CN117154395A - 宽带圆极化交叉偶极子天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种宽带圆极化交叉偶极子天线，包括顶层介质基板、中层介质基板和底层介质基板。顶层介质基板的上表面设置有第一正交偶极子，第一正交偶极子包括相互正交的第一偶极子贴片和第二偶极子贴片，顶层介质基板的下表面设置有第二正交偶极子，第二正交偶极子包括相互正交的第三偶极子贴片和第四偶极子贴片。中层介质基板上设置有分别与各偶极子贴片耦合的短路枝节。底层介质基板上设置有反射地，底层介质基板和中层介质基板之间连接有短路支撑柱，短路支撑柱的底端连接反射地，短路支撑柱的顶端分别连接对应的短路枝节。第一正交偶极子和第二正交偶极子通过同轴线缆连接至反射地。本发明可以拓宽圆极化带宽以适用于宽带无线通信。

Description

宽带圆极化交叉偶极子天线

技术领域

本发明属于无线通信领域，尤其涉及一种宽带圆极化交叉偶极子天线。

背景技术

无线通信技术快速发展，各种通信制式应运而生，在无线终端设备上常常需要支持不同的通信协议。为降低硬件成本，能够兼容多个工作频段的宽带天线很受青睐。在电磁干扰中为同时执行雷达、电子战和通信的电子功能，要求天线能够覆盖各种无线电频段，因此，设计宽频带圆极化微带天线具有重要的意义。圆极化(CircuLar-PoLarization，CP)波在无线通信中也比线极化波更有优势。首先，圆极化波可由任意极化天线接收；其次，圆极化波入射到对称目标上极化旋向发生逆转，因此在无线通信、卫星导航时能抑制雨雾干扰，并且具有更好的抗多径反射性能。所以，在无线通信***中圆极化天线往往更受关注。

而近年来随着高速数据通信时代的来临，宽带无线通信发展迅猛，宽带无线通信需要的工作带宽比较宽，而微带天线的工作带宽窄的缺点限制了其在发展迅猛的宽带无线通信领域的应用。因此，有必要提供一种改进的圆极化天线，可以拓宽圆极化带宽以适用于宽带无线通信。

发明内容

本发明目的在于提供一种宽带圆极化交叉偶极子天线，可以克服常规圆极化微带贴片天线带宽窄的缺点。

为了实现上述目的，本发明提供了一种宽带圆极化偶极子天线，包括相互间隔设置的顶层介质基板、中层介质基板和底层介质基板；

所述顶层介质基板的上表面设置有第一正交偶极子，所述第一正交偶极子包括相互正交的第一偶极子贴片和第二偶极子贴片，所述顶层介质基板的下表面设置有第二正交偶极子，所述第二正交偶极子包括相互正交的第三偶极子贴片和第四偶极子贴片，所述第一偶极子贴片、所述第二偶极子贴片、所述第三偶极子贴片和所述第四偶极子贴片沿所述顶层介质基板呈旋转对称分布；

所述中层介质基板上设置有分别与所述第一偶极子贴片、所述第二偶极子贴片、所述第三偶极子贴片和所述第四偶极子贴片耦合的短路枝节；

所述底层介质基板上设置有反射地，所述底层介质基板和所述中层介质基板之间连接有短路支撑柱，所述短路支撑柱的底端连接所述反射地，所述短路支撑柱的顶端分别连接对应的所述短路枝节；

所述第一正交偶极子和所述第二正交偶极子通过同轴线缆连接至所述反射地。

可选地，所述同轴线缆的外导体与所述第二正交偶极子连接，所述同轴线缆的内导体向上穿过所述顶层介质基板并与所述第一正交偶极子连接。

可选地，所述第一偶极子贴片和所述第二偶极子贴片相互靠近的一端通过第一圆环连接，所述第一偶极子贴片和所述第二偶极子贴片中的一者伸出一被所述第一圆环部分围绕的第一凸部；

