CN114709609B - 低剖面高增益宽轴比波束的圆极化微带天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低剖面高增益宽轴比波束的圆极化微带天线。其结构是在传统的微带贴片天线基础上，在辐射片表面对角线方向开缝，使贴片上的电流沿着槽边流动，电流的“路径变长”等效为电感级联，降低天线的谐振频率。此外，引入缝隙的寄生电容和过孔的寄生电感，可以等效为LC电路，用于调节天线在工作频段上激励出的双谐振频率点，在保证产生90°相位差的同时，降低频率比，得到更宽的轴比波束的圆极化波。结构上，整体十分对称，可以减少一些不必要的耦合干扰，进而优化天线的3‑dB轴比波束对称性。此外，天线的结构相对简单、效果显著且方法易于实现。

Description

低剖面高增益宽轴比波束的圆极化微带天线

技术领域

本发明属于圆极化微带天线技术领域，尤其涉及一种低剖面高增益宽轴比的圆极化微带天线，具体是一种可以在WIFI频段上实现低剖面高增益宽轴比的圆极化微带天线。

背景技术

随着无线通信技术的飞快发展，线极化天线已经不足以满足人们在各种应用场合上的需求，这就对天线的性能和形式提出了不同的要求，而圆极化天线凭借着其独有的极化特性，可以接收任意极化的电磁波，也能让任何极化天线接收到它发出的辐射波，在许多无线应用中发挥着越来越重要的作用。

圆极化天线两种常见的馈电类型：单馈型和双馈型。显然，单馈天线更容易制造，因为它可以通过引入几何扰动，在没有外部馈电网络的情况下实现90°相位差，有利于天线的小型化设计，更容易集成，也更适用于无线通信系统。现代无线通信系统的收发天线大都采用圆极化天线，一方面是得益于它独有的极化特性，另一方面是因为圆极化天线还具有极强的抗干扰能力。线极化天线容易在传输过程发生极化偏转造成信号衰减，而圆极化天线发出的极化波入射到对称目标(如平面、球面等)时会旋向逆转，不同旋向的电磁波具有较大数值的极化隔离，这也意味着圆极化天线可以显著减少由收发天线之间极化失配和多径干扰产生的问题。

圆极化贴片天线辐射的基本原理是产生两个相互垂直的线极化电场分量，然后使其振幅相等，相位差为90°，理论上可以使AR＝0dB，但在实际工程应用中，是不存在完全圆极化的，一般要求轴比不大于3dB即可。

已报道的单馈圆极化天线，宽轴比带宽大都是天线设计师更注重的指标，但是往往忽略另一个重要指标——轴比波束宽度。由于传统微带天线的高频比，使得其轴比波束非常窄。对于单层圆极化贴片天线，一般引入寄生结构提高3-dB轴比波束宽度，如方形环、T形槽等。虽然这种方法可以相对增加轴比波束宽度，但随之会降低阻抗带宽和天线增益。此外，还有一些采用折叠偶极子的形式，然而，这种方法带来了较窄的3-dB半功率波束宽度和相对较大的天线结构。为了提高设备的集成度，宽轴比波束高增益的小型化圆极化天线备受关注。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有技术的不足，提出了一种低剖面高增益宽轴比波束的圆极化微带天线，在传统的微带贴片天线基础上，在辐射片表面对角线方向开缝，使贴片上的电流沿着槽边流动，电流的“路径变长”等效为电感级联，降低谐振频率。此外，引入缝隙的寄生电容和过孔的寄生电感，可以等效为LC电路，用于调节双谐振频率点，在保证产生90°相位差的同时，降低频率比，以达到更宽轴比波束带宽的目的。值得一提的是，贴片开槽以及引入的两对过孔贴片未增加天线尺寸，其结构简单、效果显著且方法易于实现。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种低剖面高增益宽轴比波束的圆极化微带天线，包括

介质基板(1)；

辐射贴片(2)，其位于介质基板(1)的上表面；

系统地板(3)，其位于介质基板(1)的下表面；

同轴馈电端口(8)，其与辐射贴片(2)和系统地板(3)是相互垂直；

其中，所述辐射贴片(2)为方形结构，其四边的中心位置均开有一缺口，所述缺口位置分别设置一金属贴片；所述金属贴片上设有一过孔，所述过孔实现所述金属贴片与系统地板(3)连接；所述金属贴片与所述辐射贴片(2)间留有缝隙；

