一种基于非对称偶极子的宽频带高增益圆极化天线

技术领域

本发明涉及无线通信领域中的天线设计技术，特别涉及一种基于非对称偶极子宽频带高增益圆极化天线。

背景技术

随着信息时代的高速发展，无线通信系统对天线辐射的稳定性要求越来越高。相较于线极化天线，圆极化天线拥有诸多优点：圆极化天线可以接收任意线极化波，且任意圆极化波可以被线极化天线接收；圆极化波具有旋向正交性，左右旋圆极化波互不干扰，因此在传播过程中具有很好的多径抗干扰性。此外，为了提高通信速率与通信容量，电子系统的宽带化已成为重要的发展趋势，因此宽频带圆极化天线的设计也成为天线领域的研究热点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是利用非对称偶极子实现宽频带特性，并通过环形馈电结构对偶极子进行等相位差平衡馈电，实现一种宽频带高增益圆极化天线。此天线具有频带宽、结构简单、增益高、带内增益稳定等优点。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种基于非对称偶极子的宽频带高增益圆极化天线，天线具有双层结构，上层为印刷在介质板上的具有旋转对称特性的辐射结构和环形馈电结构，其中辐射结构包括位于介质板边缘的四对非对称偶极子，每对偶极子包含一个梯形长臂和一个梯形短臂；环形馈电结构包括位于介质板中心的一个宽频带90°移相器和四组渐变平行双线；下层为反射地板；

所述介质板和反射地板平行放置，通过四根尼龙圆柱连接。

所述长臂和短臂均为由直角三角形切角而成的梯形金属贴片，切角部分为直角三角形。

所述四对非对称偶极子旋转对称，且长臂印制在介质板的上表面，短臂印制在介质板的下表面，每对长臂和短臂与每组渐变平行双线连接。

所述宽频带90°移相器包括上层渐变弧形贴片和下层接地贴片，且每个宽频带90°移相器与四组渐变平行双线连接。

所述上层渐变弧形贴片由一段直线贴片和三段90°弧形贴片组成，下层接地贴片由一个圆形贴片和四个直线枝节组成。

所述渐变平行双线包括上下两层梯形金属贴片，且两层贴片尺寸一致。

所述介质板选用FR4介质板；反射地板选用为铝板。

相对于现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明基于非对称偶极子结构，利用小型化宽频带90°移相器，设计发明了一种新型的基于非对称偶极子的宽频带高增益圆极化天线。为了拓展天线的工作带宽，采用了非对称偶极子结构，使得其端口阻抗变化更为平稳，从而可以在较宽频带内实现良好的阻抗匹配。同时，采用环形馈电结构对偶极子馈电，不仅能够为四对偶极子的馈电提供90°相位差，还能够为四对偶极子平衡馈电。该天线的馈电方式为同轴底馈，依次连接90°移相器、平行双线和不对称偶极子，整个馈电网络和辐射结构印制在同一介质板上，因此该天线结构简单易于加工。此外，将辐射结构放置在反射地板上方，使天线辐射具有良好的定向性并保持较高的增益，保证天线在工作频段内的最大辐射方向都为边射方向。

在天线中心频率为1.7GHz，-10dB阻抗带宽不小于96％，3dB轴比带宽达到44％；天线的XOZ面方向图与YOZ面方向图基本一致；最大增益不小于10dBic，带内增益稳定。该天线具有频带宽、结构简单、增益高、带内增益稳定等优点，适合用于电子对抗、射频识别、卫星导航和遥感监测等无线通信领域。

附图说明

图1为本发明圆极化天线的立体结构透视图；

图2为本发明圆极化天线的整体结构俯视图；

图3为本发明圆极化天线的反射系数曲线图；

图4为本发明圆极化天线的轴比曲线图；

图5为本发明圆极化天线在1.4GHz的XOZ面归一化辐射方向图；

图6为本发明圆极化天线在1.4GHz的YOZ面归一化辐射方向图；

图7为本发明圆极化天线在1.7GHz的XOZ面归一化辐射方向图；

图8为本发明圆极化天线在1.7GHz的YOZ面归一化辐射方向图；

图9为本发明圆极化天线在2.0GHz的XOZ面归一化辐射方向图；

图10为本发明圆极化天线在2.0GHz的YOZ面归一化辐射方向图；

图11为本发明圆极化天线的主极化增益曲线图。

图中：1、介质板；2、反射地板；3、梯形长臂；4、梯形短臂；5、渐变弧形贴片；6、接地贴片；7、梯形金属贴片；8、梯形金属贴片；9、同轴馈电端口；10、尼龙圆柱。

具体实施方式

为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。

如图1和图2所示，为本发明的基于非对称偶极子的宽频带高增益圆极化天线的结构透视图和俯视图。该天线具有双层结构，上层为印刷在介质板1上的具有旋转对称特性的辐射结构和环形馈电结构，下层为反射地板2。具体为：

