CN115995689A - 一种低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线 - Google Patents

一种低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线 Download PDF

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CN115995689A CN202310053269.5A CN202310053269A CN115995689A CN 115995689 A CN115995689 A CN 115995689A CN 202310053269 A CN202310053269 A CN 202310053269A CN 115995689 A CN115995689 A CN 115995689A
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顾姗姗
薛辉
钱柏杨
杨忠
王逸之
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Abstract

本发明提出了一种低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线，包括辐射贴片、第一介质基板、介质支撑层、金属地板、第二介质基板、微带馈电网络和金属馈电探针；所述辐射贴片安装在第一介质基板上，第一介质基板安装在介质支撑层上，介质支撑层安装在第二介质基板上，第二介质基板上设置金属地板和金属馈电探针，第二介质基板底部安装微带馈电网络；所述辐射贴片为四个L状弧形枝节的圆形贴片，微带馈电网络为一分四馈电网络，采用威尔金森功分器级联宽带雪夫曼移相器的形式，实现宽阻抗带宽下四个端口等幅、等90°相位差的馈电，辐射贴片与微带馈电网络通过金属探针连接馈电；所述圆极化宽带天线具备低剖面、宽阻抗带宽、宽轴比波束宽度的特点。

Description

一种低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线
技术领域
本发明涉及宽带天线技术领域，具体为一种低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，通信***对天线性能要求亦随之提高，一般的线极化天线已无法满足某些通信场景的需求，圆极化天线凭借其特有的极化特性而广泛应用于许多无线应用中，如全球导航卫星***、雷达***和射频识别***等。无论是在民用还是军事领域，宽轴比波束宽度圆极化天线受到极大关注的同时，也在向着低剖面和宽带方向发展。
近年来，在一些文献中提出很多展宽天线轴比波束宽度的方法。文献1(X.Chen,L.Yang,J.ZhaoandG.Fu,"High-EfficiencyCompactCircularlyPolarizedMicrostripAntennaWith WideBeamwidthforAirborneCommunication,"IEEEAntennasWirelessPropag.Lett.,vol.15,pp.1518-1521,2016.)，采用两层基板，底层基板上一分四馈电网络间隔空气层通过金属探针相连对顶层基板上的三角形贴片馈电，实现了超180°的3dB轴比波束宽度，天线剖面高度超过20mm。文献2(Y.-D.Yan,Y.-C.Jiao,C.Zhang,Y.-X.ZhangandG.-T.Chen,"HemisphericConformalWideBeamwidthCircularlyPolarizedAntennaBasedonTwoPairsof CurvedOrthogonalDipolesinSpace,"IEEETrans.AntennasPropag.,vol.69,no.11,pp.7900-7905,Nov.2021.)中设计了一款xoz面和yoz面的3dB轴比波束宽度分别为202°和196°的圆极化天线，但由于存在较厚的金属腔，其剖面高度达到了27.5mm。文献3(发明专利，“一种宽带宽角轴比圆极化贴片天线”)公开了一种宽带宽角轴比圆极化贴片天线，其采用三层基板，实现的阻抗带宽为111％，3dB轴比带宽为113％。但其采用L型寄生枝节需一端焊接在地上，另一端朝向天线辐射方向，存在加工安装困难、可靠性差的缺点，同时天线剖面高度达到14mm。
文献4(X.Zhang,L.ZhuandN.Liu,"Pin-LoadedCircularly-PolarizedPatchAntennas WithWide3-dBAxialRatioBeamwidth,"IEEETrans.AntennasPropag.,vol.65,no.2,pp.521-528,Feb.2017.)通过在辐射贴片上加载寄生引脚的方式，提出一种xoz面和yoz面3dB轴比波束宽度均超过140°的低剖面天线，相对阻抗带宽约为2.7％。文献5(M.K.Ray,K.MandalandN.Nasimuddin,"Low-ProfileCircularlyPolarizedPatchAntennaWith Wide3dBBeamwidth,"IEEEAntennasWirelessPropag.Lett.,vol.18,no.12,pp.2473-2477,Dec.2019.)提出一种在方形贴片的对角线上蚀刻两对窄槽的低剖面宽轴比宽度单馈电天线，相对阻抗带宽仅为3.4％。虽然以上研究实现了低剖面宽轴比波束宽度的圆极化天线，但是其相对阻抗带宽较低，为此申请人设计制作一种低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线，以便实现具有低剖面、宽阻抗带宽、宽轴比波束宽度特点的宽带天线。