CN115548661B - 一种宽带圆极化贴片天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带圆极化贴片天线，包括半圆形贴片、十字形贴片、地板、微带线、上层介质基板、下层介质基板及环形贴片，所述半圆贴片与环形贴片设置于上层介质基板上，所述十字形贴片设置于上层介质基板与下层介质基板的中间，所述微带线设置于下层介质基板的下表面，且向上通过地板馈电。所述的贴片天线的接收方式既有线极化电磁波也有圆极化电磁波，所述的贴片天线主要使用增加缝隙和使用十字形贴片的方式来增加所述贴片的阻抗带宽，同时通过调整顶层贴片圆形孔的位置来调节天线的轴比带宽，从而使得天线更好的进行所需要的工作。

Description

一种宽带圆极化贴片天线
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，更具体地说，它涉及一种宽带圆极化贴片天线。
背景技术
天线作为当今时代重要的通信设备，它是目前通信***中最重要的组成部分，天线能将电流转换成电磁波辐射。对当今社会的通信***来说，天线对移动通信起着十分重要的作用。发射天线的作用，是天线作为一个中转，实现电流与电磁波的一个转换，再把电磁波再把发射出去;而对于接收天线来说，进行着相反过程的变换，将接收到的电磁波转换成对应的电流。
随着社会的发展和进步，科学技术也不断的发展，而在无线通信领域中，天线的性能需要的指标越来越高。在过去线性极化天线较为常用，但是随着社会的发展很难满足如今社会的需求，在目前的通信中更多的人关注圆形极化天线。与线极化天线相比较来说，圆极化天线有如下的优势:第一，圆极化波相对于线极化波有很大优势，旋向正交性是它独有的特性，只有圆极化天线才能产生圆极化波，而圆极化天线的这一特点使得它在目前的航天、军事等通信领域应用的非常广泛: 第二，而与线极化天线对比来说，圆极化天线的兼容性特别好，对与以前的老式线极化天线来说，都可以接收圆极化波。
如今圆极化天线广泛应用于卫星通信、RFD、WLAN等领域中，但是目前大多数圆极化天线往往会呈现出带宽较窄且增益较低的一个特点，因此，如何设计出一款具有宽带及高增益特点的圆极化天线仍然是目前研究的难点。目前研究提出了许多提高微带圆极化天线阻抗和轴比带宽的方法，例如缝隙加载，共面波导馈电的宽口缝隙，寄生贴片，层叠结构等等。
而对于天线的圆极化带宽在电磁学中有明确的定义，为轴比小于3db的阻抗带宽，轴比对于圆极化天线来说是一个很重要的参数，同时也是最基本的，因为天线的极化的程度基本上就是看轴比的宽度。圆极化波具有在时间、空间上均可分解为幅度相等、相位相差90°的两个正交线极化波的特性。这两个电场分量振幅完全一致，相位差为90°就是实现圆极化的基本原理。
因此，一直以来解决圆极化天线频带宽度和轴比的问题是难点。设计出一款宽阻抗带宽，高增益，宽轴比的圆极化天线是十分有价值的。
发明内容
本发明的目的是为了解决以上技术问题，而提出的具有宽阻抗带宽，高增益，宽轴比的一种宽带圆极化贴片天线。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种宽带圆极化贴片天线，包括：环形贴片、十字形贴片、地板、微带线、上层介质基板、下层介质基板及半圆形贴片，所述环形贴片与半圆形贴片设置于上层介质基板上，其中采用在原始的半圆形贴片中开圆环形槽的技术，形成了半圆形贴片和其外端的环形贴片，所述环形贴片与半圆形贴片数量均为两个，所述两个环形贴片与两个半圆形贴片形成顶层贴片；
所述十字形贴片的数量为两个，对顶层贴片进行馈电，所述十字形贴片设置于上层介质基板与下层介质基板的中间，所述微带线设置于下层介质基板的下表面，且向上通过地板馈电。
优选地，所述上层介质基板的两个环形贴片与半圆形贴片在顶层的正方形表面以圆心中心对称。
优选地，所述微带线的形状由一个矩形与一个六边形组成，整个馈电的微带线的形状沿x轴对称。
优选地，所述下层介质基板的上表面覆盖有金属的地板，所述地板与上面的十字形贴片有一定的间隙，且中间还设置有一个沿X轴及Y轴对称的地板槽，天线通过微带线与地板槽之间的耦合为顶层的贴片进行馈电。
优选地，所述十字形贴片的形状呈十字状，且中间通过长方形状的支架连接，所述十字形贴片与y轴存在一定的角度。
优选地，所述下层介质基板上设置有端口，所述端口为电源激励端口，所述端口通过微带线与地板馈电。
优选地，所述上层介质基板、下层介质基板均为FR介质基板，所述上层介质基板、地板及下层介质基板对称分布。
优选地，所述微带线为50Ω微带线。
与现有技术相比，本发明提供了一种宽带圆极化贴片天线，具备以下有益效果：
