CN106207432B - L型探针馈电宽频带圆极化贴片天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了L型探针馈电宽频带圆极化贴片天线，包括两个结构相同的圆形的贴片以及一个L型的探针，其中一个贴片相对于另一个贴片在水平面上以探针为中心点旋转了90度，贴片上设有两个背对的凹口，两个凹口形成对角微扰，L型探针与两个贴片耦合并对两个贴片正交馈电。本发明采用上述结构，能够在具有宽3‑dB轴比与阻抗匹配带宽前提下，每个贴片均采用直接馈电方式，不需要功分移相网络，同时可采用LTCC、多层PCB等多层电路技术实现，便于集成。

Description

L型探针馈电宽频带圆极化贴片天线
技术领域
本发明涉及天线装置领域，具体涉及一种L型探针馈电宽频带圆极化贴片天线。
背景技术
天线是无线电通信、广播、导航、雷达、测控、微波遥感、射电天文以及电子对抗等各种民用和军用无线电***必不可少的设备之一。
圆极化天线具有抗雾雨干扰和多径反射能力，并且能消除由电离层法拉第旋转效应引起的极化畸变等优势，越来越受到人们的重视。与此同时，作为众多天线类型之一的贴片天线，以其低成本、低剖面、高集成度等优点一直是天线设计者研究的热点。但是，传统的圆极化贴片天线阻抗匹配与3-dB轴比带宽均很小，因此，同时实现宽频带3-dB轴比和阻抗匹配对贴片天线来说是一个巨大的挑战。为此，国内外许多研究者做出了巨大的努力。
2003年，Naftali Herscovici，Zvonimir Sipus，和Davor设计了单点馈电的两层堆叠贴片天线(N.Herscovici,Z.Sipus,and D.Bonefacic,“Circularlypolarized single-fed wide-band microstrip patch,”IEEE Trans.AntennasPropagat.,vol.51,no.6,pp.1277–1280,Jun.2003.)，实现了13％的3-dB轴比带宽。2011年，TeruhisaNakamura和Takeshi Fukusako，利用人造地结构(artificial ground，AG),采用单点馈电，实现了48.6％的阻抗匹配带宽(WSVR≤2)和20.4％的3-dB轴比带宽(T.Nakamura and T.Fukusako,“Broadband design of circularly polarizedmicrostrip patch antenna using artificial ground structure with rectangularunit cells,”IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.59,no.6,pp.2103–2110,Jun.2011.)。2014年，Jianjun Wu，Xueshi Ren，Zedong Wang和Yingzeng Yin，设计了一款带有短路谐钉的L型金属导带馈电的矩形贴片天线(J.Wu,X.Ren,Z.Wang,and Y.Yin,“Broadbandpolarized antenna with L-shaped strip feeding and shorting-pin loading,”IEEEAntennas Wireless Propag.Lett.,vol.13,pp.1733–1736,Sep.2014.)，实现了23.6％的阻抗匹配带宽(WSVR≤2)和17.9％的3-dB轴比带宽。2007年，Ze-Hai Wu，Yu Lou，和Edward Kai-Ning Yung，设计了一款双点馈电的圆形贴片天线(Ze-Hai Wu,Yu Lou,JianBao and E.K.N.Yung,"A circular patch fed by a switch line balun with printedL-probes for broadband CP performance,"2008IEEE Antennas and PropagationSocietyInternational Symposium,San Diego,CA,2008,pp.1-4.)