本發(fā)明涉及天線技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種圓極化螺旋紋微帶天線。

背景技術(shù)：

21世紀(jì)以來，國內(nèi)外信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展備受矚目，無線通信系統(tǒng)的發(fā)展勢頭尤為迅猛。隨著衛(wèi)星通信，移動(dòng)通信，WLAN和全球定位系統(tǒng)等無線事業(yè)的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品的功能也越來越強(qiáng)大，這也意味著人們對(duì)其各個(gè)方面的要求越來越高。天線作為實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)之間電磁信號(hào)傳遞的橋梁也扮演著重要角色，它的性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能，所以，人們便對(duì)無線通信系統(tǒng)關(guān)鍵部件的天線提出了小型化、寬頻帶、高增益、圓極化等要求。

在過去幾十年里，人們關(guān)于線極化介質(zhì)諧振器天線做了很多研究，相比之下，圓極化的部分比較少，然而隨著遙控、通信和遙測技術(shù)的迅猛發(fā)展，單一的線極化已經(jīng)不能滿足需要，圓極化介質(zhì)諧振器天線的應(yīng)用就顯得十分重要。在雷達(dá)系統(tǒng)中，使用圓極化天線能夠抗雨霧干擾；在電子對(duì)抗中，使用圓極化天線可以偵察和干擾敵方各種極化方式的無線電波；如果在飛行器上裝置圓極化天線，則可以在任何狀態(tài)下都能接收信息；在航空、航天通信系統(tǒng)和遙感設(shè)備中采用圓極化天線，不但可以減小信號(hào)遺漏現(xiàn)象的發(fā)生，還能夠消除由電離層引起的極化畸變的影響。與線極化天線相比，圓極化天線的優(yōu)勢更加明顯。

基于這些優(yōu)點(diǎn)，圓極化介質(zhì)諧振器天線被廣泛的應(yīng)用于衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、導(dǎo)航系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)中。研究圓極化介質(zhì)諧振器天線對(duì)無線通信事業(yè)有深遠(yuǎn)的意義。

現(xiàn)有的圓極化介質(zhì)諧振器天線設(shè)計(jì)中，頻率失配往往發(fā)生在阻抗帶寬和軸比帶寬之間，在某一頻率范圍（工作帶寬）內(nèi)，阻抗帶寬和軸比帶寬無法同時(shí)具有較好的性能，一個(gè)較好，另一個(gè)就較差，為設(shè)計(jì)一個(gè)圓極化性能很好的天線帶來了難度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出一種阻抗帶寬和軸比帶寬同時(shí)較好，進(jìn)而在工作頻率設(shè)置在12.15GHz時(shí)，圓極化性能良好的圓極化螺旋紋微帶天線。

本方案中的圓極化螺旋紋微帶天線，包括介質(zhì)基板、接地板、螺旋微帶線，所述接地板和所述螺旋微帶線分別位于介質(zhì)基板的正反面；所述接地板與所述介質(zhì)基板的的一維尺寸完全相同，接地板上開有的十字縫隙，所述十字縫隙的交叉處處于所述接地板的幾何中心；還包括依次堆疊在所述接地板上的第一矩形介質(zhì)塊位和第二矩形介質(zhì)塊位，第一矩形介質(zhì)塊也位于接地板的幾何中心處；第二矩形介質(zhì)塊位于第一介質(zhì)塊頂面的幾何中心處；該圓極化螺旋紋微帶天線的工作頻率設(shè)置在12.15GHz。

本方案的工作原理為：介質(zhì)諧振器天線的饋電方法是采用十字縫隙耦合饋電，同時(shí)利用單螺旋微帶線的相位延遲特性，從而得到相位差90°且幅度近似相等的信號(hào)，能量通過十字縫隙耦合到介質(zhì)塊，激勵(lì)兩個(gè)極化正交的簡并模式，從而實(shí)現(xiàn)圓極化?？p隙處于接地板的中心，也就是磁場最強(qiáng)的位置，中介質(zhì)塊（輻射體）采用兩個(gè)矩形堆疊的結(jié)構(gòu)，在一定程度上提高整個(gè)天線的帶寬。

本方案在已有相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用單點(diǎn)饋電法實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡單結(jié)構(gòu)的寬帶圓極化介質(zhì)諧振器，在工作頻率設(shè)置為12.15GHz時(shí)，阻抗帶寬和軸比帶寬都取得較好的結(jié)果。

所述介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)為2.2，損耗角的正切值為0.0009，厚度為0.5mm；

