CN103500876B - Uhf频段双频圆极化低剖面空气微带天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种UHF频段双频圆极化低剖面空气微带天线，其特征在于，包括顶层金属板、四周侧壁结构、频率调节金属板、耦合馈电金属板和同轴探针等，顶层金属板在四周侧壁结构正上方，四周侧壁结构的外侧面印有外部金属面。本发明采用空气微带天线耦合馈电的方式，大大提高了天线带宽；天线采用折叠技术使之小型化，其整体高度为0.019λ（其中λ为工作频率下的自由空间波长），在四周侧壁结构外侧面印制金属面使天线产生另一个谐振频率，在不改变原有天线体积的基础上，天线能同时工作在两个频点，采用四馈使天线的极化方式为圆极化，同时能获得较高的极化纯度和较宽的轴比带宽。

Description

UHF频段双频圆极化低剖面空气微带天线

技术领域

本发明涉及一种空气微带天线，特别是一种UHF频段双频圆极化低剖面空气微带天线。

背景技术

无线通信技术的迅速发展和应用，推动着通信设备及其电子器件制造向小型化、多用途的方向发展。天线作为任何无线通信***前端收发信号的部件，对通信质量起着至关重要的作用，也往往是制约无线通信***小型化发展的主要障碍；随着科技的发展，对天线性能的要求也越来越高，以往单纯的线极化天线已很难满足人们的需求，圆极化天线的应用越来越广泛，圆极化天线，除可以减小信号漏失外，还能有效的消除极化畸变影响；在雷达中，使用圆极化天线可以减少雨雾的干扰；在电子对抗中，使用圆极化天线可以侦察和干扰敌方除反向圆极化信号。所以设计小型化、宽频带、圆极化、高效率的天线已成为当今天线研究领域中一个很重要的课题。

由于微带天线具有体积小、重量轻、低剖面、易于与有源器件和微波电路集成的特点，目前广泛应用于雷达、卫星通信、移动无线通信、以及各种通信设备当中，但微带天线本身具有高品质因数、窄频带、低效率等缺点，大大限制了它们的应用，特别是当微带天线工作于UHF频段时，由于物理长度较大等局限，限制了微带天线的工程应用，所以其面临着小型化、低损耗、圆极化，双频或者多频工作等亟待解决的问题，然而当天线的尺寸小于λ/8 (λ为工作频率下的自由空间波长)时，天线的性能就会急剧恶化，所以如何实现低剖面的同时，又兼具多频带，宽频带，高增益的天线成为研究热点之一。本发明主要针对微带天线的宽频带和小型化技术展开了研究分析。

现有技术尚无一种同时实现低剖面、双频段，圆极化、高增益的天线。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种UHF频段双频圆极化低剖面空气微带天线。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种UHF频段双频圆极化低剖面空气微带天线，包括顶层金属板、四周侧壁结构、频率调节金属板、耦合馈电金属板和同轴探针，其中顶层金属板设置在四周侧壁结构的正上方，频率调节金属板设置在四周侧壁结构下表面并向内弯折，该频率调节金属板与四周侧壁结构相互垂直，四周侧壁结构的内侧面均为金属面，四周侧壁结构的外侧面印有外部金属面，四周侧壁结构的四个角落的正下方分别设置四个直角聚四氟乙烯固定垫片，馈电网络介质板设置在四个直角聚四氟乙烯固定垫片的下方，馈电网络介质板的上表面全部印有金属面，馈电网络印制在馈电网络介质板的下表面，馈电网络介质板上开有四个金属过孔，耦合馈电金属板位于频率调节金属板的上方，且与同轴探针相连，所述同轴探针的另一端穿过对应的金属过孔并与馈电网络的输出端口相连，为天线馈电，所述同轴探针与馈电网络介质板的上表面不接触。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1）本发明采用空气微带天线的形式，能够提高天线的阻抗带宽；2）本发明的空气微带天线采用耦合馈电的方式，进一步提高了天线的带宽；3）本发明提出了一种UHF频段双频圆极化低剖面空气微带天线，天线采用四周均折叠的技术使天线小型化；4）本发明提出了一种UHF频段双频圆极化低剖面空气微带天线，采用馈电网络使之产生四个相位相互正交的能量分别给天线的四个端口馈电，使天线的极化方式为圆极化，采用四馈的方式可以使得天线获得较高的极化纯度和较宽的轴比带宽；5）本发明提出了一种UHF频段双频圆极化低剖面空气微带天线，通过在四周侧壁结构外侧面印制外部金属面使天线产生了另一个谐振频率，在不改变原有天线体积的基础上使得天线能够同时工作在双频。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明专利的低剖面空气微带天线（含馈电网络）的总体结构图及侧视图，其中图（a）为天线总体结构图，（b）为天线侧视图。

