CN118508064A - 一种圆极化微带天线 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电磁场与微波技术领域，公开了一种圆极化微带天线，包括沿竖直方向依次间隙设置的第一介质板、第二介质板和第三介质板；第一介质板的正面设置偶极子天线贴片和馈电微带线，背面设置金属接地板；偶极子天线贴片基于矩形环开口设计，馈电微带线与偶极子天线贴片连接；第二介质板的正面设置叶子型辐射贴片单元；叶子型辐射贴片单元包括若干叶子型贴片，叶子型贴片的中部开槽；第三介质板的背面设置金属反射板。通过双层结构提高了极化扭转人工磁导体反射相位响应，将偶极子天线贴片放置于极化扭转人工磁导体上方，通过极化扭转的反射波和入射波相叠加产生宽带的圆极化辐射。
Description
技术领域
本发明属于电磁场与微波技术领域，涉及一种圆极化微带天线。
背景技术
近年来随着通信业务的增长，宽带技术有利于提高频谱利用率以及信号传输速率，已成为现代无线通信系统发展的必然趋势之一。圆极化天线相较于线极化天线具有抗多径干扰和低极化失配等优点，圆极化天线在全球导航卫星系统、射频识别技术和无线局域网等领域具有广泛的应用。
圆极化微带天线的主要实现方式分为单馈法和多馈法，单馈法一般需要在辐射结构上进行开槽、截角以及添加寄生结构等方法产生圆极化辐射。多馈法则需要多个馈电点对多个单元或者同一个单元的不同位置进行馈电，两个馈电点满足等幅和90°相位相差的要求，这就对馈电网络要求较高且结构复杂。极化扭转人工磁导体PRAMC是一种特殊设计的结构，它能够通过特定的物理机制改变电磁波的极化方向，这种能力使得PRAMC在天线设计中特别有用，特别是希望实现天线的圆极化辐射时。使用PRAMC进行天线极化调控的一个显著优点是，它不需要额外的馈电网络。这意味着设计过程更为简化，同时也减少了成本和复杂性。更重要的是，这种方法在提高带宽和增益方面具有潜在优势。
然而，尽管PRAMC具有这些潜在优势，但目前的加载极化扭转人工磁导体的圆极化微带天线在实际应用中通常表现出低增益和窄带的特性。这主要是因为设计和实现高效能的PRAMC结构仍然面临诸多挑战。首先，设计一种能够在宽频带内实现高效极化扭转的PRAMC结构并不容易，其次，即使设计出了高效的PRAMC结构，如何将其与天线有效地集成也是一个挑战。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种圆极化微带天线。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种圆极化微带天线，包括沿竖直方向依次间隙设置的第一介质板、第二介质板和第三介质板；第一介质板的正面设置偶极子天线贴片和馈电微带线，背面设置金属接地板；偶极子天线贴片基于矩形环开口设计，馈电微带线与偶极子天线贴片连接；第二介质板的正面设置叶子型辐射贴片单元；叶子型辐射贴片单元包括若干叶子型贴片，叶子型贴片的中部开槽；第三介质板的背面设置金属反射板。
可选的，所述第一介质板、第二介质板和第三介质板的材料为FR-4，相对介电常数为4.3，损耗角正切为0.02；第一介质板与第二介质板之间通过塑料螺丝连接；第二介质板和第三介质板之间通过塑料螺丝连接。
可选的，所述偶极子天线贴片包括第一矩形贴片、第二矩形贴片、第三矩形贴片、第四矩形贴片以及第五矩形贴片；第一矩形贴片、第三矩形贴片和第五矩形贴片平行设置，第二矩形贴片和第四矩形贴片平行设置；第一矩形贴片和第二矩形贴片垂直设置；第一矩形贴片、第三矩形贴片和第五矩形贴片位于第二矩形贴片和第四矩形贴片之间；第一矩形贴片和第五矩形贴片水平相对设置，且之间留有间隙；第二矩形贴片的两端分别连接第一矩形贴片和第三矩形贴片；第四矩形贴片的两端分别连接第一矩形贴片和第三矩形贴片；馈电微带线与第三矩形贴片的中部连接。
