CN115799823A - 一种基于交叉偶极子的宽波束圆极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于交叉偶极子的宽波束圆极化天线，通过将电偶极子末端设计成T形形状，减小天线尺寸；引入寄生贴片拓宽天线阻抗带宽和波束宽度；并且通过垂直单极子方向图与交叉偶极子互补的方法拓宽波束，增大圆极化角度范围。

Description

一种基于交叉偶极子的宽波束圆极化天线

技术领域：

本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种基于交叉偶极子的宽波束圆极化天线。

背景技术：

实现微带天线圆极化(CP)工作基本由三种形式：(1)单馈法；(2)多馈法；(3)多元法三种，其中多元法是使用多个线极化辐射元件或圆极化(CP)辐射元件，通过相位顺序螺旋阵列实现天线圆极化工作，每个馈电点分别馈电每个辐射元件。Bolster在文献“A newtype of circular polarizer using crossed dipoles,”IRE Trans.Microw.TheoryTechn.,vol.9,no.5,pp.385–388,1961.首次证明了使用单馈交叉偶极子获得圆极化波的方法。并且证明在正确选择偶极子长度的情况下，天线产生的CP波具有AR剖面中的最小轴比点。紧凑型交叉偶极子(包括空腔背反射器)作为一种简单的3-dB AR波束宽度展宽技术被引入。这些天线适用于带宽小于10％的单波段或多波段应用。

文献“X.-y.Pu,Z.-w.Gui and Z.-h.Liu,"Crossed Dipole Antenna withReflector for Wide-beam and Wideband Circularly Polarized Radiation,"in2019International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology(ICMMT),2019,pp.1-3,doi:10.1109/ICMMT45702.2019.8992064.”中提出了一种在RO4003介质基板上、具有辐射贴片和反射器的交叉偶极子天线，通过在顺序旋转元件的拐角处加载相位延迟线(移相线)来激发CP辐射。馈电由50欧姆同轴线从中心馈电，通过调整移相线的宽度来实现阻抗匹配。在中心频率1.472GHz左右获得了1.35-2.15GHz的阻抗带宽和在1.47GHz处的3dB AR波束宽度为165°(-81°～84°)，圆极化最大增益5.28dBic.

文献“H.-J.Zhang and F.-S.Zhang,"Circularly Polarized Crossed DipoleWith Magnetoelectric Dipole for Wideband and Broadbeam Applications,"in2018Cross Strait Quad-Regional Radio Science and Wireless TechnologyConference(CSQRWC),2018,pp.1-3,doi:10.1109/CSQRWC.2018.8455610.”中提出了一种加载磁电偶极子的单馈圆极化交叉偶极子，以提高波束宽度。尺寸为0.58λ₀*0.58λ₀*0.15λ₀，最终实现效果为阻抗带宽为72.1％(1.25GHz～2.66GHz)，3dB ARBW带宽为45.3％(1.45GHz～2.30GHz)。该天线在CP工作频段的平均增益8.1dBic。3dB AR波束宽度在1.85-2.25GHz范围内大于162°。

文献“W.J.Yang,Y.M.Pan and S.Y.Zheng,"A Low-Profile WidebandCircularly Polarized Crossed-Dipole Antenna With Wide Axial-Ratio and GainBeamwidths,"IEEE Transactions on Antennas and Propagation,vol.66,no.7,pp.3346-3353,July 2018,doi:10.1109/TAP.2018.2829810.”提出了一种四个梯形贴片组成的交叉偶极子天线，两对交叉偶极子之间通过四分之一波长移相线(3/4圆环)连接并实现圆极化所需相位差。该模型的低剖面为0.1λ₀，阻抗带宽和3-dB AR带宽分别为78.3％和63.4％。在50.7％的宽通带内，同时实现了超过120°的3dB ARBW和超过110°的HPBW。

文献“W.J.Yang,Y.M.Pan and S.Y.Zheng,"A Low-Profile WidebandCircularly Polarized Crossed-Dipole Antenna With Wide Axial-Ratio and GainBeamwidths,"in IEEE Transactions on Antennas and Propagation,vol.66,no.7,pp.3346-3353,July 2018,doi:10.1109/TAP.2018.2829810.”中提出了一种加载磁偶极子的交叉偶极子天线，该天线有一个四分之一波长移相线(1/4)圆环连接并馈电，一个在对角线处切角的2x2矩形辐射贴片阵列和一个金属反射腔。该偶极子可以产生宽频带和宽波束的圆极化辐射特性，实现阻抗带宽为1.274-2.360GHz，3dB AR带宽为1.39-1.82GHz，该天线在工作频带内有很宽的3dB ARBW(>165°)和较高的辐射效率(>94％)的右旋圆极化。

