本發(fā)明涉及一種天線，具體地，涉及一種UHF頻段的小型化低剖面寬帶圓極化貼片天線。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，人們對電子設(shè)備的要求越來越高，并且要求設(shè)備具有寬帶化共用化的功能，天線作為無線電系統(tǒng)中的重要組成部分，其小型化和寬帶化也越來越受到研究人員的重視。同時(shí)UHF頻段的天線工作波長長，使用常規(guī)的天線尺寸較大，在有限的空間內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)寬帶等特性。另外由于微帶天線本身結(jié)構(gòu)簡單，便于加工制作，使用方便等特點(diǎn)，越來越受到研究人員的重視，但是由于微帶天線本身結(jié)構(gòu)的限制，使得其具有帶寬窄和增益低的特點(diǎn)，是研究人員需要解決的問題。

另外單純的線極化很難滿足通信要求。圓極化天線具有可接收任意極化方式的來波，且其輻射波也可被任意極化方式的天線收到，有旋向正交性，能夠抑制云雨干擾和抗多徑反射等優(yōu)點(diǎn)。由于圓極化天線在現(xiàn)代通信中的優(yōu)越性能，受到人們越來越多的關(guān)注。而寬帶圓極化可以在很寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)極化方式為圓極化的方式，便于接收任意方向過來的任意極化形式的電磁波。在RFID、廣播電視、移動基站、遙感遙測、航空航天、電子對抗、電子干擾等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

小型化寬帶天線的實(shí)現(xiàn)方式有很多，按照實(shí)現(xiàn)原理大致可以分為兩類：一是利用切角或刻縫隙槽來改變天線在該位置的阻抗或延長輻射天線的有效電流長度來達(dá)到小型化和寬帶的目的，經(jīng)過一系列文獻(xiàn)的閱讀，發(fā)現(xiàn)這樣做只能在很有限的頻帶范圍內(nèi)改善天線的性能；另一種是使用超材料結(jié)構(gòu)或者超表面結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)小型化寬帶。經(jīng)文獻(xiàn)檢索，Son Xuat Ta和Ikmo Park等人2015年在IEEE Trans.Antennas Propag.期刊上發(fā)表的文章“Low-Profile Broadband Circularly Polarized Patch Antenna Using Metasurface”提出了一種低剖面寬帶圓極貼片天線，但是從他的仿真結(jié)果看到，該天線的-10dB帶寬和3dB軸比帶寬雖然和本文差不多，但是其天線的工作尺寸相對波長來說遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于本發(fā)明所設(shè)計(jì)的天線。所以總體說來，到目前的研究為止，還沒有能同時(shí)實(shí)現(xiàn)高帶寬和小尺寸的貼片天線，所以在這方面，仍然需要深入的研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種具有小型化低剖面寬帶圓極化貼片天線。

根據(jù)本發(fā)明提供的一種UHF頻段的小型化低剖面寬帶圓極化復(fù)合水介質(zhì)天線，包括天線輻射結(jié)構(gòu)、阻抗匹配結(jié)構(gòu)、饋電結(jié)構(gòu)、復(fù)合水介質(zhì)板結(jié)構(gòu)、SMA接頭；

天線輻射結(jié)構(gòu)連接至阻抗匹配結(jié)構(gòu)；

阻抗匹配結(jié)構(gòu)與饋電結(jié)構(gòu)耦合饋電；

天線輻射結(jié)構(gòu)、阻抗匹配結(jié)構(gòu)、饋電結(jié)構(gòu)設(shè)置在復(fù)合水介質(zhì)板結(jié)構(gòu)上；

SMA接頭通過背饋方式對饋電結(jié)構(gòu)進(jìn)行射頻激勵。

優(yōu)選地，采用微帶線的阻抗匹配結(jié)構(gòu)包括十字型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)；

饋電結(jié)構(gòu)包括第一T型偶極子、第二T型偶極子，第一T型偶極子、第二T型偶極子構(gòu)成被十字型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)圍繞的一組T型偶極子饋電結(jié)構(gòu)；

所述一組T型偶極子饋電結(jié)構(gòu)通過縫隙耦合饋電給十字型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。

優(yōu)選地，天線輻射結(jié)構(gòu)采用微帶線結(jié)構(gòu)；

天線輻射結(jié)構(gòu)包括均采用平面螺旋結(jié)構(gòu)且沿圓周方向依次分布的第一螺旋輻射段、第二螺旋輻射段、第三螺旋輻射段、第四螺旋輻射段；

第一螺旋輻射段、第三螺旋輻射段的旋轉(zhuǎn)方向相反；

第二螺旋輻射段、第四螺旋輻射段的旋轉(zhuǎn)方向相反；

第一螺旋輻射段、第四螺旋輻射段的旋轉(zhuǎn)方向相同；

在十字型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的相對的兩端中，第一螺旋輻射段、第三螺旋輻射段連接十字型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的一端，第二螺旋輻射段、第四螺旋輻射段連接十字型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的另一端。