可选的，所述第一介质板的长度为21mm±0.1mm，宽度为20mm±0.1mm；第一矩形贴片的长度为2.9±0.1mm，宽度为1.6±0.1mm；第二矩形贴片的长度为6.4mm±0.1mm，宽度为1.6±0.1mm；第三矩形贴片的长度为11mm±0.1mm，宽度为2±0.1mm；第四矩形贴片的长度为6.4mm±0.1mm，宽度为1.6±0.1mm；第五矩形贴片的长度为2.9±0.1mm，宽度为1.6±0.1mm；馈电微带线的长度为10.2mm±0.1mm，宽度为3mm±0.1mm。
可选的，所述金属接地板位于第一介质板设置馈电微带线一侧的背面，金属接地板的宽度与第一介质板的宽度相同，长度为7.5mm±0.1mm。
可选的，所述叶子型辐射贴片单元包括3×3排列的9个叶子型贴片。
可选的，所述叶子型贴片的两边缘弧线的圆弧中心分为和；其中，Lx1为圆弧中心与叶子型贴片所在叶子型贴片区右侧边线之间的距离；Ly1为圆弧中心与叶子型贴片所在叶子型贴片区上侧边线之间的距离；Lx2为圆弧中心与叶子型贴片所在叶子型贴片区左侧边线之间的距离；Ly2为圆弧中心与叶子型贴片所在叶子型贴片区下侧边线之间的距离；所述叶子型贴片的两边缘弧线的圆弧半径为10±0.1mm；所述叶子型贴片区的长度和宽带均为12mm±0.1mm；所述叶子型贴片的中部开设矩形槽，矩形槽的长度为8.5mm±0.1mm宽度为1.4mm±0.1mm；所述第二介质板的厚度为1.6mm±0.1mm。
可选的，所述第三介质板的长度和宽度均为36mm±0.1mm，厚度为1mm±0.1mm。
可选的，所述金属反射板的长度和宽度与第三介质板相同。
可选的，所述第一介质板和第二介质板之间的空气腔高度为1mm±0.1mm；所述第二介质板和第三介质板之间的空气腔高度为0.8mm±0.1mm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明圆极化微带天线，在第二介质板的正面设置叶子型辐射贴片单元，且叶子型辐射贴片单元包括若干叶子型贴片，以形成极化扭转人工磁导体，通过沿竖直方向依次间隙设置的第一介质板、第二介质板和第三介质板形成双层结构，来提高极化扭转人工磁导体反射相位响应，将偶极子天线放置于极化扭转人工磁导体上方，通过极化扭转的反射波和入射波相叠加产生宽带的圆极化辐射。并在叶子型贴片的中部开槽，采用开槽技术提升相位响应，且减缓极化扭转人工磁导体的反射相位变化，整个单元具有宽带特性。同时，偶极子天线贴片采用矩形环开口技术，在较小尺寸下实现了宽带，加载极化扭转人工磁导体后，能够在低剖面实现宽带圆极化。经验证，该圆极化微带天线的阻抗带宽和3dB轴比带宽均包含5.14～5.9GHz，在中心频率5.6GHz的峰值增益达到7.5dBic，该天线的能够应用于WLAN的5.2GHz和5.8GHz频段。并且，该圆极化微带天线结构简单，尺寸小，不需要使用额外的馈电网络和传统复杂的天线结构，极大的简化了宽带圆极化天线的设计，节省成本，具有良好的市场应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例的圆极化微带天线侧视结构示意图。
图2为本发明实施例的圆极化微带天线第一介质板的正面结构示意图。
图3为本发明实施例的圆极化微带天线第一介质板的背面结构示意图。
图4为本发明实施例的圆极化微带天线第二介质板的正面结构示意图。
图5为本发明实施例的圆极化微带天线第三介质板的背面结构示意图。
图6为本发明实施例的圆极化微带天线的反射系数曲线图。
图7为本发明实施例的偶极子天线和圆极化微带天线的轴比曲线图。
图8为本发明实施例的偶极子天线工作在5.6GHz的E面和H面的方向图。
图9为本发明实施例的圆极化微带天线工作在5.6GHz的xoz面左旋圆极化与右旋圆极化的方向图。
图10为本发明实施例的圆极化微带天线工作在5.6GHz的yoz面左旋圆极化与右旋圆极化的方向图。
其中：1-第一介质板；2-第二介质板；3-第三介质板；4-金属接地板；5-金属反射板；6-塑料螺丝；7-偶极子天线贴片；8-馈电微带线；9-叶子型贴片。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1至5，本发明一实施例中，提供一种圆极化微带天线，具体为一种应用于无线局域网(WLAN)的加载极化扭转人工磁导体的圆极化微带天线，该圆极化微带天线结构改善了线微带天线的低增益和窄带的特性，实现了线极化天线转化为圆极化的辐射特性和高增益特性。
