CN117543227B - 一种基于共享贴片结构的宽带圆极化阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于共享贴片结构的宽带圆极化阵列天线。主要包括四端口馈电网络、激励端口、0.8mm厚介质板、金属地板、1.5mm厚介质板、环形馈电结构、驱动贴片和寄生贴片。通过使相邻天线单元之间共享贴片的方式来减少尺寸，在不影响辐射性能的前提下，所设计的2×2阵列尺寸可以从1.63λ0×1.63λ0×0.04λ0减少到1.39λ0×1.39λ0×0.04λ0，结构更加紧凑，适合应用在小型的通信设备上。通过合理布局可以组成比2×2更大的阵列，达到更高的增益和扩展带宽，而且天线类型为贴片，适用于多层印刷电路板（PCB）加工，非常易于大规模生产，所配备四端口馈电网络分别给相邻贴片天线单元提供相同的幅度和90°的相位差。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种基于共享贴片结构的宽带圆极化阵列天线。
背景技术
圆极化贴片阵列天线的带宽包括阻抗匹配带宽、轴比带宽和3dB增益带宽，三种带宽重合的部分才是圆极化贴片阵列天线的工作带宽，因此一般来说圆极化贴片阵列天线的工作带宽都比较窄，难以满足宽带无线通信系统需求；而带宽宽的圆极化贴片阵列天线也面临着尺寸较大，剖面较高的问题。目前许多已公开的圆极化阵列天线专利在工作带宽，馈电网络，增益，尺寸，剖面等多方面还存在着一些问题，例如高增益的阵列天线普遍存在着尺寸大，剖面高的缺点，轴比带宽宽的天线阵列往往对馈电网络的设计要求也比较高，贴片天线有剖面低，加工易的优点，但是阻抗带宽一般较窄。以下对一些已公开的专利和期刊论文分别做介绍：
中国专利公开号为CN110797650A的发明专利申请公开了一种具有顺序旋转馈电网络的圆极化天线阵列。该天线通过工作在不同频段的天线单元并与顺序旋转馈电网络相连接组成阵列天线，只需单层印制便于加工，但该天线的轴比相对带宽仅为10%，且工作带宽内增益不够平坦。
中国专利公开号为CN214672987U的发明专利申请公开了一种低轴比的微带圆极化阵列天线。该天线通过对矩形环双馈电以实现圆极化，并用一分四功分器连接四个天线单元以组成阵列天线，结构简单，便于加工，但该阵列天线的馈电结构较复杂，且轴比带宽只有300MHz。
中国专利公开号为CN214898852U的发明专利申请公开了一种紧凑型超宽带圆极化阵列天线。该天线通过使相邻的交叉偶极子单元的第一偶极子位于第二基板的不同侧且至少部分重叠的设置方式缩短了阵列天线中交叉偶极子单元之间的距离，从而减小阵列天线的总体尺寸，但该阵列天线的剖面高度接近23mm，难以应用在需要低剖面的小型移动设备上。
中国专利公开号为CN217158656U的发明专利申请公开了一种宽带圆极化环形天线。该天线为采用双面平行带线馈电网络设计的圆极化2×2阵列天线,结构简单,性能易优化,但为了提高天线的定向性,在基板的下方20mm处安装了一个作为反射器的金属板,并且最大辐射增益只有9.5dBic。
中国专利公开号为CN210838104U的发明专利申请公开了一种四振元圆极化微带平面阵列天线。该天线的馈电网络通过电长度依次递增的引线分别与各个矩形单元的馈电点相连接，形成不同的馈入方向以达到圆极化天线的馈电要求，降低了天线布局的复杂度。但该天线同样在基板的下方安装了一个金属反射板，这使得整体剖面升高。
中国专利公开号为CN112768882A的发明专利申请公开了一种基于双贴片加载的双波束圆极化阵列天线。该天线由四个相同的双波束圆极化阵列天线单元和一个一分四微带功率分配器组成,能够在两个俯仰面同时辐射出右旋圆极化电磁波,但该天线的-10dB阻抗带宽只有100MHz，轴比带宽只有250MHz，最大辐射增益只有6.4dBi。
中国专利公开号为CN210006906U的发明专利申请公开了一种宽带圆极化阵列天线。该天线馈电网络中的枝条状贴片通过采用梯形正交结构，从而扩展了天线阻抗带宽和轴比带宽，相互垂直的结构也可以确保圆极化的产生。但这种馈电结构由于不连续性，辐射损耗较大。
以下对一些已发表的期刊论文做介绍，此处的λ0是指阻抗匹配带宽最低频率的自由空间波长。
