CN113097726B - 一种双频双圆极化微带天线 - Google Patents

一种双频双圆极化微带天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及微带天线技术领域，公开了一种双频双圆极化微带天线，包括介质基片、辐射贴片、馈电点、金属地板、第一谐振器和第二谐振器，辐射贴片和金属地板分别位于介质基片的上下表面，辐射贴片为矩形贴片，馈电点位于辐射贴片的对角线上，第一谐振器和第二谐振器位于辐射贴片外且分别位于辐射贴片相邻的两侧，第一谐振器与辐射贴片的中心位于同一直线上，第二谐振器与辐射贴片的中心位于同一直线上，第一谐振器和第二谐振器的谐振频率不相等，第一谐振器、第二谐振器与辐射贴片的谐振频率相近，本发明的天线可实现在两个频段工作且双圆极化，具有低剖面、成本低、制作简单等优点，且两个频段隔离度高，阻抗特性小。

Description

一种双频双圆极化微带天线
技术领域
本发明涉及微带天线技术领域，特别是涉及一种双频双圆极化微带天线。
背景技术
随着无线通信***的飞速发展，为满足更好的通信质量以及更高的通信容量，圆极化和双频或多频技术成为近年来天线领域的研究热点，而将圆极化与多频技术相结合也成为一种研究和设计趋势。微带天线所具有的一个优势是便于获得圆极化，容易实现双频段、双极化等特点。虽然目前最常用的无线通信极化方式仍然是线极化，但圆极化波所具有的抗干扰、防雨雾、抗衰减等多种优势使圆极化天线成为一个新的发展趋势和研究热点。而如何把圆极化和双频乃至多频结合到一部微带天线之上，也成为近年来的热门研究领域。目前圆极化天线已经广泛应用于多个领域，如卫星导航、卫星通信等。在这这些领域中，圆极化天线的应用与创新是不可或缺的。此外，随着无线通信用户的快速增加，通信***也在不断地更新扩容后，这对天线的设计提出更高的要求。为了进一步降低干扰，满足各个领域对天线的需求，这就需要设计一种能够实现双频双圆极化的天线，所谓双圆极化就是指天线在两个工作频段上的圆极化旋向相反。相对于多馈电的双频双圆极化天线，单馈电的双频双圆极化天线获得了更多的亲睐。
目前，实现单馈电双频双圆极化天线的方法主要有两种，一种是使用层叠方式，但这种方式通常会引入多种介质、多层空气层，加工不便。另一种方法就是通过开槽的方法，这种方式虽然可以大大缩减天线的尺寸，但是会带来阻抗带宽变窄、高频方向图恶化和增益降低等负面影响。
中国实用新型专利CN211957920U（公开日为2020年11月17日）公开了一种收发一体双频双圆极化单馈天线，包括所述上层天线包括上层辐射贴片、上层介质和上层接地层并且从上而下依次设置为所述上层辐射贴片、所述上层介质和所述上层接地层，下层天线位于所述上层天线的下方并且与所述上层天线紧贴，所述下层天线包括下层辐射贴片、下层介质和下层接地层。该专利采用上层辐射贴片、上层介质、上层接地层、下层辐射贴片、下层介质和下层接地层由上至下依次设置形成上层天线和下层天线，采用的是多层重叠的方式，剖面高，介质间存在的间隙将显著改变天线的输入阻抗特性，特别是在高频时间隙的阻抗特性较大，且对叠层之间的粘合材料要求高，如果粘合材料是有损耗的且位于窄缝旁边，则将降低天线的效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种阻抗特性小、剖面低、加工简单、方向图稳定的双频双圆极化微带天线。
为了实现上述目的，本发明提供了一种双频双圆极化微带天线，包括介质基片、辐射贴片、馈电点、金属地板、第一谐振器和第二谐振器，所述辐射贴片和所述金属地板分别位于所述介质基片的上下表面，所述辐射贴片为矩形贴片，所述馈电点位于所述辐射贴片的对角线上，所述第一谐振器和所述第二谐振器位于所述辐射贴片外且分别位于所述辐射贴片相邻的两侧，所述第一谐振器（5）和所述第二谐振器（6）与所述辐射贴片（2）均不相连，所述第一谐振器与所述辐射贴片的中心位于同一直线上，所述第二谐振器与所述辐射贴片的中心位于同一直线上，所述第一谐振器和所述第二谐振器的谐振频率不相等，所述第一谐振器和所述第二谐振器的谐振频率相差为所述第一谐振器或所述第二谐振器的谐振频率的20%以内；所述第一谐振器和所述第二谐振器与所述辐射贴片耦合产生辐射零点。