所述第三偶极子贴片和所述第四偶极子贴片相互靠近的一端通过第二圆环连接，所述第三偶极子贴片和所述第四偶极子贴片中的一者伸出一被所述第二圆环部分围绕的第二凸部；

所述同轴线缆的外导体与所述第二凸部连接，所述同轴线缆的内导体穿过所述第二凸部和所述顶层介质基板后与所述第一凸部连接。

可选地，所述同轴线缆由所述中层介质基板穿过。

可选地，所述底层介质基板的下表面设有所述反射地，所述同轴线缆穿过所述底层介质基板以与所述反射地连接。

可选地，所述中层介质基板上设置有四个所述短路枝节，四个所述短路枝节分别对应所述第一偶极子贴片、所述第二偶极子贴片、所述第三偶极子贴片和所述第四偶极子贴片设置以分别进行耦合。

可选地所述中层介质基板具有四个直角，所述短路枝节呈L形且分别沿所述中层介质基板的四个直角的边缘延伸。

可选地，所述中层介质基板的上表面设有所述短路枝节，所述短路支撑柱支撑在所述中层介质基板的下表面并向上穿过所述中层介质基板以与对应的所述短路枝节连接。

可选地，以所述第一偶极子贴片、所述第二偶极子贴片、所述第三偶极子贴片和所述第四偶极子贴片的旋转对称中心点为原点建立直角坐标系，所述第一偶极子贴片和所述第三偶极子贴片沿X轴设置，所述第二偶极子贴片和所述第四偶极子贴片沿Y轴设置；

所述中层介质基板的上表面为正方形且其两条对角线分别与X轴和Y轴重合。

可选地，各所述偶极子贴片呈八边形状，由矩形切角形成。

本发明实施例中，中层介质基板上设置有分别与第一偶极子贴片、第二偶极子贴片、第三偶极子贴片和第四偶极子贴片耦合的短路枝节，底层介质基板上设置有反射地，底层介质基板和中层介质基板之间连接有短路支撑柱，短路支撑柱的底端连接反射地，短路支撑柱的顶端分别连接对应的短路枝节，进而能够产生两个谐振频点，同时在低频处增加一个右旋圆极化频点，有效拓宽了阻抗带宽和轴比带宽。

另外，本发明实施例中，通过加入圆环结合偶极子贴片的设计，可以引入两个谐振频点，同时形成两个正交的幅度相等的主模，并且两者的相位相差90°，能够产生两个右旋圆极化频点，拓宽了阻抗带宽和轴比带宽。

附图说明

图1为本发明实施例宽带圆极化交叉偶极子天线的立体结构示意图；

图2为本发明实施例宽带圆极化交叉偶极子天线的顶层介质基板的上表面俯视图；

图3为本发明实施例宽带圆极化交叉偶极子天线的顶层介质基板的下表面俯视图；

图4为本发明实施例宽带圆极化交叉偶极子天线的侧视图；

图5为本发明实施例宽带圆极化交叉偶极子天线的中层介质基板的上表面俯视图；

图6为本发明实施例宽带圆极化交叉偶极子天线的底层介质基板的下表面俯视图；

图7为本发明实施例宽带圆极化交叉偶极子天线的仿真S11参数曲线图；

图8为本发明实施例宽带圆极化交叉偶极子天线的仿真的左旋圆极化和右旋圆极化增益曲线图；

图9为本发明实施例宽带圆极化交叉偶极子天线的仿真的轴比参数曲线图；

图10为本发明实施例宽带圆极化交叉偶极子天线在2.1GHz频率的XOZ平面方向图的仿真结果图；

图11为本发明实施例宽带圆极化交叉偶极子天线在2.1GHz频率的YOZ平面方向图的仿真结果图；

图12为本发明实施例宽带圆极化交叉偶极子天线在2.2GHz频率的XOZ平面方向图的仿真结果图；

图13为本发明实施例宽带圆极化交叉偶极子天线在2.2GHz频率的YOZ平面方向图的仿真结果图；

图14为本发明实施例宽带圆极化交叉偶极子天线在2.3GHz频率的XOZ平面方向图的仿真结果图；

图15为本发明实施例宽带圆极化交叉偶极子天线在2.3GHz频率的YOZ平面方向图的仿真结果图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现的效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