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线，通过设置辐射贴片为四个L状弧形枝节的圆形贴片，微带馈电网络为一分四馈电网络，将辐射贴片安装在第一介质基板上，第一介质基板安装在介质支撑层上，介质支撑层安装在第二介质基板上，在第二介质基板上设置金属地板和金属馈电探针，第二介质基板底部安装微带馈电网络；微带馈电网采用威尔金森功分器级联宽带雪夫曼移相器的形式，实现宽阻抗带宽下四个端口等幅、等90°相位差的馈电，辐射贴片与微带馈电网络通过金属探针连接馈电实现圆极化宽带天线具备低剖面、宽阻抗带宽、宽轴比波束宽度的特点，解决圆极化宽带天线相对阻抗带宽较低的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线，包括有辐射贴片，第一介质基板、介质支撑层、金属地板、第二介质基板、微带馈电网络和金属馈电探针，其特征在于：所述低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线结构自上而下依次层叠设置，宽带天线顶层设置辐射贴片，所述辐射贴片安装在第一介质基板上，所述第一介质基板安装在介质支撑层上，所述介质支撑层安装在第二介质基板上，所述第二介质基板上设置金属地板和金属馈电探针，所述第二介质基板底部安装微带馈电网络，所述第一介质基板、介质支撑层和第二介质基板四周设置有安装定位孔，第一介质基板、介质支撑层和第二介质基板之间采用螺钉进行固定；所述辐射贴片与微带馈电网络通过四个金属馈电探针连接。
进一步的，所述低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线上设置辐射贴片，所述辐射贴片为带有四个L状弧形枝节的圆形贴片。
进一步的，所述低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线上设置微带馈电网络，所述微带馈电网络为一分四馈电网络，采用威尔金森功分器级联宽带雪夫曼移相器的形式，实现宽阻抗带宽下四个端口等幅、等90°相位差的馈电；所述微带馈电网络采用同轴接头作为接口。
进一步的，所述低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线上设置第一介质基板和第二介质基板，所述第一介质基板和第二介质基板的厚度均为0.508mm，材料为Rogers4350B(εr＝3.66,tanδ＝0.0037@10GHz)。
进一步的，所述低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线上设置介质支撑层，所述介质支撑层的厚度为0.5mm。
本发明提供一种低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线，设置辐射贴片为四个L状弧形枝节的圆形贴片，微带馈电网络为一分四馈电网络，将辐射贴片安装在第一介质基板上，第一介质基板安装在介质支撑层上，介质支撑层安装在第二介质基板上，在第二介质基板上设置金属地板和金属馈电探针，第二介质基板底部安装微带馈电网络；微带馈电网采用威尔金森功分器级联宽带雪夫曼移相器的形式，实现宽阻抗带宽下四个端口等幅、等90°相位差的馈电，辐射贴片与微带馈电网络通过金属探针连接馈电实现圆极化宽带天线具备低剖面、宽阻抗带宽、宽轴比波束宽度的特点，带来的好处是：
1、低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线的结构简单，具有低剖面、宽阻抗带宽、宽轴比波束宽度的特点；
2、低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线突破了以往宽轴比波束宽度圆极化天线的窄阻抗带宽，实现了较宽的相对阻抗带宽。
3、低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线实现了低剖面、体积小、高可靠性，便于加工，有效降低生产成本低。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图；
图2是本发明辐射贴片结构示意图；
图3是本发明微带馈电网络结构示意图；
图4是本发明整体结构侧视结构示意图；
图5是本发明天线反射系数结果示意图；
图6是本发明的xoz面、yoz面的轴比波束宽度示意图。
图中标记为：1、辐射贴片；2、第一介质基板；3、介质支撑层；4、金属地板；5、第二介质基板；6、微带馈电网络；7、金属馈电探针。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
如图1所示：所示一种低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线，包括有辐射贴片1，第一介质基板2、介质支撑层3、金属地板4、第二介质基板5、微带馈电网络6和金属馈电探针7，如图1所示，所示低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线结构自上而下依次层叠设置，宽带天线顶层设置辐射贴片1，所示辐射贴片1安装在第一介质基板2上，所示第一介质基板2安装在介质支撑层3上，所示介质支撑层3安装在第二介质基板5上，所示第二介质基板5上设置金属地板4和金属馈电探针7，所示第二介质基板5底部安装微带馈电网络6，所示第一介质基板2、介质支撑层3和第二介质基板5四周设置有安装定位孔，所示第一介质基板2和第二介质基板5的厚度均为0.508mm，材料为Rogers4350B(εr＝3.66,tanδ＝0.0037@10GHz)，所示介质支撑层3的厚度为0.5mm，所示第一介质基板2、介质支撑层3和第二介质基板5之间采用螺钉进行固定；所示辐射贴片1与微带馈电网络6通过四个金属馈电探针7连接，实现低剖面宽轴比波束宽度。
如图2所示，：所示为低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线上设置辐射贴片1，所示辐射贴片1为带有四个L状弧形枝节的圆形贴片，圆形贴片的半径Ra＝12.3mm，且金属探针馈电位置据圆形贴片的圆心位置为dy＝7.8mm；所示辐射贴片的四个L状弧形枝节尺寸为：臂长Wd1＝2.8mm，臂宽Wd2＝Wd3＝2.6mm，旋转角度α＝80°；所示第一介质基板的尺寸为Lsub1＝54mm，Wsub1＝62mm。
如图3所示，所示为低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线上设置微带馈电网络6，所示微带馈电网络6为一分四馈电网络，采用威尔金森功分器级联宽带雪夫曼移相器的形式，实现宽阻抗带宽下四个端口等幅、等90°相位差的馈电；所示微带馈电网络6采用同轴接头作为接口，所示第二介质基板的尺寸为Lsub2＝62mm，Wsub2＝62mm。
