寬帶圓極化陣列天線的制作方法
【專利摘要】寬帶圓極化陣列天線，包括：四塊關(guān)于中心旋轉(zhuǎn)對稱的貼片；用以產(chǎn)生四路幅度相等、相對相位差依次為0°、90°、180°和270°信號的中心饋電網(wǎng)絡(luò)；用以將中心饋電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的四路信號分別連接至四塊貼片并實現(xiàn)阻抗匹配的四根微帶線；以及，金屬平板地；其中，所述貼片、微帶線和中心饋電網(wǎng)絡(luò)印刷在介質(zhì)板的上表面，所述金屬平板地印刷在介質(zhì)板的下表面，本發(fā)明具有小型化、低剖面、寬帶和易于加工的優(yōu)點，適用于單層寬帶圓極化貼片天線陣列的設(shè)計。
【專利說明】寬帶圓極化陣列天線
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)的天線設(shè)計【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種寬帶圓極化陣列天線。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，圓極化天線得到越來越多的研究和應(yīng)用。與線極化波相比，圓極化波對發(fā)射天線與接收天線的極化對準沒有要求。也就是說，只要發(fā)射天線和接收天線的圓極化旋轉(zhuǎn)方向一致，那么無論電磁波在傳播過程中極化方向如何旋轉(zhuǎn)、發(fā)射天線或接收天線如何旋轉(zhuǎn)放置，接收的信號強度都不會改變或降低。
[0003]貼片天線是目前應(yīng)用較廣的一類天線，它具有低剖面、低成本、易共形、適用平面電路印刷工藝等優(yōu)點，可大大降低天線制作的復(fù)雜度和提高產(chǎn)品的良品率。為了實現(xiàn)高增益，一般需要將多個天線組成陣列。通過合理設(shè)計天線陣元的形狀、陣列的空間擺放位置以及饋電相位網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)朝頂端輻射的高增益方向圖。用貼片天線單元組陣，便于集成饋電網(wǎng)絡(luò)和輻射天線陣列，具有可擴展性好、易于加工的優(yōu)點。
[0004]頻譜的寬帶化是未來無線通信的一個發(fā)展趨勢。寬帶能夠支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，可滿足圖像、視頻等大量信息傳遞的需求。然而，貼片天線的阻抗帶寬衡量天線輻射性能的指標和軸比帶寬衡量天線圓極化好壞的指標都比較窄，滿足不了寬帶的需求?，F(xiàn)有的一些改進是通過增加介質(zhì)板的厚度或者增加介質(zhì)板的層數(shù)來實現(xiàn)較寬的帶寬。但是這些措施會增加天線的復(fù)雜性和成本。另一方面，貼片陣列天線通常需要單獨一層介質(zhì)板來設(shè)計饋電網(wǎng)絡(luò)，這也會導(dǎo)致介質(zhì)板層數(shù)的增加，不利于天線的小型化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種可實現(xiàn)寬帶的圓極化陣列天線，通過用環(huán)形貼片饋旋轉(zhuǎn)貼片，實現(xiàn)了將饋電網(wǎng)絡(luò)和輻射天線集成在同一層介質(zhì)板上；通過將旋轉(zhuǎn)貼片的三種不同模式組合起來，實現(xiàn)了寬帶的特點，滿足了寬帶圓極化天線的要求；通過減少介質(zhì)板層數(shù)和尺寸，實現(xiàn)了小型化、低剖面、低成本的特點。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0007]寬帶圓極化陣列天線，包括:
[0008]四塊關(guān)于中心旋轉(zhuǎn)對稱的貼片I ;
[0009]用以產(chǎn)生四路幅度相等、相對相位差依次為0°、90°、180°和270°信號的中心饋電網(wǎng)絡(luò)3 ；
[0010]用以將中心饋電網(wǎng)絡(luò)3產(chǎn)生的四路信號分別連接至四塊貼片I并實現(xiàn)阻抗匹配的四根微帶線2 ；
[0011]以及，金屬平板地5;
[0012]其中，所述貼片1、微帶線2和中心饋電網(wǎng)絡(luò)3印刷在介質(zhì)板的上表面，所述金屬平板地5印刷在介質(zhì)板的下表面。[0013]所述貼片I均為沿對角線切掉一對頂角上的三角形的正方形貼片，且每個貼片I與介質(zhì)板的邊的夾角均為45°。
[0014]所述四根微帶線2關(guān)于中心旋轉(zhuǎn)對稱，任意一根微帶線與介質(zhì)板的邊的夾角均為45。。
