CN117317575B - 一种具有低轴比和宽频带的交叉偶极子天线 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种具有低轴比和宽频带的交叉偶极子天线，包括有上层介质圆板、中间介质基柱和下层介质圆板；上层介质圆板与下层介质圆板之间通过中间介质基柱连接等。本发明中交叉偶极子天线呈现三层辐射结构，风车状金属片与辐射臂耦合可以有效拓宽天线的带宽，通过调节辐射臂可以使天线稳定的工作在所需的北斗卫星导航频段，达到共轭匹配的目的；通过调节类扇形金属片，对天线的谐振频率进行微调；通过调节十字金属和螺旋金属片，达到天线低轴比的目的；U形金属片、工状金属片相耦合，起到调节天线的谐振频率的功能；圆状底部金属片达到提高天线定向性的能力。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种具有低轴比和宽频带的交叉偶极子天线。
背景技术
全球导航卫星系统中精确的定位服务和短报文通信功能在政治、经济、军事等领域发挥重要作用，而天线作为传输电磁能量的介质是卫星导航系统中不可或缺的重要组成部分。
其中，四臂交叉偶极子天线是北斗天线常使用的，四臂交叉偶极子天线因其辐射机理，有着优越的定向性、圆极化、宽波束等优势，而传统四臂交叉偶极子天线高度相对较高，因此在保证四臂交叉偶极子天线性能的前提下，对其进行小型化的研究设计具有很好的应用前景和实用价值，另外，四臂交叉偶极子天线的尺寸主要由螺旋臂和馈电网络决定，因此要想实现四臂交叉偶极子天线的小型化就必须同时优化螺旋臂和馈电网络的结构，在这之中螺旋臂的长度决定天线的谐振频率，通常终端开路的螺旋臂的长度为四分之一波长的整数倍，因此，在保证天线辐射效率的同时有效压缩螺旋臂的结构是实现小型化的关键，此外，与贴片天线进行比较，四臂交叉偶极子天线的高度较高，所以，在保证阻抗匹配良好的基础上降低天线的高度，是实现四臂交叉偶极子天线小型化的一大难点。
发明内容
（一）要解决的技术问题
为了解决上述提出传统的四臂交叉偶极子天线如何在保证阻抗匹配良好的基础上降低天线的高度且实现小型化的问题，本发明提供一种具有低轴比和宽频带的交叉偶极子天线。
（二）技术方案
本发明通过如下技术方案实现：本发明提出了一种具有低轴比和宽频带的交叉偶极子天线，包括有上层介质圆板、中间介质基柱和下层介质圆板；上层介质圆板与下层介质圆板之间通过中间介质基柱连接；
上层介质圆板顶部印制有四个用于调节交叉偶极子天线的谐振频率的辐射臂和用于调节交叉偶极子天线的阻抗匹配的风车状金属片，上层介质圆板底部印制有四个用于微调交叉偶极子天线的谐振频率的类扇形金属片；
中间介质基柱为中空设置的立体结构，中间介质基柱顶部印制有用于大幅度提高交叉偶极子天线的圆极化能力的十字金属片，中间介质基柱外表面印制有四条用于降低交叉偶极子天线轴比的螺旋金属片；
下层介质圆板顶部印制有四个用于微调交叉偶极子天线谐振频率的工状金属片和用于调节交叉偶极子天线的阻抗匹配的四个U形金属片，下层介质圆板底部印制有用于提高交叉偶极子天线的定向辐射能力的圆状底部金属片；
其中，十字金属片与螺旋金属片连接；
辐射臂通过第一金属连接柱与U形金属片连接；
U形金属片与用于馈电的第二金属连接柱连接，用于馈电的第二金属连接柱贯穿于下层介质圆板底部、圆状底部金属片。
进一步的，中间介质基柱中心与上层介质圆板、下层介质圆板的中心对齐设置。
进一步的，
风车状金属片由一个圆环、四个长方形、四个U形的金属片一体构成，U形的金属片为弧形设计，圆环的金属片中心与上层介质圆板圆心对齐设置，四个长方形的金属片一端连接于圆环的金属片外波表面，且四个长方形的金属片沿着圆环的金属片圆周方向等间距设置，四个长方形的金属片的另一端分别连接有一个U形的金属片；