具体的，所述圆极化微带天线包括沿竖直方向依次间隙设置的第一介质板1、第二介质板2和第三介质板3；第一介质板1的正面设置偶极子天线贴片7和馈电微带线8，背面设置金属接地板4；偶极子天线贴片7基于矩形环开口设计，馈电微带线8与偶极子天线贴片7连接；第二介质板2的正面设置叶子型辐射贴片单元；叶子型辐射贴片单元包括若干叶子型贴片9，叶子型贴片9的中部开槽；第三介质板3的背面设置金属反射板5。
通过在第二介质板2的正面设置叶子型辐射贴片单元，且叶子型辐射贴片单元包括若干叶子型贴片9，以形成极化扭转人工磁导体，通过沿竖直方向依次间隙设置的第一介质板1、第二介质板2和第三介质板3形成双层结构，来提高极化扭转人工磁导体反射相位响应，将偶极子天线放置于极化扭转人工磁导体上方，通过极化扭转的反射波和入射波相叠加产生宽带的圆极化辐射。并在叶子型贴片9的中部开槽，采用开槽技术提升相位响应，且减缓极化扭转人工磁导体的反射相位变化，整个单元具有宽带特性。同时，偶极子天线贴片7采用矩形环开口技术，在较小尺寸下实现了宽带，加载极化扭转人工磁导体后，能够在低剖面实现宽带圆极化。
经验证，该圆极化微带天线的阻抗带宽和3dB轴比带宽均包含5.14～5.9GHz，在中心频率5.6GHz的峰值增益达到7.5dBic，该天线的能够应用于WLAN的5.2GHz和5.8GHz频段。并且，该圆极化微带天线结构简单，尺寸小，不需要使用额外的馈电网络和传统复杂的天线结构，极大的简化了宽带圆极化天线的设计，节省成本，具有良好的市场应用前景。
在一种可能的实施方式中，所述第一介质板1、第二介质板2和第三介质板3的材料为FR-4，相对介电常数为4.3，损耗角正切为0.02；第一介质板1与第二介质板2之间通过塑料螺丝6连接；第二介质板2和第三介质板3之间通过塑料螺丝6连接。
具体的，FR-4是一种常用的玻璃纤维增强环氧树脂材料，主要用于电子电气领域的绝缘材料。它具有良好的电气性能、机械性能和耐热性，因此被广泛应用于电路板(也称为PCB，即印刷电路板)的基材中。
同时，设计第一介质板1与第二介质板2之间通过塑料螺丝6连接，第二介质板2和第三介质板3之间通过塑料螺丝6连接，使用塑料螺丝6连接介质板可以防止因金属螺丝引起的电气短路或电气干扰，并有助于减轻整体结构的重量。同时，塑料螺丝6不会像金属螺丝那样成为电磁波的导体，因此有助于减少电磁干扰。
在一种可能的实施方式中，所述偶极子天线贴片7包括第一矩形贴片、第二矩形贴片、第三矩形贴片、第四矩形贴片以及第五矩形贴片；第一矩形贴片、第三矩形贴片和第五矩形贴片平行设置，第二矩形贴片和第四矩形贴片平行设置；第一矩形贴片和第二矩形贴片垂直设置；第一矩形贴片、第三矩形贴片和第五矩形贴片位于第二矩形贴片和第四矩形贴片之间；第一矩形贴片和第五矩形贴片水平相对设置，且之间留有间隙；第二矩形贴片的两端分别连接第一矩形贴片和第三矩形贴片；第四矩形贴片的两端分别连接第一矩形贴片和第三矩形贴片；馈电微带线8与第三矩形贴片的中部连接。
具体的，偶极子天线贴片7基于矩形环开口设计，采用双枝节结构，以实现更宽的带宽、稳定的辐射方向图、优良的阻抗匹配以及多频段覆盖能力等。
第二矩形贴片面向第四矩形贴片的一侧的侧壁的两端分别与第一矩形贴片和第三矩形贴片连接，同样的，第四矩形贴片面向第二矩形贴片的一侧的侧壁的两端分别与第一矩形贴片和第三矩形贴片连接。
在一种可能的实施方式中，所述第一介质板1的长度为21mm±0.1mm，宽度为20mm±0.1mm；第一矩形贴片的长度为2.9±0.1mm，宽度为1.6±0.1mm；第二矩形贴片的长度为6.4mm±0.1mm，宽度为1.6±0.1mm；第三矩形贴片的长度为11mm±0.1mm，宽度为2±0.1mm；第四矩形贴片的长度为6.4mm±0.1mm，宽度为1.6±0.1mm；第五矩形贴片的长度为2.9±0.1mm，宽度为1.6±0.1mm；馈电微带线8的长度为10.2mm±0.1mm，宽度为3mm±0.1mm。