图2为本发明专利的低剖面空气微带天线（不含馈电网络）的总体结构图。

图3为本发明专利的低剖面空气微带天线（不含馈电网络）的俯视图及沿线AB的截面图，其中图（a）为天线俯视图，（b）为天线沿线AB的截面图。

图4为本发明专利的低剖面空气微带天线馈电网络的总体结构图。

图5为本发明专利的馈电网络的反射系数结果图。

图6为本发明专利的馈电网络的各端口相位结果图。

图7为本发明专利的馈电网络的各端口反射系数结果图。

图8为本发明专利的低剖面空气微带天线（不含馈电网络）的反射系数结果图。

图9为本发明专利的低剖面空气微带天线（含馈电网络）的反射系数结果图。

图10为本发明专利的低剖面空气微带天线的轴比结果图。

图11为本发明专利的低剖面空气微带天线的增益结果图。

图12为本发明专利的低剖面空气微带天线在366MHz的辐射方向图。

图13为本发明专利的低剖面空气微带天线在411MHz的辐射方向图。

图中标号所代表的含义为：1为四周侧壁结构，2为耦合馈电金属板，3为频率调节金属板，4为馈电网络，5为同轴探针，6为顶层金属板，7为直角聚四氟乙烯固定垫片，8为外部金属面，9为馈电网络介质板，10为金属过孔，11为环形混合网络，12为威尔金森功分器，13为圆孔。

具体实施方式

结合图1，本发明的一种UHF频段双频圆极化低剖面空气微带天线，包括顶层金属板 6、四周侧壁结构1、频率调节金属板3、耦合馈电金属板2和同轴探针5，其中顶层金属板6设置在四周侧壁结构1的正上方，频率调节金属板3设置在四周侧壁结构1下表面并向内弯折，该频率调节金属板3与四周侧壁结构1相互垂直，四周侧壁结构1的内侧面均为金属面，四周侧壁结构1的外侧面印有外部金属面8，四周侧壁结构1的四个角落的正下方分别设置四个直角聚四氟乙烯固定垫片7，馈电网络介质板9设置在四个直角聚四氟乙烯固定垫片7的下方，馈电网络介质板9的上表面全部印有金属面，馈电网络4印制在馈电网络介质板9的下表面，馈电网络介质板9上开有四个金属过孔10，耦合馈电金属板2位于频率调节金属板3的上方，且与同轴探针5相连，所述同轴探针5的另一端穿过对应的金属过孔10并与馈电网络4的输出端口相连，为天线馈电，所述同轴探针5与馈电网络介质板9的上表面不接触。

所述频率调节金属板3的数量为四个，分别与四周侧壁结构1的四个侧壁相连；耦合馈电金属板2的数量也为四个，耦合馈电金属板2与对应的频率调节金属板3的垂直距离为0.0026λ~0.0137λ，其中λ为工作频率下的自由空间波长；所述同轴探针5的数量为四个。

