CN208690490U - 一种基于共面波导的对地开槽的圆极化天线 - Google Patents

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章海锋
黄通
刘国标
曾立
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Abstract

本实用新型公开了一种基于共面波导与对地开槽相结合的圆极化天线,包括置于底层的金属地反射面及其上方的介质基板,所述介质基板上方贴敷有由微带线、主辐射片及金属调控枝节构成的金属贴片,所述金属地反射面在与金属贴片对应区域具有开口。该圆极化天线在2.4~3.6 GHz波段具有良好的圆极化性能,并且通过调控与贴片相连的金属调控枝节,以达到小范围调控改天线的辐射波段的目的,并且在调整得当的情况下可以覆盖WLAN和WiMAX波段。本实用新型体积小,重量轻以及拥有较为简易的平面结构,具有易于制作,工作高效,调控手段多样,屏蔽性好,性能优良等特点。

Description

一种基于共面波导的对地开槽的圆极化天线
技术领域
本实用新型涉及一种圆极化天线,特别是一种基于共面波导与对地开槽相结合的圆极化天线,属于微波器件技术领域。
背景技术
随着现在无线技术及微波电路的迅猛发展,天线作为各种无线通信设备中必不可少的元器件,获得了广泛的应用和重要的技术进展。在许多雷达系统、导航系统、卫星系统和遥控遥测等系统中,圆极化天线是一种常用的天线形式。圆极化天线有利于对空间电磁波的接收,同时还能够抑制雨雾反射杂波的干扰。开展低成本、小型化、低剖面的圆极化天线的研究具有重要的实际意义。近年来,随着无线通信的发展,WLAN以及WiMAX这些通信技术被广泛应用,工作于这些频段的天线也引起了人们的高度关注,但是由于人们需求的不断增加及对天线性能的不断追求,设计出多方向性且能节约时间空间资源的天线具有一定的理论价值和现实作用。目前,圆极化天线在宽频带、小型化、高增益等方面面临着各式各样的挑战。共面波导技术(CPW)馈电的平面天线由于其易于和有源器件集成、易于实现宽频带和直连、感性耦合和容性耦合多种馈电方式,近年来受到广泛的关注和研究。而利用微带线技术做成的天线具有质量轻、体积小、易于馈电、易于与载体共形等特点,也在微波集成电路、天线和天线阵列中得到广泛应用。这两种技术的独特之处恰恰成为了圆极化天线领域的研究热点。但是两种技术也暴露出各自的不足和劣势。共面波导损耗较大,不易于天线的辐射增益,微带线频带窄,不易拓展其带宽。现如今一般的圆极化天线多采用单一的贴片馈电,或是单纯的共面波导馈电方式,导致天线的性能不够优质。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足,而提供一种基于共面波导与对地开槽相结合的圆极化天线,通过表面的微带传输和上层贴片与金属地反射面的波导效果实现增加带宽,提高增益,并且通过枝节的调控以及合理的参数优化可以使得该天线的方向性和圆极化特性得到增强,最终在WLAN和WiMAX波段实现大范围覆盖。
本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案:一种基于共面波导与对地开槽相结合的圆极化天线,包括置于底层的金属地反射面及其上方的介质基板,所述介质基板上方贴敷有由微带线、主辐射片及金属调控枝节构成的金属贴片,所述金属地反射面在与金属贴片对应区域具有开口。
作为本实用新型的进一步优化方案,所述金属贴片中的主辐射片呈C字扇形圆环结构,所述C字扇形圆环结构沿其内圆周开有呈V形的径向槽,且C字扇形圆环结构的一侧末端沿外圆周延伸出条状的金属可调控枝节。
进一步的,所述V形径向槽由两个矩形结构组合而成,二者之间具有116.5°夹角,第一矩形结构的长度为6mm,宽度为0.6mm,第二矩形结构的长度为4mm,宽度为0.8mm。
进一步的,所述V形径向槽以C字扇形圆环结构的内圆心为中点呈中心对称。
进一步的,所述C字扇形圆环结构为长度为9mm绕基板中心275.5°所扫过的面积,所述金属调控枝节是长度为11mm,宽度为2mm矩形金属片。