DOI号为10.1109/TAP.2016.2560940的期刊论文Low-Profile CircularlyPolarized Cavity-Backed Antennas Using SIW Techniques发表了一种2×2圆极化阵列，它的尺寸大小为2.99λ0× 2.99λ0× 0.04λ0，阻抗匹配带宽为23.3%，轴比带宽为7.7%，最高增益为10.8 dBic。
DOI号为10.1109/TAP.2017.2689073的期刊论文35-GHz Wideband CircularlyPolarized Patch Array on LTCC发表了一种2×2圆极化阵列，它的尺寸大小为1.52λ0×2.8λ0× 0.13λ0，阻抗匹配带宽为29.6%，轴比带宽为26%，最高增益为9.3 dBi。
DOI号为10.1109/TAP.2017.2710231的期刊论文A Circularly Polarized High-Gain Antenna With Low RCS Over a Wideband Using Chessboard PolarizationConversion Metasurfaces发表了一种2×2圆极化阵列，它的尺寸大小为1.82λ0× 1.82λ0× 0.30λ0，阻抗匹配带宽为14.1%，轴比带宽为21%，3dB增益带宽为11.1%，最高增益为11.2dBi。
DOI号为10.1109/LAWP.2019.2910657的期刊论文Millimeter-Wave CircularlyPolarized Array Antenna Using Substrate-Integrated Gap Waveguide SequentiallyRotating Phase Feed发表了一种2×2圆极化阵列，它的尺寸大小为3.33λ0× 2.96λ0×0.19λ0，阻抗匹配带宽为25.6%，轴比带宽为19%，最高增益为11.5 dBic。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明的目的是在天线尽可能保持原有阻抗匹配优良特性的同时，通过共享贴片的结构来减少尺寸，从而实现一种尺寸较小且性能优异的宽带圆极化阵列天线，该天线同时具有高增益、宽频带、圆极化、低剖面，结构紧凑的优点。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于共享贴片结构的宽带圆极化阵列天线，包括四端口馈电网络、激励端口、0.8mm厚介质板、金属地板、1.5mm厚介质板、环形馈电结构、驱动贴片和寄生贴片，所述四端口馈电网络设置在0.8mm厚介质板的下表面，激励端口与四端口馈电网络相连，所述金属地板设置在0.8mm厚介质板的上表面，圆形槽蚀刻在金属地板的中间部分，所述环形馈电结构、驱动贴片和寄生贴片设置在1.5mm厚介质板的上表面，按照2x2阵列排列，所述0.8mm厚介质板和1.5mm厚介质板之间通过金属柱贯穿连通，所述金属柱两端分别连接四端口馈电网络和环形馈电结构。
优选地，所述驱动贴片的边长比寄生贴片的边长长。
进一步地，所述四端口馈电网络通过印制的方式设置在0.8mm厚介质板的下表面；所述金属地板通过印制的方式设置在0.8mm厚介质板的上表面。
进一步地，所述环形馈电结构、驱动贴片和寄生贴片通过印制的方式设置在1.5mm厚介质板的上表面。
进一步地，所述环形馈电结构包括切角环形和扇形条带，所述扇形条带提供90°相位差，运用电容耦合的方式激励驱动贴片和寄生贴片。
进一步地，所述四端口馈电网络带有八个微带线，微带线按宽度从大到小排序为：第一微带线＞第六微带线=第八微带线＞第三微带线＞第二微带线＞第五微带线＞第七微带线＞第四微带线；所述第八微带线与金属柱相连接。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明的圆极化贴片阵列天线通过使相邻天线单元之间共享贴片的方式来减少尺寸，在不影响辐射性能的前提下，所设计的2×2阵列尺寸可以从1.63λ0× 1.63λ0×0.04λ0减少到1.39λ0× 1.39λ0× 0.04λ0（λ0是指5.22 GHz的自由空间波长），结构更加紧凑，适合应用在小型的通信设备上。
