CN110544819A - 一种宽带圆极化交叉磁电偶极子天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种宽带圆极化交叉磁电偶极子天线,其特征是：至少包括：介质基板、金属地板、半椭圆形交叉偶极子贴片、寄生贴片和磁偶极子金属板，磁偶极子金属板为矩形折叠结构，介质基板和金属地板通过多个矩形折叠结构的磁偶极子金属板和同轴线连接成“工”字型结构，介质基板和金属地板相互平行，介质基板和金属地板与磁偶极子金属板垂直，介质基板和金属地板通过同轴线使其电导通连接。提供一种以应用于无线通信***中获得了较宽的圆极化带宽和良好的辐射方向图特性，能够显著提高***性能的一种宽带圆极化交叉磁电偶极子天线。

Description

一种宽带圆极化交叉磁电偶极子天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种宽带圆极化交叉磁电偶极子天线。
背景技术
随着无线通信***的发展，圆极化天线因其较好的极化匹配而受到越来越多的关注，并广泛应用于全球定位***GPS，射频识别RFID、无线局域网WLAN和卫星通信等领域。与此同时，现代无线通信传输***需要越来越高的传输速率和传输带宽，这就要求天线具有更宽的工作频带。因此，宽频带、低剖面的圆极化天线更容易满足无线通信***的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种以应用于无线通信***中获得了较宽的圆极化带宽和良好的辐射方向图特性，能够显著提高***性能的一种宽带圆极化交叉磁电偶极子天线。
为达到上述目的，本发明的目的是这样实现，一种宽带圆极化交叉磁电偶极子天线，其特征是：至少包括：介质基板、金属地板、半椭圆形交叉偶极子贴片、寄生贴片和磁偶极子金属板，磁偶极子金属板为矩形折叠结构，介质基板和金属地板通过多个矩形折叠结构的磁偶极子金属板和同轴线连接成“工”字型结构，介质基板和金属地板相互平行，介质基板和金属地板与磁偶极子金属板垂直，介质基板和金属地板通过同轴线使其电导通连接。
所述的介质基板上表面上分布有第一半椭圆形交叉偶极子金属贴片、第二半椭圆形交叉偶极子金属贴片；介质基板下表面分布有第三半椭圆形交叉偶极子金属贴片、第四半椭圆形交叉偶极子金属贴片；第一半椭圆形交叉偶极子金属贴片、第二半椭圆形交叉偶极子金属贴片、第三半椭圆形交叉偶极子金属贴片、第四半椭圆形交叉偶极子金属贴片以90度绕圆周分布，在第一半椭圆形交叉偶极子金属贴片、第二半椭圆形交叉偶极子金属贴片、第三半椭圆形交叉偶极子金属贴片、第四半椭圆形交叉偶极子金属贴片间隔内分布第一寄生贴片、第二寄生贴片、第三寄生贴片、第四寄生贴片；第一寄生贴片、第二寄生贴片、第三寄生贴片、第四寄生贴片也是在介质基板上表面的四个角上；第一寄生贴片、第二寄生贴片、第三寄生贴片、第四寄生贴片为正方形。
所述的磁偶极子金属板有四个，分别是第一磁偶极子金属板、第二磁偶极子金属板、第三磁偶极子金属板、第四磁偶极子金属板；第一磁偶极子金属板、第二磁偶极子金属板为两个相同的矩形折叠结构，设置于第一半椭圆形交叉偶极子金属贴片、第二半椭圆形交叉偶极子金属贴片下方；第三磁偶极子金属板、第四磁偶极子金属板为两个相同的矩形折叠结构，设置于第三半椭圆形交叉偶极子金属贴片、第四半椭圆形交叉偶极子金属贴片下方；并且与金属地板电连接，作为优选，所述的磁偶极子金属板选用铝板或铜板。
所述的第一半椭圆形交叉偶极子金属贴片和第二半椭圆形交叉偶极子金属贴片与第二相移环相连设置于介质基板的上表面，并且与同轴线内芯连接；所述的第三半椭圆形交叉偶极子金属贴片和第四半椭圆形交叉偶极子金属贴片与第一相移环电连接，设置于介质基板下表面，并且与同轴线的外皮电连接；SMP接头穿过金属地板和同轴线电连接。
