專利名稱：圓極化差分饋電貼片天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域的天線，尤其是應(yīng)用于圓極化的貼片天線。
技術(shù)背景
近年來，雷達(dá)、全球定位系統(tǒng)、蜂窩通信等無線電通信技術(shù)發(fā)展迅猛。對無線電通信持續(xù)增長的需求使越來越多的研究者投入到無線電通信系統(tǒng)的創(chuàng)新開發(fā)之中。在無線電通信系統(tǒng)中，天線是一個核心元件。和線極化天線相比，圓極化天線具有更寬的接收和發(fā)射方位角，更好的移動性，以及更好的天氣適應(yīng)性等優(yōu)點，所以被更廣泛地應(yīng)用在無線通信當(dāng)中。
近年來，無線射頻識別技術(shù)(RadioFrequency Identification,簡稱 RFIDMfl 發(fā)展越來越快，在交通、物流、監(jiān)控等多個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。RFID系統(tǒng)中，當(dāng)閱讀器天線為圓極化天線時，該天線對擺放不同角度和位置的標(biāo)簽都能夠進(jìn)行有效的讀取。因為圓極化天線的輻射電場是旋轉(zhuǎn)的，可以與任何方向的線極化天線進(jìn)行通信，而標(biāo)簽一般是線極化的，因此閱讀器天線能與標(biāo)簽進(jìn)行良好的通信。在實際通信過程中，標(biāo)簽的位置經(jīng)常擺放不規(guī)則，因此圓極化天線在RFID領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。
現(xiàn)在的圓極化天線多為單端形式的天線。而在射頻電路中，差分電路由于其優(yōu)良的特性使用越來越普遍。如果采用單端天線和差分電路互連，需要在中間加巴倫進(jìn)行不平衡到平衡轉(zhuǎn)換，巴倫會帶來額外的損耗，并且還存在幅度相位的不平衡性，影響天線的輻射性能。發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明提出了圓極化差分饋電貼片天線，采用差分形式進(jìn)行饋電，可以直接和差分電路相連接避免了使用巴倫。
為實現(xiàn)本發(fā)明目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下圓極化差分饋電貼片天線，包括上層的輻射貼片、兩個L形饋電板、下層的水平基板， 上層的輻射貼片包括第一輻射貼片和第二輻射貼片，第二輻射貼片位于第一輻射貼片上方，第一輻射貼片和第二輻射貼片之間通過一個隔離泡沫隔開一定距離，第一輻射貼片面積比第二輻射貼片大；L形饋電極板包括垂直部分和水平部分，兩個L形饋電極板的上端直接連接到上層輻射貼片中的第一輻射貼片，每個L形饋電極板的下端均各自通過一個探針與下層的水平基板和一個SMA連接器相連，L形饋電極板采用一對差分信號來激勵；L形饋電板通過與第一輻射貼片相連來直接饋電，第二輻射貼片通過第一輻射貼片耦合饋電。
作為上述的圓極化差分饋電貼片天線的優(yōu)化技術(shù)方案，水平基板、L形饋電板、兩個輻射貼片都是采用導(dǎo)電金屬材料。
作為上述的圓極化差分饋電貼片天線的優(yōu)化技術(shù)方案，第一輻射貼片的中心與第二輻射貼片的中心處在同一直線上。
作為上述的圓極化差分饋電貼片天線的優(yōu)化技術(shù)方案，第一輻射貼片與第二輻射貼片的邊緣相互平行。
作為上述的圓極化差分饋電貼片天線的優(yōu)化技術(shù)方案，第一輻射貼片的面積大于第二輻射貼片的面積，第一輻射貼片與第二輻射貼片的形狀一樣，均為正方形被直線切除一對對角后的剩余部分。
作為上述的圓極化差分饋電貼片天線的優(yōu)化技術(shù)方案，第一輻射貼片在未切除對角情況下的正方形邊長長度約等于該天線中心頻率的半波長。
作為上述的圓極化差分饋電貼片天線的優(yōu)化技術(shù)方案，兩個L形饋電極板相互平行，L形饋電極板的垂直部分垂直于水平基板的一對邊，水平基板的中心位于兩個L形饋電極板之間，兩個L形饋電極板關(guān)于水平基板的一對邊的中分線對稱。
作為上述的圓極化差分饋電貼片天線的優(yōu)化技術(shù)方案，L形饋電極板的垂直部分垂直于第一輻射貼片的一對邊。
