CN105161835B - 一种宽波束平面圆极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽波束平面圆极化天线，在介质基板上分别设计结构相同、反对称布置的顶层对跖V形辐射单元与底层对跖V形辐射单元、顶层匹配枝节与底层匹配枝节，每个对跖V形辐射单元由两个电基本振子构成，再引入一个非全封闭谐振腔，在不封闭的一面进行辐射，在其顶层和底层边缘中心位置利用相位转换带线实现90°时间相位差，使天线具有宽波束圆极化辐射特性。本发明实现的圆极化天线，其3dB圆极化波束张角受控于每个对跖V形辐射单元的形状和宽度，可实现宽度达180°的半球状圆极化波束，且最大辐射方向平行于天线所在平面，这是以往小型平面微带天线不能实现的特性。本发明具有结构简单，体积小，制作成本低廉等优点。

Description

一种宽波束平面圆极化天线

技术领域

本发明涉及一种宽波束平面圆极化天线，属于微波技术领域。

背景技术

圆极化天线的研究可以追溯到1940年。圆极化天线可以接收任意方向的来波，且其辐射波也可由任意极化的天线收到，故电子侦察和干扰中普遍采用圆极化天线；在通信、雷达的极化分集工作和电子对抗等应用中广泛利用圆极化的旋向正交性；圆极化波入射到理想导体制成的对称目标（如平面、球面等）时，旋向逆转，故圆极化天线应用于移动通信、GPS等能抑制雨雾干扰和多径效应。圆极化天线通常使用平面天线和螺旋天线，这两种天线都可以形成圆极化的半球波束，都可以作为接收系统常用的天线形式，这两种天线可以获得性能优良的圆极化半球波束、同时结构紧凑，对周围的环境有良好的适应性；对于微带天线，由于它具有低剖面、结构紧凑，易于制作和易于集成等优点，在很多实际应用中常被采用，用微带天线产生圆极化的关键是产生两个极化方向正交，幅度相等，相位差90°的线极化波，可利用微带贴片微扰、缝隙加载，多馈电组合等技术手段实现天线的圆极化。

而在卫星导航、通信和射频识别等领域中，还需要天线具有足够宽的3dB轴比波束宽度（即：极化波束宽度），例如：在海事应用中，为了克服船体“纵摇”与“横摇”带来的接收信号不稳定问题，就会对导航或通信天线的低仰角和负仰角增益、轴比特性提出要求，即可能要求天线具有接近180°（半球状）、甚至超过180°的轴比波束宽度；在面向大型货架的仓储管理系统中，为了正确读出大型货架上的全部标签，也会对射频识别读卡器天线提出宽波束的要求。然而，目前多数平面圆极化天线的3dB轴比波束宽度都比较窄，通常不超过150°。如果要实现宽波束设计，必须采用结构工艺复杂的立体螺旋结构，这就会增加天线的结构复杂度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种宽波束平面圆极化天线，该天线不仅具有良好的圆极化性能，辐射方向平行于天线平面，且3dB圆极化波束张角可展宽至180°，结构简单、体积小、剖面尺寸低且便于制作实现。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种宽波束平面圆极化天线，包括介质基板；介质基板的上表面设置有依次连接的顶层对跖V形辐射单元、顶层匹配枝节、顶层相位转换带线；介质基板的下表面设置有依次连接的底层对跖V形辐射单元、底层匹配枝节、底层相位转换带线；其中，顶层对跖V形辐射单元与底层对跖V形辐射单元具有相同的结构与尺寸，且相对于介质基板反对称排布；顶层匹配枝节与底层匹配枝节具有相同的结构与尺寸，且相对于介质基板反对称排布；顶层相位转换带线与底层相位转换带线具有相同的结构与尺寸，且相对于介质基板反对称排布；介质基板的上下表面之间形成一个一面非封闭的长方体谐振腔，该谐振腔的非封闭面垂直于介质基板的表面，该谐振腔的非封闭面的上端和下端分别通过渐变结构与顶层相位转换带线、底层相位转换带线连接；顶层对跖V形辐射单元、底层对跖V形辐射单元形成一个开口对称环路，其开口方向朝向谐振腔的非封闭面，且开口对称环路在介质基板上的投影位置与谐振腔的位置不重叠。

作为本发明的进一步优化方案，顶层对跖V形辐射单元与底层对跖V形辐射单元均是由两个电基本振子构成的V形结构。

作为本发明的进一步优化方案，上述两个电基本振子之间夹角的范围为60°到140°。

作为本发明的进一步优化方案，上述两个电基本振子宽度的范围为2毫米到8毫米。

作为本发明的进一步优化方案，顶层相位转换带线与底层相位转换带线的长度为四分之一波长到八分之三波长，实现90°时间相位差。

作为本发明的进一步优化方案，谐振腔、顶层对跖V形辐射单元与底层对跖V形辐射单元(4)采用同轴线进行激发，其中，谐振腔的上表面与同轴线的内导体相连，谐振腔的下表面与同轴线外导体相连。

