加载寄生圆环的宽波束圆极化微带天线

摘要

本发明公开了加载寄生圆环的宽波束圆极化微带天线，包括上基板、下基板，上基板和下基板之间设置有固定柱，所述下基板的上表面设置有主辐射单元，上基板的上表面设置有寄生圆环贴片单元，下基板的底面设置有地板；所述主辐射单元与地板之间设置有激励端口；所述主辐射单元是由一个圆形贴片和位于圆形贴片直径上的一对矩形外边缘突起组成；本发明在保持平面微带圆极化天线良好的辐射性能的同时，能有效地拓宽垂直面波瓣宽度，从而提高低仰角增益，并且调试方便；与已有的宽波束圆极化天线相比，本发明具有更简单的结构，更小的尺寸，更轻的重量，从而可以降低生产成本，适用于各种小型终端设备中。

说明书

技术领域

本发明涉及圆极化卫星定位导航天线，尤其涉及加载寄生圆环的宽波束圆极化微带天线。

背景技术

目前，全球卫星定位导航已成为一个高速发展的产业，中国自行组建的北斗导航系统的服务范围预计在未来十年内覆盖全球，而作为无线通信系统的咽喉要道——圆极化天线对该系统起到至关重要的作用。

根据卫星导航系统的工作原理，在垂直面的信号当中，对系统定位精度贡献最大的是靠近地面的低仰角信号，天顶信号虽易于发射与接收，但对定位作用不大。这样，为了提高系统的定位精度，一般要求圆极化天线具有较高的低仰角增益（即较宽的垂直面波瓣宽度），尤其对于目前的北斗系统，卫星比较少，对天线的低仰角增益提出了苛刻的要求，然而目前的平面圆极化天线普遍存在因垂直面波瓣宽度较窄而导致低仰角增益不足的问题。

四臂螺旋天线和平面微带天线都可以形成半球状的圆极化波束，是卫星定位系统常用的两种天线结构形式。四臂螺旋天线具有较宽的垂直面波瓣宽度，但是其剖面较高，且需要额外的馈电网络，结构复杂，工作效率不高。

微带天线由于具有低剖面、易集成和批量一致性好等优点，得到了越来越广泛的应用。一般情况下，微带天线的垂直面波瓣宽度较窄，约为70°-90°，难以满足实际应用中较高的低仰角指标要求。

为了增大微带天线的垂直面波瓣宽度，最简单的办法是减小地板的大小和增大基板的介电常数，但这两种方法的效果很有限，而且会带来工作效率下降、生产难度和成本增大等新的问题。另外，通过加载锥形圆台的方法可以有效地增大波瓣宽度，从而提高低仰角增益，但是会从根本上改变平面微带天线低剖面的特性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供了加载寄生圆环的宽波束圆极化微带天线；克服传统圆极化天线垂直面波瓣宽度较窄，方向图不易调节的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

加载寄生圆环的宽波束圆极化微带天线，包括上基板、下基板，

上基板和下基板之间设置有固定柱，所述下基板的上表面设置有主辐射单元，上基板的上表面设置有寄生圆环贴片单元，下基板的底面设置有地板。

所述主辐射单元与地板之间设置有激励端口。

所述主辐射单元是由一个圆形贴片和位于圆形贴片直径上的一对矩形外边缘突起组成。

所述外边缘突起和激励端口在圆形贴片的圆心处所成的夹角为45°。

所述主辐射单元的形状为圆形、椭圆形、矩形或者三角形中的任意一种。

所述寄生圆环贴片单元的周长大于两个波长。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

1、在保持平面微带圆极化天线良好的辐射性能的同时，能有效地拓宽垂直面波瓣宽度，从而提高低仰角增益，并且调试方便。

2、与已有的宽波束圆极化天线相比，本发明具有更简单的结构，更小的尺寸，更轻的重量，从而可以降低生产成本，适用于各种小型终端设备中。

附图说明

图1为本发明寄生圆环贴片单元结构示意图。

图2为本发明正视结构示意图。

图3为本发明主辐射单元结构示意图。

图4是本发明加载寄生圆环贴片单元前后分别对应的右旋增益曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。

