CN117712685B - 一种宽带圆极化高增益低副瓣天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽带圆极化高增益低副瓣天线，基于设置贴片天线（2）的金属底板（1）为基础，结合金属网孔板（3），构建谐振腔，以贴片天线（2）为馈源，激励谐振腔工作，在金属网孔板（3）的各网孔处产生近似等相位的电磁场，进而在整个金属网孔板（3）上产生高增益波束，并且谐振腔中的腔体谐振模式和贴片天线（2）的贴片谐振模式产生耦合，可以在阻抗和轴比曲线上产生额外的谐振点，实现天线阻抗带宽和轴比带宽的提高，此外谐振腔呈现靠近天线中心位置场强大、靠近天线四周位置场强小的特征，能够实现降低副瓣的效果。

Description

一种宽带圆极化高增益低副瓣天线

技术领域

本发明涉及一种宽带圆极化高增益低副瓣天线，属于射频天线设计技术领域。

背景技术

现有常见的用于RFID读写器的圆极化天线有：简单圆极化贴片天线、叠层贴片天线、螺旋天线，其中，简单圆极化贴片天线结构上包括一个矩形或切角方形贴片、一个地平面、以及一个馈电点，其原理是贴片支持两个线极化谐振模式，其极化正交，谐振频率略有不同，通过同时激励这两个模式，产生幅度相等、相位差90°的两个线极化模式，叠加可得圆极化辐射，简单贴片天线增益最高可以达到8-9dBi左右，如果需要更高的增益，可以通过天线阵列的形式实现。但是简单圆极化贴片天线带宽较窄，特别是圆极化带宽（3dB轴比带宽）很窄，难以达到1%，对于一些常见应用，例如RFID读写器，这个带宽无法满足需求。并且对于需要高增益的场合，需要做天线阵列，而天线阵列一方面需要使用功分网络，会引入额外的损耗，降低效率。另一方面，天线阵列和功分网络会使结构变得复杂，使加工变得困难，并提高成本。

叠层贴片天线结构是在简单圆极化贴片天线的基础上，额外添加一个寄生贴片，寄生贴片一般放置在主天线的上方，尺寸略小，其原理通过寄生贴片的谐振，额外产生一个轴比零点，可以大幅度提高天线的轴比带宽，其增益与简单贴片天线类似，如果需要更高的增益，也可以通过天线阵列的形式实现。叠层贴片天线的带宽较大，可以在相对薄的情况下实现足够的带宽，但是其结构较为复杂，如其名字所述，需要多层结构，这会增加成本、降低生产效率，对于需要高增益的场合，它也会遇到和简单贴片天线一样的问题。

螺旋天线结构上类似一根弹簧，分为轴向模螺旋天线与法向模螺旋天线，其中，轴向模螺旋天线辐射定向波束，可以用于RFID读写器，特别适合对天线高度没有严格要求，但对带宽要求较高的场合，轴向模螺旋天线每一圈的周长接近一个波长，其辐射圆极化波，且沿螺旋轴线方向有最大增益。在一般应用中，其电尺寸相对较大，一般有数个波长，在RFID读写器应用中，一般会控制在一个波长左右。螺旋天线的带宽可以做得特别宽，能远超RFID频段的要求，但其高度较大，至少需要一个波长左右，比贴片天线大很多，同时，虽然螺旋天线原理上可以做到较高的增益，比如20dBi，但是这需要异常大的高度，可能需要长达数米，对于RFID应用来说不现实。在可接受的长度下（比如几十cm），其增益也不高，一般不超过10dBi。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种宽带圆极化高增益低副瓣天线，引入谐振腔结构设计，实现高增益波束的产生，提高工作效率。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种宽带圆极化高增益低副瓣天线，包括金属底板、贴片天线、以及金属网孔板；其中，贴片天线设置于金属底板的其中一表面上，贴片天线上馈电点经同轴电缆对接读写器；金属网孔板表面阵列分布设置各个网孔，各网孔的周长分别均小于天线波长的两倍，金属网孔板以其平行于金属底板表面的姿态、位于金属底板设置贴片天线的一侧，金属底板与金属网孔板之间的间距位于以天线波长一半、向小数值方向的预设波动范围，贴片天线位于金属网孔板与金属底板之间，沿垂直于金属底板的投影方向上，贴片天线的投影位于金属网孔板投影内。