请参阅图1至图6，本发明实施例公开了一种宽带圆极化交叉偶极子天线，包括相互间隔设置的顶层介质基板3、中层介质基板5和底层介质基板7。

顶层介质基板3的上表面设置有第一正交偶极子1，第一正交偶极子1包括相互正交的第一偶极子贴片1a和第二偶极子贴片1b。顶层介质基板3的下表面设置有第二正交偶极子2，第二正交偶极子2包括第三偶极子贴片2a和第四偶极子贴片2b。第一偶极子贴片1a、第二偶极子贴片1b、第三偶极子贴片2a和第四偶极子贴片2b沿顶层介质基板3呈旋转对称分布。

中层介质基板5上设置有短路枝节4，短路枝节4分别与第一偶极子贴片1a、第二偶极子贴片1b、第三偶极子贴片2a以及第四偶极子贴片2b耦合。

底层介质基板7上设置有反射地8，底层介质基板7和中层介质基板5之间连接有短路支撑柱9，短路支撑柱9的底端连接反射地8，短路支撑柱9的顶端分别连接对应的短路枝节4。

第一正交偶极子1和第二正交偶极子2通过同轴线缆6连接至反射地8。

本发明实施例中，中层介质基板5上设置有分别与第一偶极子贴片1a、第二偶极子贴片1b、第三偶极子贴片2a和第四偶极子贴片2b耦合的短路枝节4，底层介质基板7上设置有反射地8，底层介质基板7和中层介质基板5之间连接有短路支撑柱9，短路支撑柱9的底端连接反射地8，短路支撑柱9的顶端分别连接对应的短路枝节4，进而能够产生两个谐振频点，同时在低频处增加一个右旋圆极化频点，有效拓宽了阻抗带宽和轴比带宽。在具体的示例中，基于该技术手段产生的两个谐振频点分别为1.7GHz和2.5GHz，增加的一个右旋圆极化频点分别为1.5GHz和2.8GHz。

在一些实施例中，同轴线缆6的外导体与第二正交偶极子2连接，同轴线缆6的内导体向上穿过顶层介质基板3并与第一正交偶极子1连接。

在一些实施例中，第一偶极子贴片1a和第二偶极子贴片1b相互靠近的一端通过第一圆环10连接，第一偶极子贴片1a和第二偶极子贴片1b中的一者伸出一被第一圆环10部分围绕的第一凸部13。第三偶极子贴片2a和第四偶极子贴片2b相互靠近的一端通过第二圆环11连接，第三偶极子贴片2a和第四偶极子贴片2b中的一者伸出一被第二圆环11部分围绕的第二凸部14。同轴线缆6的外导体与第二凸部14连接，同轴线缆6的内导体穿过第二凸部14和顶层介质基板3后与第一凸部13连接。

通过加入圆环结合偶极子贴片的设计，可以引入两个谐振频点，同时形成两个正交的幅度相等的主模，并且两者的相位相差90°，能够产生两个右旋圆极化频点，拓宽了阻抗带宽和轴比带宽。在具体的示例中，圆环结合偶极子贴片的设计引入的两个谐振频点分别为2.3GHz和3.0GHz，产生两个右旋圆极化频点分别为2.4GHz和2.8GHz。

当然，本发明中，第一正交偶极子1和第二正交偶极子2并不局限于上述形式。

在一些实施例中，同轴线缆6由中层介质基板5穿过。为了便于同轴线缆6的走线、减小同轴线缆6的长度以及保证同轴线缆6的可靠性，中层介质基板5可以进行穿孔设置以供同轴线缆6穿过。优选地，中层介质基板5上的穿孔可以对应顶层介质基板3和底层介质基板7与同轴线缆6连接的位置。

当然，同轴线缆6并不限制为从中层介质基板5穿过。

具体地，底层介质基板7的下表面设有反射地8，同轴线缆6穿过底层介质基板7以与反射地8连接。

进一步地，底层介质基板7的下表面印刷有端口12以与同轴线缆6连接，进而通过同轴线缆6馈电至偶极子贴片。

可以理解的是，底层介质基板7的下表面的反射地8可以进一步延伸至其上表面。另外，在底层介质基板7的上表面设置反射地8的情况下，同轴线缆6可以不用穿过底层介质基板7，直接与底层介质基板7的上表面的反射地8进行连接，当然，底层介质基板7的上表面的反射地8也可以延伸至其下表面。