作为本发明的进一步优化方案，谐振腔与顶层相位转换带线、底层相位转换带线之间连接的渐变结构具有下倾角，其范围为：50°到90°。

作为本发明的进一步优化方案，顶层对跖V形辐射单元与顶层匹配枝节、底层对跖V形辐射单元与底层匹配枝节之间的连接处均具有始端倾角，其范围为：30°到60°。

作为本发明的进一步优化方案，顶层对跖V形辐射单元、底层对跖V形辐射单元的中心具有中心倾角，其范围为20°到60°。

作为本发明的进一步优化方案，介质基板的介电常数为2至20。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明具有良好的圆极化性能，辐射方向平行于天线平面，且3dB圆极化波束张角可展宽至180°，结构简单、体积小、剖面尺寸低且便于制作实现。

附图说明

图1是天线的正面结构与参考坐标示意图。

图2是天线的侧面结构与参考坐标示意图。

图3是天线的三维立体示意图与参考坐标示意图。

其中，1是介质基板，2是谐振腔，3是顶层对跖V形辐射单元，4是底层对跖V形辐射单元，5是顶层相位转换带线，6是底层相位转换带线，7是顶层匹配枝节，8是底层匹配枝节，9是始端倾角，10是两个电基本振子之间的夹角，11、12是中心倾角，13是谐振腔上表面，14是谐振腔下表面，15是下倾角，16是同轴线内导体，17是同轴线外导体。

图4是采用IE3D软件计算的天线在+x轴和+z轴方向的轴比示意图。

图5是采用IE3D软件计算的天线反射系数特性。

图6是采用IE3D软件计算的天线增益图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

对照附图1、图2，图3，本发明一种宽波束平面圆极化天线的结构是：包括介质基板1；介质基板1的上表面设置有依次连接的顶层对跖V形辐射单元3、顶层匹配枝节7、顶层相位转换带线5；介质基板1的下表面设置有依次连接的底层对跖V形辐射单元4、底层匹配枝节8、底层相位转换带线6；其中，顶层对跖V形辐射单元3与底层对跖V形辐射单元4具有相同的结构与尺寸，且相对于介质基板1反对称排布；顶层匹配枝节7与底层匹配枝节8具有相同的结构与尺寸，且相对于介质基板1反对称排布；顶层相位转换带线5与底层相位转换带线6具有相同的结构与尺寸，且相对于介质基板1反对称排布；介质基板的上下表面之间形成一个一面非封闭的长方体谐振腔2，该谐振腔2的非封闭面垂直于介质基板1的表面，该谐振腔2的非封闭面的上端和下端分别通过渐变结构与顶层相位转换带线5、底层相位转换带线6连接；顶层对跖V形辐射单元3、底层对跖V形辐射单元4形成一个开口对称环路，其开口方向朝向谐振腔2的非封闭面，且开口对称环路在介质基板1上的投影位置与谐振腔2的位置不重叠。

谐振腔2产生全向、极化垂直于天线平面的辐射电场，顶层对跖V形辐射单元3、底层对跖V形辐射单元4组合成开口环路产生“心脏线”形、极化平行于天线平面的辐射电场，满足圆极化天线条件之一；顶层相位转换带线5和底层相位转换带线6长度在四分之一波长到八分之三波长范围时，实现90°时间相位差，满足圆极化天线条件之二，因此谐振腔和组合开口环路两种单元产生的辐射电场可具有圆极化特性。

顶层对跖V形辐射单元3与底层对跖V形辐射单元4均是由两个电基本振子构成的V形结构。天线的3dB轴比波束宽度，受控于两个电基本振子之间的夹角10，其范围为60°到140°，也受控于每个电基本振子的宽度，范围为2毫米到8毫米。本发明天线的3dB圆极化波束张角受控于电基本振子的形状和宽度，可实现波束宽度达180°的半球状圆极化波束，且最大辐射方向平行于天线所在平面。

谐振腔2与顶层相位转换带线5、底层相位转换带线6之间连接的渐变结构具有下倾角15，其范围为：50°到90°；顶层对跖V形辐射单元3与顶层匹配枝节7、底层对跖V形辐射单元4与底层匹配枝节8之间的连接处均具有始端倾角9，其范围为：30°到60°；顶层对跖V形辐射单元3、底层对跖V形辐射单元4的中心具有中心倾角11、12，其范围为20°到60°。