辐射结构具体为四对非对称偶极子，每对偶极子包含一个梯形长臂3和一个梯形短臂4，长臂3印制在介质板1的上表面，短臂4印制在介质板1的下表面。长臂和短臂均为由直角三角形切角而成的梯形金属贴片，切角部分为直角三角形。

环形馈电结构包括一个宽频带90°移相器和四组渐变平行双线，每对长臂2和短臂3与每组渐变平行双线连接。宽频带90°移相器的上层渐变弧形贴片5由一段直线贴片和三段90°弧形贴片组成，下层接地贴片6由一个圆形贴片和四个直线枝节组成，平行双线由上下两层梯形金属贴片7和8组成，上下两层梯形金属贴片片尺寸一致。该环形馈电结构为辐射结构平衡馈电并提供90°的馈电相位差。

天线的馈电方式为同轴底馈，同轴馈电圆面9依次连接90°移相器、平行双线和不对称偶极子，整个馈电网络和辐射结构印制在同一介质板上。

反射地板2为一块方形铝板，能使天线定向辐射，保持良好的辐射前后比。

介质板1和反射地板2平行放置，介质板1放置在反射地板2的上方，通过四根尼龙圆柱10连接在一起，最终实现宽频带高增益圆极化天线的辐射。

在一个实施例中：

介质板为120mm×120mm×1mm的FR4，介电常数4.4；反射地板为200×200mm×1mm的铝板。

以上这些结构的相互密切配合，并进行优化设计，以实现工作在较宽频带下的圆极化天线。

其他结构尺寸见表1所示。

表1

其中：W1为方形介质板的边长；W2为方形铝板的边长；W31、W32和W33分别为非对称折叠偶极子长臂的直角边边长；W41、W42和W43分别为非对称折叠偶极子短臂的直角边边长；W51、W52、W53和W54分别为宽频带90°移相器的上层渐变弧形贴片的各段宽度；R5为宽频带90°移相器的上层渐变弧形贴片的半径；W6为宽频带90°移相器的下层接地贴片的直线枝节宽度；R61和R62分别为宽频带90°移相器的下层接地贴片的内半径和外半径；W71和W72分别为渐变平行双线的梯形金属贴片上下边的边长；D9为同轴馈电圆面的直径；D10为尼龙圆柱的直径；H为介质板与铝板之间的间距。

本发明天线的宽频带高增益工作原理为：非对称偶极子的阻抗曲线在较宽频带内比较稳定，通过对四对旋转对称的非对称偶极子进行等幅等90°相位差馈电，可以实现天线在宽频带内的圆极化辐射特性；同轴馈电圆面9依次连接90°移相器、平行双线和不对称偶极子，为每对偶极子的馈电相位提供90°相位差并实现平衡差分馈电；最后将介质板水平放置在反射地板上方，使天线能够沿边射方向定向辐射，并具有较高的增益。以上结构共同作用，最终形成了一个性能良好的宽频带高增益圆极化天线。

本发明基于非对称偶极子结构，利用小型化环形馈电网络为辐射结构馈电，设计出一款新型宽频带低剖面圆极化天线。通过调节非对称偶极子的结构尺寸、宽频带90°移相器尺寸和渐变平行双线尺寸，可以快速调整该圆极化天线的工作频带。

如图3所示，为本实施例的反射系数曲线图。作为优选方案，宽频带圆极化天线的中心频率为1.7GHz，-10dB阻抗带宽不小于96％。

如图4所示，为本实施例的轴比参数曲线图。作为优选方案，宽频带圆极化天线的中心频率为3GHz，3dB轴比带宽达到44％。

如图5所示，为本实施例在1.4GHz的XOZ面归一化辐射方向图，在主辐射方向具有良好的定向性，交叉极化低于-19.0dB。

如图6所示，为本实施例在1.4GHz的YOZ面归一化辐射方向图，在主辐射方向具有良好的定向性，交叉极化低于-19.0dB。

如图7所示，为本实施例在1.7GHz的XOZ面归一化辐射方向图，在主辐射方向具有良好的定向性，交叉极化低于-19.2dB。

如图8所示，为本实施例在1.7GHz的YOZ面归一化辐射方向图，在主辐射方向具有良好的定向性，交叉极化低于-19.2dB。

如图9所示，为本实施例在2.0GHz的XOZ面归一化辐射方向图，在主辐射方向具有良好的定向性，交叉极化低于-26.5dB。

如图10所示，为本实施例在2.0GHz的YOZ面归一化辐射方向图，在主辐射方向具有良好的定向性，交叉极化低于-26.5dB。

如图11所示，为本实施例的主极化增益曲线图，最大增益不小于10dBic，带内增益稳定。

以上对本发明所提供的一种宽频带高增益圆极化天线进行了详细介绍，并应用了详细的结构设计参数对本发明的原理及实施方式进行了阐述及实现。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。