所述的金属地板长为80毫米,宽为80毫米，天线整体高度为26毫米；介质基板的介电常数为3.5，介质基板的长度为38.2毫米，宽度为38.2毫米，厚度为1毫米；第一半椭圆形交叉偶极子金属贴片、第二半椭圆形交叉偶极子金属贴片、第三半椭圆形交叉偶极子金属贴片、第四半椭圆形交叉偶极子金属贴片分别印刷在介质基板的上下表面，其长半轴为11毫米，短半轴长为7毫米。
所述的第一半椭圆形交叉偶极子金属贴片、第二半椭圆形交叉偶极子金属贴片、第三半椭圆形交叉偶极子金属贴片、第四半椭圆形交叉偶极子金属贴片内部的四个十字形缝隙分别蚀刻在第一半椭圆形交叉偶极子金属贴片、第二半椭圆形交叉偶极子金属贴片、第三半椭圆形交叉偶极子金属贴片、第四半椭圆形交叉偶极子金属贴片中心，长度为8毫米，宽度为5毫米；第一寄生贴片、第二寄生贴片、第三寄生贴片、第四寄生贴片由长是6毫米的正方形金属贴片组成，印刷在介质基板的上表面；第一相移环和第二相移环为同心圆弧，半径为3.7毫米，宽度为1毫米。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、采用加载磁偶极子和寄生贴片技术较为明显地拓宽了天线的圆极化工作带宽，并得到更稳定的增益带宽，天线的辐射性能在工作频带内也更加稳定。
2、本发明的宽带定向圆极化天线，具有结构简单容易加工，体积小，重量轻，低成本等优点。附图说明
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
附图说明
图1是本发明的顶层俯视图；
图2是本发明的侧视图；
图3是本发明的底层仰视图；
图4是本发明天线电压驻波比随频率变化曲线图；
图5是本发明天线工作在3.0GHz时XOZ面辐射方向图；
图6是本发明天线工作在3.0GHz时YOZ面辐射方向图；
图7是本发明天线工作在4.0GHz时XOZ面辐射方向图；
图8是本发明天线工作在4.0GHz时YOZ面辐射方向图；
图9是本发明天线工作在5.0GHz时XOZ面辐射方向图；
图10是本发明天线工作在5.0GHz时YOZ面辐射方向图；
图11是本发明天线圆极化轴比随频率变化曲线图；
图12是本发明天线右旋圆极化增益随频率变化曲线图。
图中标号：1、介质基板；2、金属地板；3、第一半椭圆形交叉偶极子金属贴片；4、第二半椭圆形交叉偶极子金属贴片；5、第三半椭圆形交叉偶极子金属贴片；6、第四半椭圆形交叉偶极子金属贴片；7、第一寄生贴片；8、第二寄生贴片；9、第三寄生贴片；10、第四寄生贴片；11、第一相移环；12、第二相移环；13、第一磁偶极子金属板；14、第二磁偶极子金属板；15、第三磁偶极子金属板；16、第四磁偶极子金属板；17、同轴线；18、SMP接头。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，一种宽带圆极化交叉磁电偶极子天线，至少包括：介质基板1、金属地板2、半椭圆形交叉偶极子贴片、寄生贴片和磁偶极子金属板，磁偶极子金属板为矩形折叠结构，介质基板1和金属地板2通过多个矩形折叠结构的磁偶极子金属板和同轴线17连接成“工”字型结构，介质基板1和金属地板2相互平行，介质基板1和金属地板2与磁偶极子金属板垂直，介质基板1和金属地板2通过同轴线使其电导通连接。
