涉及一种三频点圆极化贴片天线。
背景技术
天线作为发射和接收电磁波的设备，是无线通信系统中不可缺少的关键组成部分。随着卫星和无线系统的快速发展，能够显著提高通信质量的，多波段多极化天线逐渐引起了人们的广泛关注。微带天线由于其低剖面，轻重量，低成本的优点而被广泛使用。
伴随着航空航天技术的发展，雷达使用范围的扩大，线极化天线已经难以满足应用的要求，而相比之下，圆极化天线拥有许多优点。当接收与发射天线方向对准以后，圆极化信号的强度不受收发天线旋转角度的影响，而线极化的信号强度大小对收发天线间的角度十分敏感。其次，除了旋向相同的圆极化来波，线极化来波以及椭圆极化来波也可以被圆极化接收天线接收，反之亦然
多频带的圆极化天线可以提高天线的方向性，同时可以减少如线极化波在电离层产生的法拉第旋转效应，从而降低在多路径传播环境下的信号衰落。此外，多频带圆极化天线也能够为频率复用的无线电收发器，提供多传输信道。
如果能在贴片上寻找到合适的微扰点，就能让贴片天线圆极化工作，就是本发明所述的三频点圆极化贴片天线。三频点圆极化贴片天线具有以下特征：左斜45°的馈线方式能够在方形贴片上辐射出沿着方形贴片对角流动的电流，加载的条形凹槽阻止了对角电流的流动，将主模分为两个幅度相等、相位相差90°的正交简并模，形成圆极化。其加载的两个矩形寄生贴片能够与主模低频谐振模式的电流相耦合，在拓展带宽的同时，寄生贴片的的高频谐振模式也分为两个幅度相等、相位相差90°的正交简并模，形成圆极化。同时通过调整寄生贴片的尺寸能够调整其圆极化频点。可实现多频圆极化无线设备的高效率、低成本和轻量化，能广泛应用于北斗、射频识别、WLAN、FDD-LTE移动通信终端或一体化中继和室内基站等设备，相关的技术科研能够作为5G移动通信技术的储备。
发明内容
本发明的目的是为了解决以上技术问题，而提出的具有多频圆极化、小型化及通过空气进行缝隙耦合馈电拓展带宽的一种三频点圆极化天线。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种三频点圆极化贴片天线，包括上层介质基板、下层介质基板、空气介质层、贴片、第一矩形槽、第二矩形槽、第一寄生贴片、第二寄生贴片、阻抗延长线、第三矩形槽及接地板,所述贴片设置于上层介质基板的上表面，所述贴片上方加载有第一矩形槽，下方加载有第二矩形槽，所述第二矩形槽内加载了第一寄生贴片，所述第一寄生贴片不与贴片接触，所述贴片下方加载有第二寄生贴片；
所述空气介质层位于上层介质基板与下层介质基板之间；
所述接地板设置于下层介质基板的上表面，且上方设置有第三矩形槽，所述阻抗延长线设置于下层介质基板的下表面，所述阻抗延长线在接受到信号后，电磁波透过接地板的第三矩形槽，通过空气介质层中的空气实现对上层介质基板上印刷的贴片进行缝隙耦合馈电。
优选地，所述贴片为进行过切角处理的方形状贴片，所述贴片下端切角的部分为三角形切角。
优选地，所述贴片相对与上层基板呈几何中心对称，在其加载的第一矩形槽、第二矩形槽、第一寄生贴片、第二寄生贴片、三角形切角相对于方形状贴片轴对称。
优选地，所述接地板与阻抗延长线沿左斜45°轴线对称。
优选地，所述下层介质基板的上表面覆盖有金属的接地板，下层介质基板下表面的阻抗延长线将信号通过金属的接地板所开的第三矩形槽，将信号向上方传播，透过空气介质层中的空气为上层介质基板上印刷的贴片进行缝隙耦合馈电。