在一种可能的实施方式中，所述金属接地板4位于第一介质板1设置馈电微带线8一侧的背面，金属接地板4的宽度与第一介质板1的宽度相同，长度为7.5mm±0.1mm。
在一种可能的实施方式中，所述叶子型辐射贴片单元包括3×3排列的9个叶子型贴片9。
可选的，所述叶子型贴片9的两边缘弧线的圆弧中心分为(Lx1＝4.6mm±0.1mm，Ly1＝4.6mm±0.1mm)和(Lx2＝4.6mm±0.1mm，Ly2＝4.6mm±0.1mm)；其中，Lx1为圆弧中心与叶子型贴片9所在叶子型贴片区右侧边线之间的距离；Ly1为圆弧中心与叶子型贴片9所在叶子型贴片区上侧边线之间的距离；Lx2为圆弧中心与叶子型贴片9所在叶子型贴片区左侧边线之间的距离；Ly2为圆弧中心与叶子型贴片9所在叶子型贴片区下侧边线之间的距离；所述叶子型贴片9的两边缘弧线的圆弧半径为10±0.1mm；所述叶子型贴片区的长度和宽带均为12mm±0.1mm；所述叶子型贴片9的中部开设矩形槽，矩形槽的长度为8.5mm±0.1mm宽度为1.4mm±0.1mm；所述第二介质板2的厚度为1.6mm±0.1mm。
在一种可能的实施方式中，所述第三介质板3的长度和宽度均为36mm±0.1mm，厚度为1mm±0.1mm。
可选的，所述金属反射板5的长度和宽度与第三介质板3相同。
在一种可能的实施方式中，所述第一介质板1和第二介质板2之间的空气腔高度为1mm±0.1mm；所述第二介质板2和第三介质板3之间的空气腔高度为0.8mm±0.1mm。
具体的，特定的空气腔高度有助于优化天线结构的阻抗匹配，使得天线能够在特定的频段内获得最佳的传输效率。同时，通过设定空气腔的高度，可以调整天线的谐振频率和带宽，以适应不同的应用需求，还可以在保持天线良好性能的同时，实现更宽的工作频率范围，从而提高系统的频率利用率。
此外，优化后的空气腔高度还可以改善天线的辐射方向图，减少不必要的副瓣，从而提高天线的增益。增益的提高意味着天线在发射或接收信号时具有更强的能量密度，有助于提高系统的通信距离和信噪比。
在一种可能的实施方式中，参见图6，示出了本发明圆极化微带天线的输入反射系数，天线的输入反射系数是天线的一个主要性能特征。可见，本发明圆极化微带天线的工作带宽为4.94-7.0GHz(2.06GHz)，相对带宽为34.5％。参见图7，示出了单个偶极子天线贴片7和圆极化微带天线的轴比曲线对比，轴比为衡量天线是否圆极化辐射的重要指标。可见，在未加载极化扭转人工磁导体结构的偶极子天线贴片7的轴比曲线远大于3dB为线极化，而加载极化扭转人工磁导体结构后轴比曲线明显降低，3dB轴比带宽为5.14～5.91GHz。结合图6和图7，可以得到本发明圆极化微带天线的阻抗带宽为4.94-7.0GHz(4.1GHz)，3dB轴比带宽为5.14-5.91GHz。包含了WLAN的5.2GHz和5.8GHz频段。
参见图8，示出了本发明圆极化微带天线工作在5.6GHz的E面和H面的方向图，可以看出该圆极化微带天线具有很好的辐射特性。参见图9，示出了本发明圆极化微带天线工作在5.6GHz的xoz面左旋圆极化与右旋圆极化的方向图，参见图10，示出了本发明圆极化微带天线工作在5.6GHz的yoz面左旋圆极化与右旋圆极化的方向图，可以看出圆极化微带天线为右旋圆极化。
综上所述，本发明圆极化微带天线工作于WLAN的5.2GHz和5.8GHz频段，3dB轴比带宽为5.14-5.91GHz，通过加载极化扭转人工磁导体结构改善了微带天线的低增益和窄带的特性，实现了天线的从线极化辐射到圆极化辐射的转化，降低了圆极化天线的设计复杂度。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种圆极化微带天线，其特征在于，包括沿竖直方向依次间隙设置的第一介质板(1)、第二介质板(2)和第三介质板(3)；