所述的介质基板1上表面上分布有第一半椭圆形交叉偶极子金属贴片3、第二半椭圆形交叉偶极子金属贴片4；介质基板1下表面分布有第三半椭圆形交叉偶极子金属贴片5、第四半椭圆形交叉偶极子金属贴片6；第一半椭圆形交叉偶极子金属贴片3、第二半椭圆形交叉偶极子金属贴片4、第三半椭圆形交叉偶极子金属贴片5、第四半椭圆形交叉偶极子金属贴片6以90度绕圆周分布，在第一半椭圆形交叉偶极子金属贴片3、第二半椭圆形交叉偶极子金属贴片4、第三半椭圆形交叉偶极子金属贴片5、第四半椭圆形交叉偶极子金属贴片6间隔内分布第一寄生贴片7、第二寄生贴片8、第三寄生贴片9、第四寄生贴片10；第一寄生贴片7、第二寄生贴片8、第三寄生贴片9、第四寄生贴片10也是印刷在介质基板1上表面的四个角上；第一寄生贴片7、第二寄生贴片8、第三寄生贴片9、第四寄生贴片10为正方形。
所述的磁偶极子金属板有四个，分别是第一磁偶极子金属板13、第二磁偶极子金属板14、第三磁偶极子金属板15、第四磁偶极子金属板16；第一磁偶极子金属板13、第二磁偶极子金属板14为两个相同的矩形折叠结构，设置于第一半椭圆形交叉偶极子金属贴片3、第二半椭圆形交叉偶极子金属贴片4下方；第三磁偶极子金属板15、第四磁偶极子金属板16为两个相同的矩形折叠结构，设置于第三半椭圆形交叉偶极子金属贴片5、第四半椭圆形交叉偶极子金属贴片6下方；并且与金属地板2电连接。作为优选，所述的磁偶极子金属板选用铝板或铜板。
所述的第一半椭圆形交叉偶极子金属贴片3和第二半椭圆形交叉偶极子金属贴片4与第二相移环12相连设置于介质基板1的上表面，并且与同轴线17内芯连接；所述的第三半椭圆形交叉偶极子金属贴片5和第四半椭圆形交叉偶极子金属贴片6与第一相移环11电连接，设置于介质基板1下表面，并且与同轴线17的外皮电连接；所述的SMP接头18穿过金属地板2和同轴线17电连接。
作为优选，所述的第一半椭圆形交叉偶极子金属贴片3、第二半椭圆形交叉偶极子金属贴片4、第三半椭圆形交叉偶极子金属贴片5、第四半椭圆形交叉偶极子金属贴片6的金属片为铝板或铜板。
作为一种实施例，金属地板2长为80毫米,宽为80毫米，天线整体高度为26毫米。介质基板1的介电常数为3.5，介质基板1的长度为38.2毫米，宽度为38.2毫米，厚度为1毫米。
第一半椭圆形交叉偶极子金属贴片3、第二半椭圆形交叉偶极子金属贴片4、第三半椭圆形交叉偶极子金属贴片5、第四半椭圆形交叉偶极子金属贴片6分别印刷在介质基板1的上下表面，其长半轴为11毫米，短半轴长为7毫米。
第一半椭圆形交叉偶极子金属贴片3、第二半椭圆形交叉偶极子金属贴片4、第三半椭圆形交叉偶极子金属贴片5、第四半椭圆形交叉偶极子金属贴片6之间的四个十字形缝隙分别蚀刻在第一半椭圆形交叉偶极子金属贴片3、第二半椭圆形交叉偶极子金属贴片4、第三半椭圆形交叉偶极子金属贴片5、第四半椭圆形交叉偶极子金属贴片6中心，长度为8毫米，宽度为5毫米。
第一寄生贴片7、第二寄生贴片8、第三寄生贴片9、第四寄生贴片10由长是6毫米的方形金属贴片组成，印刷在介质基板1的上表面；第一相移环11和第二相移环11为同心圆弧，半径为3.7毫米，宽度为1毫米。
最后将SMP接头18的外皮焊接到金属地板2上，完成本发明的应用于无线通信***中的宽带圆极化定向天线，
本发明可通过以下仿真进一步说明：
1、仿真内容
采用ANSYS Electronics Desktop对所设计的宽带圆极化天线进行电特性仿真分析，可以得到如下仿真分析计算结果。
图4为本发明天线的电压驻波比随频率变化曲线图。所述的SMP接头为信号输入端口。通过图4可看出，本发明天线的阻抗匹配带宽为73.4%2.55-5.51GHz，可以覆盖较宽的无线通信频段。
图5、图7和图9分别为本天线在频率为3.0 GHz、4.0GHz和5.0 GHz时天线在XOZ面的方向图。图6、图8和图10分别为本天线在频率为3.0 GHz、4.0GHz和5.0 GHz时天线在YOZ面的方向图。可以看出，本天线在工作频段内具有较为稳定的方向图，说明本发明应用于无线通信***中的宽带圆极化定向天线具有良好的辐射特性。