优选地，左斜45°的所述阻抗延长线方式在贴片上辐射出沿着贴片对角流动的电流，加载的第三矩形槽阻止了对角电流的流动，将主模分为两个幅度相等、相位相差90°的正交简并模，形成圆极化。
优选地，所述第一寄生贴片与第二寄生贴片能够与主模低频谐振模式的电流相耦合，在拓展带宽的同时，所述第一寄生贴片与第二寄生贴片的高频谐振模式也分为两个幅度相等、相位相差90°的正交简并模，形成新的圆极化频点，同时通过调整所述第一寄生贴片与第二寄生贴片的尺寸能够调整其圆极化频点。
优选地，所述第一矩形槽为横向条形状矩形凹槽，所述第二矩形槽为竖向条形状矩形凹槽。
优选地，所述第一寄生贴片为竖向矩形条状寄生贴片，所述第二寄生贴片为横向矩形条状寄生贴片。
优选地，所述阻抗延长线为50Ω阻抗延长线，且前端设置有切角。
与现有技术相比，本发明提供了一种三频点圆极化贴片天线，具备以下有益效果：
1、本发明通过加载的条形凹槽阻止了对角电流的流动，即可将主模分为两个幅度相等、相位相差90°的正交简并模，形成圆极化。通过改变贴片尺寸和开槽长度即可改变匹配频带和圆极化频带。
2、本发明使用了两层介质板结构，透过两层介质板中的空气为上层介质板上印刷的方形贴片进行缝隙耦合馈电。两层介质板中的空气能够降低介质的等效介电常数，在传播信号的同时，能够有效的展宽带宽。
3、本发明通过简单加载矩形寄生贴片即能够与主模低频谐振模式的电流相耦合，在拓展带宽的同时，形成新的圆极化频点。同时通过调整寄生贴片的尺寸能够调整其圆极化频点。
4、本发明在方形贴片下端进行了相对于轴线对称的大切角设计，切角引导了电流在不同相位的流向，降低了轴比，改善了圆极化性能，同时，对下端的切角能够调整方形贴片与寄生贴片的耦合，保证了贴片上电流的平衡，改善了其阻抗匹配，提升了带宽。
附图说明
图1为本实施例天线的总示意图；
图2为本实施例上层介质基板的俯视图；
图3为本实施例下层介质基板的俯视图；
图4为本实施例天线的正面剖视图；
图5为本实施例单端口激励的圆极化天线的仿真S参数曲线图；
图6为本实施例三频点圆极化天线的第一个频点处的仿真轴比参数曲线图；
图7为本实施例三频点圆极化天线的第二个和第三个频点处的仿真轴比参数曲线图；
图8(a)为本实施例三频点圆极化天线端口(3.6GHz)激励的xoz面测试方向图；
图8(b)为本实施例三频点圆极化天线端口(3.6GHz)激励的yoz面测试方向图；
图9(a)为本实施例三频点圆极化天线端口(4.24GHz)激励的xoz面测试方向图；
图9(b)为本实施例三频点圆极化天线端口(4.24GHz)激励的yoz面测试方向图；
图10(a)为本实施例三频点圆极化天线端口(4.34GHz)激励的xoz面测试方向图；
图10(b)为本实施例三频点圆极化天线端口(4.34GHz)激励的yoz面测试方向图。
图中：1a、上层介质基板；1b、下层介质基板；2、空气介质层；3、贴片；4、第一矩形槽；5、第二矩形槽；6、三角形切角；7、第一寄生贴片；8、第二寄生贴片；9、阻抗延长线；10、第三矩形槽；11、切角；12、接地板。
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。