[0015]所述中心饋電網(wǎng)絡(luò)3包含一塊270°的扇形貼片3a和一塊環(huán)形貼片3b，扇形貼片3a位于環(huán)形貼片3b的環(huán)內(nèi)；扇形貼片3a通過兩根微帶線和環(huán)形貼片3b相連接；扇形貼片3a和環(huán)環(huán)貼片3b與介質(zhì)板的邊的夾角均為45°。
[0016]所述環(huán)形貼片3b為長邊和短邊長度相等的矩形環(huán)，且矩形的四個外角均切掉了一個三角形。
[0017]所述中心饋電網(wǎng)絡(luò)3的饋電端口 4的饋電點在所述扇形貼片3a的一個端點處。
[0018]所述饋電端口 4為同軸端口。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0020](I)只需要一層介質(zhì)板，可利用平面印刷工藝加工，具有小尺寸、低剖面、輕重量、低成本的優(yōu)點。
[0021](2)具有寬帶的優(yōu)點。同時滿足反射系數(shù)小于-10dB、軸比小于3dB和增益波動小于3dB的相對帶寬為12.7%。此帶寬是目前同類型天線的帶寬的兩倍以上。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明中天線的俯視圖，圖上標注的尺寸單位均為毫米(mm)。
[0023]圖2為圖1中天線的側(cè)視圖，圖上標注的尺寸單位均為毫米(mm)。
[0024]圖3為圖1中天線實施實例的反射系數(shù)仿真圖，其中:_表示饋電端口 4的反射系數(shù)。
[0025]圖4為圖1中天線實施實例的軸比仿真圖，其中:_表示端口 4饋電時在天頂方向的軸比。
[0026]圖5為圖1中天線實施實例的增益仿真圖，其中:_表示端口 4饋電時在天頂方向的增益。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0028]圖1為本發(fā)明所述寬帶圓極化陣列天線的俯視圖。天線的結(jié)構(gòu)包括四塊關(guān)于中心旋轉(zhuǎn)對稱的貼片1，分別為:第一貼片la、第二貼片lb、第三貼片Ic和第四貼片Id;四根關(guān)于中心旋轉(zhuǎn)對稱的微帶線2，分別為第一微帶線2a、第二微帶線2b、第三微帶線2c和第四微帶線2d ;中心饋電網(wǎng)絡(luò)3 ;饋電端口 4和金屬平板地5。四塊貼片I分別通過一根微帶線2與中心饋電網(wǎng)絡(luò)3相連；貼片I為對角線切掉一對三角形的正方形貼片；中心饋電網(wǎng)絡(luò)3包含一塊270°的扇形貼片3a和一塊環(huán)形貼片3b;扇形貼片3a位于環(huán)形貼片3b的環(huán)內(nèi)，扇形貼片3a和環(huán)形貼片3b通過兩根微帶相連；環(huán)形貼片3b為長邊和短邊長度相等的矩形環(huán)，且矩形的四個外角均切掉了一個三角形；饋電端口 4為同軸端口，且饋電點在扇形貼片3a的一個端點處。
[0029]圖2為本發(fā)明所述寬帶圓極化陣列天線的側(cè)視圖。[0030]本實施例中，介質(zhì)板采用相對介電常數(shù)為2.5、厚度為1.5mm的Teflon板材,夕卜尺寸為75mmX 75mm,金屬平板地5布滿在介質(zhì)板下。貼片I的正方形邊長為16mm,切掉的三角形的直角邊長為3.3_，微帶線2連接在貼片I 一條邊的中心位置，微帶線2長10.1mm,寬0.2mm，環(huán)形貼片3b的外部邊長為12.6mm,內(nèi)部邊長為8.3mm，切掉的三角形的直角邊邊長1.8mm,扇形貼片3a的外徑3mm,內(nèi)徑1.2mm,扇形貼片3a的缺口對應(yīng)環(huán)形貼片3b的一個頂角。
[0031]本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的:
[0032]中心饋電網(wǎng)絡(luò)3能夠提供四路幅度相等、相對相位差依次為0°、90°、180°和270°的信號。具體實現(xiàn)為:扇形貼片3a的平均弧長為1/4個中心波長。當饋電點在扇形貼片3a的一端時，輸入信號分為兩路幅度相等、相位相差90°的信號；環(huán)形貼片3a的平均周長為I個中心波長。當用扇形貼片3a產(chǎn)生的兩路信號激勵環(huán)形貼片時，環(huán)形貼片3b工作在I個波長模式，在四條邊上可產(chǎn)生四路幅度相等、相對相位差依次為0°、90°、180°和270°的信號。
[0033]四根微帶線2起到阻抗匹配的作用。具體實現(xiàn)為:任一微帶線2的長度為1/4個中心波長。根據(jù)阻抗匹配理論，該長度能夠匹配方形的貼片I和環(huán)形貼片3b的阻抗?？紤]到貼片I和環(huán)形貼片3b邊緣的阻抗都較高，根據(jù)微帶線的計算公式，這四根微帶線2的線寬都較細。