1．本发明中将下层基板中微带线中的激励电源，在经过与槽耦合后，通过十字形贴片为顶层环形贴片和半圆形贴片馈电，通过使用十字形贴片的馈电结构，使得该天线更好的进行阻抗匹配，同时能更好的增加阻抗带宽。
2、本发明采用微带线和槽馈电得形式为顶层贴片馈电，能够有效得改善带宽，降低反射损耗，提高天线得耦合效率，而且由于地板得存在可以减少馈电对于辐射单元得影响，而且在地板开槽既能利于微带线耦合激励同时也能在一定程度上更好的进行阻抗匹配。
3、本发明中在顶层两个半圆形贴片相当于是一对偶极子贴片，在偶极子的附近都加载了一个环形贴片，用于优化相关的振幅响应，从而提高本实例天线的阻抗带宽。
附图说明
图1为本实施例的总示意图；
图2为本实施例的总示意图的左视图；
图3为本实施例上层介质基板上表面结构图；
图4为本实施例的十字形贴片结构图；
图5为本实施例下层介质基板上表面地板结构图；
图6为本实施例下层介质基板表面结构图；
图7为本实施例单端口激励的具有两个谐振频点的单极化天线的仿真S参数曲线图；
图8为本实例天线中使用圆柱形馈电和十字形馈电方式的对比图；
图9为本实施例天线的轴比图；
图10为本实施例天线的测试增益随频率变化曲线；
图11（a）为本实施例天线的10GHz E面测试方向图；
图11（b）为本实施例天线的10GHz H面测试方向图；
图中：1、环形贴片；2、十字形贴片；3、地板；4、微带线；5、上层介质基板；6、下层介质基板；7、半圆形贴片；8、地板槽；9、支架。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“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。
请参阅图1-11所示，本发明的一种宽带圆极化贴片天线，包括环形贴片1、十字形贴片2、地板3、微带线4、上层介质基板5、下层介质基板6及两个半圆形贴片7，所述两个环形贴片1与两个半圆形贴片7设置于上层介质基板5上，其中采用在原始的半圆形贴片中开圆环形槽的技术，形成了半圆形贴片7和其外端的环形贴片1，所述环形贴片1与半圆形贴片7数量均为两个，所述两个环形贴片1与两个半圆形贴片7形成顶层贴片；
所述十字形贴片2的数量为两个，对顶层贴片进行馈电，所述十字形贴片2设置于上层介质基板5与下层介质基板6的中间，所述微带线4设置于下层介质基板6的下表面，且向上通过地板3馈电；所述环形贴片1与半圆形贴片7数量均为两个，所述两个环形贴片1与两个半圆形贴片7形成顶层贴片；所述上层介质基板5的两个环形贴片1与半圆形贴片7在顶层的正方形表面以圆心中心对称。
其中，参照图1天线主要由环形贴片1和半圆形贴片7进行辐射，这些贴片上是用沿z轴对称的十字形贴片2进行馈电，两个半圆形贴片7是中心对称放置，180°异向激励。天线采用了槽耦合微带线4，易为天线提供源，调节阻抗匹配，同时容易获得大的阻抗带宽。下槽口馈电源，悬浮十字形贴片2和半圆形贴片共同形成电流回路，该回路与槽的相对位置可以产生右圆极化。
如图8为GHZ时贴片的表面电流矢量分布图，通过仿真结果图可以看出贴片上的电流主要集中的是往右旋转，形成右旋圆极化。半圆形贴片7间的槽与x轴的角度可以用来调节正交的线偏振分量的振幅。天线两个基板之间的高度，和作用于地板槽8的挖孔，同时在挖孔后相对的会增加地板3表面的辐射强度，这些方式都能更好的进行阻抗匹配。为了能更好的对半圆形贴片7进行馈电，本实例天线采用了圆柱形金属和十字形贴片2进行馈电相对比，如图8可以看到在相同位置上使用圆柱形金属ARWB比采用十字形贴片2馈电时ARBW更窄，同时阻抗匹配也更差。通过对比可以看出在本实例天线中对于顶部贴片的馈电，采用十字架形状的贴片馈电，能更好的进行阻抗匹配同时能增加阻抗带宽。而在天线中为了能使阻抗带宽能进一步拓宽同时以提高阻抗匹配的特性，采用了在原始的半圆形贴片中开圆环形槽的技术，形成了半圆形贴片7和其外端的环形贴片1，从图通过计算在中心频率为10.3GHZ下的ARBW的取值范围为5.68-14.75GHZ，相对带宽为88.77%。
如图1所示，本发明所述微带线4的形状由一个矩形与一个六边形组成，整个馈电的微带线4的形状沿x轴对称；所述下层介质基板6的上表面覆盖有金属的地板3，所述地板3与上面的十字形贴片2有一定的间隙，且中间还设置有一个沿X轴及Y轴对称的地板槽8，天线通过微带线4与地板槽8之间的耦合为顶层的贴片进行馈电；所述微带线4为50Ω微带线。
其中，本发明采用微带线4和地板槽8馈电的形式为顶层贴片馈电，能够有效得改善带宽，降低反射损耗，提高天线得耦合效率，而且由于地板3的存在可以减少馈电对于辐射单元得影响，而且在地板3开槽既能利于微带线4耦合激励同时也能在一定程度上更好的进行阻抗匹配。