发明内容：

针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于交叉偶极子的宽波束圆极化天线。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于交叉偶极子的宽波束圆极化天线，包括：交叉偶极子、四个寄生贴片、矩形缝隙、四个金属单极子、介质基板、同轴馈电线、四分之一波长移相线。

所述四个电偶极子天线辐射臂呈“十”字型排列，末端呈“T”字型，其中两相邻电偶极子天线辐射臂设置于介质基板的上表面，另外两个电偶极子天线辐射臂设置于介质基板的下表面，位于同一表面的两个电偶极子天线辐射臂通过一个四分之一波长移相线连接；所述四个寄生贴片设置于介质基板的上表面，且该侧边与相邻电偶极子辐射臂侧边的间距小于其另一侧与相邻电偶极子辐射臂侧边的间距，四个寄生贴片及其上的矩形缝隙呈圆周阵列排布设置于四个电偶极子天线辐射臂之间，所述金属单极子垂直设置于寄生贴片下方，并与四个寄生贴片固定连接，所述同轴馈电线设置于天线中心进行馈电。

进一步地，所述电偶极子天线辐射臂末端呈“T”形形状，延长电流路径，减小天线横向尺寸。

进一步地，所述寄生贴片与两相邻电偶极子辐射臂的距离不同，寄生贴片与电偶极子辐射臂(1)的距离小于寄生贴片(5)与电偶极子辐射臂(2)的距离。

进一步地，所述寄生贴片(5)上的矩形缝隙(9)由寄生贴片(5)靠近电偶极子辐射臂(1)侧向内延伸，矩形缝隙改变寄生贴片上的电流分布，影响寄生贴片的谐振频率。

进一步地，所述金属单极子与寄生贴片连接，位于两相邻偶极子辐射臂的中线上，金属单极子通过电偶极子耦合馈电。

本发明的机理为：

本发明通过同轴线和四分之一波长移相线给交叉偶极子馈电，同轴线内外导体的相位差为180°；介质基板上下表面两两相对的一对电偶极子辐射臂构成一个电偶极子天线，两组电偶极子天线相互垂直；四分之一波长移相线产生90°相位差；因此，理论上四个电偶极子辐射臂上的电流幅度相等，相位依次相差90°，从而在高仰角产生圆极化方向图；通过将电偶极子辐射臂末端改为“T”形形状，减小天线横向尺寸。

通过添加寄生贴片形成新的谐振点，拓宽天线阻抗带宽，增大天线的低仰角增益，寄生贴片上的矩形缝隙可以调节谐振频率；寄生贴片(5)与电偶极子辐射臂(1)的距离小于寄生贴片(5)与电偶极子辐射臂(2)的距离，改善右旋圆极化效果；

金属单极子位于相邻电偶极子辐射臂的中线上，通过电偶极子辐射臂和寄生贴片的耦合馈电，四个垂直单极子相位也依次相差90°；通过调节金属单极子的位置，单极子天线方向图与电偶极子天线方向图在低仰角相互补充，形成圆极化方向图，实现了波束的拓宽。

本发明的有益效果在于：

本发明提供了一种基于交叉偶极子的宽波束圆极化天线。本发明通过将电偶极子末端设计成T形形状，减小天线尺寸；引入寄生贴片拓宽天线阻抗带宽；并且通过垂直单极子方向图与交叉偶极子互补的方法拓宽波束，增大了圆极化辐射的角度范围。

附图说明

图1是本发明天线结构俯视图。

图2是本发明天线整体结构示意图。

图3是本发明天线结构侧视图

图4是本发明实施例中天线反射系数S11图。

图5是本发明实施例中天线中心频点处归一化二维方向图。

图6是本发明实施例中天线中心频点处轴比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

一种基于交叉偶极子的宽波束圆极化天线，其结构示意图如图1～图3所示，具体包括：电偶极子辐射臂1、2、3、4，寄生贴片5、6、7、8，矩形缝隙9、10、11、12，金属单极子14、15、16、17，介质基板18，同轴馈电线19，四分之一波长移相线13。

图1是本发明天线结构俯视图，图2是本发明天线整体结构示意图，图3是本发明天线结构侧视图。从图中可以看出，所述同轴馈电线19设置于天线中心进行馈电，内外导体相位差为180°。所述四个电偶极子天线辐射臂1、2、3、4呈“十”字型排列，末端呈“T”字型，其中两个电偶极子天线辐射臂2、3设置于介质基板的上表面，另外两个电偶极子天线辐射臂1、4设置于介质基板18的下表面，位于同一表面的电偶极子天线辐射臂通过一个四分之一波长移相线13连接，产生90°相位差，介质基板18上下表面两两相对的一对电偶极子辐射臂构成一个电偶极子天线，四个电偶极子辐射臂上的电流幅度相等，相位依次相差90°，从而在高仰角产生圆极化方向图。

