CN116231297A - 一种单层宽带全向圆极化天线 - Google Patents

一种单层宽带全向圆极化天线 Download PDF

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郭俊雷
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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，提供一种单层宽带全向圆极化天线，包括：金属贴片辐射结构、介质基板、金属地板以及同轴馈电探针；其中，金属贴片辐射结构由中心大正方形贴片1‑1、小矩形贴片1‑2与L形贴片1‑3构成；通过该结构设计，在中心大正方形贴片的中心进行同轴探针馈电，以激励起向四周发散的电流，实现垂直全向辐射特性(类电流源辐射)；再通过四角加载四个旋转对称的L形贴片，引入环形电流(类磁流源辐射)，实现水平全向辐射特性；同时，垂直全向辐射和水平全向辐射呈现90°的时间相位差，从而在远区实现全向圆极化辐射特性。综上，本发明实现宽带全向圆极化辐射，且具有结构简单、宽带和高增益特性。

Description

一种单层宽带全向圆极化天线
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及全向圆极化天线，具体提供一种单层宽带全向圆极化天线。
背景技术
在现代无线通信系统中，作为接收和发射电磁波的部件，天线已经与我们的生活息息相关，如导航、电视、雷达、广播、卫星等需要电磁波来传递信息的无线通信系统，天线性能的优劣会直接影响到通信质量；同时，随着无线通信的发展，单一性质的天线已经越来越难以满足我们的需求，针对不同环境中的需求，天线的形式及性能等各不相同，这就导致现代的天线在结构等方面造成较大的差异。
全向圆极化天线同时具有全向天线和圆极化天线两种天线的特性，既可以在某一角度的水平面内向任意方向发射和接收电磁波信号，又可以辐射和接收圆极化波。目前，全向圆极化天线的实现方法主要有三种：第一种是在全向天线上通过圆极化器馈入圆极化波或者加载寄生单元来改变辐射波的极化特性，此类天线的全向覆盖性较好，但尺寸较大，剖面较高难以实现小型化且加工复杂；第二种是通过设计合适的馈电网络对各天线单元馈电从而实现全向圆极化，此类天线易于制作加工，但对馈电结构要求比较高，馈电网络的设计较为复杂；第三种是将产生垂直线极化分量和水平线极化分量的全向天线进行组合，此类天线易实现宽带，但在应用中不易满足实际需求，且天线设计也较为复杂。目前，设计结构简单的单层全向圆极化天线还是一个挑战。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单层宽带全向圆极化天线，使其具有天线结构简单、性能优异的优点，具有广泛的应用前景。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种单层宽带全向圆极化天线，包括：金属贴片辐射结构1、介质基板2、金属地板3、同轴馈电探针4以及短路探针5；其中，金属贴片辐射结构1设置于介质基板2的上表面，金属地板3设置于介质基板2的下表面；
其特征在于：
所述金属贴片辐射结构1呈90°中心旋转对称结构，由一个中心大正方形贴片1-1、八个小矩形贴片1-2与四个L形贴片1-3构成；中心大正方形贴片设置于中心位置、且其中心加载圆环形缝隙，八个小矩形贴片1-2与四个L形贴片1-3围绕中心大正方形贴片1-1设置，小矩形贴片1-2两两成对、且对应于中心大正方形贴片1-1的四边设置，L形贴片1-3对应于中心大正方形贴片1-1的四角设置；小矩形贴片1-2的宽边正对中心大正方形贴片1-1的边、长边正对L形贴片1-3中正方形贴片1-3-1的边，且小矩形贴片1-2的长边与中心大正方形贴片1-1的边缘齐平；
