CN116914435B - 宽带圆极化贴片天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带圆极化贴片天线，包括贴片天线主体、地平面和馈电探针，所述天线主体上开设有U形槽，所述地平面位于贴片天线主体的下方且贴片天线主体和地平面之间设有间隔而形成空气介质层，所述馈电探针一端与贴片天线主体电连接，所述馈电探针另一端通过天线馈线与地平面电连接，所述U形槽的底部设有槽电容，所述槽电容一侧与U形槽内侧相连，所述槽电容另一侧向地平面方向延伸但不与地平面相连。本方案通过U形槽和槽电容会额外产生一个线极化模式，通过激励这个额外的线极化模式，可以额外产生一个轴比零点，因此可以将天线的圆极化带宽提升数倍。

Description

宽带圆极化贴片天线

技术领域

本发明属于天线通讯技术领域，具体涉及一种宽带圆极化贴片天线。

背景技术

相比于线极化天线而言，圆极化天线能够克服信号在传输过程出现的极化失配、多径效应、信道串扰等问题。简单的圆极化贴片天线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。其原理是：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。但是简单的圆极化贴片天线的带宽较窄，特别是圆极化带宽（3dB轴比带宽）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。

为提升圆极化贴片天线的带宽，现有技术中披露了叠层贴片天线和宽带U形槽贴片天线。叠层贴片天线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。其原理是：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。宽带U形槽贴片天线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，馈电点位置偏向U形槽的一端，通过U形槽额外产生一个线极化模式，这个模式与贴片天线本身的两个模式相作用，进而在轴比-频率曲线上额外产生一个零点。这可以大幅度提高天线的圆极化带宽。

申请号为202310036638X的中国专利公开了一种紧凑尺寸的宽带圆极化贴片天线，包括介质基板、驱动贴片、第一耦合贴片及第二耦合贴片，三个贴片均为直角三角形，三者相邻且间隔设置于介质基板，所述驱动贴片与第一耦合贴片电磁耦合形成一个圆极化轴比零点，所述第一耦合贴片与第二耦合贴片电磁耦合形成另一个圆极化轴比零点，所述介质基板开设有三排金属化过孔，三排所述金属化过孔分别与驱动贴片、第一耦合贴片及第二耦合贴片电导通；地板，所述地板设置于介质基板的第二表面。该发明的技术方案能够实现圆极化天线的紧凑结构及较大带宽的要求，同等介质剖面下，比切角贴片圆极化轴比带宽拓宽了一倍。

上述三种技术方案都能起到增加圆极化贴片带宽的效果，但是也都存在相应的缺陷，首先是叠层贴片天线，虽然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。其次是宽带U形槽贴片天线以及紧凑尺寸的宽带圆极化贴片天线，虽然二者都能通过额外产生一个轴比零点来大幅度提高天线的圆极化带宽。但是二者都需要使用厚度较大的介质基板。这会增大重量，降低效率，提高成本。特别是对于相对低频的应用，重量和成本会达到无法接受的程度。如果二者都去掉介质基板，都使用空气介质层，那么宽带U形槽贴片天线两个轴比零点必然会有较大的频率间隔，两个轴比零点之间的圆极化特性会很差，无法满足宽带圆极化的应用。而紧凑尺寸的宽带圆极化贴片天线的结构中由于包含数块独立的金属贴片，所以每片金属贴片都需要单独固定，这就会导致生产工艺繁琐。对加工精度的要求也更高，即成本更高。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种宽带圆极化贴片天线，包括贴片天线主体、地平面和馈电探针，所述贴片天线主体上开设有U形槽，所述地平面位于贴片天线主体的下方且贴片天线主体和地平面之间设有间隔而形成空气介质层，所述馈电探针一端与贴片天线主体电连接，所述馈电探针另一端通过天线馈线与地平面电连接，所述U形槽的底部设有槽电容，所述槽电容一侧与U形槽内侧相连，所述槽电容另一侧向地平面方向延伸但不与地平面相连。