图11是本天线圆极化轴比随频率变化曲线图。通过图11可看出，本发明天线的3dB轴比带宽为71.4%2.69-5.68GHz，且轴比带宽基本覆盖阻抗带宽，因此共用的工作带宽为68.8%2.69-5.51GHz。
图12是本发明天线右旋圆极化增益随频率变化曲线图。可以看出，本发明天线在轴比带宽内增益稳定在4.5-7.5dBic范围内，满足普通无线通信***的需求。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。
由图4的仿真分析结果可知，天线在2.55GHz~5.51GHz频率范围内，电压驻波系数VSWR≤2.0，具有良好的宽频带工作特性。
2、天线辐射方向图仿真分析结果
图5和图6分别给出了天线在3.0GHz频率处，XOZ面Φ=0°面和YOZ面Φ=90°面的主极化右旋圆极化和交叉极化左旋圆极化辐射方向图，图中主极化右旋圆极化方向图用实线表示，交叉极化左旋圆极化方向图用虚线表示。
由图5和图6可知，F=3.0GHz时，天线XOZ面Φ=0°面辐射方向图半功率波束宽度为84°，天线YOZ面Φ=90°面辐射方向图半功率波束宽度为86°。由交叉电平可知，天线具有良好的圆极化特性。
图7和图8分别给出了天线在4.0GHz频率处，XOZ面Φ=0°面和YOZ面Φ=90°面的主极化右旋圆极化和交叉极化左旋圆极化辐射方向图，图中主极化右旋圆极化方向图用实线表示，交叉极化左旋圆极化方向图用虚线表示。
由图7和图8可知，F=4.0GHz时，天线XOZ面Φ=0°面辐射方向图半功率波束宽度为83°，天线YOZ面Φ=90°面辐射方向图半功率波束宽度为84°。由交叉电平可知，天线具有良好的圆极化特性。
图9和图10分别给出了天线在5.0GHz频率处，XOZ面Φ=0°面和YOZ面Φ=90°面的主极化右旋圆极化和交叉极化左旋圆极化辐射方向图，图中主极化右旋圆极化方向图用实线表示，交叉极化左旋圆极化方向图用虚线表示。
由图9和图10可知，F=5.0GHz时，天线XOZ面Φ=0°面辐射方向图半功率波束宽度为112°，天线YOZ面Φ=90°面辐射方向图半功率波束宽度为114°。由交叉电平可知，天线具有良好的圆极化特性。
由图11可知，天线在2.69GHz~5.68GHz频段内轴比小于3dB，在宽频带范围内具有良好的圆极化辐射特性。
由图12可知，天线在，由此可知，天线在2.5GHz~5.5GHz频段内增益大于4.5dBic，在宽频带范围内具有稳定的辐射特性。
本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。

Claims (6)

1.一种宽带圆极化交叉磁电偶极子天线，其特征是：至少包括：介质基板(1)、金属地板(2)、半椭圆形交叉偶极子贴片、寄生贴片和磁偶极子金属板，磁偶极子金属板为矩形折叠结构，介质基板(1)和金属地板(2)通过多个矩形折叠结构的磁偶极子金属板和同轴线(17)连接成“工”字型结构，介质基板(1)和金属地板(2)相互平行，介质基板(1)和金属地板(2)与磁偶极子金属板垂直，介质基板(1)和金属地板(2)通过同轴线使其电导通连接。