辐射臂由两个弧形、一个条形的金属片构成，两个弧形的金属片之间通过条形的金属片连接，两个弧形的金属片一长一短，一短弧形的金属片位于风车状金属片中U形的金属片内部之间，一长弧形金属片位于风车状金属片中U形的金属片外部，一长弧形金属片远离条形的金属片的端部与第一金属连接柱连接。
进一步的，四个类扇形金属片沿着上层介质圆板圆周方向等间距设置；
类扇形金属片、辐射臂、风车状金属片的最外缘中心位置对齐设置；
四条螺旋金属片沿着中间介质基柱的圆周方向等间距设置；
十字金属片为正十字形且四个端部为弧形设置，弧形与中间介质基柱顶面圆相贴合，四条螺旋金属片顶端分别与十字金属片四个端部连接，十字金属片中心与中间介质基柱中心对齐设置，十字金属片四个端部位于相邻的类扇形金属片之间。
进一步的，四个工状金属片、四个U形金属片均沿下层介质圆板的圆周方向等间距设置，工状金属片位于U形金属片内侧，工状金属片、U形金属片、辐射臂的中轴线对齐设置；
工状金属片由两个弧形金属片和一个长方形金属片一体构成，两个弧形金属片中部之间通过一个长方形金属片连接，两个弧形金属片一长一短设置，一短弧形金属片靠近下层介质圆板圆心，一长弧形金属片远离下层介质圆板圆心；
U形金属片由两个弧形金属片和一个长方形金属片一体构成，两个弧形金属片端部通过一个长方形金属片连接，两个弧形金属片一长一短设置，一短弧形金属片靠近下层介质圆板圆心，一长弧形金属片靠近长方形金属片的端部连接有第一金属连接柱，一长弧形金属片远离长方形金属片的端部连接有第二金属连接柱。
进一步的，上层介质圆板和下层介质圆板均为扁平的圆柱体结构，尺寸结构均相同；
中间介质基柱为圆柱形筒或圆柱中空形筒；
上层介质圆板、中间介质基柱和下层介质圆板的材质为FR板材、Rogers板材。
进一步的，辐射臂、风车状金属片、类扇形金属片、十字金属片、螺旋金属片、U形金属片、圆状底部金属片分别通过蚀刻工艺蚀刻于上层介质圆板、中间介质基柱和下层介质圆板。
进一步的，圆状底部金属片与下层介质圆板半径相同。
（三）有益效果
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
本发明中交叉偶极子天线呈现三层辐射结构，风车状金属片与辐射臂耦合可以有效拓宽天线的带宽，通过调节辐射臂可以使天线稳定的工作在所需的北斗卫星导航频段，达到共轭匹配的目的；通过调节类扇形金属片，对天线的谐振频率进行微调；通过调节十字金属和螺旋金属片，达到天线低轴比的目的；U形金属片、工状金属片相耦合，起到调节天线的谐振频率的功能；圆状底部金属片达到提高天线定向性的能力。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例构造的立体图；
图2为本发明实施例的主视图；
图3为本发明实施例的类扇形金属片的上层介质圆板示意图；
图4为本发明实施例的印制着十字金属片和螺旋金属片的中间介质基柱示意图；
图5为本发明实施例的印制着U形金属片和工形金属片的下层介质圆板示意图；
图6为本发明实施例的交叉偶极子天线的反射系数仿真结果示意图；
图7为本发明实施例的交叉偶极子天线的圆极化轴比带宽仿真方向图；
图8为本发明实施例的交叉偶极子天线的实际增益辐射方向图；
附图中的标记为：1-辐射臂，2-风车状金属片，3-类扇形金属片，4-十字金属片，5-螺旋金属片，6-工状金属片，7- U形金属片，8-第一金属连接柱，9-第二金属连接柱，10-上层介质圆板，11-中间介质基柱，12-下层介质圆板，13-圆状底部金属片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1-5所示，本发明提出了一种具有低轴比和宽频带的交叉偶极子天线，包括有上层介质圆板、中间介质基柱和下层介质圆板；上层介质圆板与下层介质圆板之间通过中间介质基柱连接；