作為上述的圓極化差分饋電貼片天線的優(yōu)化技術(shù)方案，與L形饋電極板連接的所述探針位于L形饋電極板的水平部分的中心點。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的技術(shù)方案的天線可擴(kuò)展阻抗帶寬，適用于越來越普及的射頻差分電路。在工作頻帶上，能看到低水平的交叉極化、具有穩(wěn)定輻射方向的軸比帶寬(AR-3dB)和高穩(wěn)定性的輻射方向。使用本發(fā)明提供的技術(shù)方案，可以擴(kuò)展阻抗帶寬和軸比帶寬，而且在工作頻帶上，能看到低水平的交叉極化以及穩(wěn)定的方向圖和增益。該方案可以用于越來越普及的射頻差分電路與系統(tǒng)中。


圖1是實施例圓極化差分饋電貼片天線的結(jié)構(gòu)示意圖(X、Y、Z為坐標(biāo)軸方向)。
圖2是第一輻射貼片的中心與第二輻射貼片結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是實施例圓極化差分饋電貼片天線的前視圖(Z-X平面)。
圖4是實施例圓極化差分饋電貼片天線的側(cè)視圖(Z-Y平面)。
圖5是實施例圓極化差分饋電貼片天線的仿真和測試的駐波比曲線圖。
圖6是實施例圓極化差分饋電貼片天線的仿真和測試的軸比曲線圖。
圖7是實施例圓極化差分饋電貼片天線的仿真和測試的天線增益曲線圖。
圖8是在頻帶上2. 09GHz得出的仿真的天線增益的方向圖。
圖9是在頻帶上2. 27GHz得出的仿真的天線增益的方向圖。
圖10是在頻帶上2. 43GHz得出的仿真的天線增益的方向圖。
圖11是在頻帶上2. 09GHz得出的測試的天線增益的方向圖。
圖12是在頻帶上2. 27GHz得出的測試的天線增益的方向圖。
圖13是在頻帶上2. 43GHz得出的測試的天線增益的方向圖。具體實施方案
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明的實施不限于此。
本發(fā)明使用差分激勵、用一對L形饋電極板饋電的貼片天線，這樣的結(jié)構(gòu)可以擴(kuò)展阻抗帶寬，以用于越來越普及的射頻差分電路中。
首先，一個被切角的矩形貼片天線，應(yīng)用了寬頻帶饋電方案之后，產(chǎn)生了合適的阻抗帶寬以及軸比帶寬，并且擁有穩(wěn)定的輻射方向。為了更進(jìn)一步的擴(kuò)展軸比帶寬，這里應(yīng)用了另外一個被切角的貼片。在工作頻帶上，能看到低水平的交叉極化以及合適的增益。
同時，由于對共模噪聲有較強(qiáng)的抑制作用，微波差分電路技術(shù)在近些年得到了極大的關(guān)注。這些引導(dǎo)了差分饋電貼片天線(DFPAs)的穩(wěn)定發(fā)展。對于一個DFPA，這里使用一對L形饋電極板，阻抗帶寬能達(dá)到70%以上.更進(jìn)一步說，該L形饋電極板對在工作帶寬上實現(xiàn)了低水平的交叉極化，并且天線的輻射方向穩(wěn)定，反應(yīng)了饋電結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢。
現(xiàn)在的圓極化天線多為單端形式的天線。而在射頻電路中，差分電路由于其優(yōu)良的特性使用越來越普遍。如果采用單端天線和差分電路互連，需要在中間加巴倫進(jìn)行不平衡到平衡轉(zhuǎn)換，巴倫會帶來額外的損耗，并且還存在幅度相位的不平衡性，影響天線的輻射性能。我們在這里研究圓極化的差分饋電貼片天線就可以克服這個問題。
如圖1所示，圓極化差分饋電貼片天線包括第一輻射貼片2，第二輻射貼片3，用于差分饋電的第一 L形饋電極板4和第二 L形饋電極板5，第一探針6、第二探針9和水平基板1 ；如圖2所示，第一輻射貼片2和第二輻射貼片3的形狀相同，均為正方形的一對對角被直線切除后剩余的部分，在第一輻射貼片2中被切除的部分為面積相等的等腰直角三角形，在第二輻射貼片3中被切除的部分也為面積相等的等腰直角三角形，第一輻射貼片2的面積大于第二輻射貼片3的面積，第一輻射貼片2和第二輻射貼片3的中心在同一垂線上， 第一輻射貼片2的邊緣與第二輻射貼片3的邊緣相互平行；如圖3、4所示，第一輻射貼片2 和第二輻射貼片3之間有一隔離泡沫，用于使第一輻射貼片2和第二輻射貼片3之間隔開一定距離，第一輻射貼片2通過電磁耦合的方式向第二輻射貼片3饋電，第一 L形饋電極板 4和第二 L形饋電極板5的上端與第一輻射貼片2直接相連，第一 L形饋電極板4的垂直部分和第二 L形饋電極板5的垂直部分垂直于第一輻射貼片2的一對邊和水平基板1的一對邊，第一 L形饋電極板4的水平部分和第二 L形饋電極板5的水平部分距離第一輻射貼片2的距離相等，第一 L形饋電極板4的水平部分通過第二探針9與水平基板1和SMA連接器8相連，第二 L形饋電極板5的水平部分通過第一探針6與水平基板1和SMA連接器7 相連，第二探針9和第一探針6分別位于第一 L形饋電極板4和第二 L形饋電極板5的水平部分的中心位置。實施例