较佳的，所述馈电探针靠近贴片天线主体的一端连接有耦合馈电电容，所述馈电探针与贴片天线主体之间电容耦合连接。

较佳的，所述贴片天线主体的边缘连接有贴片边缘电容，所述贴片边缘电容的一端向地平面延伸但不与地平面相连。

较佳的，所述贴片边缘电容包括两个第一贴片边缘电容以及两个第二贴片边缘电容，两个所述第一贴片边缘电容与两个所述第二贴片边缘电容分别位于贴片天线主体的两个侧边。

较佳的，所述贴片天线主体上位于U形槽开口内侧的部分为内导体部，所述内导体部上开设有短槽，所述短槽与U形槽之间不相连。

较佳的，所述槽电容与内导体部之间的夹角为90°。

本发明还提供一种宽带圆极化贴片天线，包括贴片天线主体、地平面和馈电探针，所述贴片天线主体上开设有U形槽，所述地平面位于贴片天线主体的下方且贴片天线主体和地平面之间设有间隔而形成空气介质层，所述馈电探针一端与贴片天线主体电连接，所述馈电探针另一端通过天线馈线与地平面电连接，所述贴片天线主体上位于U形槽开口内侧的部分向地平面方向弯折形成倾斜的槽电容。

较佳的，所述贴片天线主体的边缘连接有贴片边缘电容，所述贴片天线主体、槽电容和贴片边缘电容一体成型。

较佳的，所述贴片天线主体上位于U形槽开口内侧的部分开设有短槽，所述短槽贴近倾斜的槽电容设置，所述短槽与U形槽之间不相连。

较佳的，所述贴片天线主体为全金属结构。

本发明的优点为：

1. 本方案在U形槽的下方增设有一个槽电容，U形槽和槽电容会额外产生一个线极化模式，这个线极化模式的谐振频率与贴片天线主体的两个模式均不同。通过激励这个额外的线极化模式，可以额外产生一个轴比零点，因此可以将天线的圆极化带宽提升数倍；这种结构在提升天线的圆极化带宽同时无需较厚的介质基板，结构简单，成本低，重量轻，两个轴比零点也不会有较大的频率间隔。

2. 本方案中通过增设耦合馈电电容可以抵消掉馈电探针的电感，实现阻抗匹配。

3. 本方案贴片天线主体边缘引入额外的电容，可以降低贴片天线主体的谐振频率，使得相同工作频率下的天线尺寸可以更小。同时，U形槽也起到了增加贴片天线上电流的路径长度的作用，也可以使天线尺寸略微缩小，有利于组成天线矩阵。

4. 本方案中整个贴片天线可以使用全金属结构，没有介质损耗，可以做到很高的效率。

附图说明

图1为本发明实施例1立体图；

图2为本发明实施例1俯视图；

图3为本发明实施例1主视图；

图4为本发明实施例1右视图；

图5为本发明实施例2立体图；

图6为本发明实施例2右视图；

图7为本发明实施例3立体图；

图8为本发明实施例3右视图；

图9为本发明实施例3中的天线在915MHz频点处的φ＝0°和φ＝90°的切面方向图；

图10为本发明实施例3中的天线轴比和增益随频率变化图；

图11为本发明实施例3中的天线阻抗随频率变化图；

图12为本发明实施例4立体结构图；

图13为本发明实施例5立体图；

图14为本发明实施例5俯视图；

图15为本发明实施例5右视图。

图中：1贴片天线主体、2地平面、3馈电探针、4 U形槽、5槽电容、6耦合馈电电容、7第一贴片边缘电容、8第二贴片边缘电容、9内导体部、10短槽。

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。

实施例1

如图1-4所示，一种宽带圆极化贴片天线，包括贴片天线主体1、地平面2、馈电探针3、U形槽4和槽电容5，贴片天线主体1通常是一个扁平的金属片，其形状可以是矩形、圆形、椭圆形或其他几何形状，贴片天线主体1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。地平面2是一个平坦的导电平面，位于贴片天线主体1的下方。地平面2在天线系统中作为反射面，起到引导和增强辐射信号的作用。本实施例中贴片天线主体1和地平面2均为方形结构，贴片天线主体1的尺寸接近天线工作频率下的电磁波的半波长，地平面2的尺寸大于贴片天线主体1的尺寸。贴片天线主体1与地平面2之间通过相应的紧固件如螺丝和螺母进行支撑固定。

馈电探针3是用来将电能传递到贴片天线主体1的一种连接元件，是一根细小的导电物质，它的一端连接到贴片天线主体1的馈电点，馈电点位置偏向U形槽4的一端，而另一端与天线馈线（图中未显示）的内导体相连，天线馈线的外导体与地平面2相连，这种连接方式有助于确保信号的传输和接地。本实施例中的馈电探针3是直接与贴片天线主体1接触形成电连接的。馈电探针3将外部输入的射频电信号引入到天线系统中，进而传递给贴片天线主体1。贴片天线主体1也是一个导电结构，这些外部输入的信号会在贴片天线主体1内部产生电流分布和电场耦合，从而引发贴片天线主体1的谐振振荡和辐射。

