CN109378580B - 一种有宽轴比带宽的双频圆极化单极子天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种有宽轴比带宽的双频圆极化单极子天线，可用于全球导航卫星***(GNSS)和移动通信。由辐射体、介质基板、金属地板三部分构成，辐射体由高频辐射单元和低频辐射单元构成，附着在中间介质基板的上表面，通过微带线给辐射体馈电；金属地板位于中间介质基板的下表面，其形状为等腰直角三角形，相对于金属地板相接地面，双频单极子的排布和激励是不对称的，单极子天线和金属地板的斜边接地面在高低两个频段分别生成具有相等幅度，90°相位差的两个正交的电场矢量，实现右旋圆极化(RHCP)信号。与以前的天线比，本发明天线在较低和较高频带都具有较宽的带宽。

Description

一种有宽轴比带宽的双频圆极化单极子天线
技术领域
本发明涉及无线移动通信领域的天线研究领域，特别涉及一种有宽轴比带宽的双频圆极化单极子天线。
背景技术
圆极化天线对于信号的发射和接收具有较强的灵活适应性，可以减少诸如在全球导航卫星***(GNSS)和无线局域网络(WLAN)中多径效应对无线信号传输的影响。双频段圆极化天线可以在两个甚至多个频段同时实现圆极化辐射，满足多种通信***的要求，因此受到了学术界的广泛关注。
目前研究人员已经提出很多不同类型的双频段圆极化天线。主要基于缝隙、贴片、偶极子等形式，但是普遍存在带宽较窄、体积较大的缺陷。但是基于单极子结构实现双频圆极化的设计还比较少。而单极子天线自身具有结构紧凑、带宽较宽等优势，因此开展双频圆极化单极子天线具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种有宽轴比带宽的双频圆极化单极子天线，该天线具备高低频两个圆极化工作频段，工作频带宽，同时利用相互正交的单极子和地板的电场分量产生了圆极化信号，具有轴比性能好，工作性能稳定，具有高增益和较高辐射效率的优点。
本发明目的通过以下的技术方案实现：一种有宽轴比带宽的双频圆极化单极子天线，由辐射体、介质基板、金属地板三部分构成，辐射体由高频辐射单元和低频辐射单元构成，附着在中间介质基板的上表面，通过微带线给辐射体馈电；金属地板位于中间介质基板的下表面，其形状为等腰直角三角形，相对于金属地板相接地面，双频单极子的排布和激励是不对称的，单极子天线和金属地板的斜边接地面在高低两个频段分别生成具有相等幅度，900相位差的两个正交的电场矢量，实现右旋圆极化(RHCP)信号。
优选的，所述高频辐射单元为L形的结构。工作在较高频带谐振，主要用于移动通信。
优选的，所述低频辐射单元为矩形辐射单元，矩形辐射单元采用蛇形折叠微带线结构。以实现紧凑结构，主要工作在低频带谐振，主要用于全球导航卫星***，
优选的，所述介质基板采用Rogers4360G2介质基板。
优选的，所述单极子天线在低频段的工作带宽为1.05至1.75GHz，为GNSS 使用，在高频段的工作带宽为2.27至3.28GHz，用于移动通信。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明所述有宽轴比带宽的双频圆极化单极子天线具有1.05-1.75GHz 和2.27-3.28GHz两个工作频段，可分别供GNSS和移动通信使用。
2、本发明所述具有宽轴比带宽的双频圆极化单极子天线在高低两个频带范围内可以辐射右旋圆极化波。
3、本发明所述具有宽轴比带宽的双频圆极化单极子天线结构简单紧凑，无需额外的移相器和功分器等器件即可实现圆极化功能。
4、本发明所述具有宽轴比带宽的双频圆极化单极子天线在两个工作频带内具有很宽的轴比带宽。
附图说明
图1是本实施例天线的整体结构图。
图2是本实施例天线的结构***图。
图3(a)是本实施例天线的俯视图。
图3(b)是本实施例天线的仰视图。
图4(a)是本实施例天线仿真和测量的反射系数S11的结果图。
图4(b)是本实施例天线仿真和测量的轴比AR的结果图。
图5是本实施例天线仿真和测量的在1.575GHz频点主极化和交叉极化结果，其中(a)phi＝0°；(b)phi＝90°。
图6是本实施例天线仿真和测量的在2.45GHz频点主极化和交叉极化结果，其中(a)phi＝0°；(b)phi＝90°。
图7是本实施例天线仿真和测量的效率增益结果图。
图8是本实施例天线仿真和测量的轴向方向增益结果图。