優(yōu)選地，在十字型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)連接第三螺旋輻射段的一端部處的微帶線具有第一縫隙；在十字型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)連接第二螺旋輻射段的另一端部處的微帶線具有第二縫隙。

優(yōu)選地，電流到達(dá)第二螺旋輻射段、第一螺旋輻射段、第三螺旋輻射段、第四螺旋輻射段時(shí)，分別實(shí)現(xiàn)相位0°、90°、180°、270°的相位差。

優(yōu)選地，復(fù)合水介質(zhì)板結(jié)構(gòu)包括依次設(shè)置的上層介質(zhì)板、中間層介質(zhì)板、下層介質(zhì)板；

上層介質(zhì)板、下層介質(zhì)板均為整塊固體介質(zhì)板；

中間層介質(zhì)板是局部為鏤空腔體的固體介質(zhì)板，鏤空腔體內(nèi)加入有液體；

天線輻射結(jié)構(gòu)、阻抗匹配結(jié)構(gòu)、饋電結(jié)構(gòu)設(shè)置在上層介質(zhì)板上；

SMA接頭在下層介質(zhì)板中心的下方。

本發(fā)明中UHF頻段的小型化低剖面寬帶圓極化復(fù)合水介質(zhì)天線屬于貼片天線，整個(gè)貼片天線采用SMA接頭背饋方式激勵。SMA接頭通過背饋的形式給天線的一組T型偶極子饋電結(jié)構(gòu)進(jìn)行射頻激勵。所述天線的十字型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的第一縫隙、第二縫隙，起到末端電容加載的作用，可以有效的減小天線的工作頻率。所述天線通過一組T型偶極子縫隙耦合饋電，十字型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)在輻射結(jié)構(gòu)交叉處實(shí)現(xiàn)輻射結(jié)構(gòu)匹配另一枝節(jié)高阻抗的特性，從而使得電流在分別到達(dá)四個(gè)輻射平面螺旋結(jié)構(gòu)時(shí)，使得圖1中示出的十字型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中的微帶線構(gòu)成的十字型微帶線的兩側(cè)臂的右上、左上、左下、右下四個(gè)螺旋臂實(shí)現(xiàn)了相位0°、90°、180°、270°的相位差，構(gòu)成一組正交偶極子，從而向外輻射圓極化波。所述天線的中間層介質(zhì)板引進(jìn)水等液體的作用可以很大范圍內(nèi)降低天線的品質(zhì)因素，從而能有效的增加天線的工作帶寬。所述天線采用背饋的方式進(jìn)行饋電，由于本身輻射結(jié)構(gòu)的緊湊性，通過簡單的優(yōu)化可以很好的跟50Ω同軸饋電匹配，結(jié)構(gòu)簡單，易于加工。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

1、本發(fā)明通過在介質(zhì)板中加入液態(tài)水，可以有效的降低天線的Q值，從而能在很寬的范圍內(nèi)達(dá)到很好的回波損耗。

2、本發(fā)明屬于小型化天線范圍，尺寸大小為工作波長的0.24倍。

3、本發(fā)明具有很寬的-10dB阻抗帶寬39％。

4、本發(fā)明具有阻抗帶寬范圍內(nèi)很寬的3dB軸比帶寬19％，非阻抗帶寬內(nèi)也有一部分很寬的軸比帶寬。

4、本發(fā)明的主體為低剖面貼片天線，結(jié)構(gòu)簡單容易加工。

5、本發(fā)明的寬帶實(shí)現(xiàn)主要由介質(zhì)中引入水的結(jié)構(gòu)，降低天線的Q值，可以靈活的控制水的多少來實(shí)現(xiàn)天線帶寬的增加或減少。

6、本發(fā)明的天線形狀規(guī)則對稱，工作頻率完全由天線尺寸決定，所以在加工工藝允許范圍內(nèi)，可以很容易的任意更改天線的工作頻帶。

7、本發(fā)明天線結(jié)構(gòu)簡單，阻抗帶寬范圍內(nèi)的增益大于-6dB,最大達(dá)到-2.4dB。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會變得更明顯：

