CN116632526A - 一种带有小型化地平面的圆极化微带贴片天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种带有小型化地平面的圆极化微带贴片天线，基于自上至下依次设置圆极化贴片天线本体（2）、介质基板（1）、矩形金属地平面（4），在圆极化贴片天线本体（2）表面设计馈电点（3）与U形槽（5）组合结构，并配合矩形金属地平面（4）外周各枝节组中长枝节（6）的设计，构建所设计圆极化微带贴片天线；并在圆极化贴片天线本体（2）外周设计微调贴片（7）、以及针对各枝节组中增设短枝节（8）做进一步设计，进一步在控制天线整体体积的同时，提升天线工作效率；设计所获圆极化微带贴片天线具有定向圆极化辐射、小尺寸、低后瓣、大轴比带宽的特点，并具有良好的阻抗匹配、以及足够的效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种带有小型化地平面的圆极化微带贴片天线，属于贴片天线技术领域。
背景技术
现有常见用于RFID读写器的圆极化贴片天线有简单圆极化贴片天线、U形开槽贴片天线、叠层贴片天线；其中，简单圆极化贴片天线的结构上包括一个矩形或切角方形贴片、一个地平面、以及一个馈电点，原理是贴片支持两个线极化谐振模式，其极化正交，谐振频率略有不同。通过同时激励这两个模式，产生幅度相等，相位差90°的两个线极化模式，叠加可得圆极化辐射；但是简单圆极化贴片天线带宽较窄，特别是圆极化带宽很窄，难以达到1%，对于一些常见应用，例如RFID读写器，这个带宽无法满足需求。
U形开槽贴片天线，结构是在简单圆极化贴片天线的基础上，在其贴片上增加一个U形槽，原理是U形槽可以提供一个电容，能用来抵消馈电探针的电感。在天线厚度较大，馈电探针电感较大时，依然能保证天线的阻抗匹配，可以用来制作宽带线极化/圆极化贴片天线；虽然U形开槽贴片天线带宽比“简单圆极化贴片天线”大，但是依然较窄，圆极化带宽往往也只能达到2-3%。使用U形开槽贴片天线结构时，想要提升带宽，只能增加天线厚度，并且难以同时满足RFID读写器对带宽和厚度的需求。
叠层贴片天线结构是在简单圆极化贴片天线的基础上，额外添加一个寄生贴片，寄生贴片一般放置在主天线的上方，尺寸略小，原理是通过寄生贴片的谐振，额外产生一个轴比零点，可以大幅度提高天线的轴比带宽，叠层贴片天线的带宽较大，而且可以在相对薄的情况下实现足够的带宽，但是其结构较为复杂，如其名字所述，需要多层结构。这会增加成本，降低生产效率。
同时，以上所有现有技术，均需要保证天线的地平面尺寸显著大于贴片尺寸，否则天线后瓣会增大，后瓣的辐射方向指向天线地平面的背面，这部分辐射的能量会被浪费掉，会降低主瓣的增益，还可能对天线背面的设备造成干扰。因此使用这些现有技术的天线，难以实现小型化，现有技术中尽管有很多关于缩小天线尺寸的研究，但这些研究往往都只关注天线本身的小型化，对“天线地平面的小型化”的研究较少。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种带有小型化地平面的圆极化微带贴片天线，采用全新结构设计，在拥有高效天线性能的同时，能够有效控制天线整体体积。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种带有小型化地平面的圆极化微带贴片天线，包括介质基板、圆极化贴片天线本体、馈电点、矩形金属地平面、以及四个分别与矩形金属地平面四边一一对应的枝节组；
其中，圆极化贴片天线本体为矩形形状，圆极化贴片天线本体以其与介质基板相平行的姿态、设置于介质基板的其中一表面上，并定义介质基板的该表面为其顶面，圆极化贴片天线本体上设置贯穿其两面的U形槽，U形槽用于调整圆极化贴片天线本体的天线阻抗，馈电点设置于圆极化贴片天线本体上背向介质基板的表面上，且馈电点的设置位置位于U形槽的开口位置、或者位于U形槽的半包围区域内部；
矩形金属地平面以其与介质基板相平行的姿态、设置于介质基板的另一表面上，并定义介质基板的该表面为其底面，且沿垂直于介质基板表面的投影方向，圆极化贴片天线本体的投影位于矩形金属地平面的投影内；