作为优选方案，所述辐射贴片为正方形。
作为优选方案，还包括第三谐振器和第四谐振器，所述第三谐振器和所述第一谐振器的结构相同且关于所述辐射贴片的中心对称布置，所述第四谐振器和所述第二谐振器的结构相同且关于所述辐射贴片的中心对称布置。
作为优选方案，所述第一谐振器和所述第二谐振器为贴片谐振器。
作为优选方案，所述第一谐振器和所述第二谐振器为折线谐振器，所述第一谐振器和所述第二谐振器的折线长度不相等。
作为优选方案，所述第一谐振器和所述第二谐振器均包括与所述辐射贴片的侧边平行的第一平行段、第二平行段、第三平行段、第四平行段和第五平行段，所述第一平行段短于所述第二平行段，所述第二平行段、所述第三平行段和所述第五平行段的长度相等，所述第四平行段短于所述第一平行段，所述第二平行段的两端分别通过与其垂直的第一垂直段与所述第一平行段和所述第三平行段的两端连接，所述第四平行段的两端分别通过与其垂直的第二垂直段与所述第三平行段的一端和所述第五平行段的中点连接。
作为优选方案，所述馈电点靠近所述辐射贴片的对角线的两端设置。
作为优选方案，还包括馈电探针，所述馈电探针包括外导体和内导体，所述外导体的内部中空，所述内导体穿设于所述外导体中，所述内导体的一端穿过所述介质基片与所述馈电点连接，所述外导体与所述金属地板连接。
作为优选方案，所述第一谐振器与所述辐射贴片之间的距离和所述第二谐振器与所述辐射贴片之间的距离不相等。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的馈电点位于矩形辐射贴片的对角线上，使辐射贴片的两个正交模TM01和TM10模同时被激励，且矩形辐射贴片的长度和宽度方向上设置与其谐振频率相近的第一谐振器和第二谐振器，第一谐振器、第二谐振器分别与辐射贴片相耦合，使在两个正交方向上，分别有两对谐振模，可通过调节谐振器与辐射贴片之间的耦合，使两个正交方向上的两对谐振模位于两个相近的频段，实现小频率比，且利用谐振器偶模，谐振器与辐射贴片耦合产生辐射零点，提高了两个频段的隔离度，降低两个频段之间的干扰。另外，第一谐振器和第二谐振器的正交布置，增加两个不同谐振模式，相位相差90°或270°，使得每个频段内的两个正交谐振模形成不同极化的圆极化辐射，实现双圆极化。本发明只有辐射贴片、介质基片和金属地板三层设置，不开槽，结构简单，剖面低，阻抗特性小，方向图稳定。
附图说明
图1是本发明实施例的双频双圆极化微带天线的结构示意图。
图2是本发明实施例的双频双圆极化微带天线的俯视图。
图3是本发明实施例的双频双圆极化微带天线的剖视图。
图4是本发明实施例的双频双圆极化微带天线随频率变化的输入反射系数示意图。
图5是本发明实施例的双频双圆极化微带天线随频率变化的正上方轴比响应示意图。
图6是本发明实施例的双频双圆极化微带天线随频率变化的正上方增益响应示意图。
图中，1-介质基片；2-辐射贴片；3-馈电点；4-金属地板；5-第一谐振器；6-第二谐振器；7-第三谐振器；8-第四谐振器；9-馈电探针；901-外导体；902-内导体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
如图1至图3所示，本发明优选实施例的一种双频双圆极化微带天线，包括介质基片1、辐射贴片2、馈电点3、金属地板4、第一谐振器5和第二谐振器6，辐射贴片2和金属地板4分别位于介质基片1的上下表面，辐射贴片2为矩形贴片，馈电点3位于辐射贴片2的对角线上，第一谐振器5和第二谐振器6位于辐射贴片2外且分别位于辐射贴片2相邻的两侧，第一谐振器5和第二谐振器6与辐射贴片2均不相连，第一谐振器5与辐射贴片2的中心位于同一直线上，第二谐振器6与辐射贴片2的中心位于同一直线上，第一谐振器5和第二谐振器6的谐振频率不相等，第一谐振器5、第二谐振器6与辐射贴片2的谐振频率相近，第一谐振器5和第二谐振器6的谐振频率相差为第一谐振器5或第二谐振器6的谐振频率的20%以内；第一谐振器5和第二谐振器6与辐射贴片2耦合产生辐射零点。本实施例的馈电点3位于矩形辐射贴片2的对角线上，使辐射贴片2的两个正交模TM01和TM10模同时被激励，且矩形辐射贴片2的长度和宽度方向上设置与其谐振频率相近的第一谐振器5和第二谐振器6，第一谐振器5、第二谐振器6分别与辐射贴片2相耦合，使在两个正交方向上，分别有两对谐振模，可通过调节谐振器与辐射贴片2之间的耦合，使两个正交方向上的两对谐振模位于两个相近的频段，实现小频率比，且利用谐振器偶模，谐振器与辐射贴片2耦合产生辐射零点，提高了两个频段的隔离度，降低两个频段之间的干扰。另外，第一谐振器5和第二谐振器6的正交布置，增加两个不同谐振模式，相位相差90°或270°，使得每个频段内的两个正交谐振模形成不同极化的圆极化辐射，实现双圆极化。本实施例的只有辐射贴片2、介质基片1和金属地板4三层设置，不开槽，结构简单，剖面低，阻抗特性小，方向图稳定。