对照附图4，附图4是介质基板1按照相对介电常数为2.2、厚为1毫米，顶层和底层对跖V形辐射单元右端的始端倾角9按照40°、顶层和底层对跖V形辐射单元中两个电基本振子之间的夹角10按照125°，顶层和底层对跖 V形辐射单元的中心倾角11和12分别按照35°和20°、谐振腔2的非封闭面与介质基板的边缘的下倾角按照85°，利用IE3D软件仿真计算得到的天线在+x轴和+z轴方向的轴比特性。实线表示该天线在xoz平面的轴比，虚线表示在xoy平面的轴比，由图很明显可以看出，该天线在这两个平面均有小于3dB的带宽，并且两者有相交的频段，由此可得出该天线在最大辐射方向上的波束张角已达到180°。

附图5是采用IE3D软件计算的天线反射系数特性，由图可知，该天线带宽覆盖了5.38-5.76GHz频段，相对带宽为6.82%，中心频率在5.52GHz，该天线具有一定的阻抗带宽。附图6是采用IE3D软件计算的天线增益，由图可知，在天线谐振频率的最大辐射方向上，增益可以达到2.2dBi，比较稳定。

综上所述，本发明宽波束平面圆极化天线的3dB圆极化波束张角可达180°，并且最大辐射方向平行于天线平面。该天线不但具有螺旋天线的圆极化半球波束性能和其他天线的端射特性，而且有着低剖面和简单的结构，在没有附加结构的同时有着较好的圆极化性能，应用前景非常广泛，在性能优化之后，该天线可以解决例如背景技术提出的诸多难题。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种宽波束平面圆极化天线，其特征在于，包括介质基板(1)；

介质基板(1)的上表面设置有依次连接的顶层对跖V形辐射单元(3)、顶层匹配枝节(7)、顶层相位转换带线(5)；介质基板(1)的下表面设置有依次连接的底层对跖V形辐射单元(4)、底层匹配枝节(8)、底层相位转换带线(6)；其中，顶层对跖V形辐射单元(3)与底层对跖V形辐射单元(4)具有相同的结构与尺寸，且相对于介质基板(1)反对称排布；顶层匹配枝节(7)与底层匹配枝节(8)具有相同的结构与尺寸，且相对于介质基板(1)反对称排布；顶层相位转换带线(5)与底层相位转换带线(6)具有相同的结构与尺寸，且相对于介质基板(1)反对称排布；

介质基板的上下表面之间形成一个一面非封闭的长方体谐振腔(2)，该谐振腔(2)的非封闭面垂直于介质基板(1)的表面，该谐振腔(2)的非封闭面的上端和下端分别通过渐变结构与顶层相位转换带线(5)、底层相位转换带线(6)连接；

顶层对跖V形辐射单元(3)、底层对跖V形辐射单元(4)形成一个开口对称环路，其开口方向朝向谐振腔(2)的非封闭面，且开口对称环路在介质基板(1)上的投影位置与谐振腔(2)的位置不重叠；

顶层对跖V形辐射单元(3)与底层对跖V形辐射单元(4)均是由两个电基本振子构成的V形结构；天线的3dB轴比波束宽度，受控于两个电基本振子之间的夹角(10)，夹角范围为60°到140°，也受控于每个电基本振子的宽度，宽度范围为2毫米到8毫米，以实现波束宽度达180°的半球状圆极化波束，且最大辐射方向平行于天线所在平面。

2.根据权利要求1所述的一种宽波束平面圆极化天线，其特征在于，顶层相位转换带线(5)与底层相位转换带线(6)的长度为四分之一波长到八分之三波长，实现90°时间相位差。

3.根据权利要求1所述的一种宽波束平面圆极化天线，其特征在于，谐振腔(2)、顶层对跖V形辐射单元(3)与底层对跖V形辐射单元(4)采用同轴线进行激发，其中，谐振腔(2)的上表面(13)与同轴线的内导体(16)相连，谐振腔(2)的下表面(14)与同轴线外导体(17)相连。

4.根据权利要求1所述的一种宽波束平面圆极化天线，其特征在于，谐振腔(2) 与顶层相位转换带线(5)、底层相位转换带线(6)之间连接的渐变结构具有下倾角(15)，其范围为：50°到90°。

5.根据权利要求1所述的一种宽波束平面圆极化天线，其特征在于，顶层对跖V形辐射单元(3)与顶层匹配枝节(7)、底层对跖V形辐射单元(4)与底层匹配枝节(8)之间的连接处均具有始端倾角(9)，其范围为：30°到60°。

6.根据权利要求1所述的一种宽波束平面圆极化天线，其特征在于，顶层对跖V形辐射单元(3)、底层对跖V形辐射单元(4)的中心具有中心倾角(11，12)，其范围为20°到60°。

7.根据权利要求1所述的一种宽波束平面圆极化天线，其特征在于，介质基板(1)的介电常数为2至20。