2.本发明的圆极化贴片阵列天线阻抗匹配低于-10dB的频段范围为5.22-7.49GHz，阻抗匹配相对带宽达到35.7％；轴比低于3dB的频段范围为5.49-7.05GHz，轴比相对带宽达到24.9％；3dB增益的频段范围为5.36-7.35GHz，3dB增益相对带宽达到31.3％，在6.42GHz处达到最大增益12.6dBic。性能各方面表现优异，能满足宽带无线通信系统需求。
3.本发明的天线单元结构统一，通过合理布局可以组成比2×2更大的阵列，达到更高的增益和扩展带宽，而且天线类型为贴片，适用于多层印刷电路板（PCB）加工，非常易于大规模生产，因此在宽带无线通信系统中具有很好的应用前景。
4.本发明的圆极化贴片阵列基于顺序旋转技术排列分布，具有带宽宽，极化纯度高等优势，所配备四端口馈电网络分别给相邻贴片天线单元提供相同的幅度和90°的相位差。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图2为本发明平面结构示意图。
图3为本发明侧面结构示意图。
图4为本发明天线设计过程中仿真的阻抗匹配对比图。
图5为本发明天线仿真和实测的阻抗匹配对比图。
图6为本发明天线仿真和实测的轴比对比图。
图7为本发明天线仿真和实测的增益对比图。
图8为本发明天线在6.1GHz处XOZ面的辐射方向图。
图9为本发明天线在6.1GHz处YOZ面的辐射方向图。
图10为本发明天线在6.8GHz处XOZ面的辐射方向图。
图11为本发明天线在6.8GHz处YOZ面的辐射方向图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
如图1所示，是圆极化阵列天线的整体结构示意图。包括四端口馈电网络100、激励端口101、0.8mm厚介质板200、金属地板300、1.5mm厚介质板400、环形馈电结构500，驱动贴片510和寄生贴片520。驱动贴片510的边长比寄生贴片520的边长长。四端口馈电网络100通过印制的方式设置在介质板200的下表面，激励端口101与四端口馈电网络100相连，金属地板300通过印制的方式设置在介质板200的上表面，圆形槽301蚀刻在金属地板300的中间部分，环形馈电结构500，驱动贴片510和寄生贴片520通过印制的方式设置在介质板400的上表面,金属柱600贯穿介质板200和介质板400，两端分别连接四端口馈电网络100和环形馈电结构500，在介质板200和介质板400分别留下过孔201和过孔401。
如图2所示，是圆极化阵列天线的平体结构示意图。天线通过激励端口101进行馈电，能量传输至第一微带线102，再通过调整其它微带线的长度和宽度实现给每个环形馈电结构500传输相同的功率和不同的相位。环形馈电结构500包括切角环形503和扇形条带502。馈电口501是环形馈电结构500和金属柱600相连接的部分。环形馈电结构500内部的扇形条带502提供90°相位差，运用电容耦合的方式激励驱动贴片510和寄生贴片520。
各微带线的结构则以第八微带线109为例，第八微带线包括弧形191，矩形192，喇叭形193和矩形194，其中矩形194与金属柱600相连接。微带线按宽度从大到小排序为：第一微带线102＞第六微带线107=第八微带线109＞第三微带线104＞第二微带线103＞第五微带线106＞第七微带线108＞第四微带线105。
如图3所示，是该圆极化阵列天线的侧面结构示意图，介质板200下表面的四端口馈电网络100通过金属柱600传输能量至介质板400上表面的环形馈电结构500，介质板200上表面是金属地板300。
如图4所示，是该圆极化阵列天线的仿真结果对比曲线，对比的天线为没有共享结构的圆极化阵列天线和有共享结构的圆极化阵列天线。参照图4，没有共享结构前该天线的阻抗匹配低于-10dB的频段范围为5.69-7.23GHz，当引入共享结构缩小尺寸后，圆极化阵列天线的阻抗匹配带宽没有受到明显影响，阻抗匹配低于-10dB的频段范围为5.67-7.10GHz。