图中：1—高频辐射单元、2—低频辐射单元、3—微带线、4—介质基板、5 —金属地板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术细节进行清晰、详尽的说明，所描述的实施例仅是本发明中的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本实施例所述的一种有宽轴比带宽的双频圆极化单极子天线。参阅图1-3。天线由辐射体、介质基板4、地板5三部分构成。辐射体由高频辐射单元1和低频辐射单元2构成，附着在中间介质基板4的上表面。高频辐射单元1为L形的分支，主要用于高频段，低频辐射单元2为矩形辐射单元，采用蛇形折叠结构，以实现紧凑结构，主要用于低频段；通过微带线3给辐射体馈电，微带线特性阻抗为50Ω的。
金属地板5位于中间介质基板4的下表面，其形状为等腰直角三角形形状金属板。相对于接地面，单极子的激励是不对称的，单极子和斜边接地面可以生成具有相等的幅度相位差90°的两个正交的电场矢量，实现右旋圆极化 (RHCP)信号。所用的介质基板为Rogers 4360G2。电路整体尺寸为 105mm×105mm。
参阅图4(a)、4(b)。图4(a)给出了该天线仿真模拟和实际测量的阻抗带宽 (S11<-10dB,IMBW)。阻抗带宽是从1.04GHz至3.11GHz(2.07GHz的，99.8％) 和从1.14至3.20GHz(2.06GHz的，94.9％)，图4(b)示出了仿真模拟和实际测量的较低频段和较高频段的轴比带宽(AR<3dB,ARBW)。低频段是从1.10GHz 至1.73GHz(0.63GHz，44.5％)，高频段从2.05至3.07GHz(1.02GHz，39.8％)，所测得的较低和较高频段ARBW是从1.05至1.75GHz(0.7GHz，50.0％)和从 2.27至3.28GHz(1.01GHz，36.4％)。因此，测得的工作带宽(S11<-10dB，AR<3dB)是从1.05至1.75GHz(0.7GHz，50.0％)足够GNSS使用，2.27至3.28GHz (1.01GHz，36.4％)足够移动通信。
参阅图5、6，分别给出了天线在1.575GHz和2.45GHz的辐射方向图仿真结果和测量结果。可以看到测量与仿真吻合。应当指出的是，主极化是右旋圆极化，交叉极化是左旋圆极化。可以看出，主极化的辐射图在正X方向有极点，在负X方向上有零点。交叉极化的辐射图在正X方向有零点，在负X方向上有极点。主极化是顺时钟圆，交叉极化是逆时钟圆。
参阅图7、8，分别给出了天线的仿真及测量的效率和轴向方向增益。图7 给出的仿真结果中，在较低工作频带1.10-1.73GHz，效率的范围从87.2％至 100％，在较高工作频带2.05-3.07GHz，效率的范围从89.8％到98.4％。图7给出的实际测量的结果中，在较低工作频带1.10-1.73GHz，效率的范围从58.7％至92.9％，在较高工作频带2.05-3.07GHz，效率的范围从81.4％到92.6％。图8给出的仿真结果可知，在低频带主极化轴向增益范围从0.3至2.2dBi，在高频带主极化轴向增益范围从0至2.9dBi。图8给出的测量结果可知，在低频带主极化轴向增益范围从-0.2至2.3dBi，在高频带主极化轴向增益范围从-3.2到 2.5dBi的。交叉极化仿真分析和实际测量的轴向增益范围在两个工作频段都低于-10dBi。
以上是对本发明宽轴比带宽的双频圆极化单极子天线的详细描述。本文运用了具体实施例对本发明的设计、原理及实施方式进行阐述，帮助理解本发明的发明及其核心思想。综上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种有宽轴比带宽的双频圆极化单极子天线，其特征在于，由辐射体、介质基板、金属地板三部分构成，辐射体由高频辐射单元和低频辐射单元构成，附着在中间介质基板的上表面，通过微带线给辐射体馈电；金属地板位于中间介质基板的下表面，其形状为等腰直角三角形，微带线与辐射体的连接点偏离等腰直角三角形斜边的中点，单极子天线和金属地板等腰直角三角形的斜边在高低两个频段分别生成具有相等幅度、900相位差的两个正交的电场矢量，实现右旋圆极化信号；所述高频辐射单元为L形的结构，所述低频辐射单元为矩形辐射单元，矩形辐射单元采用蛇形折叠微带线结构。
2.根据权利要求1所述的有宽轴比带宽的双频圆极化单极子天线，其特征在于，所述介质基板采用Rogers4360G2介质基板。
3.根据权利要求1所述的有宽轴比带宽的双频圆极化单极子天线，其特征在于，所述单极子天线在低频段的工作带宽为1.05至1.75GHz，为GNSS使用，在高频段的工作带宽为2.27至3.28GHz，用于移动通信。
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