所述同轴馈电探针4穿过介质基板2，其顶端与中心大正方形贴片1-1连接馈电、且馈电点位于中心大正方形贴片的中心，其底端连接金属地板3。
进一步的，所述L形贴片1-3由小正方形贴片1-3-1、大矩形贴片1-3-2与L形枝节1-3-3构成，大矩形贴片1-3-2的一侧长边拼接于小正方形贴片1-3-1远离中心大正方形贴片1-1的一端、且大矩形贴片1-3-2与小正方形贴片1-3-1的中心均位于大正方形贴片1-1的对角线的延长线上，大矩形贴片1-3-2的另一侧长边的中间位置垂直加载L形枝节1-3-3、且L形枝节1-3-3的短枝节指向小正方形贴片1-3-1；小正方形贴片1-3-1通过短路探针5连接金属地板3，作为最优选择，探针加载在小正方形贴片1-3-1上靠近小矩形贴片1-2、且远离大矩形贴片1-3-2与中心大正方形贴片1-1的一角。
进一步的，小矩形贴片1-2与相邻中心大正方形贴片1-1之间的间距为g1，小矩形贴片1-2与相邻L形贴片1-3之间的间距为g1。
进一步的，中心大正方形贴片1-1的边长为l1，小矩形贴片1-2的长边为l2，L形贴片中小正方形贴片1-3-1的边长为l3，l3＝l2、l2＜l1。
从工作原理上讲：
电流源和磁流源的辐射均为全向辐射，平行放置的电流源和磁流源在远区特定方向上的电场正交，如若能保证电流源和磁流源具有90°的时间相位差，即可实现全向圆极化辐射特性。基于此原理，本发明通过采用特殊形状的贴片产生交替辐射的电流源和磁流源，并且保证两者平行以获得空间90°的相位差，通过合理优化尺寸使得电流源和磁流源在一个周期内交替辐射，即可实现全向圆极化特性。具体的，在单层正方形微带贴片的中心进行同轴探针馈电，以激励起向四周发散的电流，从而实现垂直全向辐射特性(类电流源辐射)；在此结构上，通过在原始的正方形微带贴片的四角加载四个旋转对称的带L形枝节的L形贴片，进一步引入了环形电流(类磁流源辐射)，该环形电流能够实现水平全向辐射特性。正方形微带贴片结构上的发散形分布电流和四个旋转对称的带L形枝节的L形贴片上的环形电流在一个周期内交替实现，使得垂直全向辐射和水平全向辐射呈现90°的时间相位差，从而在远区实现全向圆极化辐射特性。位于正方形贴片四边的矩形贴片用于优化正方形贴片与带L形枝节的L形贴片的耦合强度，正方形微带贴片上的环形缝隙和带L形枝节的L型贴片上加载的短路探针则都用于改善匹配。
综上，本发明的有益效果在于：
本发明提供一种单层宽带全向圆极化天线，通过合理布局贴片结构的位置和形状使得单层天线结构实现宽带全向圆极化辐射；所设计得圆极化天线结构简单，具有宽带和高增益特性，具有借鉴价值。
附图说明
图1为本发明中单层宽带全向圆极化天线的俯视结构示意图。
图2为本发明中单层宽带全向圆极化天线的侧视结构示意图。
图3为本发明实施例中正方形贴片的天线俯视结构图。
图4为本发明实施例中正方形贴片的天线工作在7.9GHz时的天线的表面电流分布图。
图5为本发明实施例中单层宽带全向圆极化天线工作在7.9GHz时的表面电流分布图。
图6为本发明实施例中单层宽带全向圆极化天线的天线回波损耗图和增益图。
图7为本发明实施例中单层宽带全向圆极化天线在θ＝30°的轴比图。
图8为本发明实施例中单层宽带全向圆极化天线工作在7.9GHz时的二维辐射方向图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及技术效果更加完整清晰，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