，此天线包含一宽带巴伦用以实现相应的相位差，实现了45％的阻抗匹配带宽(WSVR≤2)和41％的3-dB轴比带宽。2015年，Jianxing Zhuang，Yan Zhang，Wei Hong和Zhangcheng Hao，设计了一款双点馈电的圆形贴片天线(J.Zhuang,Y.Zhang,W.Hong and Z.Hao,"A Broadband CircularlyPolarized Patch Antenna With Improved Axial Ratio,"in IEEE Antennas andWireless Propagation Letters,vol.14,no.,pp.1180-1183,2015.)，此天线同样包含一宽带巴伦用以实现相应的相位差，同时还包含三根探针，实现了62.3％的阻抗匹配带宽(WSVR≤2)和61.7％的3-dB轴比带宽。
由上述可见，目前实现圆极化贴片天线的方法，主要分为单点馈电法和多点馈电法，单点馈电法较多点馈电法，实现的带宽窄，大约30％以下，而多点馈电法实现的带宽宽大约30％以上，但是会多出庞大的功分移相网络，不利于集成。无论单点馈电法还是多点馈电法均以对单一贴片馈电为主，单点馈电法中的多层堆叠贴片法，虽然存在多个贴片，但只有一个贴片为直接馈电，其余均由直接馈电贴片间接馈电，且其面积增大、厚度增厚所获得的带宽增大收益很低。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题提供一种L型探针馈电宽频带圆极化贴片天线，其在具有宽3-dB轴比与阻抗匹配带宽前提下，单馈电且每个贴片均被直接馈电，不需要功分移相网络，在面积增大一倍的前提下，3-dB轴比带宽增大了近7倍。同时可采用LTCC、多层PCB等多层电路技术实现，便于集成。
本发明通过下述技术方案实现：
L型探针馈电宽频带圆极化贴片天线，包括两个结构相同的圆形的贴片以及一个L型的探针，其中一个贴片相对于另一个贴片在水平面上以探针为中心点旋转了90度，贴片上设有两个背对的凹口，两个凹口形成对角微扰，L型探针与两个贴片耦合并对两个贴片正交馈电。整个天线可以理解为采用顺序旋转馈电的二元圆极化阵列天线，因此可以实现宽3-dB轴比与阻抗匹配带宽。采用该天线结构，其在具有宽3-dB轴比与阻抗匹配带宽前提下，剖面薄，每个贴片均采用直接馈电方式，馈电简单，不需要功分移相网络，同时可采用LTCC、多层PCB等多层电路技术实现，便于集成。
作为优选，作为优选技术方案，所述探针包括两个相连呈L型且分别为两贴片馈电的第一连接部和第二连接部，所述第一连接部包括第一连接带，所述第二连接部包括第二连接带和相位延迟带，所述第二连接带与第一连接带等长，使得第二连接部比第一连接部多出一个相位延迟带，以产生两个贴片的相位延迟，实现正交馈电。
进一步的，作为优选技术方案，所述相位延迟带成半圆环状。
进一步的，作为优选技术方案，所述相位延迟带的内径为0.12λ，外径为0.16λ。
进一步的，作为优选技术方案，所述探针还包括与第一连接部相垂直的第三连接部，所述第三连接部连接在带状线上。第三连接部连接在第一连接带与相位延迟带之间，通过带状线为整个天线馈电。
进一步的，作为优选技术方案，所述第三连接部上设置有若干圆盘结构。由于第三连接部采用的是多层堆叠过孔形成的，第三连接部在贯穿各个介质层时，第三连接部上的圆盘结构能够增强探针与各个介质层之间的接触可靠性，增强探针的电连通性，同时，圆盘结构还能够起到一定的容抗调节作用，进而可影响馈电网络的阻抗，从而更好地实现阻抗匹配，当馈电网络需要更大一些的容抗时，可将圆盘结构的尺寸做得稍大一些，而馈电网络需要小一些的容抗时，可将圆盘结构的尺寸做得小一些，具体可根据实际情况而定。另外，为了保证良好的电连通性，圆盘结构采用金属材质制成。
进一步的，作为优选技术方案，所述第一连接带长为0.15λ至0.2λ，宽为0.02λ至0.05λ；第三连接部成圆柱形，其直径为0.2λ至0.05λ，长度为0.1λ至0.2λ；其中，λ为中心频率处电磁波在介质中的波长。