所述辐射贴片(2)开有矩形槽列(4)；所述矩形槽列(4)包括互不接触的第二矩形槽(6)、第三矩形槽(16)、第五矩形槽(7)和第六矩形槽(15)；所述第二矩形槽(6)、第三矩形槽(16)的中心线位于同一直线，且所述第二矩形槽(6)、第三矩形槽(16)关于所述辐射贴片(2)中心呈中心对称设置；所述第五矩形槽(7)、第六矩形槽(15)关于所述第二矩形槽(6)、第三矩形槽(16)所在直线轴对称设置；所述第二矩形槽(6)、第三矩形槽(16)所在直线与所述辐射贴片(2)的对角线重合；所述第五矩形槽(7)、第六矩形槽(15)与所述第二矩形槽(6)、第三矩形槽(16)所在直线平行设置；

作为优选，所述矩形槽列(4)还包括互不接触的第一矩形槽(5)、第四矩形槽(17)，所述第一矩形槽(5)、第四矩形槽(17)位于所述第二矩形槽(6)、第三矩形槽(16)所在直线的两端；

作为优选，位于所述辐射贴片(2)对面的两金属贴片的过孔距离辐射贴片(2)中心的距离相同；但相邻金属贴片的过孔距离辐射贴片中心的距离不相同；

作为优选，每个金属贴片与所在缺口的两壁间的缝隙等宽；

作为优选，所述的辐射贴片(2)位于介质基板(1)的上表面正中央；

作为优选，位于所述辐射贴片(2)对面的两金属贴片与所述辐射贴片(2)的缝隙等宽；

作为优选，位于所述辐射贴片(2)对面的两金属贴片尺寸大小相同；

作为优选，所述的辐射贴片(2)为中心对称结构，第一矩形槽(5)和第四矩形槽(17)的尺寸一致，第二矩形槽(6)和第三矩形槽(16)的尺寸一致，第五矩形槽(7)和第六矩形槽(15)的尺寸一致；

作为优选，所述的同轴馈电端口(8)设置在金属贴片与天线辐射片间隙、和第三矩形槽(16)、第五矩形槽(7)之间；

作为优选，第二矩形槽(6)、第三矩形槽(16)、第五矩形槽(7)、第六矩形槽(15)、第一矩形槽(5)、第四矩形槽(17)的槽宽均小于0.01个工作波长；

作为优选，位于所述辐射贴片(2)对面的两金属贴片上过孔(13)中心、当前过孔(13)所在金属贴片长边的中心、所述辐射贴片(2)的中心均位于同一直线上。

工作原理：

辐射贴片(2)上沿对角线排列的矩形槽列(4)由第一矩形槽(5)、第二矩形槽(6)、第三矩形槽(16)、第四矩形槽(17)、第五矩形槽(7)和第六矩形槽(15)组成。贴片上的开槽，切断了原先的表面电流路径，增大了贴片表面电流的“流动路径”，在天线等效电路中相当于引入了级联电感。由于槽很窄，它可模拟为在贴片中插入一无限薄的横向磁壁，使得感应出的电流大部分集中在开槽附近。沿着对角线方向的开槽，根据磁流的对偶原理，可以控制贴片表面电流以激励相位差为90°的极化简并模，更好地实现圆极化辐射。第二矩形槽(6)和第三矩形槽(16)是关于中心对称的，一方面是为了得到更为对称的圆极化波，另一方面是为了降低双谐振频率的频率比，低的频率比可以得到更好的圆极化波束宽度。在此基础上加入对称的第一矩形槽(5)和第四矩形槽(17)，可以在尽可能不影响第二矩形槽(6)和第三矩形槽(16)的情况下，加长窄缝的长度，优化圆极化性能。所述的上述矩形槽等效为多对磁偶极子，使得贴片上的电流主要集中在矩形槽周围，伴随着级联电感的引入，降低谐振频率，实现天线尺寸小型化。此外，还加入了第五矩形槽(7)和第六矩形槽(15)，这是为了降低对角线矩形槽与馈电端不完全对称引入的耦合极化，保证E_θ与

在θ方向上更加接近，实现更宽的3-dB波束宽度。

辐射贴片(2)四周设有两对金属贴片对，两对金属贴片对与中心辐射贴片的缝隙等效为寄生电容，两对金属贴片对上的过孔可以等效为寄生电感，构成LC谐振电路，对天线的谐振频率进行调节，可降低谐振频率，实现天线结构的小型化。两对金属贴片对结构是关于中心对称的，为的是减小不对称结构带来的耦合干扰。缝隙间距及过孔位置、孔径大小会直接影响相应的集总参数值，天线的工作频率的改变可以通过调节其参数。相对的过孔距离辐射贴片中心的距离是一致的，但横向和纵向的过孔距离是不同的，这是为了产生θ和