所述四周侧壁结构1的长为0.2600λ，厚度为0.0026λ~0.0052λ，高度为0.0137λ~0.0189λ，所述外部金属面8的高度为0.0046λ~0.0189λ，该外部金属面8由底部向上印制在四周侧壁结构1的外侧面，其中λ为工作频率下的自由空间波长。

所述馈电网络4有一个输入端和四个输出端，由一个环形混合网络11和两个威尔金森功分器12组成，其中两个威尔金森功分器12位于环形混合网络11的环形内，并分别与环形混合网络11的两个输出端相连，所述馈电网络介质板9为长方体，其长为0.2679λ，宽为0.2679λ，高为0.0013λ，在馈电网络介质板9的上表面金属面上开有四个圆孔13，该四个圆孔13关于馈电网络介质板9的中心对称，圆孔13的半径为同轴探针5半径的2.3倍，该四个圆孔13的圆心分别位于四个金属过孔10的轴线上。

所述耦合馈电金属板2的长、宽、高分别为0.0520λ~0.1040λ，0.0429λ~0.0689λ，0.0007λ。

顶层金属板6为长方体，其长为0.2679λ，宽为0.2679λ，高为0.0007λ。

同轴探针5的半径为0.0013λ，高度为0.0078λ~0.0195λ。

所述金属过孔10的半径与同轴探针5的半径相同。

所述四个直角聚四氟乙烯固定垫片7的高度相同，均为0.0046λ。

所述馈电网络介质板9的材料的介电常数为4~15，四周侧壁结构1的材料的介电常数为4~15。

下面结合实施例进行具体描述：

实施例1

一种UHF频段双频圆极化低剖面空气微带天线，如图1所示，包括顶层金属板6、四周侧壁结构1、频率调节金属板3、耦合馈电金属板2和同轴探针5，其中顶层金属板6设置在四周侧壁结构1的正上方，频率调节金属板3设置在四周侧壁结构1下表面并向内弯折，该频率调节金属板3与四周侧壁结构1相互垂直，四周侧壁结构1的内侧面均为金属面，四周侧壁结构1的外侧面印有外部金属面8，四周侧壁结构1的四个角落的正下方分别设置四个直角聚四氟乙烯固定垫片7，馈电网络介质板9设置在四个直角聚四氟乙烯固定垫片7的下方，馈电网络介质板9的上表面全部印有金属面，馈电网络4印制在馈电网络介质板9的下表面，馈电网络介质板9上开有四个金属过孔10，耦合馈电金属板2位于频率调节金属板3的上方，且与同轴探针5相连，所述同轴探针5的另一端穿过对应的金属过孔10并与馈电网络4的输出端口相连，为天线馈电，所述同轴探针5与馈电网络介质板9的上表面不接触。天线的两个中心谐振频率分别为366MHz，411MHz，两者的右旋增益分别为3.42dB，3.92dB。

天线结构（不含馈电网络）如图2、图3所示，顶层金属板6设置在四周侧壁结构1的正上方，两者用螺丝进行固定，顶层金属板6的大小为206mm×206mm，厚度为0.5mm。四周侧壁结构1的边长为200mm，厚度为3mm，高度为14.5mm，四周侧壁结构1的内侧面均为金属面，四周侧壁结构1的外侧面印有外部金属面8，其高度为4.5mm。频率调节金属板3用螺丝固定在四周侧壁结构1下表面并向内弯折，该频率调节金属板3的体积为100mm×48mm×0.5mm，耦合馈电金属板2的体积为80mm×43mm×0.5mm，与频率调节金属板3的垂直距离为6.5mm，同轴探针5的半径为1mm。

馈电网络4如图4所示，有一个输入端和四个输出端，由一个环形混合网络11和两个威尔金森功分器12组成，其中两个威尔金森功分器12位于环形混合网络11的环形内，并分别与环形混合网络11的两个输出端相连，所述馈电网络介质板9为长方体，体积为206mm×206mm×1mm，其相对介电常数6，损耗角0.003，在馈电网络介质板9的上表面金属面上开有四个圆孔13，该四个圆孔13关于馈电网络介质板9的中心对称，圆孔13的半径为同轴探针5半径的2.3倍，该四个圆孔13的圆心分别位于四个金属过孔10的轴线上。