作为优选，作为优选技术方案，所述贴片直径为0.35λ至0.45λ；
作为优选，作为优选技术方案，所述凹口的形状为方形，长为0.1λ至0.15λ，宽为0.15λ至0.2λ。
本发明与现有技术相比，至少具有如下的优点和有益效果：
采用本方案的天线结构，其可实现宽3-dB轴比与阻抗匹配带宽，剖面薄，每个贴片均采用直接馈电方式，馈电简单，不需要功分移相网络，同时可采用LTCC、多层PCB等多层电路技术实现，便于集成。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明立体结构示意图。
图2是本发明的俯视图。
图3是探针的放大图。
图4是本发明的剖视图。
图5是本发明的|S11|仿真结果图。
图6是本发明的增益仿真结果图。
图7是本发明的轴比仿真结果图。
图8是本发明天线30GHz的XOZ面方向图仿真结果图。
图9是本发明天线30GHz的YOZ面方向图仿真结果图。
图10是本发明天线35GHz的XOZ面方向图仿真结果图。
图11是本发明天线35GHz的YOZ面方向图仿真结果图。
图12是本发明天线40GHz的XOZ面方向图仿真结果图。
图13是本发明天线40GHz的YOZ面方向图仿真结果图。
其中，图8至图13中，实线代表主极化方向图，虚线代表交叉极化方向图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1、贴片，2、探针，3、带状线，4、地，5、内层地，6、缺口，11、凹口，21、第一连接带，22、第二连接带，23、相位延迟带，24、第三连接部。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1、图2所示的L型探针馈电宽频带圆极化贴片天线，包括两个结构相同的圆形的贴片1以及一个L型的探针2，其中一个贴片1相对于另一个贴片1在水平面上以探针2为中心点旋转了90度，贴片1上设有两个背对的凹口11，两个凹口11形成对角微扰，L型探针2与两个贴片1耦合并对两个贴片1正交馈电。另外，优选的，本实施例将两个凹口11的形状和大小设置成相同。进一步优选的，凹口11的形状为方形，长为0.1λ至0.15λ，宽为0.15λ至0.2λ。
实施例2
如图3所示，本实施例在上述实施例的基础上对探针结构做了细化，即探针包括两个相连呈L型且分别为两个贴片1馈电的第一连接部和第二连接部，第一连接部包括第一连接带21，第二连接部包括第二连接带22和相位延迟带23，第二连接带22与第一连接带21等长。优选的，本实施例可将相位延迟带23设置为半圆环状，第一连接部和第二连接部通过第三连接部24与带状线3连接，带状线3实现对整个天线的馈电。本结构的天线可采用LTCC多层电路加工技术实现，第三连接部24与第一连接部垂直设置。
在多层电路技术中，第一连接部和第二连接部可印刷金属实现，第三连接部可用多层堆叠金属化过孔实现，便于集成。
第一连接部比第二连接部少一个相位延迟带23，相位延迟带23用以实现一贴片1的馈电相位滞后于另一贴片1的馈电相位，可调谐相位延迟带23的半径来获得具体相位滞后的度数，如此，可获得类似顺序旋转馈电圆极化二元阵增加轴比带宽的效果。
实施例3
如图4所示，上述的天线结构可采用LTCC多层电路加工技术实现，基板材料为FerroA6M，介电常数为5.9，每层基板厚度为0.094mm，每层金属厚度为0.01mm，表层金属为金，内层金属为银。天线工作频段为Ka频段。
本发明L型探针馈电宽频带圆极化贴片天线共14层，即h1＝0.094mm×14＝1.316mm。其中，两个贴片1位于第1层介质正面，即顶层。探针2的第一连接部和第二连接部位于第4层介质正面，探针2的第三连接部为多层堆叠金属化过孔，贯通4到11层介质，通过地4中的圆形缺口6连接到带状线3，地4位于第10层介质正面，内层地5位于第14层介质背面，即底层背面，带状线3位于第11层正面。整体立体结构如图1所示。
如图4所示，给出一具体实施方式，采用上述结构后其具体尺寸如表1所示，其中，单位为mm。
表1天线的具体尺寸表
