一种具有宽频带的圆极化贴片天线

摘要

本发明涉及一种具有宽频带的圆极化贴片天线，包括接地板、辐射单元和金属板；所述辐射单元设置在所述接地板上方，所述金属板依次垂直设置在所述接地板四周，且所述金属板与所述接地板中心的距离相同。本发明提供的圆极化贴片天线，具有较宽频带，且不额外增加天线面积尺寸，布局紧凑。

说明书

技术领域

本发明涉及微波技术领域，更具体地说，涉及一种具有宽频带的圆极化贴片天线。

背景技术

天线是一种电子装置，能够将电流转换成无线电波，或者将无线电波转换成电流。天线通常和无线电发射机或接收机一起使用，并作为无线电发射或接收系统的一部分。天线被广泛应用于诸如无线电广播、电视、雷达、手机和卫星通信等系统。

按照惯例来理解，天线极化是指其所辐射的远区电场矢量的方向。天线的极化有两种典型形式，即：线极化和圆极化天线。对于线极化波，无线电波的电场沿着一个方向来回振荡。这使得天线接收无线电波的能力会受到其方向的影响，即会有极化损耗。只有当天线的极化方向和无线电波的极化方向相同时，才能无损的接收无线电波。在圆极化中，无线电波的电场矢量绕着传播轴以无线电频率呈圆形旋转。因此，圆极化天线能够降低因发射机天线与接收机天线未对准而造成的损耗，并能够抑制由建筑物和地面造成的多径效应，被广泛应用于全球定位系统、卫星通信与导航系统、射频识别系统等。

目前国内外研究者对于宽带圆极化贴片天线做了一些研究。但是已有文献所提出的这些宽带圆极化贴片天线大都需要额外引入功分器或正交耦合器来进行双馈，或者需要采用外加辐射单元或极化器，这些都不可避免的会增加天线系统复杂度和面积尺寸。

因此，亟需提出一种紧凑型的宽带圆极化贴片天线。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的缺陷，提供一种具有宽频带的紧凑型圆极化贴片天线。

本发明解决技术问题采用的技术手段是：提供一种具有宽频带的圆极化贴片天线，包括接地板、辐射单元和金属板；所述辐射单元设置在所述接地板上方，所述金属板依次垂直设置在所述接地板四周，且所述金属板与所述接地板中心的距离相同。

本发明实施例提供的圆极化贴片天线中，所述辐射单元是缺角贴片，所述缺角贴片悬空设置在所述接地板上方。

本发明实施例提供的圆极化贴片天线中，所述接地板呈正方形状，所述缺角贴片是被切除一组对角的正方形状，所述金属板有4个，依次垂直设置在所述接地板四周，且4个金属板互不连接。

本发明实施例提供的圆极化贴片天线中，所述辐射单元是相互垂直的两对偶极子贴片；所述圆极化贴片天线还包括设置在所述接地板上方的介质基板，所述两对偶极子贴片蚀刻在所述介质基板的上下表面上。

本发明实施例提供的圆极化贴片天线中，每对偶极子贴片分别包括两个相同的矩形贴片臂，每对偶极子贴片的两个矩形贴片臂分别蚀刻在所述介质基板的上表面和下表面上，同一表面的两个矩形贴片臂通过四分之一波长印刷开口圆环连接，且两个印刷开口圆环分别焊接至馈电同轴电缆的内导体和外导体上，所述馈电同轴电缆的外导体焊接至所述接地板上。

本发明实施例提供的圆极化贴片天线中，所述接地板和所述介质基板均呈正方形状，所述金属板有4个，依次垂直设置在所述接地板四周，且4个金属板互不连接。

本发明另一实施例还提供一种具有宽频带的圆极化贴片天线，包括接地板、缺角贴片和金属板；所述接地板呈正方形状，所述缺角贴片是被切除一组对角的正方形状，所述缺角贴片悬空设置在所述接地板上方，4个金属板依次垂直设置在所述接地板四周，所述4个金属板与所述接地板中心的距离相同，且所述4个金属板互不连接。