请参阅图1-10所示，本发明的一种三频点圆极化贴片天线，包括上层介质基板1a、下层介质基板1b、空气介质层2、贴片3、第一矩形槽4、第二矩形槽5、第一寄生贴片7、第二寄生贴片8、阻抗延长线9、第三矩形槽10及接地板12,所述贴片3设置于上层介质基板1a的上表面，所述贴片3上方加载有第一矩形槽4，下方加载有第二矩形槽5，所述第二矩形槽5内加载了第一寄生贴片7，所述第一寄生贴片7不与贴片3接触，所述贴片3下方加载有第二寄生贴片8；所述空气介质层2位于上层介质基板1a与下层介质基板1b之间；所述接地板12设置于下层介质基板1b的上表面，且上方设置有第三矩形槽10，所述阻抗延长线9设置于下层介质基板1b的下表面，所述阻抗延长线9在接受到信号后，电磁波透过接地板12的第三矩形槽10，通过空气介质层2中的空气实现对上层介质基板1a上印刷的贴片3进行缝隙耦合馈电。
其中，本发明在贴片3天线上实现多频圆极化的同时，通过开槽和寄生贴片减小尺寸，实现小型化，同时通过空气进行缝隙耦合馈电拓展带宽，左斜45°的馈线方式能够在方形贴片上辐射出沿着方形贴片对角流动的电流，加载的条形凹槽阻止了对角电流的流动，将主模分为两个幅度相等、相位相差90°的正交简并模，形成圆极化。其加载的两个矩形寄生贴片能够与主模低频谐振模式的电流相耦合，在拓展带宽的同时，寄生贴片的的高频谐振模式也分为两个幅度相等、相位相差90°的正交简并模，形成圆极化。同时通过调整寄生贴片的尺寸能够调整其圆极化频点。
如图1-2所示，本发明所述贴片3为进行过切角处理的方形状贴片3，所述贴片3下端切角的部分为三角形切角6。
其中，本发明中方形状的贴片3下端进行了相对于轴线对称的大切角设计，切角引导了电流在不同相位的流向，降低了轴比，改善了圆极化性能，同时，对下端的三角形切角6能够调整方形状的贴片3与寄生贴片的耦合，保证了贴片3上电流的平衡，改善了其阻抗匹配，提升了带宽。
如图1-3所示，本发明所述贴片3相对与上层基板1a呈几何中心对称，在其加载的第一矩形槽4、第二矩形槽5、第一寄生贴片7、第二寄生贴片8、三角形切角6相对于方形状贴片3轴对称。
其中，本发明中，通过各组件轴对称，可以保证贴片3上电流的平衡，有效改善阻抗匹配，可以进一步提升带宽，达到三频点圆极化的目的。
如图1-3所示，本发明所述接地板12与阻抗延长线9沿左斜45°轴线对称。
其中，本发明左斜45°的馈线方式能够在方形状的贴片3上辐射出沿着贴片3对角流动的电流，加载的条形凹槽阻止了对角电流的流动，将主模分为两个幅度相等、相位相差90°的正交简并模，形成圆极化。
如图1-3所示，本发明所述下层介质基板1b的上表面覆盖有金属的接地板12，下层介质基板1b下表面的阻抗延长线9将信号通过金属的接地板12所开的第三矩形槽10，将信号向上方传播，透过空气介质层2中的空气为上层介质基板1a上印刷的贴片3进行缝隙耦合馈电。
其中，本发明通过设置接地板12、阻抗延长线9及第三矩形槽10达到进行缝隙耦合馈电的目的。
如图1、3所示，本发明左斜45°的所述阻抗延长线9方式在贴片3上辐射出沿着贴片3对角流动的电流，加载的第三矩形槽10阻止了对角电流的流动，将主模分为两个幅度相等、相位相差90°的正交简并模，形成圆极化。
其中，本发明设计左斜45°的阻抗延长线9，方式在贴片3上辐射出沿着贴片3对角流动的电流，并且通过加载第三矩形槽10阻止对角电流的流动，从而将主模分成两个幅度相等、相位相差90°的正交简并模，最终形成圆极化。
如图1-2所示，本发明所述第一寄生贴片7与第二寄生贴片8能够与主模低频谐振模式的电流相耦合，在拓展带宽的同时，所述第一寄生贴片7与第二寄生贴片8的高频谐振模式也分为两个幅度相等、相位相差90°的正交简并模，形成新的圆极化频点，同时通过调整所述第一寄生贴片7与第二寄生贴片8的尺寸能够调整其圆极化频点。
