CN107104278A - 一种在俯仰面具有宽轴比波束的低剖面全向圆极化天线 - Google Patents

一种在俯仰面具有宽轴比波束的低剖面全向圆极化天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及全向圆极化天线，具体是一种在俯仰面具有宽轴比波束的低剖面全向圆极化天线。包括介质基板、圆形单极子辐射器、六边形辐射器；圆形单极子辐射器位于天线的中央，包括相互正对的贴装于介质基板两侧的上、下层圆形金属贴片，二者之间贯通开设有六个金属贴片短路过孔，过孔两边开有双L形缝隙；六边形辐射器位于圆形单极子辐射器周围，由贴装于介质基板两侧的上、下两层构成，每层包括六组S型匹配传输线、长方形金属贴片、圆形金属片。六边形辐射器穿过双L形缝隙与圆形单极子辐射器的过孔相连。本发明解决了现有圆极化天线3dB轴比波束窄、体积大的问题。本发明适用于无线通信。

Description

一种在俯仰面具有宽轴比波束的低剖面全向圆极化天线
技术领域
本发明涉及全向圆极化天线，具体是一种在俯仰面具有宽轴比波束的低剖面全向圆极化天线。
背景技术
圆极化天线因其具有抑制雨雾、抗多径反射的优点，在雷达、电子对抗、卫星通信等领域得到广泛应用。在移动通信方面，利用全向圆极化天线可实现水平面360°范围内较好的辐射特性，扩大天线扇区覆盖范围，从而减少基站天线的数量。
目前，国内外对全向圆极化天线已做了大量研究，出现了多种全向圆极化天线。2013年，Wei Wei Li等人在IEEE Transactions on Antennas and Propagation发表了“Omnidirectional Circularly Polarized Dielectric Resonator Antenna With Top-Loaded Alford Loop for Pattern Diversity Design”，通过在天线介质谐振器顶端加载辐射环获得了全向圆极化辐射。2013年，Bo Li等人在IEEE Antenna and WirelessPropagation Letters发表了“Omnidirectional Circularly Polarized AntennaCombining Monopole and Loop Radiators”该文采用单极子和环形辐射器结合的方式实现了全向性圆极化功能，整个天线呈60°旋转对称结构。2015年，Y.M.Pan等人在IEEETransactions on Antennas and Propagation发表了“Wideband OmnidirectionalCircularly Polarized Dielectric Resonator Antenna With Parasitic Strips”，该文采用带有寄生微带线的电谐振器实现了全向圆极化性能。然而，这些天线采用的都是非低剖面结构。2014年，Dan Yu等人在IEEE Transactions on Antennas and Propagation发表了“Wideband Omnidirectional Circularly Polarized Patch Antenna Based onVortex Slots and Shorting Vias”，该文利用涡旋形缝隙和加载短路过孔的方式，实现了宽频带的全向圆极化贴片天线。2016年，Yuan-Ming Cai等人在IEEE Transactions onAntennas and Propagation发表了“Compact-Size Low-ProfileWideband CircularlyPolarized Omnidirectional Patch Antenna With Reconfigurable Polarizations”，该文通过引入微带贴片天线和刻蚀有弯曲缝隙的地平面实现了低剖面的全向圆极化性能。