本发明又一实施例还提供一种具有宽频带的圆极化贴片天线，包括接地板、相互垂直的两对偶极子贴片及金属板；所述圆极化贴片天线还包括设置在所述接地板上方的介质基板，所述接地板和所述介质基板均呈正方形状；所述两对偶极子贴片蚀刻在所述介质基板的上下表面上；每对偶极子贴片分别包括两个相同的矩形贴片臂，每对偶极子贴片的两个矩形贴片臂分别蚀刻在介质基板的上表面和下表面上，同一表面的两个矩形贴片臂通过四分之一印刷开口圆环连接，且两个印刷开口圆环分别焊接至馈电同轴电缆的内导体和外导体上，所述馈电同轴电缆的外导体焊接至所述接地板上；所述金属板有4个，依次垂直设置在所述接地板四周，且4个金属板互不连接。

实施本发明提供的圆极化贴片天线，具有以下有益效果：通过在简单圆极化贴片天线结构四周垂直设置金属板，在金属板上产生正交电流，从而在原有工作频带附近形成额外的阻抗匹配通带和轴比通带，极大展宽了圆极化贴片天线的带宽。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一优选实施例中的具有宽频带的圆极化贴片天线的立体结构示意图；

图2是图1所示圆极化贴片天线的俯视图；

图3是图1所示圆极化贴片天线(天线II)与现有技术圆极化贴片天线(天线I)进行对比的反射系数仿真图；

图4是图1所示圆极化贴片天线(天线II)与现有技术圆极化贴片天线(天线I)进行对比的轴比仿真图；

图5是本发明另一优选实施例的具有宽频带的圆极化贴片天线的侧视图；

图6是图5所示圆极化贴片天线的俯视图；

图7是图5所示圆极化贴片天线(天线III)与现有技术圆极化贴片天线(天线IV)进行对比的反射系数仿真图；

图8是图5所示圆极化贴片天线(天线III)与现有技术圆极化贴片天线(天线IV)进行对比的轴比仿真图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明提供一种具有宽频带的圆极化贴片天线，包括接地板、辐射单元和金属板；所述辐射单元设置在所述接地板上方，所述金属板依次垂直设置在所述接地板四周，且所述金属板与所述接地板中心的距离相同。

本发明通过在简单圆极化贴片天线结构四周垂直设置金属板，在金属板上产生正交电流，从而在原有工作频带附近形成额外的阻抗匹配通带和轴比通带，极大展宽了圆极化贴片天线的带宽。

图1和图2分别是本发明一优选实施例中的具有宽频带的圆极化贴片天线的立体结构示意图和俯视图。参照图1以及图2所示，在本实施例中，该具有宽频带的圆极化贴片天线1包括接地板11、缺角贴片12和4个金属板131、132、133、134。所述接地板11呈正方形状，所述缺角贴片12是被切除一组对角的正方形状，所述缺角贴片12悬空设置在所述接地板11上方，4个金属板131、132、133、134依次垂直设置在所述接地板11上表面的四周，所述4个金属板131、132、133、134与所述接地板11的中心的距离相同。需要注意的是，贴片天线中的金属板131、132、133、134不要相互连接，否则其性能将明显恶化。

如图1-2所示，缺角贴片12的边长为a，位于所述接地板11上方高度为h处，接地板的边长为g。缺角贴片12的一对斜对角各切除了一个三角部分，该三角部分的边长为d。基于这种配置，单端口馈电可以同时激励出两种正交模式，从而产生带宽约为4％的圆极化辐射。为了增大带宽，在所述接地板1的四周依次设置4个矩形金属板131、132、133、134，每个金属板131、132、133、134分别具有相同的长度l和宽度w，且每个金属板131、132、133、134与接地板11中心之间的距离均为p。该圆极化贴片天线由位于(-x₀，y₀)处的同轴探针进行激励，辐射出右旋圆极化波。将切角贴片、金属板及馈电探针关于x轴镜像，可以得到左旋圆极化波。

图3是图1所示圆极化贴片天线(天线II)与现有技术圆极化贴片天线(天线I)进行对比的反射系数仿真图；图4是图1所示圆极化贴片天线(天线II)与现有技术圆极化贴片天线(天线I)进行对比的轴比仿真图。其中，天线I是传统的缺角圆极化贴片天线，而天线II是本发明优选实施例提供的缺角圆极化贴片天线。从图3-4的仿真结果中可以看出，金属板131、132、133、134的加入并不会明显影响缺角贴片天线的原始工作频带，但会在其旁边产生额外的阻抗匹配通带和轴比通带，使得改进后圆极化贴片天线的带宽可以达到21.6％。