进一步的,在所述C字扇形圆环结构上远离金属调控枝节的一侧通过微带线连接有波长阻抗转换器,且所述微带线置于金属地反射面的中心线上。
进一步的,所述金属地反射面开有五个可调矩形槽,第一矩形槽设置于所述金属地反射面的上方,第二、三、四、五矩形槽两两组合,以微带线为中心线左右对称分布。
进一步的,所述第一矩形槽的长度为26mm,宽度为3mm,第二、四矩形槽的长度为7mm,宽度为1mm,第三、五矩形槽的长度为12mm,宽度为2mm。
进一步的,所述介质基板长为55mm,宽为49mm,厚度h为1.5mm的长方体,设置在金属地反射面上方。
进一步的,所述介质基板为介电常数4.4的FR4环氧板,上层金属贴片部分和下层金属地反射面部分均为铜材料。
本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比,具有以下技术效果:
(1)本实用新型是基于共面波导与对地开槽相结合的圆极化天线,通过结合波导馈电和微带线传输,实现天线的圆极化特性,并且通过调节金属辐射面的调控枝节可以小范围改变该天线的辐射频段,然后通过对金属地反射面进行合理的开槽,可以获得优质的圆极化辐射特性。这样结合了微带线损耗低和波导馈电带宽较宽的两大优势,使得该天线带宽和增益指数较为优越,并且在很大范围内的圆极化性能较好,从而覆盖多个重要的通信频段。
(2)本实用新型可以在较小的物理尺寸下实现天线的圆极化特性,具有通俗易加工,可细节调控,设计灵活,功能性强等特点。
附图说明
图1为本实用新型的金属贴片正视图。
图2为本实用新型的金属贴片的C字扇形圆环结构示意图。
图3为本实用新型的金属贴片的V形径向槽结构示意图。
图4为本实用新型的金属贴片的金属调控枝节结构示意图。
图5为本实用新型的垂直剖面图。
图6为本实用新型的金属地反射面结构示意图。
图7为本实用新型的结构示意图。
图8为本实用新型工作时的回波损耗曲线图。
图9为本实用新型工作时的轴比曲线图。
图10为本实用新型工作时在XOZ面上的辐射方向图。
图11为本实用新型工作时在YOZ面上的辐射方向图。
图12为本实用新型工作时的增益曲线图。
附图标记解释:1—上层金属贴片的“C”字节结构,2—上层金属贴片的“V”形槽结构, 3—上层金属贴片的金属调控枝节,4—上层金属贴片的1/4波长阻抗转换器,5—阻抗为50Ω的微带线,6—金属地反射面,7—金属地反射面部分开的矩形槽。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明
一种基于共面波导与对地开槽相结合的圆极化天线的设计及原理,通过在厚度为H,相对介电常数为4.4的方形印制板的金属地反射面上端开了一个长为26mm,宽为3mm的矩形缝隙,下端开了两对大小不一的矩形缝隙,第一对长为7mm,宽为1mm,第二对长为12mm,宽为2mm,如图所示,再用50Ω的CPW对其馈电,又在介质基板表面加载一块内径为9mm 的275.5°的类“C”字节金属辐射贴片,如图2所示,并在其表面开两块“V”形槽,如图3 所示,最后在主辐射贴片的末端加载一个长为11mm,宽为2mm的金属可调控枝节,以调节该天线的轴比性能并实现良好的阻抗匹配,引入CPW输入的激励,这样就在Z轴方向就辐射出了圆极化波,从而实现了天线的圆极化性能。
该天线的相关参数如表1所示。
参数 a b c d e
值(mm) 3.6 12.6 4 0.8 6.1
参数 f g L0 W0 xl
值(mm) 0.6 11 55 49 8.64
参数 x2 y1 y2 a1 a2
值(mm) 6.3 2.1 3 26 7
参数 a3 b1 b2 b3 w1
值(mm) 12 3 1 2 2
参数 w2 w3 w4 L1 L2
值(mm) 8 4 12.5 9 13.5
参数 h H
值(mm) 2 1.5
表1
该天线的介质基板材料采用有损耗角的FR4,其相对空气介电常数4.4。
如图8给出了天线的回波损耗的相关仿真值,从图中可以看出在2.44~2.73GHz频段之间回波损耗小于-10dB。