圖1為本發(fā)明小型化低剖面寬帶圓極化水介質(zhì)貼片天線的俯視圖；

圖2為本發(fā)明小型化低剖面寬帶圓極化水介質(zhì)貼片天線的中間層介質(zhì)板結(jié)構(gòu)圖，圖中的黑色部位為水；

圖3為本發(fā)明小型化低剖面寬帶圓極化水介質(zhì)天線的三維剖面圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例的本發(fā)明小型化低剖面寬帶圓極化水介質(zhì)天線的的回波損耗圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例在300MHz-700MHz的軸比分布圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例在300MHz-700MHz的Realized gain分布圖；

圖中：

1-第一螺旋輻射段

2-第二螺旋輻射段

3-第三螺旋輻射段

4-第四螺旋輻射段

5-十字型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)

6-第一T型偶極子

7-第二T型偶極子

8-上層介質(zhì)板

9-中間層介質(zhì)板

10-下層介質(zhì)板

100-阻抗匹配結(jié)構(gòu)與饋電結(jié)構(gòu)之間的縫隙

101-第一縫隙

102-第二縫隙

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變化和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

請同時(shí)參閱圖1、圖2和圖3，一種小型化低剖面寬帶圓極化水介質(zhì)貼片天線，包括：天線輻射結(jié)構(gòu)、阻抗匹配結(jié)構(gòu)、饋電結(jié)構(gòu)、復(fù)合水介質(zhì)板結(jié)構(gòu)、SMA接頭。

天線輻射結(jié)構(gòu)為4個(gè)平面螺旋結(jié)構(gòu)，通過一段微帶線與天線的阻抗匹配結(jié)構(gòu)相連接。通過一組T型偶極子的耦合饋電，在天線的介質(zhì)板中心之間連接SMA接頭進(jìn)行射頻激勵。進(jìn)一步地，天線輻射結(jié)構(gòu)為微帶線結(jié)構(gòu)，微帶線寬為4mm，平面螺旋結(jié)構(gòu)繞2.5圈，饋電形式采用T型偶極子饋電，偶極子線寬為2.3mm，采用一個(gè)十字型阻抗匹配結(jié)構(gòu)。微帶線采用蝕刻法蝕刻在介電常數(shù)為3.55的羅杰斯4003a介質(zhì)板，上層介質(zhì)板和下層介質(zhì)板均采用羅杰斯4003a介質(zhì)板，厚度為0.203mm，中間層介質(zhì)板部分鏤空填充水介質(zhì)，在介質(zhì)板的中心部分直接采用背饋形式連接SMA頭進(jìn)行射頻激勵。

本發(fā)明寬帶圓極化的工作原理如下：

如圖1和圖2所示，其為本發(fā)明小型化低剖面寬帶圓極化水介質(zhì)貼片天線的俯視圖和中間層介質(zhì)板結(jié)構(gòu)。射頻激勵信號SMA接頭從背部對天線饋電，信號經(jīng)過同軸線進(jìn)入一組T型偶極子饋電結(jié)構(gòu)，經(jīng)過微帶線耦合進(jìn)入天線的阻抗匹配結(jié)構(gòu)，通過阻抗匹配結(jié)構(gòu)的傳播，在結(jié)構(gòu)第一螺旋輻射段、第二螺旋輻射段、第三螺旋輻射段、第四螺旋輻射段處形成輻射結(jié)構(gòu)阻抗匹配另外直接呈現(xiàn)高阻抗，從而使得在第二螺旋輻射段、第一螺旋輻射段、第三螺旋輻射段、第四螺旋輻射段處有0°、90°、180°、270°的相位差，使得第一螺旋輻射段、第三螺旋輻射段構(gòu)成偶極子的一臂，第二螺旋輻射段、第四螺旋輻射段構(gòu)成另一臂實(shí)現(xiàn)圓極化。引入高介電常數(shù)有耗水介質(zhì)可以使得天線的品質(zhì)因素大大降低，使得在原有基礎(chǔ)上大大增加天線的阻抗帶寬。

如圖4所示是本實(shí)施例的仿真得到的回波損耗圖。從圖中可以看出在389MHz-562MHz內(nèi)回波損耗基本小于-10dB。

如圖5所示是本實(shí)例的仿真得到的在300MHz-700MHz，phi＝45°方向上的軸比隨頻率的變化?？梢钥吹皆?77MHz-563MHz范圍內(nèi)天線的AR小于3dB。

如圖5所示是本實(shí)例的仿真得到的在300MHz-700MHz范圍內(nèi)增益圖。從圖中可以看出，在整個(gè)阻抗帶寬范圍內(nèi)增益大于-6dB,在400MHz可以達(dá)到-2.4dB的增益。

以上對本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變化或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。在不沖突的情況下，本申請的實(shí)施例和實(shí)施例中的特征可以任意相互組合。