设计这种具有宽频带的圆极化贴片天线时，设计者可以先设计缺角贴片天线，调节缺角贴片参数a、d、h和馈电位置(-x₀，y₀)，得到所需中心频率f₀的圆极化辐射。然后，在缺角贴片周围设置4个金属板，金属板的初始尺寸为l＝a，w＝0.25λ₀，p＝0.6a。然后，调节l、w、p，得到所需的与缺角贴片天线工作频带相邻的通带。最后，对每个参数进行微调，得到最佳带宽。

需要说明的是，除了缺角型圆极化贴片天线以外，本发明还可以应用于其它圆极化贴片天线，例如U槽型圆极化贴片天线、探针加载型圆极化贴片天线、堆叠型圆极化贴片天线等。当然，除了这些单馈电天线外，本发明还可以应用于双馈电甚至多馈电圆极化贴片天线。下面将以交叉偶极子圆极化贴片天线为例进行说明。

图5和图6分别是本发明另一优选实施例中的具有宽频带的圆极化贴片天线的侧视图和俯视图。参照图5以及图6所示，在本实施例中，该具有宽频带的圆极化贴片天线2包括接地板21、相互垂直的两对偶极子贴片231和232、及4个金属板241、242、243、244。所述圆极化贴片天线2还包括设置在所述接地板21上方的介质基板22，所述接地板21和所述介质基板22均呈正方形状。所述两对偶极子贴片231、232蚀刻在所述介质基板22的上下表面上。每对偶极子贴片231、232分别包括两个相同的矩形贴片臂，每对偶极子贴片231、232的两个矩形贴片臂分别蚀刻在介质基板的上表面和下表面上，同一表面的两个矩形贴片臂通过四分之一波长印刷开口圆环连接。所述金属板241、242、243、244依次垂直设置在所述接地板21四周，且4个金属板241、242、243、244互不连接。其中，基板22位于接地板21上方高度为h处，矩形贴片臂的长度为l₁，宽度为w₁。

两个四分之一印刷开口圆环分别焊接至馈电同轴电缆的内导体和外导体上。通过这种配置，在交叉偶极子贴片之间形成了90°相位差，从而产生圆极化辐射。馈电同轴电缆的外导体还需要焊接至接地板21上，用作反射器来提供单向辐射。

图7是图5所示圆极化贴片天线(天线III)与现有技术圆极化贴片天线(天线IV)进行对比的反射系数仿真图；图8是图5所示圆极化贴片天线(天线III)与现有技术圆极化贴片天线(天线IV)进行对比的轴比仿真图。其中，天线III是传统的交叉偶极子圆极化贴片天线，而天线IV是本发明优选实施例提供的交叉偶极子圆极化贴片天线。从图7-8的仿真结果中可以看出，现有技术中使用这种诸如矩形贴片臂的传统偶极子圆极化贴片天线，可以实现约30％的带宽；而本发明优选实施例中，为了进一步展宽工作带宽，在接地板21的边角依次增加4个长度l、宽度w的矩形金属板，由于交叉偶极子贴片与垂直金属板之间的强耦合，在金属板上会产生正交电流，能明显增大阻抗匹配带宽和轴比带宽。此时，使用金属板后的改进型圆极化贴片天线的带宽可以达到106.1％。由于馈电信号的相位沿顺时针方向增加，所述天线产生左旋圆极化波辐射，将交叉偶极子和垂直金属板关于x轴镜像，可以得到右旋圆极化波辐射。

设计这种具有宽频带的交叉偶极子圆极化贴片天线，设计者可以首先设计覆盖较高工作频带的传统交叉偶极子贴片天线(其中偶极子贴片长度l₁、宽度w₁、高度h)；然后，在接地板的边角设置4个金属板，金属板的原始长度为l＝1.5w₁，w＝h；接着，通过调节偶极子贴片长度和金属板宽度来调节低频带的响应，并通过调节偶极子宽度来调节高频带的响应。最后，微调每个尺寸参数，获得最优带宽的设计。

可以理解地，本实施例中所涉及的各个尺寸参数只是一种优选实施方式下的情况，其不应该作为限制本发明保护范围的条件，其各个尺寸参数可以根据实际需要进行对应的变换。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。