在本实施例中，辐射贴片2为正方形，辐射贴片2为金属贴片。本实施例的微带天线还包括第三谐振器7和第四谐振器8，第三谐振器7和第一谐振器5的结构相同且关于辐射贴片2的中心对称布置，第四谐振器8和第二谐振器6的结构相同且关于辐射贴片2的中心对称布置。第三谐振器7与第一谐振器5、第四谐振器8与第二谐振器6的中心对称分布，可降低天线的交叉极化。而且，第一谐振器5、第三谐振器7和辐射贴片2形成偶对称的激励方式，第二谐振器6、第四谐振器8和辐射贴片2同样形成偶对称的激励方式，使得第一谐振器5和第二谐振器6的寄生辐射相抵消，使天线的方向图更加稳定。
本实施例的第一谐振器5和第二谐振器6为贴片谐振器，方便连接在介质基片上1，且可进一步降低剖面高度。第一谐振器5和第二谐振器6为折线谐振器，第一谐振器5和第二谐振器6的折线长度不相等，使第一谐振器5和第二谐振器6的谐振频率不同。第一谐振器5和第二谐振器6采用折线形，可减少谐振器的寄生辐射。进一步地，第一谐振器5和第二谐振器6均包括与辐射贴片2的侧边平行的第一平行段、第二平行段、第三平行段、第四平行段和第五平行段，第一平行段短于第二平行段，第二平行段、第三平行段和第五平行段的长度相等，第四平行段短于第一平行段，第二平行段的两端分别通过与其垂直的第一垂直段与第一平行段和第三平行段的两端连接，第四平行段的两端分别通过与其垂直的第二垂直段与第三平行段的一端和第五平行段的中点连接。可选地，第一谐振器5和第二谐振器6的谐振频率相差第一谐振器5或第二谐振器6的谐振频率的20%以内，使第一谐振器5和第二谐振器6的谐振频率相近。本实施例的第一谐振器5、第二谐振器6的谐振频率与辐射贴片2的谐振频率相差辐射贴片2的谐振频率的20%以内。
进一步地，本实施例的馈电点3靠近辐射贴片2的对角线的两端设置。馈电点2在辐射贴片2的对角线上是保证对称激励，同时激励天线两个正交模TM01和TM10模。馈电点3沿辐射贴片2的对角线上移动，可以调整输入匹配，将馈电点3靠近辐射贴片2的对角线的一端可良好输入匹配。
本实施例的天线还包括馈电探针9，馈电探针9包括外导体901和内导体902，外导体901的内部中空，内导体902穿设于外导体901中，内导体902的一端穿过介质基片1与馈电点3连接，外导体901与金属地板4连接，实现同轴馈电，使馈电网络通过一个接地面与辐射部分分离，这个特性使得它可以分别对每一层进行优化；且馈电机制直接与天线接触，并且馈电网络的大部分与辐射贴片2隔离，从而使虚假辐射最小。
另外，第一谐振器5与辐射贴片2之间的距离和第二谐振器6与辐射贴片2之间的距离不相等，使第一谐振器5与辐射贴片2的耦合间距、第二谐振器6与辐射贴片2的耦合间距不相等。本实施例的天线工作于两个独立的频段，两个频段的中心频点的比例关系受第一谐振器5、第二谐振器6、辐射贴片2的的谐振频率以及相互之间的耦合间距影响，因此，设置两个谐振器与辐射贴片2的距离不等，可增大中心频点的调节范围。
如图4所示，天线在2.4 GHz和2.68 GHz两个频段内匹配良好，反射系数都低于-10dB。需要注意的是，天线不限于工作在上述两个频段，根据需要，可以通过调节辐射贴片2和第一谐振器5、第二谐振器6，让天线工作在其他频段。
如图5所示，天线在2.4 GHz和2.68 GHz两个频段内实现良好的圆极化辐射，轴比都低于3dB。
如图6所示，可以看出天线在低频段2.4 GHz为左旋圆极化辐射，而在高频段2.68GHz为右旋圆极化辐射。故而该天线实现了双频双圆极化辐射。并且，两个频段中间出现辐射零点，提高了两个频段的隔离度。