[0034]四塊貼片I的三個不同工作模式拓寬了陣列的軸比帶寬。根據(jù)旋轉(zhuǎn)場理論，當用四路幅度相等、相對相位差依次為0°、90°、180°和270°的信號激勵關(guān)于中心旋轉(zhuǎn)對稱的4單元天線陣列時，無論單元是線極化還是圓極化，均可在天線頂端形成圓極化的端射方向圖；根據(jù)微擾理論，當在貼片I 一對對角線上切角時，貼片I可產(chǎn)生由長對角線和短對角線共同決定的圓極化工作模式。當工作頻率降低時，工作模式逐漸從圓極化模式變?yōu)橹饕砷L對角線決定的線極化工作模式。當工作頻率升高時，工作模式逐漸從圓極化模式變?yōu)橹饕啥虒蔷€決定的線極化工作模式；用中心饋電網(wǎng)絡(luò)3激勵4單元旋轉(zhuǎn)天線陣列，可以在不同頻段激勵不同工作模式，從而產(chǎn)生圓極化。將不同頻段的工作模式組合起來形成寬帶，從而可以在寬帶內(nèi)保持陣列在頂端方向圖的圓極化。
[0035]該發(fā)明的實施例的具體結(jié)果說明如下:
[0036]根據(jù)圖1和圖2所示尺寸制作陣列天線，該天線的仿真結(jié)果如圖3、圖4、圖5所
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[0037]該天線的反射系數(shù)曲線如圖3所示。饋電端口 4的反射系數(shù)Sll曲線顯示-1OdB的阻抗帶寬為16.7% (5.27?6.19GHz，相對于中心頻率5.5GHz為920MHz)。該天線在天頂方向的軸比曲線如圖4所示。在天頂方向的3dB軸比帶寬為12.3%(5.3?5.975GHz，相對于中心頻率5.5GHz為675MHz)。而且3dB軸比帶寬均在-1OdB阻抗帶寬內(nèi)。該天線的增益曲線如圖5所示。3dB軸比帶寬內(nèi)的增益波動小于3dB，而且?guī)拑?nèi)大部分頻點的增益均在IOdBic以上。峰值增益為5.76GHz處的12.4dBic。綜和圖4和圖5中的帶寬，此天線的綜合帶寬為12.3%。
[0038]所述圓寬帶圓極化陣列天線可以在1.82 λ XL 82 λ X0.0036 λ的體積內(nèi)實現(xiàn)12.3%的軸比帶寬。
【權(quán)利要求】
1.寬帶圓極化陣列天線，其特征在于，包括: 四塊關(guān)于中心旋轉(zhuǎn)對稱的貼片(I); 用以產(chǎn)生四路幅度相等、相對相位差依次為0°、90°、180°和270°信號的中心饋電網(wǎng)絡(luò)(3)； 用以將中心饋電網(wǎng)絡(luò)(3)產(chǎn)生的四路信號分別連接至四塊貼片(I)并實現(xiàn)阻抗匹配的四根微帶線(2); 以及，金屬平板地(5); 其中，所述貼片(I)、微帶線(2)和中心饋電網(wǎng)絡(luò)(3)印刷在介質(zhì)板的上表面，所述金屬平板地(5)印刷在介質(zhì)板的下表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬帶圓極化陣列天線，其特征在于，所述貼片(I)均為沿對角線切掉一對頂角上的三角形的正方形貼片，且每個貼片(I)與介質(zhì)板的邊的夾角均為45。。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬帶圓極化陣列天線，其特征在于，所述四根微帶線(2)關(guān)于中心旋轉(zhuǎn)對稱，任意一根微帶線與介質(zhì)板的邊的夾角均為45°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬帶圓極化陣列天線，其特征在于，所述中心饋電網(wǎng)絡(luò)(3)包含一塊270°的扇形貼片(3a)和一塊環(huán)形貼片(3b)，扇形貼片(3a)位于環(huán)形貼片(3b)的環(huán)內(nèi)；扇形貼片(3a)通過兩根微帶線和環(huán)形貼片(3b)相連接；扇形貼片(3a)和環(huán)環(huán)貼片(3b)與介質(zhì)板的邊的夾角均為45°。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的寬帶圓極化陣列天線，其特征在于，所述環(huán)形貼片(3b)為長邊和短邊長度相等的矩形環(huán)，且矩形的四個外角均切掉了一個三角形。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的寬帶圓極化陣列天線，其特征在于，所述中心饋電網(wǎng)絡(luò)(3)的饋電端口(4)的饋電點在所述扇形貼片(3a)的一個端點處。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的寬帶圓極化陣列天線，其特征在于，所述饋電端口(4)為同軸端口。
【文檔編號】H01Q1/38GK103872448SQ201410055864
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年2月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月19日
【發(fā)明者】鄧長江, 李越, 張志軍, 馮正和 申請人:清華大學