2.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化交叉磁电偶极子天线，其特征是：所述的介质基板(1)上表面上分布有第一半椭圆形交叉偶极子金属贴片(3)、第二半椭圆形交叉偶极子金属贴片(4)；介质基板(1)下表面分布有第三半椭圆形交叉偶极子金属贴片(5)、第四半椭圆形交叉偶极子金属贴片(6)；第一半椭圆形交叉偶极子金属贴片(3)、第二半椭圆形交叉偶极子金属贴片(4)、第三半椭圆形交叉偶极子金属贴片(5)、第四半椭圆形交叉偶极子金属贴片(6)以90度绕圆周分布，在第一半椭圆形交叉偶极子金属贴片(3)、第二半椭圆形交叉偶极子金属贴片(4)、第三半椭圆形交叉偶极子金属贴片(5)、第四半椭圆形交叉偶极子金属贴片(6)间隔内分布第一寄生贴片(7)、第二寄生贴片(8)、第三寄生贴片(9)、第四寄生贴片(10)；第一寄生贴片(7)、第二寄生贴片(8)、第三寄生贴片(9)、第四寄生贴片(10)也是在介质基板(1)上表面的四个角上；第一寄生贴片(7)、第二寄生贴片(8)、第三寄生贴片(9)、第四寄生贴片(10)为正方形。
3.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化交叉磁电偶极子天线，其特征是：所述的磁偶极子金属板有四个，分别是第一磁偶极子金属板(13)、第二磁偶极子金属板(14)、第三磁偶极子金属板(15)、第四磁偶极子金属板(16)；第一磁偶极子金属板(13)、第二磁偶极子金属板(14)为两个相同的矩形折叠结构，设置于第一半椭圆形交叉偶极子金属贴片(3)、第二半椭圆形交叉偶极子金属贴片(4)下方；第三磁偶极子金属板(15)、第四磁偶极子金属板(16)为两个相同的矩形折叠结构，设置于第三半椭圆形交叉偶极子金属贴片(5)、第四半椭圆形交叉偶极子金属贴片(6)下方；并且与金属地板(2)电连接，作为优选，所述的磁偶极子金属板选用铝板或铜板。
4.根据权利要求2所述的一种宽带圆极化交叉磁电偶极子天线，其特征是：所述的第一半椭圆形交叉偶极子金属贴片(3)和第二半椭圆形交叉偶极子金属贴片(4)与第二相移环(12)相连设置于介质基板(1)的上表面，并且与同轴线(17)内芯连接；所述的第三半椭圆形交叉偶极子金属贴片(5)和第四半椭圆形交叉偶极子金属贴片(6)与第一相移环(11)电连接，设置于介质基板(1)下表面，并且与同轴线(17)的外皮电连接；SMP接头18穿过金属地板(2)和同轴线(17)电连接。
5.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化交叉磁电偶极子天线，其特征是：所述的金属地板(2)长为80毫米,宽为80毫米，天线整体高度为26毫米；介质基板（1）的介电常数为3.5，介质基板（1）的长度为38.2毫米，宽度为38.2毫米，厚度为1毫米；第一半椭圆形交叉偶极子金属贴片（3）、第二半椭圆形交叉偶极子金属贴片（4）、第三半椭圆形交叉偶极子金属贴片（5）、第四半椭圆形交叉偶极子金属贴片（6）分别印刷在介质基板（1）的上下表面，其长半轴为11毫米，短半轴长为7毫米。
6.根据权利要求2所述的一种宽带圆极化交叉磁电偶极子天线，其特征是：所述的第一半椭圆形交叉偶极子金属贴片（3）、第二半椭圆形交叉偶极子金属贴片（4）、第三半椭圆形交叉偶极子金属贴片（5）、第四半椭圆形交叉偶极子金属贴片（6）内部的四个十字形缝隙分别蚀刻在第一半椭圆形交叉偶极子金属贴片（3）、第二半椭圆形交叉偶极子金属贴片（4）、第三半椭圆形交叉偶极子金属贴片（5）、第四半椭圆形交叉偶极子金属贴片（6）中心，长度为8毫米，宽度为5毫米；第一寄生贴片（7）、第二寄生贴片（8）、第三寄生贴片（9）、第四寄生贴片（10）由长是6毫米的正方形金属贴片组成，印刷在介质基板（1）的上表面；第一相移环（11）和第二相移环（12）为同心圆弧，半径为3.7毫米，宽度为1毫米。
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