作为本发明的一种优选技术方案：还包括至少一个支撑件，支撑件为导电支撑件或非导电支撑件，各支撑件上的两端分别固定连接金属网孔板与金属底板，实现金属网孔板与金属底板之间的位置设置。

作为本发明的一种优选技术方案：基于支撑件为导电支撑件，导电支撑件为平面形的导电支撑板，各导电支撑板上下两端分别连接金属网孔板的边缘、以及金属底板上相应位置边缘，相邻导电支撑板彼此侧边之间以相同导电材料连接板沿金属网孔板该位置边缘、金属底板该位置边缘进行连接，且连接板上下两边缘分别对接其边所面向的金属网孔板边缘、金属底板边缘，由各导电支撑板、各连接板组合构成对接金属网孔板边缘一周、以及金属底板边缘一周的导电包围侧板。

作为本发明的一种优选技术方案：导电包围侧板上设置至少一个贯穿其两面的通孔。

作为本发明的一种优选技术方案：金属底板与金属网孔板为彼此形状相同的多边形，且金属底板上的各边分别与金属网孔板上的对应边彼此位置相对应，构成各组位置相对边，导电包围侧板上对应各组位置相对边的局部板上分别沿金属底板对应边缘方向依次设置至少两个通孔，且相邻通孔中心之间的间距小于天线波长。

作为本发明的一种优选技术方案：导电包围侧板上各通孔为多边形，各多边形上的最长边分别与金属底板所在表面相平行。

作为本发明的一种优选技术方案：贴片天线在金属底板表面上的设置位置位于以金属底板表面中心位置为圆心、预设半径范围内。

作为本发明的一种优选技术方案：贴片天线为电容耦合馈电的圆极化切角贴片天线、或者探针直接馈电的圆极化切角贴片天线，并且探针直接馈电的圆极化切角贴片天线中，天线表面设置U形槽。

作为本发明的一种优选技术方案：金属底板与金属网孔板为彼此形状、尺寸相同的多边形，且金属底板上的各边分别与金属网孔板上的对应边彼此位置相对应，以及金属底板中心与金属网孔板中心之间连线垂直于金属底板表面，金属网孔板表面阵列分布的各个网孔均为彼此形状、尺寸相同的多边形网孔。

作为本发明的一种优选技术方案：金属底板与金属网孔板为彼此尺寸相同的长边形，金属网孔板表面阵列分布的各个多边形网孔均为长方形网孔，且金属网孔板表面上各长方形网孔姿态角度彼此相同，以及金属网孔板表面上长方形网孔长边的长度小于天线波长的一半。

本发明所述一种宽带圆极化高增益低副瓣天线，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明所设计一种宽带圆极化高增益低副瓣天线，基于设置贴片天线的金属底板为基础，结合金属网孔板，构建谐振腔，以贴片天线为馈源，激励谐振腔工作，在金属网孔板的各网孔处产生近似等相位的电磁场，进而在整个金属网孔板上产生高增益波束，并且谐振腔中的腔体谐振模式和贴片天线的贴片谐振模式产生耦合，可以在阻抗和轴比曲线上产生额外的谐振点，实现天线阻抗带宽和轴比带宽的提高，此外谐振腔呈现靠近天线中心位置场强大、靠近天线四周位置场强小的特征，能够实现降低副瓣的效果。