在贴片天线主体1上切割开设有一个U形槽4，这个U形槽4的底边安装一个槽电容5。本实施例中贴片天线主体1和槽电容5分别由两片金属加工而成。U形槽4能用来抵消馈电探针3的电感。在天线厚度较大，馈电探针3电感较大时，依然能保证天线的阻抗匹配。而槽电容5就是在U形槽4的底部安装一个片状的金属导体结构，这个片状的金属导体结构与U形槽4内侧相连且垂直设置，向地平面2方向延伸，但不与地平面2相连。片状的金属导体结构的边缘离地平面2较近，因此它在电特性上可以等效为一个到地平面2的电容。实际加工的时候，由于槽电容5需要和贴片天线主体1分成两片金属加工，这里也需要用相应紧固件如螺丝和螺母把这两部分固定在一起。

U形槽4和槽电容5会额外产生一个线极化模式，这个线极化模式的谐振频率与贴片天线主体1的两个模式均不同。通过激励这个额外的线极化模式，可以额外产生一个轴比零点，因此可以将天线的圆极化带宽提升数倍。在提升天线的圆极化带宽的同时本方案结构无需较厚的介质基板，结构简单，成本低，重量轻。

实施例2

结合图5-6，本实施例具有和实施例1相同部分，本实施例在实施例1的基础上增加了一个耦合馈电电容6，耦合馈电电容6为一金属片，其形状任意，可以是圆形也可以是方形，在本实施例中耦合馈电电容6为圆形的金属片。本实施例中耦合馈电电容6底部与馈电探针3相连，馈电探针3的一端与贴片天线主体1之间电容耦合连接，耦合馈电电容6可以抵消掉馈电探针3的电感，进一步提升阻抗匹配。如果对结构强度要求高的话，耦合馈电电容6也会需要通过相应紧固件如螺丝螺母等进行固定。可以固定于贴片天线主体1上。

实施例3

结合图7-9，本实施例是在实施例2的基础上的进一步改进，本实施例在贴片天线主体1的边缘连接有贴片边缘电容，贴片边缘电容的一端向地平面2延伸但不与地平面2相连。贴片边缘电容也为金属片状结构。贴片边缘电容的数量是不固定的，可以根据需求进行设置，本实施例中的贴片边缘电容包括两个第一贴片边缘电容7以及两个第二贴片边缘电容8，两个第一贴片边缘电容7与两个第二贴片边缘电容8分别位于贴片天线主体1的两个侧边。

通过在贴片天线主体1的边缘引入额外的电容，可以降低贴片天线主体1的谐振频率，使得相同工作频率下的天线尺寸可以更小。同时，U形槽4也起到了增加贴片天线上电流的路径长度的作用，也可以使天线尺寸略微缩小，在本实施例中贴片天线主体1的尺寸减小至大约为1/4波长，可以显著小于工作频率下电磁波的半波长，小尺寸的天线对于组成天线阵列是非常有利的。

如图10所示，本实施例实现了定向圆极化辐射，辐射方向朝向+z轴方向，辐射波为圆极化波。可以用作RFID读写器天线，同时如图11所示，本实施例中极大的提升了轴比宽带，3dB轴比带宽能达到102MHz，能覆盖常见的RFID频段。结合图12，本实施例还具有良好的阻抗匹配，天线的-10dB阻抗带宽为190MHz，能覆盖常见的RFID频段。

实施例4

本实施例是在实施例3的基础上增加了短槽10，贴片天线主体1上位于U形槽4开口内侧的部分为内导体部9，内导体部9也是贴片天线整体的一部分，内导体部9的外边缘就是U形槽4的内边缘，在内导体部9上开设有短槽10，短槽10与U形槽4之间不相连，短槽10的形状和大小都是不固定的，本实施例中短槽10为方形结构。槽电容5上方与内导体部9的中间外边缘连接且二者之间的夹角为90°，内导体部9的中间外边缘就是U形槽4的中间内侧边缘，短槽10可以减小U形槽4开口处导体的宽度，使得此处的电感增大，因此可以略微降低U形槽4和槽电容5的谐振频率。可以用来微调天线特性。

实施例5

一种宽带圆极化贴片天线，包括贴片天线主体1、地平面2和馈电探针3，贴片天线主体1上开设有U形槽4，地平面2位于贴片天线主体1的下方且贴片天线主体1和地平面2之间设有间隔而形成空气介质层，馈电探针3一端与贴片天线主体1之间电容耦合连接，在本实施例中耦合馈电电容6为方形的金属片。馈电探针3的另一端通过天线馈线与地平面2电连接，贴片天线主体1位于U形槽4开口内侧的部分向地平面2方向弯折形成倾斜的槽电容5，贴片天线主体1位于U形槽4开口内侧的部分实际上就是实施例1-4中内导体部9，相应的，在这部分位置还设有短槽10，贴片天线主体1的边缘连接有贴片边缘电容，贴片天线主体1、槽电容5和贴片边缘电容一体成型。