如图4所示，所示为低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线的侧视结构示意图，所示低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线结构自上而下依次层叠设置，顶层设置辐射贴片1，所示辐射贴片1安装在第一介质基板2上，所示第一介质基板2安装在介质支撑层3上，所示介质支撑层3安装在第二介质基板5上，所示第二介质基板5上设置金属地板4，所示第二介质基板5底部安装微带馈电网络6，所示第一介质基板2与第二介质基板5之间形成空气层，所示空气层的厚度为0.5mm，所示第一介质基板2和第二介质基板5的厚度均为0.508mm，材料为Rogers4350B(εr＝3.66,tanδ＝0.0037@10GHz)，所示介质支撑层3的厚度为0.5mm，所示辐射贴片1与微带馈电网络6通过四个金属馈电探针7连接；所述低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线的整体高度为1.57mm，具有低剖面的显著优点。
如图5和图6所示，所示为低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线导入电磁仿真软件HFSS中进行仿真分析的结果示意图，图5是低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线的反射系数结果示意图；图6是低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线的xoz面、yoz面的轴比波束宽度示意图；如图5所示，所示低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线的中心频率为5GHz，其-10dB阻抗带宽为3.22GHz～5.84GHz，相对工作阻抗带宽为52.4％，具有较宽的阻抗带宽；如图6所示，所示低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线在5GHz下，实测的3dB轴比波束宽度达到最大，xoz面和yoz面的轴比波束宽度分别为148°和220°，实现了宽轴比波束宽度。
综上所述，本发明采用的低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线使用微带馈电网络馈电，微带馈电网络为一分四馈电网络，采用威尔金森功分器级联宽带雪夫曼移相器的形式，实现宽阻抗带宽下四个端口等幅、等90°相位差的馈电，低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线设置辐射贴片，辐射贴片由具有四个L状弧形枝节的金属圆形贴片辐射信号，实现了一种低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线，低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线使用的第一介质基板和第二介质基板的厚度为0.508mm，介质支撑层的厚度为0.5mm，使低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线具有低剖面、体积小、可靠性高的特点，非常有利于加工和降低生产成本。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线，包括有辐射贴片(1)，第一介质基板(2)、介质支撑层(3)、金属地板(4)、第二介质基板(5)、微带馈电网络(6)和金属馈电探针(7)，其特征在于：所述低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线结构自上而下依次层叠设置，宽带天线顶层设置辐射贴片(1)，所述辐射贴片(1)安装在第一介质基板(2)上，所述第一介质基板(2)安装在介质支撑层(3)上，所述介质支撑层(3)安装在第二介质基板(5)上，所述第二介质基板(5)上设置金属地板(4)和金属馈电探针(7)，所述第二介质基板(5)底部安装微带馈电网络(6)，所述第一介质基板(2)、介质支撑层(3)和第二介质基板(5)四周设置有安装定位孔，第一介质基板(2)、介质支撑层(3)和第二介质基板(5)之间采用螺钉进行固定；所述辐射贴片(1)与微带馈电网络(6)通过四个金属馈电探针(7)连接。
2.根据权利要求1所述的一种低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线，其特征在于：所述低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线上设置辐射贴片(1)，所述辐射贴片(1)为带有四个L状弧形枝节的圆形贴片。
3.根据权利要求1所述的一种低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线，其特征在于：所述低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线上设置微带馈电网络(6)，所述微带馈电网络(6)为一分四馈电网络，采用威尔金森功分器级联宽带雪夫曼移相器的形式，实现宽阻抗带宽下四个端口等幅、等90°相位差的馈电；所述微带馈电网络(6)采用同轴接头作为接口。
4.根据权利要求1所述的一种低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线，其特征在于：所述低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线上设置第一介质基板(2)和第二介质基板(5)，所述第一介质基板(2)和第二介质基板(5)的厚度均为0.508mm，材料为Rogers 4350B
(εr＝3.66,tanδ＝0.0037@10GHz)。
5.根据权利要求1所述的一种低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线，其特征在于：所述低剖面宽轴比波束宽度圆极化宽带天线上设置介质支撑层(3)，所述介质支撑层(3)的厚度为0.5mm。
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