附图说明

图1是本发明设计宽带圆极化高增益低副瓣天线实施例一的结构示意图；

图2是本发明设计宽带圆极化高增益低副瓣天线实施例一中贴片天线示意图；

图3是本发明设计宽带圆极化高增益低副瓣天线实施例一的S参数示意；

图4是本发明设计宽带圆极化高增益低副瓣天线实施例一的增益和轴比示意；

图5是本发明设计宽带圆极化高增益低副瓣天线实施例一分别在0°面上、90°面上的方向示意图；

图6是本发明设计宽带圆极化高增益低副瓣天线实施例二的结构示意图；

图7是本发明设计宽带圆极化高增益低副瓣天线实施例二中贴片天线示意图；

图8是本发明设计宽带圆极化高增益低副瓣天线实施例二的S参数示意；

图9是本发明设计宽带圆极化高增益低副瓣天线实施例二的增益和轴比示意；

图10是本发明设计宽带圆极化高增益低副瓣天线实施例二分别在0°面上、90°面上的方向示意图。

其中，1. 金属底板，2. 贴片天线，3. 金属网孔板，4. 支撑件，5. 导电包围侧板，6. 贴片天线辐射体，7. 耦合馈电结构，8. 金属支撑柱，9. 贴片开槽，10. 绝缘支撑柱，11. 馈电探针。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

本发明所设计一种宽带圆极化高增益低副瓣天线，实际应用当中，具体设计包括金属底板1、贴片天线2、以及金属网孔板3；其中，贴片天线2设置于金属底板1的其中一表面上，贴片天线2上馈电点经同轴电缆对接读写器；金属网孔板3表面阵列分布设置各个网孔，各网孔的周长分别均小于天线波长的两倍，金属网孔板3以其平行于金属底板1表面的姿态、位于金属底板1设置贴片天线2的一侧，金属底板1与金属网孔板3之间的间距位于以天线波长一半、向小数值方向的预设波动范围，贴片天线2位于金属网孔板3与金属底板1之间，沿垂直于金属底板1的投影方向上，贴片天线2的投影位于金属网孔板3投影内。

关于金属网孔板3相对金属底板1的空间位置关系设置，实际应用当中，具体设计引入至少一个支撑件4，支撑件4为导电支撑件或非导电支撑件，各支撑件4上的两端分别固定连接金属网孔板3与金属底板1，实现金属网孔板3与金属底板1之间的位置设置。

并且在以各导电支撑件连接实现金属网孔板3与金属底板1之间位置设置的方案中，进一步可以设计导电支撑件为平面形的导电支撑板，各导电支撑板上下两端分别连接金属网孔板3的边缘、以及金属底板1上相应位置边缘，相邻导电支撑板彼此侧边之间以相同导电材料连接板沿金属网孔板3该位置边缘、金属底板1该位置边缘进行连接，且连接板上下两边缘分别对接其边所面向的金属网孔板3边缘、金属底板1边缘，由各导电支撑板、各连接板组合构成对接金属网孔板3边缘一周、以及金属底板1边缘一周的导电包围侧板5。

以导电包围侧板5对金属网孔板3与金属底板1侧边一周实现全包围的方案中，进一步在导电包围侧板5上设计设置至少一个贯穿其两面的通孔，并且在该通孔的应用实施当中，进一步配合整体结构进行设计，具体设计金属底板1与金属网孔板3为彼此形状相同的多边形，且金属底板1上的各边分别与金属网孔板3上的对应边彼此位置相对应，构成各组位置相对边，导电包围侧板5上对应各组位置相对边的局部板上分别沿金属底板1对应边缘方向依次设置至少两个通孔，且相邻通孔中心之间的间距小于天线波长。

并且在实际应用当中，导电包围侧板5上各通孔均设计采用多边形，且设计各多边形上的最长边分别与金属底板1所在表面相平行，这里诸如采用长方形作为导电包围侧板5上各通孔的形状应用。

上述设计方案在实际应用当中，贴片天线2在金属底板1表面上的设置位置，具体可以设计位于以金属底板1表面中心位置为圆心、预设半径范围内。并且在贴片天线2的选择应用上，诸如选择电容耦合馈电的圆极化切角贴片天线、或者探针直接馈电的圆极化切角贴片天线，并且针对探针直接馈电的圆极化切角贴片天线，具体在天线表面设置U形槽。

整体设计实施当中，针对金属底板1与金属网孔板3进一步设计，金属底板1与金属网孔板3为彼此形状、尺寸相同的多边形，且金属底板1上的各边分别与金属网孔板3上的对应边彼此位置相对应，以及金属底板1中心与金属网孔板3中心之间连线垂直于金属底板1表面，并且设计金属网孔板3表面阵列分布的各个网孔均为彼此形状、尺寸相同的多边形网孔。