各枝节组分别均包括由金属走线构成的长枝节，各枝节组中的长枝节分别设置于介质基板底面、位于矩形金属地平面上对应边的外侧位置，且各枝节组中长枝节上的其中一端分别对接矩形金属地平面上的对应边，以及定义各枝节组中长枝节上的另一端为长枝节的远端，矩形金属地平面上两两彼此相对边分别所连接的两长枝节呈中心对称分布。
作为本发明的一种优选技术方案：还包括四个分别与各枝节组一一对应的微调贴片，各微调贴片分别设置于介质基板上、圆极化贴片天线本体的所设面上，且各微调贴片的位置分别与对应枝节组中长枝节上远端位置相对应，由各微调贴片用于调节各枝节组中长枝节的谐振频率。
作为本发明的一种优选技术方案：定义分别以圆极化贴片天线本体矩形形状各顶点为起点、沿圆极化贴片天线本体中心到顶点所在直线、指向圆极化贴片天线本体外侧方向的射线，各枝节组中长枝节上远端的位置分别一一对应各射线的位置。
作为本发明的一种优选技术方案：所述四个枝节组分别还包括由金属走线构成的短枝节，各枝节组中的短枝节分别设置于介质基板底面、位于矩形金属地平面上对应边的外侧位置，且各枝节组中短枝节上的其中一端分别对接矩形金属地平面上的对应边，矩形金属地平面上两两彼此相对边分别所连接的两短枝节呈中心对称分布，由各枝节组中的短枝节用于微调轴比零点位置。
作为本发明的一种优选技术方案：各枝节组中长枝节上的远端分别对接介质基板的边缘。
作为本发明的一种优选技术方案：U形槽开口的指向方向背向圆极化贴片天线本体的中心位置。
本发明所述一种带有小型化地平面的圆极化微带贴片天线，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明所设计带有小型化地平面的圆极化微带贴片天线，基于自上至下依次设置圆极化贴片天线本体、介质基板、矩形金属地平面，在圆极化贴片天线本体表面设计馈电点与U形槽组合结构，并配合矩形金属地平面外周各枝节组中长枝节的设计，构建所设计圆极化微带贴片天线；并在圆极化贴片天线本体外周设计微调贴片、以及针对各枝节组中增设短枝节做进一步设计，进一步在控制天线整体体积的同时，提升天线工作效率；设计所获圆极化微带贴片天线具有定向圆极化辐射、小尺寸、低后瓣、大轴比带宽的特点，并具有良好的阻抗匹配、以及足够的效率。
附图说明
图1是本发明设计带有小型化地平面的圆极化微带贴片天线的俯视示意图；
图2是本发明设计带有小型化地平面的圆极化微带贴片天线的仰视示意图；
图3是本发明设计所获圆极化微带贴片天线实测和仿真的+Z轴方向的轴比示意图；
图4是本发明设计所获圆极化微带贴片天线实测和仿真的+Z轴方向和-Z轴方向的增益示意图；
图5是本发明设计所获圆极化微带贴片天线的实测和仿真效率示意图；
图6是本发明设计所获圆极化微带贴片天线实测和仿真方向图，ZOX平面；
图7是本发明设计所获圆极化微带贴片天线实测和仿真S11。
其中，1. 介质基板，2. 圆极化贴片天线本体，3. 馈电点，4. 矩形金属地平面，5.U形槽，6. 长枝节，7. 微调贴片，8. 短枝节。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明所设计一种带有小型化地平面的圆极化微带贴片天线，如图1和图2所示，包括介质基板1、圆极化贴片天线本体2、馈电点3、矩形金属地平面4、以及四个分别与矩形金属地平面4四边一一对应的枝节组，实际应用中，介质基板1诸如设计采用FR-4，厚度2mm。
如图1所示，其中圆极化贴片天线本体2为矩形形状，圆极化贴片天线本体2以其与介质基板1相平行的姿态、设置于介质基板1的其中一表面上，并定义介质基板1的该表面为其顶面，圆极化贴片天线本体2的尺寸应接近介质基板1中的电磁波半波长，圆极化贴片天线本体2上设置贯穿其两面的U形槽5，U形槽5用于调整圆极化贴片天线本体2的天线阻抗，馈电点3设置于圆极化贴片天线本体2上背向介质基板1的表面上，且馈电点3的设置位置位于U形槽5的开口位置、或者位于U形槽5的半包围区域内部。
如图2所示，矩形金属地平面4以其与介质基板1相平行的姿态、设置于介质基板1的另一表面上，并定义介质基板1的该表面为其底面，且沿垂直于介质基板1表面的投影方向，圆极化贴片天线本体2的投影位于矩形金属地平面4的投影内。