其中，本发明中通过设置第一寄生贴片7与第二寄生贴片8达到拓宽带宽以及形成新的圆极化拼点，并通过调整两个寄生贴片的尺寸进一步调整其圆极化频点。
如图1-2所示，本发明所述第一矩形槽4为横向条形状矩形凹槽，所述第二矩形槽5为竖向条形状矩形凹槽；所述第一寄生贴片7为竖向矩形条状寄生贴片，所述第二寄生贴片8为横向矩形条状寄生贴片。
其中，本发明中此设计可以有效配合贴片3减小尺寸，实现小型化，同时通过空气进行缝隙耦合馈电拓展带宽。
如图3-4所示，本发明所述阻抗延长线9为50Ω阻抗延长线，且前端设置有切角11。
其中，本发明在50Ω的阻抗延长线9的前端设置切角11，达到方便连接50Ω的阻抗延长线9的目的。
如图1-10所示，本发明具有以下特征：三频点圆极化贴片天线具有以下特征：左斜45°的馈线方式能够在方形贴片上辐射出沿着方形贴片对角流动的电流，加载的条形凹槽阻止了对角电流的流动，将主模分为两个幅度相等、相位相差90°的正交简并模，形成圆极化。其加载的两个矩形寄生贴片能够与主模低频谐振模式的电流相耦合，在拓展带宽的同时，寄生贴片的的高频谐振模式也分为两个幅度相等、相位相差90°的正交简并模，形成圆极化。同时通过调整寄生贴片的尺寸能够调整其圆极化频点。可实现多频圆极化无线设备的高效率、低成本和轻量化，能广泛应用于北斗、射频识别、WLAN、FDD-LTE移动通信终端或一体化中继和室内基站等设备。
作为一个实例，在中心频率为3.6GHz时，采用相对介电常数为2.5，长宽a为94.35mm，厚度b为0.8mm的介质板做基板。上下介质基板中的空气介质层高度2a为4.2mm。上层介质板表面印刷有方形贴片3，长宽3a为35mm。由图2，贴片上部加载有横向矩形槽4，长4a为27mm，宽4b为1.1mm，矩形槽上部距离方形贴片上部边缘距离w2为0.6mm。方形贴片轴线上开有竖向矩形槽5，长度5a为25mm，宽度5b为2.2mm。方形贴片下部三角形切角竖向长为14.5mm，横向宽为15.5mm。在竖向矩形槽5中，加载有竖向轴对称矩形槽7，长度7a为25.5，宽度7b为1.1mm，由俯视图2可以看出，矩形寄生贴片底部与方形贴片底部距离w3为1mm。方形贴片下方有矩形寄生贴片8，贴片长8a为27.5mm，宽度8b为1.1mm，寄生贴片8距离方形贴片底部距离w1为2.5mm。
下层介质层长宽a为94.35mm，50Ω阻抗延长线9长9a为74.5mm.宽为2.2mm，沿左斜45°轴对称放置。由侧视图4可以看出，下层介质层上表面为接地板，开有矩形槽10长度10a为25mm，宽度10b为1.8mm。接地板矩形槽距离阻抗延长线最顶端距离w4为3.8mm。
图5是本三频点圆极化贴片天线仿真的S参数，S参数低于-10dB的频段包括了3.446GHz至3.930GHz、4.135GHz至4.300GHz及4.330GHz至4.400GHz三个频带。
图6及图7是本三频点圆极化贴片天线仿真的轴比参数，轴比小于3db的频段分别为3.552GHz至3.650GHz、4.222GHz至4.250GHz，4.325GHz至4.339GHz，可以形成原计划。
图8，图9及图10分别为3.552GHz至3.650GHz，4.222GHz至4.250GHz，4.325GHz至4.339GHz三个频段的yoz和xoz的天线仿真增益方向图，可以看出三圆极化频带相应的圆极化方向分别为左侧圆极化(LHCP)，右侧圆极化(RHCP)和RHCP。
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 (10)