2016年，Yuzhong Shi等人在IEEE Antenna and Wireless Propagation Letters发表了“Wideband and Low-Profile Omnidirectional Circularly Polarized Antenna WithSlits and Shorting-Vias”，该文采用上下表面结构相同的带缝隙的圆形贴片实现了全向圆极化性能。然而，这些天线的3dB轴比波束较窄，在移动通信应用中受到了限制。
发明内容
本发明为了解决现有圆极化天线3dB轴比波束窄、体积大的问题，提供一种在俯仰面具有宽轴比波束的低剖面全向圆极化天线。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种在俯仰面具有宽轴比波束的低剖面全向圆极化天线，其特征在于：所述在俯仰面具有宽轴比波束的低剖面全向圆极化天线包括：介质基板、圆形单极子辐射器、六边形辐射器；所述圆形单极子辐射器位于天线的中央，所述六边形辐射器位于所述圆形单极子辐射器周围。
进一步，所述圆形单极子辐射器包括：上层圆形单极子金属贴片和下层圆形单极子金属贴片，所述上层圆形单极子金属贴片和下层圆形单极子金属贴片分别贴装于所述介质基板的上表面和下表面，且相互正对；所述上层圆形单极子金属贴片的上表面中央和所述下层圆形单极子金属贴片的下表面中央之间，贯通设置有同轴馈电探针；所述上层圆形单极子金属贴片的上表面和所述下层圆形单极子金属贴片的下表面之间，贯通开设有六个沿圆周均匀分布的金属贴片短路过孔；所述上层圆形单极子金属贴片上，所述金属贴片短路过孔的外延刻蚀有6个沿圆周对称分布的上层“L”型耦合缝隙；所述下层圆形单极子金属贴片上，所述金属贴片短路过孔的外延刻蚀有6个沿圆周对称分布的下层“L”型耦合缝隙。
进一步，所述六边形辐射器包括：六个正对的上、下两层六边形辐射单元，上层六边形辐射单元贴装于介质基板的上表面，下层六边形辐射单元贴装于介质基板的下表面；所述上层六边形辐射单元包括：上层“S”型匹配传输线、上层长方形金属贴片、上层圆形金属片；所述下层六边形辐射单元包括：下层“S”型匹配传输线、下层长方形金属贴片、下层圆形金属片；所述上层“S”型匹配传输线和下层“S”型匹配传输线相互正对；所述上层长方形金属贴片和下层长方形金属贴片相互正对；所述上层圆形金属贴片和下层圆形金属贴片相互正对；所述上层圆形金属片上表面和下层圆形金属片下表面中央之间，贯通开设有六个圆形贴片短路过孔；每个所述上层“S”型匹配传输线的一端连接在所述上层长方形金属贴片的中间，另一端穿过所述上层“L”型耦合缝隙后，与金属贴片短路过孔的上端相连；每个所述下层“S”型匹配传输线的一端连接在所述下层长方形金属贴片的中间，另一端穿过所述下层“L”型耦合缝隙后，与金属贴片短路过孔的下端相连；
每个所述上层长方形金属贴片的左端连接上层圆形金属贴片，右端开路；每个所述下层长方形金属贴片的左端开路，右端连接下层圆形金属贴片。
工作时，圆形单极子辐射器产生垂直极化波Eθ，六边形辐射器产生水平极化波通过调整“L”型耦合缝隙可以在俯仰面宽的波束范围内实现同时，通过改变“S”型的匹配传输线的长度，可以达到Eθ和相位差90°，由此实现了在俯仰面内具有宽轴比波束的全向圆极化性能。与现有圆极化天线相比，本发明通过引入“L”型耦合缝隙和“S”型的匹配传输线，显著增大了3dB轴比波束宽度，频率为5.8GHz时xoz平面和yoz平面的3dB轴比波束宽度分别为212°和217°)，从而满足了无线通信的发展需求。
本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有圆极化天线3dB轴比波束窄、体积大的问题，适用于无线通信。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中六边形辐射器每个单元的细节示意图；