方向上的不同程度的极化，优化Eθ与/>

的指标，实现更佳的圆极化性能。

本发明的有益效果如下：

本发明采用在辐射贴片上设置排列有序的矩形槽，可以有效的增长贴片表面电流的“路径”，等效为引入电感级联，降低天线的谐振频率，而不需要像传统的微带贴片天线那样，加大天线的物理尺寸。此外，辐射贴片四周设置两对金属贴片，其中的缝隙可以等效为寄生电容，金属贴片上的过孔可以等效为寄生电感，形成LC等效电路，对天线的谐振频率进行有效的调节，还能降低天线两个谐振频率的频率比，得到更宽的轴比波束宽度。

附图说明

图1是低剖面高增益宽轴比波束的圆极化微带天线结构俯视示意图。

图2是低剖面高增益宽轴比波束的圆极化微带天线结构侧视示意图。

图3是低剖面高增益宽轴比波束的圆极化微带天线辐射贴片2的结构示意图。

图4是利用仿真软件测得的低剖面高增益宽轴比波束的圆极化微带天线S参数图。

图5是利用仿真软件测得的低剖面高增益宽轴比波束的圆极化微带天线分别在

和/>

时的轴比波束宽度结果图。

图6是利用仿真软件测得的低剖面高增益宽轴比波束的圆极化微带天线分别在

和/>

时的方向图。

具体实施方式

以下是为了将本发明中的技术方案、设计目的以及优点阐述地更加清楚，结合实施例以及附图，对本发明进行更详细说明，此处所用到的具体实施例仅用于说明，并不用于限定本发明。

本发明中所使用的术语“第一”“第二”“第三”等，是用于更好地将各种相似结构或对称结构区分描述，便于读者阅读和理解，但这些结构并不受这些术语的限制。

在本实施例中，如图1所示是本发明中的低剖面高增益宽轴比波束的圆极化微带天线结构俯视示意图，其特征在于，包括介质基板1、辐射贴片2、系统地板3以及矩形槽列4，所述的辐射贴片2位于介质基板1的上表面正中央，且介质基板1的上表面留有一定空白区域。贴片的设计位置也是为了使结构整体上更加对称，有利于天线产生对称的方向性图。所引入的矩形槽列是为了改变贴片表面的电流路径，等效为电感级联，在不增大贴片尺寸的情况下降低天线的谐振频率。

图2所示是低剖面高增益宽轴比波束的圆极化微带天线结构侧视示意图。所述的第一贴片10、第二贴片12、第三贴片19、第四贴片21上都有过孔13，不同贴片上的过孔位置距离辐射贴片2中心的距离不同。上表面的辐射片由穿过地板和介质层的同轴馈电来激励，所述的同轴馈电端口8与辐射贴片2和系统地板3是相互垂直的。基于上述结构，本发明中的过孔是为了引入寄生电感，同缝隙引入的寄生电容组成LC电路，对天线的谐振频率进行更好调节，降低双谐振频率的频率比，得到更宽的轴比波束的圆极化波。

如图3所示，槽、缝隙和贴片都关于贴片中心对称。所述辐射贴片2为方形结构，其四边的中心位置均开有一缺口，四个缺口位置分别设置第一贴片10、第二贴片12、第三贴片19、第四贴片21；第一贴片10与第四贴片21的尺寸大小相同，第二贴片12与第三贴片19的尺寸大小相同；所述第一贴片10、第二贴片12、第三贴片19、第四贴片21左右两侧与所述辐射贴片2间的第五缝隙14等宽，所述第一贴片10、第四贴片21与所述辐射贴片2间分别留有等宽的第一缝隙9和第四缝隙20，所述第二贴片12、第三贴片19与所述辐射贴片2间分别留有等宽的第二缝隙11与第三缝隙18；

所述辐射贴片2开有矩形槽列4；所述矩形槽列4包括依次排列且互不接触的第一矩形槽5、第二矩形槽6、第三矩形槽16、第四矩形槽17、第五矩形槽7、第六矩形槽15；所述第一矩形槽5、第二矩形槽6、第三矩形槽16、第四矩形槽17的中心线位于所述辐射贴片2的对角线，且所述第二矩形槽6、第三矩形槽16关于所述辐射贴片2中心呈中心对称设置；所述第五矩形槽7、第六矩形槽15关于所述第二矩形槽6、第三矩形槽16所在直线轴对称设置；