本实施例和实施例1-4的区别在于，天线主体上位于U形槽4开口内侧的部分向地平面2方向弯折形成倾斜的槽电容5，也就是说不再需要安装单独的槽电容5，直接将原本实施例4中的内导体部9向下弯折一部分或者全部弯折直接形成的倾斜的槽电容5，整个贴片天线主体1，包括槽电容5和贴片边缘电容，均可使用单独一片金属板切割折弯而成，原材料成本更低，重量更轻，装配耗时少，不再像实施例1-4中那样，需要将槽电容5单独加工并与贴片天线主体1连接装配。本实施例中的贴片天线主体1、地平面2和馈电探针3、槽电容5和边缘电容都可以使用全金属结构，没有介质损耗，可以做到很高的效率。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种宽带圆极化贴片天线，其特征在于：包括贴片天线主体（1）、地平面（2）和馈电探针（3），所述贴片天线主体（1）上开设有U形槽（4），所述地平面（2）位于贴片天线主体（1）的下方且贴片天线主体（1）和地平面（2）之间设有间隔而形成空气介质层，所述馈电探针（3）一端与贴片天线主体（1）电连接，另一端通过天线馈线与地平面（2）电连接，所述U形槽（4）的底部设有槽电容（5），所述槽电容（5）是在所述U形槽（4）的底部安装的一个片状的金属导体结构，所述槽电容（5）与所述U形槽（4）内侧相连且垂直设置，所述槽电容（5）向地平面（2）方向延伸但不与所述地平面（2）相连，所述槽电容（5）的边缘离所述地平面（2）较近，所述槽电容（5）在电特性上可以等效为一个到所述地平面（2）的电容。

2.根据权利要求1所述的宽带圆极化贴片天线，其特征在于：所述馈电探针（3）靠近贴片天线主体（1）的一端连接有耦合馈电电容（6），所述馈电探针（3）与贴片天线主体（1）之间电容耦合连接。

3.根据权利要求2所述的宽带圆极化贴片天线，其特征在于：所述贴片天线主体（1）的边缘连接有贴片边缘电容，所述贴片边缘电容的一端向地平面（2）延伸但不与地平面（2）相连。

4.根据权利要求3所述的宽带圆极化贴片天线，其特征在于：所述贴片边缘电容包括两个第一贴片边缘电容（7）以及两个第二贴片边缘电容（8），两个所述第一贴片边缘电容（7）与两个所述第二贴片边缘电容（8）分别位于贴片天线主体（1）的两个侧边。

5.根据权利要求3所述的宽带圆极化贴片天线，其特征在于：所述贴片天线主体（1）上位于U形槽（4）开口内侧的部分为内导体部（9），所述内导体部（9）上开设有短槽（10），所述短槽（10）与U形槽（4）之间不相连。

6.根据权利要求5所述的宽带圆极化贴片天线，其特征在于：所述槽电容（5）与内导体部（9）之间的夹角为90°。

7.一种宽带圆极化贴片天线，其特征在于：包括贴片天线主体（1）、地平面（2）和馈电探针（3），所述贴片天线主体（1）上开设有U形槽（4），所述地平面（2）位于贴片天线主体（1）的下方且贴片天线主体（1）和地平面（2）之间设有间隔而形成空气介质层，所述馈电探针（3）一端与贴片天线主体（1）电连接，另一端通过天线馈线与地平面（2）电连接，所述贴片天线主体（1）上位于U形槽（4）开口内侧的部分向地平面（2）方向弯折形成倾斜的槽电容（5）。

8.根据权利要求7所述的宽带圆极化贴片天线，其特征在于：所述贴片天线主体（1）的边缘连接有贴片边缘电容，所述贴片天线主体（1）、槽电容（5）和贴片边缘电容一体成型。

9.根据权利要求8所述的宽带圆极化贴片天线，其特征在于：所述贴片天线主体（1）上位于U形槽（4）开口内侧的部分开设有短槽（10），所述短槽（10）贴近倾斜的槽电容（5）设置，所述短槽（10）与U形槽（4）之间不相连。

10.根据权利要求1-9任一项所述的宽带圆极化贴片天线，其特征在于：所述贴片天线主体（1）为全金属结构。