图3是天线不采用耦合缝隙时归一化的|Eθ|与辐射方向图；
图4是天线采用“1”字型耦合缝隙时归一化的|Eθ|与辐射方向图；
图5是天线采用“L”型耦合缝隙时归一化的|Eθ|与辐射方向图；
图6是采用不同长度的“S”型匹配传输线的Eθ与相位差的示意图；
图7是本发明的S11示意图；
图8是天线在θ＝90°,和θ＝90°,处的3dB轴比示意图；
图9是天线在和仰角平面的3dB轴比示意图；
图10是频率为5.8GHz时方位面的3dB轴比示意图；
图11是频率为5.8GHz时θ＝90°,处的增益示意图；
图12是频率为5.8GHz时本发明在xoz面的方向图；
图13是频率为5.8GHz时本发明在xoy面的方向图。
图中：
1-介质基板，2-上层圆形单极子金属贴片，3-下层圆形单极子金属贴片，4-同轴馈电点，5-金属贴片短路过孔，6-圆形贴片短路过孔，7-上层“L”型耦合缝隙，8-上层“S”型匹配传输线，9-上层长方形金属贴片，10-上层圆形金属贴片，11-下层“L”型耦合缝隙，12-下层“S”型匹配传输线，13-下层长方形金属贴片，14-下层圆形金属贴片。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。
如图1、2所示，一种在俯仰面具有宽轴比波束的低剖面全向圆极化天线，包括：介质基板、圆形单极子辐射器、六边形辐射器；所述圆形单极子辐射器位于天线的中央，所述六边形辐射器位于所述圆形单极子辐射器周围。
所述圆形单极子辐射器包括：上层圆形单极子金属贴片2和下层圆形单极子金属贴片3，所述上层圆形单极子金属贴片2和下层圆形单极子金属贴片3分别贴装于所述介质基板1的上表面和下表面，且相互正对；
所述上层圆形单极子金属贴片2的上表面中央和所述下层圆形单极子金属贴片3的下表面中央之间，贯通设置有同轴馈电探针4；
所述上层圆形单极子金属贴片2的上表面和所述下层圆形单极子金属贴片3的下表面之间，贯通开设有六个沿圆周均匀分布的金属贴片短路过孔5；
所述上层圆形单极子金属贴片2上，所述金属贴片短路过孔5的外延刻蚀有6个沿圆周对称分布的上层“L”型耦合缝隙7；
所述下层圆形单极子金属贴片3上，所述金属贴片短路过孔5的外延刻蚀有6个沿圆周对称分布的下层“L”型耦合缝隙11；
所述六边形辐射器包括：六个正对的上、下两层六边形辐射单元，上层六边形辐射单元贴装于介质基板1的上表面，下层六边形辐射单元贴装于介质基板1的下表面；
所述上层六边形辐射单元包括：上层“S”型匹配传输线8、上层长方形金属贴片9、上层圆形金属片10；
所述下层六边形辐射单元包括：下层“S”型匹配传输线12、下层长方形金属贴片13、下层圆形金属片14；
所述上层“S”型匹配传输线8和下层“S”型匹配传输线12相互正对；所述上层长方形金属贴片9和下层长方形金属贴片13相互正对；所述上层圆形金属贴片10和下层圆形金属贴片14相互正对；所述上层圆形金属片10上表面和下层圆形金属片14下表面中央之间，贯通开设有六个圆形贴片短路过孔6；
每个所述上层“S”型匹配传输线8的一端连接在所述上层长方形金属贴片9的中间，另一端穿过所述上层“L”型耦合缝隙7后，与金属贴片短路过孔5的上端相连；
每个所述下层“S”型匹配传输线12的一端连接在所述下层长方形金属贴片13的中间，另一端穿过所述下层“L”型耦合缝隙11后，与所述金属贴片短路过孔5的下端相连；
每个所述上层长方形金属贴片9的左端连接上层圆形金属贴片10，右端开路；
每个所述下层长方形金属贴片13的左端开路，右端连接下层圆形金属贴片14。
图2为上下层六边形辐射单元的示意图。