综上，本发明实施例提供一种双频双圆极化微带天线，其馈电点3位于矩形辐射贴片2的对角线上，使辐射贴片2的两个正交模TM01和TM10模同时被激励，且矩形辐射贴片2的长度和宽度方向上设置与其谐振频率相近的第一谐振器5和第二谐振器6，第一谐振器5、第二谐振器6分别与辐射贴片2相耦合，使在两个正交方向上，分别有两对谐振模，可通过调节谐振器与辐射贴片2之间的耦合，使两个正交方向上的两对谐振模位于两个相近的频段，实现小频率比，且利用谐振器偶模，谐振器与辐射贴片2耦合产生辐射零点，提高了两个频段的隔离度，降低两个频段之间的干扰。另外，第一谐振器5和第二谐振器6的正交布置，增加两个不同谐振模式，相位相差90°或270°，使得每个频段内的两个正交谐振模形成不同极化的圆极化辐射，实现双圆极化。本实施例的只有辐射贴片2、介质基片1和金属地板4三层设置，不开槽，结构简单，剖面低，阻抗特性小，方向图稳定。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种双频双圆极化微带天线，其特征在于，包括介质基片（1）、辐射贴片（2）、馈电点（3）、金属地板（4）、第一谐振器（5）和第二谐振器（6），所述辐射贴片（2）和所述金属地板（4）分别位于所述介质基片（1）的上下表面，所述辐射贴片（2）为矩形贴片，所述馈电点（3）位于所述辐射贴片（2）的对角线上，所述第一谐振器（5）和所述第二谐振器（6）位于所述辐射贴片（2）外且分别位于所述辐射贴片（2）相邻的两侧，所述第一谐振器（5）和所述第二谐振器（6）与所述辐射贴片（2）均不相连，所述第一谐振器（5）与所述辐射贴片（2）的中心位于同一直线上，所述第二谐振器（6）与所述辐射贴片（2）的中心位于同一直线上，所述第一谐振器（5）和所述第二谐振器（6）的谐振频率不相等，所述第一谐振器（5）和所述第二谐振器（6）的谐振频率相差为所述第一谐振器（5）或所述第二谐振器（6）的谐振频率的20%以内；所述第一谐振器（5）和所述第二谐振器（6）与所述辐射贴片（2）耦合产生辐射零点。
2.根据权利要求1所述的双频双圆极化微带天线，其特征在于，所述辐射贴片（2）为正方形。
3.根据权利要求1所述的双频双圆极化微带天线，其特征在于，还包括第三谐振器（7）和第四谐振器（8），所述第三谐振器（7）和所述第一谐振器（5）的结构相同且关于所述辐射贴片（2）的中心对称布置，所述第四谐振器（8）和所述第二谐振器（6）的结构相同且关于所述辐射贴片（2）的中心对称布置。
4.根据权利要求1所述的双频双圆极化微带天线，其特征在于，所述第一谐振器（5）和所述第二谐振器（6）为贴片谐振器。
5.根据权利要求4所述的双频双圆极化微带天线，其特征在于，所述第一谐振器（5）和所述第二谐振器（6）为折线谐振器，所述第一谐振器（5）和所述第二谐振器（6）的折线长度不相等。
6.根据权利要求5所述的双频双圆极化微带天线，其特征在于，所述第一谐振器（5）和所述第二谐振器（6）均包括与所述辐射贴片（2）的侧边平行的第一平行段、第二平行段、第三平行段、第四平行段和第五平行段，所述第一平行段短于所述第二平行段，所述第二平行段、所述第三平行段和所述第五平行段的长度相等，所述第四平行段短于所述第一平行段，所述第二平行段的两端分别通过与其垂直的第一垂直段与所述第一平行段和所述第三平行段的两端连接，所述第四平行段的两端分别通过与其垂直的第二垂直段与所述第三平行段的一端和所述第五平行段的中点连接。
7.根据权利要求1所述的双频双圆极化微带天线，其特征在于，所述馈电点（3）靠近所述辐射贴片（2）的对角线的两端设置。
8.根据权利要求1所述的双频双圆极化微带天线，其特征在于，还包括馈电探针（9），所述馈电探针（9）包括外导体（901）和内导体（902），所述外导体（901）的内部中空，所述内导体（902）穿设于所述外导体（901）中，所述内导体（902）的一端穿过所述介质基片（1）与所述馈电点（3）连接，所述外导体（901）与所述金属地板（4）连接。
9.根据权利要求1所述的双频双圆极化微带天线，其特征在于，所述第一谐振器（5）与所述辐射贴片（2）之间的距离和所述第二谐振器（6）与所述辐射贴片（2）之间的距离不相等。
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