如图5、图6、图7所示为馈电网络的各个结果图；图5反应出馈电网络具有较宽的带宽，图6反应出馈电网络端口之间的相位之差均约为90°，具有良好的正交性；图7反应馈电网络具有良好的功率分配特性，几乎接近等分。

如图8所示为天线（不含馈电网络）的反射系数结果图，如实线所示，从图中反应出天线工作于双频，中心谐振频率分别为366MHz，411MHz；图9所示为天线（含馈电网络）的反射系数结果图，该天线具有良好的阻抗特性，S11≤—10的带宽为22.9%（341MHz—419MHz）；图10所示为天线（含馈电网络）的轴比结果图，该天线具有较宽的轴比带宽，AR≤3的轴比带宽为24.6%（335MHz—429MHz）；图11所示为天线的增益结果，在366MHz和411MHz处的增益分别是3.42dB，3.92dB；图12所示为天线在366MHz时的辐射方向图；图13所示为天线在411MHz时的辐射方向图。

实施例2

结合图1或8，在实施例1的基础上进一步改进可以得到一种双频圆极化低剖面空气微带天线，如图1所示，包括顶层金属板6、四周侧壁结构1、频率调节金属板3、耦合馈电金属板2和同轴探针5，其中顶层金属板6设置在四周侧壁结构1的正上方，频率调节金属板3设置在四周侧壁结构1下表面并向内弯折，该频率调节金属板3与四周侧壁结构1相互垂直，四周侧壁结构1的内侧面均为金属面，四周侧壁结构1的外侧面印有外部金属面8，四周侧壁结构1的四个角落的正下方分别设置四个直角聚四氟乙烯固定垫片7，馈电网络介质板9设置在四个直角聚四氟乙烯固定垫片7的下方，馈电网络介质板9的上表面全部印有金属面，馈电网络4印制在馈电网络介质板9的下表面，馈电网络介质板9上开有四个金属过孔10，耦合馈电金属板2位于频率调节金属板3的上方，且与同轴探针5相连，所述同轴探针5的另一端穿过对应的金属过孔10并与馈电网络4的输出端口相连，为天线馈电，所述同轴探针5与馈电网络介质板9的上表面不接触。

天线结构（不含馈电网络）如图2、图3所示，顶层金属板6设置在四周侧壁结构1的正上方，两者用螺丝进行固定，顶层金属板6的大小为206mm×206mm，厚度为0.5mm。四周侧壁结构1的边长为200mm，厚度为2mm，高度为9.5mm，四周侧壁结构1的内侧面均为金属面，四周侧壁结构1的外侧面印有外部金属面8，其高度为3.5mm。频率调节金属板3用螺丝固定在四周侧壁结构1下表面并向内弯折，该频率调节金属板3的体积为100mm×48mm×0.5mm，耦合馈电金属板2的体积为80mm×43mm×0.5mm，与频率调节金属板3的垂直距离为3.5mm，同轴探针5的半径为1mm。

馈电网络4如图4所示，有一个输入端和四个输出端，由一个环形混合网络11和两个威尔金森功分器12组成，其中两个威尔金森功分器12位于环形混合网络11的环形内，并分别与环形混合网络11的两个输出端相连，所述馈电网络介质板9为长方体，体积为206mm×206mm×1mm，其相对介电常数6，损耗角0.003，在馈电网络介质板9的上表面金属面上开有四个圆孔13，该四个圆孔13关于馈电网络介质板9的中心对称，圆孔13的半径为同轴探针5半径的2.3倍，该四个圆孔13的圆心分别位于四个金属过孔10的轴线上，此时的反射系数结果曲线如图8中点画线所示，其工作频率向高频偏移。