上述技术方案设计一种宽带圆极化高增益低副瓣天线，基于设置贴片天线2的金属底板1为基础，结合金属网孔板3，构建谐振腔，以贴片天线2为馈源，激励谐振腔工作，激励起的谐振模式，在整个谐振腔内，基本是等相位的，因此可以在金属网孔板3的各网孔处产生近似等相位的电磁场，这个等相位的电磁场进而在整个金属网孔板3上产生高增益波束。

并且本专利设计中，作为馈源的贴片天线2本身设计采用圆极化天线，按具体实施设计谐振腔总体上是旋转对称的（尽管网孔并不是严格的正方形），因此设计天线辐射圆极化波束，实现圆极化原理。

本发明设计中，谐振腔中的腔体谐振模式和贴片天线2的贴片谐振模式产生耦合，可以在阻抗和轴比曲线上产生额外的谐振点，实现天线阻抗带宽和轴比带宽，都比作为馈源的简单圆极化贴片大了数倍。

此外，本发明设计天线谐振腔中的模式，其场强分布呈现：靠近天线中心位置场强大、靠近天线四周位置场强小的特征，这相当于阵列天线中的幅度加权，可以起到降低副瓣的效果。

将上述设计技术方案应用于实际当中，基于金属底板1与金属网孔板3为彼此尺寸相同的长边形，金属底板1中心与金属网孔板3中心之间连线垂直于金属底板1表面，金属网孔板3表面阵列分布姿态角度彼此相同的各个长方形网孔，以及金属网孔板3表面上长方形网孔长边的长度小于天线波长的一半，依据金属底板1与金属网孔板3之间的位置关系设计，具体诸如划分为两种实施例，实施例一为以导电支撑件或非导电支撑件的各个支撑件4实现金属底板1与金属网孔板3之间的连接，如图1所示，且其中贴片天线如图2所示，其中，以金属支撑柱8在金属底板1上支撑起贴片天线辐射体6，并在该贴片天线辐射体6上设置耦合馈电结构7；实施例二为以导电包围侧板5实现金属底板1与金属网孔板3之间的连接，如图5所示，且其中贴片天线如图6所示，其中，以绝缘支撑柱10诸如塑料材料的支撑柱，在金属底板1上支撑起贴片天线辐射体6，并在该贴片天线辐射体6上设置贴片开槽9与馈电探针11；其中，在高增益方面，实施例二导电包围侧板5上的通孔也可以产生辐射，进一步提高天线的增益；在低副瓣方面，实施例二导电包围侧板5上通孔所产生的辐射可以抵消掉部分副瓣，进一步改善低副瓣性能。

关于上述具体设计两种实施例在实际的应用，如图4和图9所示，本发明设计天线的增益能达到13-14dBic，比单个的贴片天线高许多；如图4、图5、图9、图10所示，本发明设计天线在频带内辐射圆极化波，用于RFID读写器时，圆极化辐射可以避免读写器和标签之间出现极化正交，可以读取到各种姿态的标签天线。如图3、图4、图8、图9所示，展示了本发明设计天线的性能-频率曲线，该天线的带宽很大，能覆盖国内常用的RFID频段，尤其是实施例二，其带宽足够大，可以直接覆盖全球各地的常用RFID频段；如图5和图10所示，展示了本发明设计天线的方向图，该天线的副瓣很低，副瓣电平约为-20dB，用于RFID读写器时，可以改善“窜读”，避免读到不在天线指向方向上、本来没有打算读到的标签。

本发明设计方案在具体的实际应用当中，可以完全由金属板切割折弯而成，不需要PCB基板，成本低，结构简单，并且本发明设计天线相较常见比如天线阵列的高增益天线，既不需要多个独立的天线，又不需要馈电网络，结构更简单，加工更方便。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (10)