本实施例提供一种单层宽带全向圆极化天线，其结构如图1、图2所示，包括：金属贴片辐射结构1、介质基板2、金属地板3、同轴馈电探针4以及短路探针5；其中，金属贴片辐射结构1设置于介质基板2的上表面，金属地板3设置于介质基板2的下表面；
进一步的，所述金属贴片辐射结构1呈90°中心旋转对称结构，由一个中心大正方形贴片1-1、八个小矩形贴片1-2与四个L形贴片1-3构成；中心大正方形贴片设置于中心位置、且其中心加载圆环形缝隙，八个小矩形贴片1-2与四个L形贴片1-3围绕中心大正方形贴片1-1设置，小矩形贴片1-2两两成对、且对应于中心大正方形贴片1-1的四边设置，L形贴片1-3对应于中心大正方形贴片1-1的四角设置；
L形贴片1-3由小正方形贴片1-3-1、大矩形贴片1-3-2与L形枝节1-3-3构成，大矩形贴片1-3-2的一侧长边拼接于小正方形贴片1-3-1远离中心大正方形贴片1-1的一端、且大矩形贴片1-3-2与小正方形贴片1-3-1的中心均位于大正方形贴片1-1的对角线的延长线上，大矩形贴片1-3-2的另一侧长边的中间位置垂直加载L形枝节1-3-3、且L形枝节1-3-3的短枝节指向小正方形贴片1-3-1；小正方形贴片1-3-1通过短路探针5连接金属地板3，作为最优选择，探针加载在小正方形贴片1-3-1上靠近小矩形贴片1-2、且远离大矩形贴片1-3-2与中心大正方形贴片1-1的一角；
小矩形贴片1-2的宽边正对中心大正方形贴片1-1的边、且间距为g1，小矩形贴片1-2的长边正对L形贴片1-3中正方形贴片1-3-1的边、且间距为g1，小矩形贴片1-2的长边(邻近L形贴片1-3中正方形贴片1-3-1的长边)与中心大正方形贴片1-1的边齐平；
所述同轴馈电探针4穿过介质基板2，其顶端与中心大正方形贴片1-1连接馈电、且馈电点位于中心大正方形贴片的中心，其底端连接金属地板3。
具体而言，本实施例中：介质基板2是介电常数为4.4的F4BTM-2板材，厚度h＝4mm，边长W＝52mm；同轴馈电探针4的直径d2＝0.8mm，短路探针5的直径d3＝0.2mm；大正方形贴片1-1上环形的内圆半径r＝1.7mm，外圆半径r1＝3mm；大正方形贴片1-1的边长l1＝15mm，大正方形贴片1-1与小矩形贴片1-2的距离g1＝2mm，小矩形贴片1-2的长边l2＝6mm，短边w2＝2.5mm，位于大正方形贴片1-1同一侧边的小矩形贴片之间的距离g2＝10mm；小矩形贴片1-2与L形贴片1-3之间的距离也是g1＝2mm，L形贴片1-3中小正方形贴片1-3-1的边长l3＝l2＝6mm，大矩形贴片1-3-2的长边l4＝5mm，短边w4＝4mm，L形枝节1-3-3位于大矩形贴片1-3-2的长边，与长边边缘的距离g3＝2.5mm，L形枝节1-3-3中长枝节的长l5＝5mm，宽w5＝1mm，短枝节的长l6＝3mm，宽w6＝0.7mm；短路探针5的顶端接触L形贴片1-3，底端接触金属地板层3，距离L形贴片中小正方形贴片1-3-1两边的距离分别为g4＝0.5mm、g5＝0.7mm。
如图3所示为基板上层只有中间正方形贴片时的天线结构，如图4所示展示了该天线工作在7.9GHz时的表面电流分布图，可以看出正方形贴片上的电流呈发散形，从而形成垂直全向辐射。