在一些实施例中，中层介质基板5上设置有四个短路枝节4，四个短路枝节4分别对应第一偶极子贴片1a、第二偶极子贴片1b、第三偶极子贴片2a和第四偶极子贴片2b设置以分别进行耦合，以实现更好的耦合效果。当然，本发明中，短路枝节4的数量并不限制为四个。

具体地，四个短路枝节4分别对应第一偶极子贴片1a、第二偶极子贴片1b、第三偶极子贴片2a和第四偶极子贴片2b远离旋转对称中心点的一端。

具体地，中层介质基板5具有四个直角，短路枝节4呈L形且分别沿中层介质基板5的四个直角的边缘延伸。当然，短路枝节4并不限制为L形，也不限制为沿中层介质基板5的四个直角的边缘延伸，比如也可以是矩形。

在一些实施例中，中层介质基板5的上表面设有短路枝节4，短路支撑柱9支撑在中层介质基板5的下表面并向上穿过中层介质基板5以与对应的短路枝节4连接。当然，短路枝节4并不限制为设置在中层介质基板5的上表面，短路枝节4也可以设置在中层介质基板5的下表面，或者同时设置在中层介质基板5的上表面和下表面。不同的短路枝节4也并不限制为设置在中层介质基板5的相同表面。

在一些实施例中，以第一偶极子贴片1a、第二偶极子贴片1b、第三偶极子贴片2a和第四偶极子贴片2b的旋转对称中心点为原点建立直角坐标系，第一偶极子贴片1a和第三偶极子贴片2a沿X轴设置，第二偶极子贴片1b和第四偶极子贴片2b沿Y轴设置。中层介质基板5的上表面为正方形且其两条对角线分别与X轴和Y轴重合。当然，本发明中，并不限制为中层介质基板5的上表面为正方形且其两条对角线分别与X轴和Y轴重合。需要注意的是，本发明这里引入直角坐标系仅是为了便于描述。

在一些实施例中，各偶极子贴片呈八边形状，由矩形切角形成。当然，本发明并不局限于此。

请参阅图4，h0为顶层介质基板3的厚度，h为中层介质基板5和底层介质基板7的厚度，h1和h2分别为两层空气层的厚度(即底层介质基板7与中层介质基板5之间的距离，和中层介质基板5与顶层介质基板3之间的距离)。在具体的示例中，其中h0＝0.8mm，h＝2mm，h1＝22.6mm，h2＝6mm。当然，这仅是具体示例中的尺寸，本发明并不限制为此。

图7为本发明实例宽带圆极化交叉偶极子天线的仿真S11参数曲线图，S参数低于-10dB的频段覆盖了1.35GHz-3.37GHz，拥有85％的相对阻抗带宽。

图8为本实例宽带圆极化交叉偶极子天线的仿真的左旋圆极化和右旋圆极化增益曲线图，中心频段增益稳定。

图9为本实例宽带圆极化交叉偶极子天线的仿真的轴比参数曲线图，轴比参数低于3dB的频段覆盖了1.47GHz-2.98GHz，为右旋圆极化，相对轴比带宽有67％。

图10至图11分别为频率2.1GHz的XOZ面的方向图和YOZ面的方向图。

图12至图13分别为频率2.2GHz的XOZ面的方向图和YOZ面的方向图。

图14至图15分别为频率2.3GHz的XOZ面的方向图和YOZ面的方向图。

从各方向图中可以看出，这三个频率下，天线辐射右旋圆极化波。

结合图7至图15可以得知，本发明实例宽带圆极化交叉偶极子天线具有较佳的天线性能。本发明实例宽带圆极化交叉偶极子天线与其他天线相比拥有更宽的阻抗带宽和轴比带宽，相对阻抗带宽85％，相对轴比带宽67％。