第一輻射貼片2和第二輻射貼片3均由正方形兩對角被平行切除后形成。該天線的中心頻率設(shè)計為2. 2GHz.第一輻射貼片2中，正方形對邊的距離為60mm，符合0. 44倍的 λ 0，其中λ ο為自由空間的波長。第二輻射貼片3中，正方形對邊的距離為50mm，為無源元件。第一輻射貼片2與水平基板的垂直距離為19mm，約等于0. 14 λ ο.第一輻射貼片2和第二輻射貼片3的距離為5mm。第一輻射貼片2被第一 L形饋電極板4和第二 L形饋電極板 5差分饋電，而第二輻射貼片3通過電磁耦合饋電。第一輻射貼片2的兩個對角被切除，用以產(chǎn)生兩個正交近似衰落的圓極化共振模，被切除等腰三角形的腰長為24mm。第二輻射貼片3的兩個對角被切除，被切除等腰三角形的腰長為18mm。正方形對邊距離和等腰三角形的腰長決定了兩個正交近似衰落的圓極化共振模的共振頻率。其中一個圓極化共振模的方向沿著正方形的對角連線，另外一個圓極化共振模沿著與前者正交的方向。兩個正交近似衰落的圓極化共振模的頻率差異應(yīng)該盡可能高，以得到充分的軸比帶寬。兩個正交近似衰落的圓極化共振模必須正交，以保證圓極化的效果。第二輻射貼片3的面積比第一輻射貼片2小，所以第二輻射貼片3共振頻率比第一輻射貼片2高。這樣軸比帶寬就會被向上拓寬。第一輻射貼片2被第一L形饋電極板4和第二L形饋電極板5饋電。第一L形饋電極板4和第二 L形饋電極板5的垂直部分沿著第一輻射貼片2的非共振方向，且垂直于正方形的一對邊。第一 L形饋電極板4和第二 L形饋電極板5的長度為41mm，垂直部分的高度為17mm，水平部分的寬度為3. 2mm。第一 L形饋電極板4和第二 L形饋電極板5的長度以及它們垂直部分的距離決定了端口阻抗。較長極板長度會形成較小的端口阻抗的自感系數(shù)。 第一 L形饋電極板4和第二 L形饋電極板5的水平部分和水平基板之間的距離為2mm，可以產(chǎn)生一個電容，從而補(bǔ)償自感系數(shù)。這樣，阻抗帶寬就可以大大擴(kuò)展了。第二探針9和第一探針6分別通過水平基板連接SMA連接器8和SMA連接器7。水平基板的邊長為200mm， 約為1. 46 λ ο.第一輻射貼片2和第二輻射貼片3的中心和水平基板的中心在同一垂直線上。在設(shè)計過程中，第一輻射貼片2和第二輻射貼片3的長度首先被確定，且是基于工作頻帶上。然后再選擇線路。接下來，使用Zeland IE3D形成總體最優(yōu)化。在仿真過程中， 差分信號被傳送到天線上，但是沒有使用巴倫。
綜合考慮阻抗帶寬、軸比帶寬以及輻射方向圖，要增大阻抗帶寬，軸比帶寬是限制因素。為了增強(qiáng)軸比帶寬，就需要設(shè)法產(chǎn)生較多的共振模，為此，本發(fā)明采用了寄生輻射單元， 也就是第二輻射貼片。圖5顯示了頻帶上的仿真和測試駐波比。可以看到，該天線就具有 52%的阻抗帶寬(駐波比為2)，從1. 65GHz到2. 80GHz。圖6顯示了在2. 09GHz到2. 43GHz 上得到的仿真14. 6%的3-dB軸比帶寬，然而測試的結(jié)果是15. 9%的帶寬，且駐波比不大于 2。圖7記錄了該天線仿真和測試的增益。在2. 09GHz到2. 45GHz的工作頻帶上，仿真結(jié)果與測試結(jié)果很好地吻合。在工作頻帶內(nèi)，該天線仿真增益大約是8. 7dBi，而平均的測試增益為9dBi。差異的產(chǎn)生主要是由于我們使用了反向功率分配器。當(dāng)我們計算天線增益時，反相功率分配器的插入損耗要計算在內(nèi)。分配器的插入損耗是在50-Ω系統(tǒng)中測試的。 在測試中，天線的端口連接到了分配器上。既然端口阻抗并不一定是精確無誤的50 Ω，那么分配器的插入損耗就有一定的誤差。同理，分配器的振幅和相位不平衡導(dǎo)致了一些誤差。 這就造成了仿真和測試結(jié)果的不同。圖8-圖13給出了該天線的在平面上(Φ = 0° )和兩個垂面上(Φ =90°，χζ平面和yz平面)的仿真和測試的輻射方向圖，分別在頻帶2. 09GHz、2. 27GHz、2. 43GHz上。各個平面上的右極化輻射方向圖在垂射方向上是對稱的?？梢钥吹降退降慕徊鏄O化。仿真的后瓣輻射水平低于-17dB，而在工作頻帶上，測試的后瓣輻射水平則低于-20dB。該天線顯示出其在3-dB軸比帶寬上的穩(wěn)定輻射特征。本發(fā)明公開了一種差分饋電圓極化貼片天線，使用一對L形饋電極板，該類天線適用于越來越普遍的差分電路，而不需要使用巴倫。