位于所述辐射贴片(2)对面的两金属贴片的过孔距离辐射贴片(2)中心的距离相同；但相邻金属贴片的过孔距离辐射贴片中心的距离不相同。

第一矩形槽5和第四矩形槽17的尺寸一致，第二矩形槽6和第三矩形槽16的尺寸一致，第五矩形槽7和第六矩形槽15的尺寸一致。

所述的同轴馈电端口8设置在第三矩形槽16、第五矩形槽7和第一缝隙9之间。

在一些更具体的实施例中，所述的第一缝隙9位于第一贴片10和辐射贴片2之间，第二缝隙11位于第二贴片12和辐射贴片2之间，第三缝隙18位于第三贴片19和辐射贴片2之间，第四缝隙20位于第四贴片21和辐射贴片2之间。基于上述结构可知，贴片四周的两对贴片是相对对称的，可以通过调节贴片间的缝隙大小，改变结构带来的寄生电容大小，从而对天线的谐振频率进行调节。

在一些具体的实施例中，所述的辐射贴片2是关于中心对称的，第一矩形槽5和第四矩形槽17的尺寸一致，第二矩形槽6和第三矩形槽16的尺寸一致，第五矩形槽7和第六矩形槽15的尺寸一致。在一些更具体的实施例中，所述的第五矩形槽7和第六矩形槽15设置在第一矩形槽5、第二矩形槽6、第三矩形槽16、第四矩形槽17的两侧。贴片上的矩形槽都呈贴片对角线方向分布，矩形槽列4整体结构中心对称，可以通过调节槽的长宽，或者调节两侧槽距中间槽的距离来改变贴片上表面电流的分布，得到设计所需的谐振模式。

在一些具体的实施例中，所述的同轴馈电端口8中心与竖直方向的过孔13的圆心基本在同一条线上，所述的同轴馈电端口8设置在第三矩形槽16、第五矩形槽7和第一缝隙9之间。激励源的位置要尽可能设置在贴片的中间线上，这样更容易得到圆极化波。

在一些具体的实施例中，所述的四个过孔13的圆心分别位于第一贴片10、第二贴片12、第三贴片19、第四贴片21各长边的中线上。过孔的位置在贴片长边的中线可以使得结构对称，减少一些不必要的耦合干扰，进而优化天线的3-dB轴比波束对称性。

在一些具体的实施例中，所述的介质基板1采用的是聚四氟乙烯玻璃布覆铜箔板即F4B材料，厚度为1.575mm。

在一些具体的实施例中，图4是本发明提出的圆极化天线仿真得到的S₁₁参数结果图，其-10dB阻抗带宽覆盖2.35GHz到2.47GHz频段，设计的工作频点2.41GHz在WIFI频段内，且2.37GHz到2.46GHz频段S参数都小于-15dB,说明此频段的天线匹配较好。

在一些具体的实施例中，图5是利用仿真软件测得的低剖面高增益宽轴比波束的圆极化微带天线分别在

和/>

时的轴比波束宽度结果图。当/>

时，3dB轴比波束宽度为230deg，当/>

时，3dB轴比波束宽度为242deg，说明本发明提出的圆极化天线在2.41GHz上，可以实现接收到极大角度的圆极化信号。

在一些具体的实施例中，图6是利用仿真软件低剖面高增益宽轴比波束的圆极化微带天线分别在φ＝0°和φ＝90°时的方向图。其最大辐射方向上的前后比可以达到11.6dB，可以实现较远距离的信号辐射和接收。

以上所述实施例，描述的比较具体和详细，但不能因此理解为对本申请专利范围的限制。应当指出，对于本领域上的技术人员来说，在不脱离本发明的发明原理的基础上，可以对部分技术进行修改和改进，所进行的任何修改和改进都应在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种低剖面高增益宽轴比波束的圆极化微带天线，其特征在于包括

介质基板(1)；

辐射贴片(2)，其位于介质基板(1)的上表面；

系统地板(3)，其位于介质基板(1)的下表面；

同轴馈电端口(8)，其与辐射贴片(2)和系统地板(3)是相互垂直；

其中，所述辐射贴片(2)为方形结构，其四边的中心位置均开有一缺口，所述缺口位置分别设置一金属贴片；所述金属贴片上设有一过孔，所述过孔实现所述金属贴片与系统地板(3)连接；所述金属贴片与所述辐射贴片(2)间留有缝隙；