上层介质圆板顶部印制有四个用于调节交叉偶极子天线的谐振频率的辐射臂和用于调节交叉偶极子天线的阻抗匹配的风车状金属片，上层介质圆板底部印制有四个用于微调交叉偶极子天线的谐振频率的类扇形金属片；
中间介质基柱为中空设置的立体结构，中间介质基柱顶部印制有用于大幅度提高交叉偶极子天线的圆极化能力的十字金属片，中间介质基柱外表面印制有四条用于降低交叉偶极子天线轴比的螺旋金属片；
下层介质圆板顶部印制有四个用于微调交叉偶极子天线谐振频率的工状金属片和用于调节交叉偶极子天线的阻抗匹配的四个U形金属片，下层介质圆板底部印制有用于提高交叉偶极子天线的定向辐射能力的圆状底部金属片；
其中，十字金属片与螺旋金属片连接；
辐射臂通过第一金属连接柱与U形金属片连接；
U形金属片与用于馈电的第二金属连接柱连接，用于馈电的第二金属连接柱贯穿于下层介质圆板底部、圆状底部金属片。
其中，中间介质基柱中心与上层介质圆板、下层介质圆板的中心对齐设置；
其中，
风车状金属片由一个圆环、四个长方形、四个U形的金属片一体构成，U形的金属片为弧形设计，圆环的金属片中心与上层介质圆板圆心对齐设置，四个长方形的金属片一端连接于圆环的金属片外波表面，且四个长方形的金属片沿着圆环的金属片圆周方向等间距设置，四个长方形的金属片的另一端分别连接有一个U形的金属片；
辐射臂由两个弧形、一个条形的金属片构成，两个弧形的金属片之间通过条形的金属片连接，两个弧形的金属片一长一短，一短弧形的金属片位于风车状金属片中U形的金属片内部之间，一长弧形金属片位于风车状金属片中U形的金属片外部，一长弧形金属片远离条形的金属片的端部与第一金属连接柱连接；
其中，四个类扇形金属片沿着上层介质圆板圆周方向等间距设置；
类扇形金属片、辐射臂、风车状金属片的最外缘中心位置对齐设置。
四条螺旋金属片沿着中间介质基柱的圆周方向等间距设置；
十字金属片为正十字形且四个端部为弧形设置，弧形与中间介质基柱顶面圆相贴合，四条螺旋金属片顶端分别与十字金属片四个端部连接，十字金属片中心与中间介质基柱中心对齐设置，十字金属片四个端部位于相邻的类扇形金属片之间。
其中，四个工状金属片、四个U形金属片均沿下层介质圆板的圆周方向等间距设置，工状金属片位于U形金属片内侧，工状金属片、U形金属片、辐射臂的中轴线对齐设置；
工状金属片由两个弧形金属片和一个长方形金属片一体构成，两个弧形金属片中部之间通过一个长方形金属片连接，两个弧形金属片一长一短设置，一短弧形金属片靠近下层介质圆板圆心，一长弧形金属片远离下层介质圆板圆心；
U形金属片由两个弧形金属片和一个长方形金属片一体构成，两个弧形金属片端部通过一个长方形金属片连接，两个弧形金属片一长一短设置，一短弧形金属片靠近下层介质圆板圆心，一长弧形金属片靠近长方形金属片的端部连接有第一金属连接柱，一长弧形金属片远离长方形金属片的端部连接有第二金属连接柱。
其中，上层介质圆板和下层介质圆板均为扁平的圆柱体结构，尺寸结构均相同；
中间介质基柱为圆柱形筒或圆柱中空形筒；
上层介质圆板、中间介质基柱和下层介质圆板的材质为FR板材、Rogers板材。
其中，辐射臂、风车状金属片、类扇形金属片、十字金属片、螺旋金属片、U形金属片、圆状底部金属片分别通过蚀刻工艺蚀刻于上层介质圆板、中间介质基柱和下层介质圆板；
其中，馈电网络为一分四馈电网络，四个输出端口相位差分别为0°、90°、180°和270°；
辐射臂，用于调节交叉偶极子天线的谐振频率；
风车状金属片，用于调节交叉偶极子天线的阻抗匹配；