如图9给出天线的轴比性能图,可以看出在2.36~3.62GHz频段之间,天线辐射波圆极化性能较为稳定。比较图7和图8可以发现,3dB轴比带宽基本在S11<-10dB的带宽内,同时满足两个条件的带宽范围在2.44~3.62GHz,达到了39%的相对带宽。
天线的增益如图12所示,在回波损耗和轴比都满足条件的范围内,天线的增益均在1.5dBi 以上,在2.9GHz时,取得增益的最大值2.7dBi。
图10和图11给出了天线在中心频率处的远场归一化圆极化方向图,可以看出该天线上半空间呈现左旋圆极化而下半空间呈现右旋圆极化的辐射特性。由曲线的波动情况来看,该天线远场辐射较稳定,交叉极化较好,具有良好的辐射特性。
在经过特定设计后,本实用新型的工作频率能够良好覆盖大范围的WLAN波段和整个 WiMAX波段。主要通过金属贴片和金属地反射面的共同作用形成圆极化波,结构简单,适合应用在各类便携移动终端设备上,可以在较小的物理尺寸下实现天线的圆极化性能,本实用新型具有通俗易加工,设计灵活,功能性强等特点。本实用新型在共面波导和微带技术的理论基础上,将两者结合,利用了共面波导的实质,但是将金属辐射贴片与金属地反射面分开,同时利用微带线传输的原理实现了阻抗匹配和校准,既保证了天线的辐射增益,又可以大幅度拓展天线的带宽,其方向性也有很大程度的改善。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解,本实用新型不受上述具体实施例的限制,上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本实用新型的原理,在不脱离本实用新型精神和范围的前提下,本实用新型还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种基于共面波导的对地开槽的圆极化天线,其特征在于:包括置于底层的金属地反射面及其上方的介质基板,所述介质基板上方贴敷有由微带线、主辐射片及金属调控枝节构成的金属贴片,所述金属地反射面在与金属贴片对应区域具有开口。
2.根据权利要求1所述的基于共面波导的对地开槽的圆极化天线,其特征在于:所述金属贴片中的主辐射片呈C字扇形圆环结构,所述C字扇形圆环结构沿其内圆周开有呈V形的径向槽,且C字扇形圆环结构的一侧末端沿外圆周延伸出条状的金属可调控枝节。
3.根据权利要求2所述的基于共面波导的对地开槽的圆极化天线,其特征在于:所述V形径向槽由两个矩形结构组合而成,二者之间具有116.5°夹角,第一矩形结构的长度为6mm,宽度为0.6mm,第二矩形结构的长度为4mm,宽度为0.8mm。
4.根据权利要求3所述的基于共面波导的对地开槽的圆极化天线,其特征在于:所述V形径向槽以C字扇形圆环结构的内圆心为中点呈中心对称。
5.根据权利要求2所述的基于共面波导的对地开槽的圆极化天线,其特征在于:所述C字扇形圆环结构为长度为9mm绕基板中心275.5°所扫过的面积,所述金属调控枝节是长度为11mm,宽度为2mm矩形金属片。
6.根据权利要求2所述的基于共面波导的对地开槽的圆极化天线,其特征在于:在所述C字扇形圆环结构上远离金属调控枝节的一侧通过微带线连接有波长阻抗转换器,且所述微带线置于金属地反射面的中心线上。
7.根据权利要求6所述的基于共面波导的对地开槽的圆极化天线,其特征在于:所述金属地反射面开有五个可调矩形槽,第一矩形槽设置于所述金属地反射面的上方,第二、三、四、五矩形槽两两组合,以微带线为中心线左右对称分布。
8.根据权利要求7所述的基于共面波导的对地开槽的圆极化天线,其特征在于:所述第一矩形槽的长度为26mm,宽度为3mm,第二、四矩形槽的长度为7mm,宽度为1mm,第三、五矩形槽的长度为12mm,宽度为2mm。
9.根据权利要求1所述的基于共面波导的对地开槽的圆极化天线,其特征在于:所述介质基板长为55mm,宽为49mm,厚度h为1.5mm的长方体,设置在金属地反射面上方。
10.根据权利要求9所述的基于共面波导的对地开槽的圆极化天线,其特征在于:所述介质基板为介电常数4.4的FR4环氧板,上层金属贴片部分和下层金属地反射面部分均为铜材料。
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