具体实施时，介质基板1的厚度为3.2mm，相对介电常数为2.65，损耗角正切为0.001。上层圆形单极子金属贴片2和下层圆形单极子金属贴片3半径均为10.28mm金属贴片。上层“L”型耦合缝隙7和下层“L”型耦合缝隙11横边的缝隙长L2为2.7mm。上层“S”型匹配传输线8和下层“S”型匹配传输线12的长度L为0.44λ(λ为中心频率在5.8GHz处的自由空间波长)。上层长方形金属贴片9和下层长方形金属贴片13的长L1和宽W1分别为14.7mm和1.5mm。上层圆形金属贴片10和下层圆形金属贴片14的半径Rc均为1.9mm。
具体的工作原理可以通过图3-图6来说明：
图3表示不采用耦合缝隙时的|Eθ|和此时六边形辐射器直接连接到单极子辐射器，其中，曲线1表示垂直极化波电场幅度|Eθ|，曲线2表示水平极化波电场幅度可以看出：不采用耦合缝隙时，天线在5.8GHz处的Eθ|远比大。
图4表示采用“1”字形缝隙时的|Eθ|和此时六边形辐射器连接到单极子辐射器上的金属贴片短路过孔5，同时在二者的连线两边开“1”字型缝隙，其中，曲线1表示垂直极化波电场幅度|Eθ|，曲线2表示水平极化波电场幅度可以看出：采用“1”字型缝隙时天线的分别在60°-120°和240°-300°有所提高。
图5表示采用“L”形缝隙时的|Eθ|和此时六边形辐射器连接到单极子辐射器上的金属贴片短路过孔5，同时在二者的连线两边开“L”形缝隙，其中曲线1表示垂直极化波电场幅度|Eθ|，曲线2表示水平极化波电场幅度可以看出：采用“L”型耦合缝隙时，天线的在39°-128°和235°-326°接近1；
图6是采用不同长度的“S”型匹配传输线时，天线辐射的Eθ与在yoz平面相位差的示意图，其中，天线工作在5.8GHz，曲线1、2、3和4分别表示“S”型匹配传输线长度L＝0.09λ、0.40λ、0.44λ和0.48λ时Eθ与的相位差，通过图6可以看出：当“S”型匹配传输线L＝0.09λ时，Eθ与的相位差在30°附近。当“S”型匹配传输线L＝0.40λ时，Eθ与的相位差在60°附近。当“S”型匹配传输线L＝0.44λ时，Eθ与的相位差在90°附近。当“S”型匹配传输线L＝0.48λ时，垂直极化波Eθ与水平极化波的相位差在135°附近。因此，“S”型匹配传输线L＝0.44λ时可以满足实现圆极化波的90°相位差的要求。
综合图3-6可以看出，本发明通过在圆形单极子辐射器和六边形辐射器之间刻蚀L形缝隙，提高了从而在宽的θ范围内实现了同时，通过改变S形匹配传输线的长度，使Eθ与之间的相位差在相应的θ范围内接近90°，从而在俯仰面宽的θ范围内实现了全向圆极化。
所实现的天线的具体性能见图7-13所示。
图7给出了天线的S11，可以看出：天线的-10dB阻抗带宽为5.76-5.88GHz。
图8是天线在θ＝90°,和θ＝90°,处的3dB轴比示意图。图中，曲线1表示天线在θ＝90°,处的3dB轴比，曲线2表示天线在θ＝90°,处的3dB轴比，可以看出：天线在θ＝90°,和θ＝90°,处的3dB轴比带宽分别为5.74-5.84GHz和5.72-5.84GHz。
图9是天线在和俯仰面的3dB轴比示意图，图中，曲线1表示天线在俯仰面的3dB轴比，曲线2表示天线在俯仰面的3dB轴比。可以看出：天线在两平面获得宽的3dB轴比波束，波束宽度分别为212°和217°。
图10是频率为5.8GHz时方位面的3dB轴比示意图，图中，曲线1表示θ＝30°方位面的3dB轴比，曲线2表示θ＝60°方位面的3dB轴比，曲线3表示θ＝90°方位面的3dB轴比。可以看出：在三个方位角平面都实现了圆极化，轴比范围分别为0.04-3.25dB，0.08-2.81dB和0.35-2.11dB。在θ＝30°方位面的轴比从330°到340°略大于3dB。
图11是频率为5.8GHz时θ＝90°,处的增益示意图。可以看出：在工作频带内，天线的峰值增益为1.25dBi。