所述四个寄生贴片5、6、7、8设置于介质基板18的上表面，且位于相邻电偶极子天线辐射臂之间，寄生贴片5、6、7、8可增大天线低仰角增益同时形成新的谐振点增大天线阻抗带宽；寄生贴片5、6、7、8上设置有矩形缝隙9、10、11、12，可以调节寄生贴片5、6、7、8的谐振频率；寄生贴片5与电偶极子辐射臂1的距离小于寄生贴片5与电偶极子辐射臂2的距离。

所述金属单极子14位于相邻电偶极子辐射臂1、2的中线上，与寄生贴片5固定连接。通过电偶极子辐射臂1与寄生贴片5的耦合馈电，其余金属单极子15、16、17与金属单极子14相同。四个金属单极子14、15、16、17相位依次相差90°；通过调节金属单极子14、15、16、17的位置，单极子天线方向图与电偶极子天线方向图在低仰角相互补充，形成圆极化方向图，实现了波束的拓宽。

实施例一

本实施例中，所述基于交叉偶极子的宽波束圆极化天线中，总尺寸为76mm×76mm，总高度为-30mm，介质基板厚度为0.508mm，介质基板使用Rogers RO4003，相对介电常数为3.55，损耗角整切为0.0027。寄生贴片的尺寸为13.3mm×13.6mm，矩形缝隙的尺寸为8mm×1mm，四分之一波长移相线的内径和外径分别为3.9mm和4.5mm。垂直金属单机子的半径为1mm，长度为30mm。单个偶极子天线辐射臂长度为23mm。

进行仿真测试，结果表明：本发明天线的回波损耗小于-10dB的阻抗带宽是2.43GHz-2.83GHz(如图4所示)；在中心频点f0＝2.58GHz处，当phi＝0°时，3dB_ARBW＝32.5°，HPBW＝224°，当phi＝90°时，3dB_ARBW＝190°，HPBW＝232°如图5、图6所示；在中心频点f0＝2.58GHz处，当Theta＝0°时，轴比为2.47dB如图6所示；

以上所述仅为本发明的较佳实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种基于交叉偶极子的宽波束圆极化天线，其特征在于：包括有介质基板、四个电偶极子天线辐射臂、四个寄生贴片、四个金属单极子、自相移馈电网络以及同轴馈电线；

所示宽波束圆极化天线为右旋圆极化天线，所述右旋圆极化天线的四个电偶极子天线辐射臂的首端呈“十”字型排列，末端呈“T”字型，其中两相邻电偶极子天线辐射臂设置于介质基板的上表面，另外两个电偶极子天线辐射臂设置于介质基板的下表面，位于同一表面的两个电偶极子天线辐射臂通过一个四分之一波长移相线连接，所述寄生贴片设置于介质基板的上表面，且位于相邻电偶极子天线辐射臂之间，寄生贴片与电偶极子天线辐射臂相邻一侧边上成型有矩形缝隙，且该侧边与相邻电偶极子辐射臂侧边的间距小于其另一侧与相邻电偶极子辐射臂侧边的间距，四个寄生贴片及其上的矩形缝隙呈圆周阵列排布设置于四个电偶极子天线辐射臂之间，所述金属单极子垂直设置于寄生贴片下方，并与四个寄生贴片固定连接；所述同轴馈电线设置于宽波束圆极化天线中心进行馈电。

2.根据权利要求1所述的一种基于交叉偶极子的宽波束圆极化天线，其特征在于：所示宽波束圆极化天线为左旋圆极化天线，在右旋圆极化结构的基础上，改变寄生贴片上矩形缝隙至另一侧，使寄生贴片带有矩形缝隙的一侧与偶极子辐射臂的距离小于另一侧，将两对偶极子和与之相连的四分之一波长移相线进行关于xoz平面的镜像处理。

3.根据权利要求1所述的一种基于交叉偶极子的宽波束圆极化天线，其特征在于：所述寄生贴片上的矩形缝隙由寄生贴片靠近电偶极子辐射臂侧向内延伸，矩形缝隙改变寄生贴片上的电流分布，影响寄生贴片的谐振频率。

4.根据权利要求1所述的一种基于交叉偶极子的宽波束圆极化天线，其特征在于：所述金属单极子与寄生贴片连接，位于两相邻偶极子辐射臂的中线上，金属单极子通过电偶极子耦合馈电。

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