如图1所示，本发明所述十字形贴片2的数量为两个，形状呈十字状，且中间通过长方形状的支架9连接，所述十字形贴片2与y轴存在一定的角度；所述下层介质基板6上设置有端口，所述端口为电源激励端口，所述端口通过微带线4与地板3馈电。
其中，本发明中将下层介质基板6中微带线4中的激励电源，在经过与地板槽8耦合后，通过十字形贴片2为顶层环形贴片1和半圆形贴片7馈电，通过使用十字形贴片2的馈电结构，使得该天线更好的进行阻抗匹配，同时能更好的增加阻抗带宽；在顶层两个半圆形贴片7相当于是一对偶极子贴片，在偶极子的附近都加载了一个环形贴片1，用于优化相关的振幅响应，进一步提高本实例天线的阻抗带宽。
如图1所示，本发明所述上层介质基板5、下层介质基板6均为FR4介质基板，所述上层介质基板5、地板3及下层介质基板6对称分布。
其中，本发明中设置上层介质基板5、地板3及下层介质基板6对称分布，此设计简单，合理，对称分布方便各层之间相互结合进行馈电。
图2，3，4，5，6为各部分电气结构的尺寸标注图。结合图1，图2，图3，图4，图5，图6的尺寸标注，本实例中天线的具体参数如下，上下两块基板都为F4BME220介质基板，基板的相对介电常数为2.2，厚度为1mm，损耗正切值为0.001。其余的天线结构变量的值如下所示：H1为0.3mm,H2为3.48mm, WP为50mm，WS为0.6mm，D1为38mm，D2为22mm，D3为27.5mm，r1为2.3mm，R1为47°,R2为45°，坐标（x2,y2）为（11，0）单位mm，H3为4.18mm，H4为1.5mm，L3为14mm，L4为8mm，L1为17.1mm，L2为10.1mm，W1为3.69mm，W2为4.58mm，D4为4mm，（x1，y1）为（-3，0）单位mm，（x2，y2）为（3，0）单位mm，Wt为7mm，Lt为6.46mm，Wf为2.5mm。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种宽带圆极化贴片天线，其特征在于：包括环形贴片（1）、十字形贴片（2）、地板（3）、微带线（4）、上层介质基板（5）、下层介质基板（6）及半圆形贴片（7），所述环形贴片（1）与半圆形贴片（7）设置于上层介质基板（5）上，其中采用在原始的半圆形贴片中开圆环形槽的技术，形成了半圆形贴片（7）和其外端的环形贴片（1），所述环形贴片（1）与半圆形贴片（7）数量均为两个，所述两个环形贴片（1）与两个半圆形贴片（7）形成顶层贴片；
所述十字形贴片（2）的数量为两个，对顶层贴片进行馈电，所述十字形贴片（2）设置于上层介质基板（5）与下层介质基板（6）的中间，所述微带线（4）设置于下层介质基板（6）的下表面，且向上通过地板（3）馈电；
所述下层介质基板（6）的上表面覆盖有金属的地板（3），所述地板（3）与上面的十字形贴片（2）有一定的间隙，且中间还设置有一个沿X轴及Y轴对称的地板槽（8），天线通过微带线（4）与地板槽（8）之间的耦合为顶层的贴片进行馈电。
2.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化贴片天线，其特征在于：所述上层介质基板（5）的两个环形贴片（1）与半圆形贴片（7）在顶层的正方形表面以圆心中心对称。
3.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化贴片天线，其特征在于：所述微带线（4）的形状由一个矩形与一个六边形组成，整个馈电的微带线（4）的形状沿x轴对称。
4.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化贴片天线，其特征在于：所述十字形贴片（2）的形状呈十字状，且中间通过长方形状的支架（9）连接，所述十字形贴片（2）与y轴存在一定的角度。
5.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化贴片天线，其特征在于，所述下层介质基板（6）上设置有端口，所述端口为电源激励端口，所述端口通过微带线（4）与地板（3）馈电。
6.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化贴片天线，其特征在于：所述上层介质基板（5）、下层介质基板（6）均为FR4介质基板，所述上层介质基板（5）、地板（3）及下层介质基板（6）对称分布。
7.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化贴片天线，其特征在于：所述微带线（4）为50Ω微带线。
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