1.一种三频点圆极化贴片天线，其特征在于：包括上层介质基板(1a)、下层介质基板(1b)、空气介质层(2)、贴片(3)、第一矩形槽(4)、第二矩形槽(5)、第一寄生贴片(7)、第二寄生贴片(8)、阻抗延长线(9)、第三矩形槽(10)及接地板(12),所述贴片(3)设置于上层介质基板(1a)的上表面，所述贴片(3)上方加载有第一矩形槽(4)，下方加载有第二矩形槽(5)，所述第二矩形槽(5)内加载了第一寄生贴片(7)，所述第一寄生贴片(7)不与贴片(3)接触，所述贴片(3)下方加载有第二寄生贴片(8)；
所述空气介质层(2)位于上层介质基板(1a)与下层介质基板(1b)之间；
所述接地板(12)设置于下层介质基板(1b)的上表面，且上方设置有第三矩形槽(10)，所述阻抗延长线(9)设置于下层介质基板(1b)的下表面，所述阻抗延长线(9)在接受到信号后，电磁波透过接地板(12)的第三矩形槽(10)，通过空气介质层(2)中的空气实现对上层介质基板(1a)上印刷的贴片(3)进行缝隙耦合馈电。
2.根据权利要求1所述的一种三频点圆极化贴片天线，其特征在于：所述贴片(3)为进行过切角处理的方形状贴片(3)，所述贴片(3)下端切角的部分为三角形切角(6)。
3.根据权利要求1所述的一种三频点圆极化贴片天线，其特征在于：所述贴片(3)相对与上层基板(1a)呈几何中心对称，在其加载的第一矩形槽(4)、第二矩形槽(5)、第一寄生贴片(7)、第二寄生贴片(8)、三角形切角(6)相对于方形状贴片(3)轴对称。
4.根据权利要求1所述的一种三频点圆极化贴片天线，其特征在于：所述接地板(12)与阻抗延长线(9)沿左斜45°轴线对称。
5.根据权利要求1所述的一种三频点圆极化贴片天线，其特征在于：所述下层介质基板(1b)的上表面覆盖有金属的接地板(12)，下层介质基板(1b)下表面的阻抗延长线(9)将信号通过金属的接地板(12)所开的第三矩形槽(10)，将信号向上方传播，透过空气介质层(2)中的空气为上层介质基板(1a)上印刷的贴片(3)进行缝隙耦合馈电。
6.根据权利要求1所述的三频点圆极化贴片天线，其特征在于：左斜45°的所述阻抗延长线(9)方式在贴片(3)上辐射出沿着贴片(3)对角流动的电流，加载的第三矩形槽(10)阻止了对角电流的流动，将主模分为两个幅度相等、相位相差90°的正交简并模，形成圆极化。
7.根据权利要求1所述的三频点圆极化贴片天线，其特征在于：所述第一寄生贴片(7)与第二寄生贴片(8)能够与主模低频谐振模式的电流相耦合，在拓展带宽的同时，所述第一寄生贴片(7)与第二寄生贴片(8)的高频谐振模式也分为两个幅度相等、相位相差90°的正交简并模，形成新的圆极化频点，同时通过调整所述第一寄生贴片(7)与第二寄生贴片(8)的尺寸能够调整其圆极化频点。
8.根据权利要求1所述的三频点圆极化贴片天线，其特征在于：所述第一矩形槽(4)为横向条形状矩形凹槽，所述第二矩形槽(5)为竖向条形状矩形凹槽。
9.根据权利要求1所述的三频点圆极化贴片天线，其特征在于：所述第一寄生贴片(7)为竖向矩形条状寄生贴片，所述第二寄生贴片(8)为横向矩形条状寄生贴片。
10.根据权利要求1所述的三频点圆极化贴片天线，其特征在于：所述阻抗延长线(9)为50Ω阻抗延长线，且前端设置有切角(11)。
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