实施例3

结合图1或8，在实施例1的基础上进一步改进可以得到一种双频圆极化低剖面空气微带天线，如图1所示，包括顶层金属板6、四周侧壁结构1、频率调节金属板3、耦合馈电金属板2和同轴探针5，其中顶层金属板6设置在四周侧壁结构1的正上方，频率调节金属板3设置在四周侧壁结构1下表面并向内弯折，该频率调节金属板3与四周侧壁结构1相互垂直，四周侧壁结构1的内侧面均为金属面，四周侧壁结构1的外侧面印有外部金属面8，四周侧壁结构1的四个角落的正下方分别设置四个直角聚四氟乙烯固定垫片7，馈电网络介质板9设置在四个直角聚四氟乙烯固定垫片7的下方，馈电网络介质板9的上表面全部印有金属面，馈电网络4印制在馈电网络介质板9的下表面，馈电网络介质板9上开有四个金属过孔10，耦合馈电金属板2位于频率调节金属板3的上方，且与同轴探针5相连，所述同轴探针5的另一端穿过对应的金属过孔10并与馈电网络4的输出端口相连，为天线馈电，所述同轴探针5与馈电网络介质板9的上表面不接触。

天线结构（不含馈电网络）如图2、图3所示，顶层金属板6设置在四周侧壁结构1的正上方，两者用螺丝进行固定，顶层金属板6的大小为206mm×206mm，厚度为0.5mm。四周侧壁结构1的边长为200mm，厚度为4mm，高度为18.5mm，四周侧壁结构1的内侧面均为金属面，四周侧壁结构1的外侧面印有外部金属面8，其高度为13.5mm。频率调节金属板3用螺丝固定在四周侧壁结构1下表面并向内弯折，该频率调节金属板3的体积为100mm×48mm×0.5mm，耦合馈电金属板2的体积为80mm×43mm×0.5mm，与频率调节金属板3的垂直距离为8.5mm，同轴探针5的半径为1mm。

馈电网络4如图4所示，有一个输入端和四个输出端，由一个环形混合网络11和两个威尔金森功分器12组成，其中两个威尔金森功分器12位于环形混合网络11的环形内，并分别与环形混合网络11的两个输出端相连，所述馈电网络介质板9为长方体，体积为206mm×206mm×1mm，其相对介电常数6，损耗角0.003，在馈电网络介质板9的上表面金属面上开有四个圆孔13，该四个圆孔13关于馈电网络介质板9的中心对称，圆孔13的半径为同轴探针5半径的2.3倍，该四个圆孔13的圆心分别位于四个金属过孔10的轴线上，此时的反射系数结果曲线如图8中虚线所示，其工作频率向低频偏移。

由上述可知，本专利中采用空气微带天线的形式，同时采用耦合馈电的方式，大大提高了天线的带宽，天线采用四周均折叠的技术使天线小型化，天线整体高度为0.019λ,其中λ为工作频率下的自由空间波长，采用馈电网络使之产生四个相位相互正交的信号分别给天线的四个端口馈电，使天线的极化方式为圆极化，采用四馈的方式可以使得天线获得较高的极化纯度和较宽的轴比带宽，通过在四周侧壁结构的外侧面印制部分金属面的方式使天线产生了另一个谐振频率，从而在不改变原有天线体积的基础上使得天线能够同时工作在双频点，本发明专利的UHF频段双频圆极化低剖面空气微带天线同时实现了低剖面，圆极化，宽频带以及高增益的特性，使之能广泛的应用于通信，医疗等领域。

Claims (10)