1.一种宽带圆极化高增益低副瓣天线，其特征在于：包括金属底板（1）、贴片天线（2）、以及金属网孔板（3）；其中，贴片天线（2）设置于金属底板（1）的其中一表面上，贴片天线（2）上馈电点经同轴电缆对接读写器；金属网孔板（3）表面阵列分布设置各个网孔，各网孔的周长分别均小于天线波长的两倍，金属网孔板（3）以其平行于金属底板（1）表面的姿态、位于金属底板（1）设置贴片天线（2）的一侧，金属底板（1）与金属网孔板（3）之间的间距位于以天线波长一半、向小数值方向的预设波动范围，贴片天线（2）位于金属网孔板（3）与金属底板（1）之间，沿垂直于金属底板（1）的投影方向上，贴片天线（2）的投影位于金属网孔板（3）投影内。

2.根据权利要求1所述一种宽带圆极化高增益低副瓣天线，其特征在于：还包括至少一个支撑件（4），支撑件（4）为导电支撑件或非导电支撑件，各支撑件（4）上的两端分别固定连接金属网孔板（3）与金属底板（1），实现金属网孔板（3）与金属底板（1）之间的位置设置。

3.根据权利要求2所述一种宽带圆极化高增益低副瓣天线，其特征在于：基于支撑件（4）为导电支撑件，导电支撑件为平面形的导电支撑板，各导电支撑板上下两端分别连接金属网孔板（3）的边缘、以及金属底板（1）上相应位置边缘，相邻导电支撑板彼此侧边之间以相同导电材料连接板沿金属网孔板（3）该位置边缘、金属底板（1）该位置边缘进行连接，且连接板上下两边缘分别对接其边所面向的金属网孔板（3）边缘、金属底板（1）边缘，由各导电支撑板、各连接板组合构成对接金属网孔板（3）边缘一周、以及金属底板（1）边缘一周的导电包围侧板（5）。

4.根据权利要求3所述一种宽带圆极化高增益低副瓣天线，其特征在于：导电包围侧板（5）上设置至少一个贯穿其两面的通孔。

5.根据权利要求4所述一种宽带圆极化高增益低副瓣天线，其特征在于：金属底板（1）与金属网孔板（3）为彼此形状相同的多边形，且金属底板（1）上的各边分别与金属网孔板（3）上的对应边彼此位置相对应，构成各组位置相对边，导电包围侧板（5）上对应各组位置相对边的局部板上分别沿金属底板（1）对应边缘方向依次设置至少两个通孔，且相邻通孔中心之间的间距小于天线波长。

6.根据权利要求4所述一种宽带圆极化高增益低副瓣天线，其特征在于：导电包围侧板（5）上各通孔为多边形，各多边形上的最长边分别与金属底板（1）所在表面相平行。

7.根据权利要求1所述一种宽带圆极化高增益低副瓣天线，其特征在于：贴片天线（2）在金属底板（1）表面上的设置位置位于以金属底板（1）表面中心位置为圆心、预设半径范围内。

8.根据权利要求1所述一种宽带圆极化高增益低副瓣天线，其特征在于：贴片天线（2）为电容耦合馈电的圆极化切角贴片天线、或者探针直接馈电的圆极化切角贴片天线，并且探针直接馈电的圆极化切角贴片天线中，天线表面设置U形槽。

9.根据权利要求1至8中任意一项所述一种宽带圆极化高增益低副瓣天线，其特征在于：金属底板（1）与金属网孔板（3）为彼此形状、尺寸相同的多边形，且金属底板（1）上的各边分别与金属网孔板（3）上的对应边彼此位置相对应，以及金属底板（1）中心与金属网孔板（3）中心之间连线垂直于金属底板（1）表面，金属网孔板（3）表面阵列分布的各个网孔均为彼此形状、尺寸相同的多边形网孔。

10.根据权利要求9所述一种宽带圆极化高增益低副瓣天线，其特征在于：金属底板（1）与金属网孔板（3）为彼此尺寸相同的长边形，金属网孔板（3）表面阵列分布的各个多边形网孔均为长方形网孔，且金属网孔板（3）表面上各长方形网孔姿态角度彼此相同，以及金属网孔板（3）表面上长方形网孔长边的长度小于天线波长的一半。