风车状金属片与辐射臂耦合大幅度调节交叉偶极子天线的谐振频率，增加了交叉偶极子天线的带宽；
类扇形金属片与辐射臂、风车状金属片耦合，用于微调交叉偶极子天线的谐振频率；
十字金属片与辐射臂、风车状金属片耦合，用于大幅度提高交叉偶极子天线的圆极化能力，降低天线的轴比；
工状金属片与U形金属片耦合，用于微调交叉偶极子天线的谐振频率；
圆状底部金属片与下层介质圆板半径相同，用于提高交叉偶极子天线的定向辐射能力；
该结构实现了一种具有低轴比和宽频带的交叉偶极子天线，具有高增益，宽带宽，低轴比的性能，该交叉偶极子天线可被我国北斗卫星导航天线的应用频段覆盖；
本发明中交叉偶极子天线呈现三层辐射结构，风车状金属片与辐射臂耦合可以有效拓宽天线的带宽，通过调节辐射臂可以使天线稳定的工作在所需的北斗卫星导航频段，达到共轭匹配的目的；通过调节类扇形金属片，对天线的谐振频率进行微调；通过调节十字金属和螺旋金属片，达到天线低轴比的目的；U形金属片、工状金属片相耦合，起到调节天线的谐振频率的功能；圆状底部金属片达到提高天线定向性的能力。
该天线的整体尺寸为64mm×64mm×9mm，天线的-10dB的频带为2408MHz -2611MHz，天线的轴比在1.5GHZ-3GHZ均小于0.5，天线的增益达到4.14dB，都具有良好的定向辐射性能。
图6是反射系数仿真结果 ：纵坐标反射系数db；横坐标为频率，频率低于-10 db的部分阻抗匹配，能辐射能量且带宽较宽。
图7是圆极化轴比带宽仿真方向图 ：纵坐标轴比db；横坐标为频率，频率低于3db的部分圆极化性能好。
图8是增益辐射方向图：图内分别是phi=0°和phi=90°时增益的变化情况，体现出天线定向性能。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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设备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。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种具有低轴比和宽频带的交叉偶极子天线，其特征在于：
包括有上层介质圆板（10）、中间介质基柱（11）和下层介质圆板（12）；上层介质圆板（10）与下层介质圆板（12）之间通过中间介质基柱（11）连接；
上层介质圆板（10）顶部印制有四个用于调节交叉偶极子天线的谐振频率的辐射臂（1）和用于调节交叉偶极子天线的阻抗匹配的风车状金属片（2），上层介质圆板（10）底部印制有四个用于微调交叉偶极子天线的谐振频率的类扇形金属片（3）；
中间介质基柱（11）为中空设置的立体结构，中间介质基柱（11）顶部印制有用于大幅度提高交叉偶极子天线的圆极化能力的十字金属片（4），中间介质基柱（11）外表面印制有四条用于降低交叉偶极子天线轴比的螺旋金属片（5）；
下层介质圆板（12）顶部印制有四个用于微调交叉偶极子天线谐振频率的工状金属片（6）和用于调节交叉偶极子天线的阻抗匹配的四个U形金属片（7），下层介质圆板（12）底部印制有用于提高交叉偶极子天线的定向辐射能力的圆状底部金属片（13）；
其中，十字金属片（4）与螺旋金属片（5）连接；
辐射臂（1）通过第一金属连接柱（8）与U形金属片（7）连接；
U形金属片（7）与用于馈电的第二金属连接柱（9）连接，用于馈电的第二金属连接柱（9）贯穿于下层介质圆板（12）底部、圆状底部金属片（13）；