如图2所示，各枝节组分别均包括由金属走线构成的长枝节6，各枝节组中的长枝节6分别设置于介质基板1底面、位于矩形金属地平面4上对应边的外侧位置，且各枝节组中长枝节6上的其中一端分别对接矩形金属地平面4上的对应边，以及定义各枝节组中长枝节6上的另一端为长枝节6的远端，矩形金属地平面4上两两彼此相对边分别所连接的两长枝节6呈中心对称分布。
基于上述设计技术方案，如图1所示，本发明还进一步设计包括四个分别与各枝节组一一对应的微调贴片7，各微调贴片7分别设置于介质基板1上、圆极化贴片天线本体2的所设面上，且各微调贴片7的位置分别与对应枝节组中长枝节6上远端位置相对应，由各微调贴片7用于调节各枝节组中长枝节6的谐振频率，如果枝节组中长枝节6的谐振频率刚刚好，不需要微调，则可以去掉微调贴片7。
并进一步在实际应用中，如图2所示，定义分别以圆极化贴片天线本体2矩形形状各顶点为起点、沿圆极化贴片天线本体2中心到顶点所在直线、指向圆极化贴片天线本体2外侧方向的射线，各枝节组中长枝节6上远端的位置分别一一对应各射线的位置，如此设计即使得各微调贴片7的位置分别与圆极化贴片天线本体2矩形形状各顶点一一对应。
并且在实际应用中，如图1所示，针对四个枝节组，进一步设计各枝节组分别还包括由金属走线构成的短枝节8，各枝节组中的短枝节8分别设置于介质基板1底面、位于矩形金属地平面4上对应边的外侧位置，且各枝节组中短枝节8上的其中一端分别对接矩形金属地平面4上的对应边，矩形金属地平面4上两两彼此相对边分别所连接的两短枝节8呈中心对称分布，由各枝节组中的短枝节8用于微调轴比零点位置，如果轴比零点位置刚刚好，不需要微调，可以去掉短枝节8。
本发明设计带有小型化地平面的圆极化微带贴片天线，在实际应用当中，为了充分利用天线面积，进一步设计各枝节组中长枝节6上的远端分别对接介质基板1的边缘；以及U形槽5开口的指向方向背向圆极化贴片天线本体2的中心位置。
上述所设计带有小型化地平面的圆极化微带贴片天线，具有如下特点：
1）圆极化原理：
矩形的圆极化贴片天线本体2支持两个线极化模式，它们的极化正交，谐振频率不同，通过同时激励这两个正交的线极化模式，使其幅度相等、相位相差90°，即可得到圆极化辐射。
2）阻抗匹配原理：
本发明所设计圆极化微带贴片天线本身的阻抗呈感性。通过在馈电点3附近放置U形槽5，可以产生一个电容，抵消掉天线本身的电感，实现阻抗匹配。
3）抑制后瓣原理：
在矩形金属地平面4的四周，放置一组长枝节6，这些长枝节6在所设计圆极化微带贴片天线的工作频段会产生谐振，避免电流流向矩形金属地平面4背面，削弱矩形金属地平面4背面的电流产生的辐射。通过合理的设计这些枝节的尺寸，可以几乎消除天线的后瓣。
4）提高轴比带宽的原理：
加入短枝节8和微调贴片7，可以微调矩形金属地平面4的和长枝节6的谐振频率，使天线额外出现一个轴比零点，并且将这个轴比零点的位置调整到圆极化贴片天线本体2的轴比零点附近，这使得所设计圆极化微带贴片天线的轴比-频率曲线，从原来的单零点，变为双零点，可以将轴比带宽提升数倍。
所设计带有小型化地平面的圆极化微带贴片天线，基于自上至下依次设置圆极化贴片天线本体2、介质基板1、矩形金属地平面4，在圆极化贴片天线本体2表面设计馈电点3与U形槽5组合结构，并配合矩形金属地平面4外周各枝节组中长枝节6的设计，构建所设计圆极化微带贴片天线；并在圆极化贴片天线本体2外周设计微调贴片7、以及针对各枝节组中增设短枝节8做进一步设计，进一步在控制天线整体体积的同时，提升天线工作效率；设计所获圆极化微带贴片天线具有定向圆极化辐射、小尺寸、低后瓣、大轴比带宽的特点，并具有良好的阻抗匹配、以及足够的效率，具体如下。
定向圆极化辐射：如图6所示，辐射方向朝向+z轴方向，辐射波为右旋圆极化波，以用作RFID读写器天线。
小尺寸，低后瓣：本发明所设计圆极化微带贴片天线的矩形金属地平面4尺寸小，仅略大于圆极化贴片天线本体2尺寸，如果不引入枝节，则在这个尺寸下，天线的前后比只能达到6dB左右。本发明通过引入枝节，所设计圆极化微带贴片天线可以达到仿真20dB，实测15dB的前后比，如图4所示。