图12是频率为5.8GHz时本发明在xoz面的方向图。曲线1表示天线的yoz面归一化右旋圆极化方向图，曲线2天线的yoz面归一化左旋圆极化方向图。可以看出：天线在俯仰面xoz面的方向图为8字形。主极化(右旋圆极化)与交叉极化(左旋圆极化)在方位面xoy面上的差大于13.26dBi。
图13是频率为5.8GHz时本发明在xoy面的方向图。曲线1表示天线的xoy面归一化右旋圆极化方向图，曲线2表示天线的xoy面归一化左旋圆极化方向图。可以看出：天线辐射稳定的右旋全向圆极化波，主极化(右旋圆极化)与交叉极化(左旋圆极化)在方位面xoy面上的差大于12.88dBi。
本发明能够以多种形式具体实施而不脱离本发明的精神和范围，应当理解，上述实施例不限于前述的细节，而应在权利要求所限定的范围内广泛地解释。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作岀若干改进和等效范围内的变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种在俯仰面具有宽轴比波束的低剖面全向圆极化天线，其特征在于：所述在俯仰面具有宽轴比波束的低剖面全向圆极化天线包括：介质基板、圆形单极子辐射器、六边形辐射器；所述圆形单极子辐射器位于天线的中央，所述六边形辐射器位于所述圆形单极子辐射器周围。
2.根据权利要求1所述的在俯仰面具有宽轴比波束的低剖面全向圆极化天线，其特征在于：所述圆形单极子辐射器包括：上层圆形单极子金属贴片(2)和下层圆形单极子金属贴片(3)，所述上层圆形单极子金属贴片(2)和下层圆形单极子金属贴片(3)分别贴装于所述介质基板(1)的上表面和下表面，且相互正对；所述上层圆形单极子金属贴片(2)的上表面中央和所述下层圆形单极子金属贴片(3)的下表面中央之间，贯通设置有同轴馈电探针(4)；所述上层圆形单极子金属贴片(2)的上表面和所述下层圆形单极子金属贴片(3)的下表面之间，贯通开设有六个沿圆周均匀分布的金属贴片短路过孔(5)；所述上层圆形单极子金属贴片(2)上，所述金属贴片短路过孔(5)的外延刻蚀有6个沿圆周对称分布的上层“L”型耦合缝隙(7)；所述下层圆形单极子金属贴片(3)上，所述金属贴片短路过孔(5)的外延刻蚀有6个沿圆周对称分布的下层“L”型耦合缝隙(11)。
3.根据权利要求1所述的在俯仰面具有宽轴比波束的低剖面全向圆极化天线，其特征在于：所述六边形辐射器包括：六个正对的上、下两层六边形辐射单元，上层六边形辐射单元贴装于介质基板(1)的上表面，下层六边形辐射单元贴装于介质基板(1)的下表面；所述上层六边形辐射单元包括：上层“S”型匹配传输线(8)、上层长方形金属贴片(9)、上层圆形金属片(10)；所述下层六边形辐射单元包括：下层“S”型匹配传输线(12)、下层长方形金属贴片(13)、下层圆形金属片(14)；所述上层“S”型匹配传输线(8)和下层“S”型匹配传输线(12)相互正对；所述上层长方形金属贴片(9)和下层长方形金属贴片(13)相互正对；所述上层圆形金属贴片(10)和下层圆形金属贴片(14)相互正对；所述上层圆形金属片(10)上表面和下层圆形金属片(14)下表面中央之间，贯通开设有六个圆形贴片短路过孔(6)；每个所述上层“S”型匹配传输线(8)的一端连接在所述上层长方形金属贴片(9)的中间，另一端穿过所述上层“L”型耦合缝隙(7)后，与金属贴片短路过孔(5)的上端相连；每个所述下层“S”型匹配传输线(12)的一端连接在所述下层长方形金属贴片(13)的中间，另一端穿过所述下层“L”型耦合缝隙(11)后，与所述金属贴片短路过孔(5)的下端相连；每个所述上层长方形金属贴片(9)的左端连接上层圆形金属贴片(10)，右端开路；每个所述下层长方形金属贴片(13)的左端开路，右端连接下层圆形金属贴片(14)。
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