每一個切角的輻射貼片都可以產(chǎn)生一對正交模式。本發(fā)明實現(xiàn)了 15%的3-dB的軸比帶寬，天線的測試增益大約是9dBi。并且本天線在其工作頻帶上都具有穩(wěn)定的輻射方向。這也印證了我們的設(shè)計初衷。該方案以其出色的圓極化輻射表現(xiàn)，在陸地通信系統(tǒng)的差分電路中廣受歡迎。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本實用型新，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作任何修改，等同替換、改進(jìn)等，均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.圓極化差分饋電貼片天線，包括上層的輻射貼片、兩個L形饋電板、下層的水平基板，其特征在于，上層的輻射貼片包括第一輻射貼片和第二輻射貼片，第二輻射貼片位于第一輻射貼片上方，第一輻射貼片和第二輻射貼片之間通過一個隔離泡沫隔開一定距離， 第一輻射貼片面積比第二輻射貼片大；L形饋電極板包括垂直部分和水平部分，兩個L形饋電極板的上端直接連接到上層輻射貼片中的第一輻射貼片，每個L形饋電極板的下端均各自通過一個探針與下層的水平基板和一個SMA連接器相連，L形饋電極板采用一對差分信號來激勵；L形饋電板通過與第一輻射貼片相連來直接饋電，第二輻射貼片通過第一輻射貼片耦合饋電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓極化差分饋電貼片天線，其特征在于水平基板、L形饋電板、兩個輻射貼片都是采用導(dǎo)電金屬材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓極化差分饋電貼片天線，其特征在于第一輻射貼片的中心與第二輻射貼片的中心處在同一直線上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓極化差分饋電貼片天線，其特征在于第一輻射貼片與第二輻射貼片的邊緣相互平行。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的圓極化差分饋電貼片天線，其特征在于第一輻射貼片的面積大于第二輻射貼片的面積，第一輻射貼片與第二輻射貼片的形狀一樣，均為正方形被直線切除一對對角后的剩余部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的圓極化差分饋電貼片天線，其特征在于第一輻射貼片在未切除對角情況下的正方形邊長長度約等于該天線中心頻率的半波長。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓極化差分饋電貼片天線，其特征在于兩個L形饋電極板相互平行，L形饋電極板的垂直部分垂直于水平基板的一對邊，水平基板的中心位于兩個L形饋電極板之間，兩個L形饋電極板關(guān)于水平基板的一對邊的中分線對稱。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的圓極化差分饋電貼片天線，其特征在于L形饋電極板的垂直部分垂直于第一輻射貼片的一對邊。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓極化差分饋電貼片天線，其特征在于與L形饋電極板連接的所述探針位于L形饋電極板的水平部分的中心點。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種圓極化差分饋電天線，包括上層的輻射貼片、兩個L形饋電板、下層的水平基板。其中，上層的輻射貼片包括處在下方的第一輻射貼片以及處在上方第二輻射貼片,第一輻射貼片和第二輻射貼片之間通過一個隔離泡沫隔開一定距離，第一輻射貼片比第二輻射貼片大，兩個L形饋電極板直接連接到上層輻射貼片中的第一輻射貼片，每個L形饋電極板均各自通過一個探針與下層的水平基板和一個SMA連接器相連，L行饋電板采用一對差分信號來激勵。本發(fā)可以擴(kuò)展阻抗帶寬和軸比帶寬，而且在工作頻帶上，能看到低水平的交叉極化以及穩(wěn)定的方向圖和增益。該方案可以用于越來越普及的射頻差分電路與系統(tǒng)中。
文檔編號H01Q1/36GK102509867SQ201110344178
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月3日
發(fā)明者代鑫, 張洪林, 章秀銀 申請人:華南理工大學(xué)