实施例

如图1、图2、图3所示，本发明加载寄生圆环的宽波束圆极化微带天线，包括上基板1、下基板2，上基板1和下基板2之间设置有固定柱6、7、8、9，所述下基板2的上表面设置有主辐射单元4，上基板1的上表面设置有寄生圆环贴片单元3，下基板2的底面设置有地板10。所述主辐射单元4与地板10之间设置有激励端口5。固定柱6、7、8、9可采用绝缘柱子或者金属柱子。

主辐射单元4是由一个圆形贴片和位于圆形贴片直径上的一对矩形外边缘突起4-1组成。所述外边缘突起4-1和激励端口5在圆形贴片的圆心处所成的夹角为45°。

所述主辐射单元4的形状为圆形、椭圆形、矩形或者三角形中的任意一种。但是在实际应用中，只要能产生圆极化的辐射性能即可。外边缘突起4-1也可换成向内凹陷、切角或者在贴片上添加微扰电阻等，也可达到同样效果。

所述寄生圆环贴片单元3的周长大于两个波长。当其长度小于两个波长时，寄生圆环贴片单元3上的感应信号呈“容性”，辐射电磁波的相位超前于下方的主辐射贴片4，所以寄生圆环贴片单元3作为天线引向器，起到增加轴向增益，减小后瓣的作用。当其长度略大于两个波长时，寄生圆环贴片单元3的圆环贴片上感应信号呈“感性”，辐射电磁波的相位滞后于下方的主辐射单元4，所以寄生圆环贴片单元3作为天线反射器，起到抑制轴向增益，增加低仰角处增益的作用。

上基板1和下基板2的垂直距离不宜太大，否则整体剖面较高，推荐小于半个波长。通过调节寄生圆环贴片单元3圆环贴片的直径以及上基板1和下基板2间的垂直距离，可以方便地控制天线辐射方向图，实现所要达到的最佳效果。

所述主辐射单元4、寄生圆环贴片单元3和地板10，均可通过印制的方式与上基板1和下基板2结合。

主辐射单元4，主要用以产生圆极化辐射特性。对于传统的圆极化微带天线，垂直面3dB波瓣宽度一般在70°到90°之间，要对其实行进一步的拓宽比较困难。而在已有的平面圆极化天线设计，主要致力于如何拓宽天线的阻抗带宽和轴比带宽，几乎没有考虑到如何增大天线的垂直面波瓣宽度。本发明中的天线在传统的平面微带贴片结构的基础上，通过引入圆环贴片寄生单元3，能有效地拓宽天线的垂直面波瓣宽度。传统的微带贴片天线具有天顶信号最大并且向水平面逐渐减小的半球特性，而圆环贴片天线具有天顶信号最小并且向水平面逐渐增大的轮胎形特性，因此通过叠加圆环贴片天线的方向图，可以降低传统微带贴片天线的天顶信号，增大水平面附近的低仰角增益，从而有效地拓宽垂直面的波瓣宽度。

本发明提出的结构，在对天线低剖面特性影响较小的情况下，大幅度地拓宽天线的垂直面波瓣宽度。由于寄生圆环贴片单元3具有良好的对称性，且位于主辐射单元4的正上方，这样所耦合的能量能均匀地分布在寄生圆环贴片单元3的圆环上，因此叠加后的远场方向图能保持原来良好的全向特性。

本发明通过调节寄生圆环贴片单元3的直径和上基板1、下基板2之间的距离可以有效地控制天线的垂直面波瓣宽度。

为了更好地说明本发明，图4给出了加载寄生圆环贴片单元3前后天线的右旋增益曲线。

如上所述，便可较好地实现本发明。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。