所述辐射贴片(2)开有矩形槽列(4)；所述矩形槽列(4)包括互不接触的第二矩形槽(6)、第三矩形槽(16)、第五矩形槽(7)和第六矩形槽(15)；所述第二矩形槽(6)、第三矩形槽(16)的中心线位于同一直线，且所述第二矩形槽(6)、第三矩形槽(16)关于所述辐射贴片(2)中心呈中心对称设置；所述第五矩形槽(7)、第六矩形槽(15)关于所述第二矩形槽(6)、第三矩形槽(16)所在直线轴对称设置；所述第二矩形槽(6)、第三矩形槽(16)所在直线与所述辐射贴片(2)的对角线重合；

所述辐射贴片(2)上矩形槽列(4)实现切断了原先的表面电流路径，增大了辐射贴片(2)表面电流的“流动路径”，在天线等效电路中引入级联电感；所述矩形槽列(4)沿着所述辐射贴片(2)的对角线设置，根据磁流的对偶原理，控制所述辐射贴片(2)表面电流以激励相位差为90°的极化简并模，实现圆极化辐射；

矩形槽列(4)等效为多对磁偶极子，使得所述辐射贴片(2)上的电流主要集中在矩形槽列(4)周围，伴随着级联电感的引入，降低谐振频率，实现天线尺寸小型化；

第五矩形槽(7)和第六矩形槽(15)，实现降低所述辐射贴片(2)对角线上第二矩形槽(6)、第三矩形槽(16)与同轴馈电端口(8)不完全对称引入的耦合极化，保证E_θ与E_φ在θ方向上更加接近，实现更宽的3-dB波束宽度；

所述辐射贴片(2)四周设有两对金属贴片对，两对金属贴片对与辐射贴片(2)的缝隙等效为寄生电容，两对金属贴片对上的过孔等效为寄生电感，构成LC谐振电路，对天线的谐振频率进行调节，可降低谐振频率，实现天线结构的小型化。

2.根据权利要求1所述的一种低剖面高增益宽轴比波束的圆极化微带天线，其特征在于所述矩形槽列(4)还包括互不接触的第一矩形槽(5)、第四矩形槽(17)，所述第一矩形槽(5)、第四矩形槽(17)位于所述第二矩形槽(6)、第三矩形槽(16)所在直线的两端。

3.根据权利要求1所述的一种低剖面高增益宽轴比波束的圆极化微带天线，其特征在于两个位于辐射贴片(2)两侧的金属贴片的过孔距离辐射贴片(2)中心的距离相同；但相邻金属贴片的过孔距离辐射贴片中心的距离不相同。

4.根据权利要求1所述的一种低剖面高增益宽轴比波束的圆极化微带天线，其特征在于两个位于辐射贴片(2)两侧的金属贴片与所述辐射贴片(2)的缝隙等宽。

5.根据权利要求1所述的一种低剖面高增益宽轴比波束的圆极化微带天线，其特征在于两个位于辐射贴片(2)两侧的金属贴片尺寸大小相同。

6.根据权利要求2所述的一种低剖面高增益宽轴比波束的圆极化微带天线，其特征在于所述第一矩形槽(5)和第四矩形槽(17)的尺寸一致，第二矩形槽(6)和第三矩形槽(16)的尺寸一致，第五矩形槽(7)和第六矩形槽(15)的尺寸一致。

7.根据权利要求1所述的一种低剖面高增益宽轴比波束的圆极化微带天线，其特征在于所述的同轴馈电端口(8)设置在第三矩形槽(16)、第五矩形槽(7)和第一缝隙(9)之间。

8.根据权利要求2所述的一种低剖面高增益宽轴比波束的圆极化微带天线，其特征在于所述第二矩形槽(6)、第三矩形槽(16)、第五矩形槽(7)、第六矩形槽(15)、第一矩形槽(5)、第四矩形槽(17)的槽宽均小于0.01个工作波长。

9.根据权利要求1所述的一种低剖面高增益宽轴比波束的圆极化微带天线，其特征在于两个位于辐射贴片(2)两侧的金属贴片上过孔(13)中心、当前过孔(13)所在金属贴片长边的中心、所述辐射贴片(2)中心均位于同一直线上。

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