如图5、图6和图7所示，是该圆极化阵列天线的仿真和实测结果对比曲线。该天线实测的阻抗匹配低于-10dB的频段范围为5.22-7.49GHz，阻抗匹配相对带宽为35.7％；实测轴比低于3dB的频段范围为5.49-7.05GHz，轴比相对带宽为24.9％；3dB增益的频段范围为5.36-7.35GHz，增益相对带宽达到31.3％，在6.42GHz处达到最大增益12.6dBic。
如图8和图9所示，是该圆极化阵列天线在6.1GHz处在XOZ面和YOZ面辐射方向图，如图10和图11所示，是该圆极化阵列天线在6.8GHz处在XOZ面和YOZ面辐射方向图，从图8～图11中可以看出天线具有良好的右旋圆极化特性。
本发明的天线单元结构统一，相比CN110797650A不统一的天线单元结构更容易组成更大型的阵列。且本发明已组成的2×2阵列天线的-10dB阻抗匹配带宽，3dB轴比带宽，3dB增益带宽也都要比CN110797650A更宽，峰值增益相比后者也更高。
从馈电结构来说，本发明采用单馈电的结构，比CN214672987U双馈电结构更简单。同时在性能上，本发明的3dB轴比带宽和3dB增益带宽比CN214672987U也更宽。
本发明的类型是贴片天线，剖面高度仅有2.3mm，而CN214898852U的偶极子天线的剖面高度达到了23mm，CN217158656U和CN210838104U由于加了反射板同样使得天线整体的剖面升高，因此本发明更适用于大部分需要低剖面的场景。同时，本发明采用多层印制电路板（PCB）工艺，这种工艺也更适用于大规模生产。
本发明的-10dB阻抗匹配带宽，3dB轴比带宽要比CN112768882A宽，峰值增益相比后者也更高。
本发明的馈电网络主要由四分之一圆弧形组成，连续性强。而CN210006906U的馈电网络主要由矩形和梯形组成，这种宽度跃变的不连续性结构会给天线馈电网络带来不可忽略的辐射损耗。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (4)
1.一种基于共享贴片结构的宽带圆极化阵列天线，其特征在于：包括四端口馈电网络、激励端口、0.8mm厚介质板、金属地板、1.5mm厚介质板、环形馈电结构、驱动贴片和寄生贴片，所述四端口馈电网络设置在0.8mm厚介质板的下表面，激励端口与四端口馈电网络相连，所述金属地板设置在0.8mm厚介质板的上表面，圆形槽蚀刻在金属地板的中间部分，所述环形馈电结构、驱动贴片和寄生贴片设置在1.5mm厚介质板的上表面，所述环形馈电结构包括切角环形和扇形条带，所述扇形条带设置在切角环形内部，所述扇形条带提供90°相位差，环形馈电结构运用电容耦合的方式激励驱动贴片和寄生贴片，环形馈电结构有四个，四个环形馈电结构、各驱动贴片、各寄生贴片构成四个天线单元，四个天线单元阵列排布，天线单元之间共享贴片，所述0.8mm厚介质板和1.5mm厚介质板之间通过金属柱贯穿连通，金属柱穿过所述圆形槽，1.5mm厚的介质板设于金属地板上，所述金属柱两端分别连接四端口馈电网络和环形馈电结构，四个环形馈电结构按照顺序旋转方式通过金属柱连接四端口馈电网络的四个端口。
2.如权利要求1所述的一种基于共享贴片结构的宽带圆极化阵列天线，其特征在于：所述驱动贴片的边长比寄生贴片的边长长。
3.如权利要求1所述的一种基于共享贴片结构的宽带圆极化阵列天线，其特征在于：所述四端口馈电网络通过印制的方式设置在0.8mm厚介质板的下表面；所述金属地板通过印制的方式设置在0.8mm厚介质板的上表面。
4.如权利要求1或3所述的一种基于共享贴片结构的宽带圆极化阵列天线，其特征在于：所述环形馈电结构、驱动贴片和寄生贴片通过印制的方式设置在1.5mm厚介质板的上表面。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Kang Ding等.《IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION》.2017,4854-4857页. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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