l<sub>1</sub> l<sub>2</sub> r<sub>1</sub> r<sub>2</sub> r<sub>3</sub> w<sub>1</sub> w<sub>2</sub> w<sub>3</sub>
0.65 0.13 0.68 0.43 0.58 0.15 0.6 0.45
w<sub>4</sub> h<sub>1</sub> h<sub>2</sub> h<sub>3</sub> h<sub>4</sub> d<sub>1</sub> d<sub>2</sub>
0.15 1.32 0.47 0.56 0.28 0.1 0.2
其中，l1为探针第一连接部和第二连接部的长度，l2为探针第一连接部和第二连接部伸入两圆形贴片部分的长度，r1为两圆形贴片的半径，r2为相位延迟带的内径，r3为相位延迟带的外径，w1为带状线的线宽，W2为微扰的长度，W2为微扰的宽度，W4为第一连接部和第二连接部的宽度，h1为天线总体厚度，h2为带状线厚度，h3为馈电探针第一连接部和第二连接部距离地4的距离，h4为带状线距离地4的距离，d1为探针第三连接部的直径，d2为探针第三连接部圆盘结构的直径。
本实施例的仿真结果如图5至图13所示，其中，图5为回波损耗-频率曲线图，其纵坐标为S11，S11的绝对值为回波损耗，横坐标表示频率；图6为天线增益-频率曲线图，其纵坐标表示天线增益，横坐标表示频率；图7为轴率-频率曲线图，其纵坐标表示轴率，横坐标表示频率。通过图5-7可以看出，本发明天线实现了32.6％的-10-dB阻抗带宽和39.5％的3-dB轴比带宽，在30GHz到40GHz频段内实现了4dBi左右的增益。从图8-13的仿真方向图情况来看，辐射能量集中在边射方向(broad side)，具有良好的定向辐射特性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.L型探针馈电宽频带圆极化贴片天线，其特征在于：包括天线、两个结构相同的圆形的贴片(1)以及一个L型的探针(2)，其中一个贴片(1)相对于另一个贴片(1)在水平面上以探针(2)为中心点旋转了90度，贴片(1)上设有两个背对的凹口(11)，两个凹口(11)形成对角微扰，所述探针(2)包括两个相连呈L型且分别为两贴片馈电的第一连接部和第二连接部，所述第一连接部包括第一连接带(21)，所述第二连接部包括第二连接带(22)和相位延迟带(23)，L型探针(2)与两个贴片(1)耦合并对两个贴片(1)正交馈电，所述天线共14层，所述两个贴片(1)位于第1层介质的正面，所述探针(2)的第一连接部和第二连接部位于第4层介质的正面。
2.根据权利要求1所述的L型探针馈电宽频带圆极化贴片天线，其特征在于：所述相位延迟带(23)成半圆环状。
3.根据权利要求2所述的L型探针馈电宽频带圆极化贴片天线，其特征在于：所述相位延迟带(23)所在圆的内径为0.12λ，外径为0.16λ。
4.根据权利要求1所述的L型探针馈电宽频带圆极化贴片天线，其特征在于：所述探针(2)还包括与第一连接部相垂直的第三连接部(24)，所述第三连接部(24)连接在第一连接带(21)与相位延迟带(23)之间，通过带状线(3)为整个天线馈电，所述第三连接部(24)连接在带状线(3)上，所述第一连接部和第二连接部通过第三连接部(24)与带状线(3)连接。
5.根据权利要求4所述的L型探针馈电宽频带圆极化贴片天线，其特征在于：所述第三连接部(24)上设置有若干圆盘结构。
6.根据权利要求4所述的L型探针馈电宽频带圆极化贴片天线，其特征在于：所述第一连接带(21)长为0.15λ至0.2λ，宽为0.02λ至0.05λ；第三连接部(24)成圆柱形，其直径为0.2λ至0.05λ，长度为0.1λ至0.2λ；其中，λ为中心频率处电磁波在介质中的波长。
7.根据权利要求1所述的L型探针馈电宽频带圆极化贴片天线，其特征在于：所述贴片(1)的直径为0.35λ至0.45λ。
8.根据权利要求1所述的L型探针馈电宽频带圆极化贴片天线，其特征在于：所述凹口(11)的形状为方形，长为0.1λ至0.15λ，宽为0.15λ至0.2λ。
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