风车状金属片（2）由一个圆环、四个长方形、四个U形的金属片一体构成，U形的金属片为弧形设计，圆环的金属片中心与上层介质圆板（10）圆心对齐设置，四个长方形的金属片一端连接于圆环的金属片外波表面，且四个长方形的金属片沿着圆环的金属片圆周方向等间距设置，四个长方形的金属片的另一端分别连接有一个U形的金属片；
辐射臂（1）由两个弧形、一个条形的金属片构成，两个弧形的金属片之间通过条形的金属片连接，两个弧形的金属片一长一短，一短弧形的金属片位于风车状金属片（2）中U形的金属片内部之间，一长弧形金属片位于风车状金属片（2）中U形的金属片外部，一长弧形金属片远离条形的金属片的端部与第一金属连接柱（8）连接；
四个类扇形金属片（3）沿着上层介质圆板（10）圆周方向等间距设置；
类扇形金属片（3）、辐射臂（1）、风车状金属片（2）的最外缘中心位置对齐设置；
四条螺旋金属片（5）沿着中间介质基柱（11）的圆周方向等间距设置；
十字金属片（4）为正十字形且四个端部为弧形设置，弧形与中间介质基柱（11）顶面圆相贴合，四条螺旋金属片（5）顶端分别与十字金属片（4）四个端部连接，十字金属片（4）中心与中间介质基柱（11）中心对齐设置，十字金属片（4）四个端部位于相邻的类扇形金属片（3）之间；
四个工状金属片（6）、四个U形金属片（7）均沿下层介质圆板（12）的圆周方向等间距设置，工状金属片（6）位于U形金属片（7）内侧，工状金属片（6）、U形金属片（7）、辐射臂（1）的中轴线对齐设置；
工状金属片（6）由两个弧形金属片和一个长方形金属片一体构成，两个弧形金属片中部之间通过一个长方形金属片连接，两个弧形金属片一长一短设置，一短弧形金属片靠近下层介质圆板（12）圆心，一长弧形金属片远离下层介质圆板（12）圆心；
U形金属片（7）由两个弧形金属片和一个长方形金属片一体构成，两个弧形金属片端部通过一个长方形金属片连接，两个弧形金属片一长一短设置，一短弧形金属片靠近下层介质圆板（12）圆心，一长弧形金属片靠近长方形金属片的端部连接有第一金属连接柱（8），一长弧形金属片远离长方形金属片的端部连接有第二金属连接柱（9）。
2.根据权利要求1所述的一种具有低轴比和宽频带的交叉偶极子天线，其特征在于：中间介质基柱（11）中心与上层介质圆板（10）、下层介质圆板（12）的中心对齐设置。
3.根据权利要求1所述的一种具有低轴比和宽频带的交叉偶极子天线，其特征在于：
上层介质圆板（10）和下层介质圆板（12）均为扁平的圆柱体结构，尺寸结构均相同；
中间介质基柱（11）为圆柱形筒或圆柱中空形筒；
上层介质圆板（10）、中间介质基柱（11）和下层介质圆板（12）的材质为FR4板材、Rogers板材。
4.根据权利要求1所述的一种具有低轴比和宽频带的交叉偶极子天线，其特征在于：辐射臂（1）、风车状金属片（2）、类扇形金属片（3）、十字金属片（4）、螺旋金属片（5）、U形金属片（7）、圆状底部金属片（13）分别通过蚀刻工艺蚀刻于上层介质圆板（10）、中间介质基柱（11）和下层介质圆板（12）。
5.根据权利要求1所述的一种具有低轴比和宽频带的交叉偶极子天线，其特征在于：圆状底部金属片（13）与下层介质圆板（12）半径相同。
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Citations (6)
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| 一种宽带高低仰角增益的卫星导航终端天线;巩若晨;袁家德;;微波学报(04);全文 * |
| 一种超表面宽带圆极化交叉偶极子天线设计;徐煜思;张福恒;杨国敏;;复旦学报(自然科学版)(02);全文 * |
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