1.一种UHF频段双频圆极化低剖面空气微带天线，其特征在于，包括顶层金属板[6]、四周侧壁结构[1]、频率调节金属板[3]、耦合馈电金属板[2]和同轴探针[5]，其中顶层金属板[6]设置在四周侧壁结构[1]的正上方，频率调节金属板[3]设置在四周侧壁结构[1]下表面并向内弯折，该频率调节金属板[3]与四周侧壁结构[1]相互垂直，四周侧壁结构[1]的内侧面均为金属面，四周侧壁结构[1]的外侧面印有外部金属面[8]，四周侧壁结构[1]的四个角落的正下方分别设置四个直角聚四氟乙烯固定垫片[7]，馈电网络介质板[9]设置在四个直角聚四氟乙烯固定垫片[7]的下方，馈电网络介质板[9]的上表面全部印有金属，馈电网络[4]印制在馈电网络介质板[9]的下表面，馈电网络介质板[9]上开有四个金属过孔[10]，耦合馈电金属板[2]位于频率调节金属板[3]的上方，且与同轴探针[5]相连，所述同轴探针[5]的另一端穿过对应的金属过孔[10]并与馈电网络[4]的输出端口相连，为天线馈电，所述同轴探针[5]与馈电网络介质板[9]的上表面不接触，采用馈电网络产生四个相位相互正交的信号分别给天线的四个端口馈电，所述频率调节金属板[3]的数量为四个，分别与四周侧壁结构[1]的四个侧壁相连；耦合馈电金属板[2]的数量也为四个，所述同轴探针[5]的数量为四个。

2.根据权利要求1所述的UHF频段双频圆极化低剖面空气微带天线，其特征在于，所述耦合馈电金属板[2]与对应的频率调节金属板[3]的垂直距离为0.0026λ～0.0137λ，其中λ为工作频率下的自由空间波长。

3.根据权利要求1或2所述的UHF频段双频圆极化低剖面空气微带天线，其特征在于，所述四周侧壁结构[1]的长为0.2600λ，厚度为0.0026λ～0.0052λ，高度为0.0137λ～0.0189λ，所述外部金属面[8]的高度为0.0046λ～0.0189λ，该外部金属面[8]由底部向上印制在四周侧壁结构[1]的外侧面，其中λ为工作频率下的自由空间波长。

4.根据权利要求1或2所述的UHF频段双频圆极化低剖面空气微带天线，其特征在于，所述馈电网络[4]有一个输入端和四个输出端，由一个环形混合网络[11]和两个威尔金森功分器[12]组成，其中两个威尔金森功分器[12]位于环形混合网络[11]的环形内，并分别与环形混合网络[11]的两个输出端相连，所述馈电网络介质板[9]为长方体，其长为0.2679λ，宽为0.2679λ，高为0.0013λ，在馈电网络介质板[9]的上表面金属面上开有四个圆孔[13]，该四个圆孔[13]关于馈电网络介质板[9]的中心对称，圆孔[13]的半径为同轴探针[5]半径的2.3倍，该四个圆孔[13]的圆心分别位于四个金属过孔[10]的轴线上。

5.根据权利要求1或2所述的UHF频段双频圆极化低剖面空气微带天线，其特征在于，所述耦合馈电金属板[2]的长、宽、高分别为0.0520λ～0.1040λ，0.0429λ～0.0689λ，0.0007λ。

6.根据权利要求1或2所述的UHF频段双频圆极化低剖面空气微带天线，其特征在于，顶层金属板[6]为长方体，其长为0.2679λ，宽为0.2679λ，高为0.0007λ。

7.根据权利要求1或2所述的UHF频段双频圆极化低剖面空气微带天线，其特征在于，同轴探针[5]的半径为0.0013λ，高度为0.0078λ～0.0195λ。

8.根据权利要求7所述的UHF频段双频圆极化低剖面空气微带天线，其特征在于，金属过孔[10]的半径与同轴探针[5]的半径相同。

9.根据权利要求1或2所述的UHF频段双频圆极化低剖面空气微带天线，其特征在于，所述四个直角聚四氟乙烯固定垫片[7]的高度相同，均为0.0046λ。

10.根据权利要求1或2所述的UHF频段双频圆极化低剖面空气微带天线，其特征在于，馈电网络介质板[9]的材料的介电常数为4～15，四周侧壁结构[1]的材料的介电常数为4～15。