大轴比带宽：通过长枝节6、短枝节8、微调贴片7，可以实现双轴比零点的效果，极大的提高轴比带宽，如图3所示，本发明所设计圆极化微带贴片天线的3dB轴比带宽能达到：仿真61MHz（883-944MHz），实测46MHz（892-938 MHz）。作为对比，相同尺寸下，简单矩形贴片天线的3dB轴比带宽只能达到9MHz。
良好的阻抗匹配：如图7所示，本发明所设计圆极化微带贴片天线的-10dB阻抗带宽为：仿真33MHz（896-929MHz），实测32MHz（894-926MHz），可以满足RFID读写器的需求。
足够的效率：如图5所示，本发明所设计圆极化微带贴片天线的效率约为-6dB。这与相同尺寸的简单矩形贴片天线是几乎一致的。这个效率虽然不高，但足够使用。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (6)
1.一种带有小型化地平面的圆极化微带贴片天线，其特征在于：包括介质基板（1）、圆极化贴片天线本体（2）、馈电点（3）、矩形金属地平面（4）、以及四个分别与矩形金属地平面（4）四边一一对应的枝节组；
其中，圆极化贴片天线本体（2）为矩形形状，圆极化贴片天线本体（2）以其与介质基板（1）相平行的姿态、设置于介质基板（1）的其中一表面上，并定义介质基板（1）的该表面为其顶面，圆极化贴片天线本体（2）上设置贯穿其两面的U形槽（5），U形槽（5）用于调整圆极化贴片天线本体（2）的天线阻抗，馈电点（3）设置于圆极化贴片天线本体（2）上背向介质基板（1）的表面上，且馈电点（3）的设置位置位于U形槽（5）的开口位置、或者位于U形槽（5）的半包围区域内部；
矩形金属地平面（4）以其与介质基板（1）相平行的姿态、设置于介质基板（1）的另一表面上，并定义介质基板（1）的该表面为其底面，且沿垂直于介质基板（1）表面的投影方向，圆极化贴片天线本体（2）的投影位于矩形金属地平面（4）的投影内；
各枝节组分别均包括由金属走线构成的长枝节（6），各枝节组中的长枝节（6）分别设置于介质基板（1）底面、位于矩形金属地平面（4）上对应边的外侧位置，且各枝节组中长枝节（6）上的其中一端分别对接矩形金属地平面（4）上的对应边，以及定义各枝节组中长枝节（6）上的另一端为长枝节（6）的远端，矩形金属地平面（4）上两两彼此相对边分别所连接的两长枝节（6）呈中心对称分布。
2.根据权利要求1所述一种带有小型化地平面的圆极化微带贴片天线，其特征在于：还包括四个分别与各枝节组一一对应的微调贴片（7），各微调贴片（7）分别设置于介质基板（1）上、圆极化贴片天线本体（2）的所设面上，且各微调贴片（7）的位置分别与对应枝节组中长枝节（6）上远端位置相对应，由各微调贴片（7）用于调节各枝节组中长枝节（6）的谐振频率。
3.根据权利要求2所述一种带有小型化地平面的圆极化微带贴片天线，其特征在于：定义分别以圆极化贴片天线本体（2）矩形形状各顶点为起点、沿圆极化贴片天线本体（2）中心到顶点所在直线、指向圆极化贴片天线本体（2）外侧方向的射线，各枝节组中长枝节（6）上远端的位置分别一一对应各射线的位置。
4.根据权利要求1所述一种带有小型化地平面的圆极化微带贴片天线，其特征在于：所述四个枝节组分别还包括由金属走线构成的短枝节（8），各枝节组中的短枝节（8）分别设置于介质基板（1）底面、位于矩形金属地平面（4）上对应边的外侧位置，且各枝节组中短枝节（8）上的其中一端分别对接矩形金属地平面（4）上的对应边，矩形金属地平面（4）上两两彼此相对边分别所连接的两短枝节（8）呈中心对称分布，由各枝节组中的短枝节（8）用于微调轴比零点位置。
5.根据权利要求1所述一种带有小型化地平面的圆极化微带贴片天线，其特征在于：各枝节组中长枝节（6）上的远端分别对接介质基板（1）的边缘。
6.根据权利要求1所述一种带有小型化地平面的圆极化微带贴片天线，其特征在于：U形槽（5）开口的指向方向背向圆极化贴片天线本体（2）的中心位置。
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