第一介质板(1)的正面设置偶极子天线贴片(7)和馈电微带线(8)，背面设置金属接地板(4)；偶极子天线贴片(7)基于矩形环开口设计，馈电微带线(8)与偶极子天线贴片(7)连接；
第二介质板(2)的正面设置叶子型辐射贴片单元；叶子型辐射贴片单元包括若干叶子型贴片(9)，叶子型贴片(9)的中部开槽；
第三介质板(3)的背面设置金属反射板(5)。
2.根据权利要求1所述的圆极化微带天线，其特征在于，所述第一介质板(1)、第二介质板(2)和第三介质板(3)的材料为FR-4，相对介电常数为4.3，损耗角正切为0.02；第一介质板(1)与第二介质板(2)之间通过塑料螺丝(6)连接；第二介质板(2)和第三介质板(3)之间通过塑料螺丝(6)连接。
3.根据权利要求1所述的圆极化微带天线，其特征在于，所述偶极子天线贴片(7)包括第一矩形贴片、第二矩形贴片、第三矩形贴片、第四矩形贴片以及第五矩形贴片；
第一矩形贴片、第三矩形贴片和第五矩形贴片平行设置，第二矩形贴片和第四矩形贴片平行设置；第一矩形贴片和第二矩形贴片垂直设置；第一矩形贴片、第三矩形贴片和第五矩形贴片位于第二矩形贴片和第四矩形贴片之间；第一矩形贴片和第五矩形贴片水平相对设置，且之间留有间隙；第二矩形贴片的两端分别连接第一矩形贴片和第三矩形贴片；第四矩形贴片的两端分别连接第一矩形贴片和第三矩形贴片；馈电微带线(8)与第三矩形贴片的中部连接。
4.根据权利要求3所述的圆极化微带天线，其特征在于，所述第一介质板(1)的长度为21mm±0.1mm，宽度为20mm±0.1mm；第一矩形贴片的长度为2.9±0.1mm，宽度为1.6±0.1mm；第二矩形贴片的长度为6.4mm±0.1mm，宽度为1.6±0.1mm；第三矩形贴片的长度为11mm±0.1mm，宽度为2±0.1mm；第四矩形贴片的长度为6.4mm±0.1mm，宽度为1.6±0.1mm；第五矩形贴片的长度为2.9±0.1mm，宽度为1.6±0.1mm；馈电微带线(8)的长度为10.2mm±0.1mm，宽度为3mm±0.1mm。
5.根据权利要求4所述的圆极化微带天线，其特征在于，所述金属接地板(4)位于第一介质板(1)设置馈电微带线(8)一侧的背面，金属接地板(4)的宽度与第一介质板(1)的宽度相同，长度为7.5mm±0.1mm。
6.根据权利要求1所述的圆极化微带天线，其特征在于，所述叶子型辐射贴片单元包括3×3排列的9个叶子型贴片(9)。
7.根据权利要求6所述的圆极化微带天线，其特征在于，所述叶子型贴片(9)的两边缘弧线的圆弧中心分为(Lx1＝4.6mm±0.1mm，Ly1＝4.6mm±0.1mm)和(Lx2＝4.6mm±0.1mm，Ly2＝4.6mm±0.1mm)；其中，Lx1为圆弧中心与叶子型贴片(9)所在叶子型贴片区右侧边线之间的距离；Ly1为圆弧中心与叶子型贴片(9)所在叶子型贴片区上侧边线之间的距离；Lx2为圆弧中心与叶子型贴片(9)所在叶子型贴片区左侧边线之间的距离；Ly2为圆弧中心与叶子型贴片(9)所在叶子型贴片区下侧边线之间的距离；所述叶子型贴片(9)的两边缘弧线的圆弧半径为10±0.1mm；所述叶子型贴片区的长度和宽带均为12mm±0.1mm；所述叶子型贴片(9)的中部开设矩形槽，矩形槽的长度为8.5mm±0.1mm宽度为1.4mm±0.1mm；所述第二介质板(2)的厚度为1.6mm±0.1mm。
8.根据权利要求1所述的圆极化微带天线，其特征在于，所述第三介质板(3)的长度和宽度均为36mm±0.1mm，厚度为1mm±0.1mm。
9.根据权利要求1所述的圆极化微带天线，其特征在于，所述金属反射板(5)的长度和宽度与第三介质板(3)相同。
10.根据权利要求1所述的圆极化微带天线，其特征在于，所述第一介质板(1)和第二介质板(2)之间的空气腔高度为1mm±0.1mm；所述第二介质板(2)和第三介质板(3)之间的空气腔高度为0.8mm±0.1mm。
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