Claims (10)

1.一种宽带圆极化交叉偶极子天线，其特征在于，包括相互间隔设置的顶层介质基板、中层介质基板和底层介质基板；

所述顶层介质基板的上表面设置有第一正交偶极子，所述第一正交偶极子包括相互正交的第一偶极子贴片和第二偶极子贴片，所述顶层介质基板的下表面设置有第二正交偶极子，所述第二正交偶极子包括相互正交的第三偶极子贴片和第四偶极子贴片，所述第一偶极子贴片、所述第二偶极子贴片、所述第三偶极子贴片和所述第四偶极子贴片沿所述顶层介质基板呈旋转对称分布；

所述中层介质基板上设置有分别与所述第一偶极子贴片、所述第二偶极子贴片、所述第三偶极子贴片和所述第四偶极子贴片耦合的短路枝节；

所述底层介质基板上设置有反射地，所述底层介质基板和所述中层介质基板之间连接有短路支撑柱，所述短路支撑柱的底端连接所述反射地，所述短路支撑柱的顶端分别连接对应的所述短路枝节；

所述第一正交偶极子和所述第二正交偶极子通过同轴线缆连接至所述反射地。

2.如权利要求1所述的宽带圆极化交叉偶极子天线，其特征在于，

所述同轴线缆的外导体与所述第二正交偶极子连接，所述同轴线缆的内导体向上穿过所述顶层介质基板并与所述第一正交偶极子连接。

3.如权利要求2所述的宽带圆极化交叉偶极子天线，其特征在于，

所述第一偶极子贴片和所述第二偶极子贴片相互靠近的一端通过第一圆环连接，所述第一偶极子贴片和所述第二偶极子贴片中的一者伸出一被所述第一圆环部分围绕的第一凸部；

所述第三偶极子贴片和所述第四偶极子贴片相互靠近的一端通过第二圆环连接，所述第三偶极子贴片和所述第四偶极子贴片中的一者伸出一被所述第二圆环部分围绕的第二凸部；

所述同轴线缆的外导体与所述第二凸部连接，所述同轴线缆的内导体穿过所述第二凸部和所述顶层介质基板后与所述第一凸部连接。

4.如权利要求1至3任一项所述的宽带圆极化交叉偶极子天线，其特征在于，所述同轴线缆由所述中层介质基板穿过。

5.如权利要求4所述的宽带圆极化交叉偶极子天线，其特征在于，所述底层介质基板的下表面设有所述反射地，所述同轴线缆穿过所述底层介质基板以与所述反射地连接。

6.如权利要求1所述的宽带圆极化交叉偶极子天线，其特征在于，

所述中层介质基板上设置有四个所述短路枝节，四个所述短路枝节分别对应所述第一偶极子贴片、所述第二偶极子贴片、所述第三偶极子贴片和所述第四偶极子贴片设置以分别进行耦合。

7.如权利要求6所述的宽带圆极化交叉偶极子天线，其特征在于，

所述中层介质基板具有四个直角，所述短路枝节呈L形且分别沿所述中层介质基板的四个直角的边缘延伸。

8.如权利要求1、6、7任一项所述的宽带圆极化交叉偶极子天线，其特征在于，所述中层介质基板的上表面设有所述短路枝节，所述短路支撑柱支撑在所述中层介质基板的下表面并向上穿过所述中层介质基板以与对应的所述短路枝节连接。

9.如权利要求1、6、7任一项所述的宽带圆极化交叉偶极子天线，其特征在于，以所述第一偶极子贴片、所述第二偶极子贴片、所述第三偶极子贴片和所述第四偶极子贴片的旋转对称中心点为原点建立直角坐标系，所述第一偶极子贴片和所述第三偶极子贴片沿X轴设置，所述第二偶极子贴片和所述第四偶极子贴片沿Y轴设置；

所述中层介质基板的上表面为正方形且其两条对角线分别与X轴和Y轴重合。

10.如权利要求1所述的宽带圆极化交叉偶极子天线，其特征在于，各所述偶极子贴片呈八边形状，由矩形切角形成。