如图5所示展示了本实施例单层宽带全向圆极化天线工作在7.9GHz时的表面电流分布图，可以看出，在0时刻，以四周带L形枝节的L形贴片上的环形电流为主，产生类磁流源的辐射；在四分之一周期时刻，以中心贴片上的发散电流为主，产生类电流源辐射；在二分之一周期时刻是以环形电流为主产生类磁流源的辐射，但是与0时刻的电流方向相反；在四分之三时刻是以中心贴片发散电流为主产生类电流源的辐射，但是与二分之一时刻的电流方向正相反；正是由于交替辐射的电流源和磁流源，使得天线在远区实现了圆极化特性。
如图6所示为本实施例单层宽带全向圆极化天线的天线回波损耗图和增益图，如图7所示为本实施例单层宽带全向圆极化天线在θ＝30°的轴比图，如图8所示为本实施例单层宽带全向圆极化天线工作在7.9GHz时的二维辐射方向图；从图6和图7可以看出，本发明天线在7.03～8.62GHz频带内的反射系数都小于-10，-10dB阻抗带宽可以达到20.3％；本发明天线在7.39～8.56GHz频带内的轴比系数小于3，3dB轴比带宽可以达到14.7％；本发明天线在工作频带内的最大增益可达4.3dBi；从图8可以看出，本发明天线在θ＝30°的水平面方向是全向辐射，并且是右旋圆极化天线。
综上所述，本发明的提供的单层宽带全向圆极化天线具有良好的全向圆极化辐射，且天线结构简单。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (4)

1.一种单层宽带全向圆极化天线，包括：金属贴片辐射结构(1)、介质基板(2)、金属地板(3)以及同轴馈电探针(4)；其中，金属贴片辐射结构设置于介质基板的上表面，金属地板设置于介质基板的下表面；其特征在于：
所述金属贴片辐射结构(1)呈90°中心旋转对称结构，由一个中心大正方形贴片(1-1)、八个小矩形贴片(1-2)与四个L形贴片(1-3)构成；中心大正方形贴片设置于中心位置、且其中心加载圆环形缝隙，八个小矩形贴片(1-2)与四个L形贴片(1-3)围绕中心大正方形贴片(1-1)设置，小矩形贴片两两成对、且对应于中心大正方形贴片的四边设置，L形贴片对应于中心大正方形贴片的四角设置；小矩形贴片(1-2)的宽边正对中心大正方形贴片(1-1)的边、长边正对L形贴片(1-3)，且小矩形贴片的长边与中心大正方形贴片(1-1)的边缘齐平；
所述同轴馈电探针(4)穿过介质基板(2)，其顶端与中心大正方形贴片(1-1)连接馈电、且馈电点位于中心大正方形贴片的中心，其底端连接金属地板(3)。
2.按权利要求1所述单层宽带全向圆极化天线，其特征在于，所述L形贴片(1-3)由小正方形贴片(1-3-1)、大矩形贴片(1-3-2)与L形枝节(1-3-3)构成，大矩形贴片(1-3-2)的一侧长边拼接于小正方形贴片远离中心大正方形贴片的一端、且大矩形贴片(1-3-2)与小正方形贴片(1-3-1)的中心均位于大正方形贴片(1-1)的对角线的延长线上，大矩形贴片(1-3-2)的另一侧长边的中间位置垂直加载L形枝节(1-3-3)、且L形枝节(1-3-3)的短枝节指向小正方形贴片(1-3-1)；小正方形贴片(1-3-1)通过短路探针(5)连接金属地板(3)，短路探针加载于小正方形贴片(1-3-1)上靠近小矩形贴片(1-2)、且远离大矩形贴片(1-3-2)与中心大正方形贴片(1-1)的一角。
3.按权利要求1所述单层宽带全向圆极化天线，其特征在于，小矩形贴片(1-2)与相邻中心大正方形贴片(1-1)之间的间距为g1，小矩形贴片(1-2)与相邻L形贴片(1-3)之间的间距为g1。
4.按权利要求2所述单层宽带全向圆极化天线，其特征在于，中心大正方形贴片(1-1)的边长为l1，小矩形贴片(1-2)的长边为l2，L形贴片中小正方形贴片(1-3-1)的边长为l3，l3＝l2、l2＜l1。
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