所述介質(zhì)基板的長和寬均為50mm；

所述第一和第二矩形介質(zhì)塊的相對(duì)介電常數(shù)均為9.6，損耗角正切值為0.02；

所述第一矩形介質(zhì)塊的長寬（W）均為7mm,高（H_dra）為5.4mm；

所述第二矩形介質(zhì)塊的長和寬（W₃）均為5mm，高（H_d）為2mm。

進(jìn)一步，所述十字縫隙的長度(L_s)為14～18mm。

本發(fā)明的近簡并共振模式的發(fā)生主要是通過調(diào)節(jié)十字縫隙的雙臂長度來控制的，在十字縫隙的長度(L_s)為14～18mm時(shí),本發(fā)明的反射系數(shù)和軸比特性較優(yōu)。

進(jìn)一步，所述十字縫隙的長度(L_s)為16mm。

選擇該尺寸時(shí)反射系數(shù)和軸比特性均較好。

進(jìn)一步，所述十字縫隙的寬度（W_s）為0.3～0.6mm。

該方案的天線反射系數(shù)較優(yōu)。

進(jìn)一步，所述十字縫隙的寬度0.455mm。

該方案的天線反射系數(shù)和軸比特性均較好。

進(jìn)一步，所述螺旋微帶線的尺寸（W₁）為8.66mm。

采用該方案的圓極化螺旋紋微帶天線，其反射系數(shù)低于-10dB的頻帶范圍是9.53～12.5GHz，其相對(duì)帶寬是26.96％；軸比低于3dB的頻帶范圍是9.55～11.05GHz，其相對(duì)帶寬是14.54％，皆具有較好的表現(xiàn)；該采用該方案的圓極化螺旋紋微帶天線在工作頻率下，其輸入阻抗達(dá)到（48.58～j4.95）Ω，由此可知該天線結(jié)構(gòu)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了良好的阻抗匹配；右旋圓極化波增益和總增益近似重合，方向圖有良好的對(duì)稱性，由此可知天線輻射的是右旋圓極化波，該天線的最大增益達(dá)到3.85dBi。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中圓極化螺旋紋微帶天線的主視圖；

圖2為圖1的側(cè)視圖；

圖3為展示十字縫隙的長度L_s對(duì)天線的反射系數(shù)的影響的曲線圖；

圖4為展示十字縫隙的長度L_s對(duì)天線的軸比特性的影響的曲線圖；

圖5為展示十字縫隙的寬度W_s對(duì)天線的反射系數(shù)的影響的曲線圖；

圖6為展示十字縫隙的寬度W_s對(duì)天線的軸比特性的影響的曲線圖；

圖7為展示螺旋微帶線的尺寸W₁對(duì)天線的反射系數(shù)的影響的曲線圖；

圖8為展示螺旋微帶線的尺寸W₁對(duì)天線的軸比特性的影響的曲線圖；

圖9為本發(fā)明實(shí)施例中參數(shù)優(yōu)化的圓極化螺旋紋微帶天線的反射系數(shù)曲線圖；

圖10為本發(fā)明實(shí)施例中參數(shù)優(yōu)化的圓極化螺旋紋微帶天線的軸比特性曲線圖；

圖11為本發(fā)明實(shí)施例中參數(shù)優(yōu)化的圓極化螺旋紋微帶天線的輸入阻抗隨頻率變化的曲線圖；

圖12為本發(fā)明實(shí)施例中參數(shù)優(yōu)化的圓極化螺旋紋微帶天線的右旋圓極化波增益和總增益方向圖。

具體實(shí)施方式

下面通過具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明：

如附圖1所示，是本發(fā)明實(shí)施例中的圓極化螺旋紋微帶天線由堆疊形的第一和第二矩形介質(zhì)塊、接地板上的十字縫隙和一個(gè)印制在介質(zhì)基板底面的螺旋微帶線組成，接地板和螺旋微帶線分別位于介質(zhì)基板的正反面，該一種圓極化螺旋紋微帶天線的工作頻率設(shè)置在12.15GHz。接地板和介質(zhì)基板的一維尺寸都是G×G，介質(zhì)基板的厚度是H_s，相對(duì)介電常數(shù)是2.2，設(shè)置其損耗角的正切值為0.0009；矩形介質(zhì)塊位于地板的幾何中心處，其相對(duì)介電常數(shù)是9.6，損耗角正切值設(shè)為0.02，與接地板直接接觸的介質(zhì)塊的長和寬均為W，高為H_dra，另一個(gè)介質(zhì)塊的長和寬均為W₃，高為H_d；接地板上所開的十字縫隙的長和寬分別為L_s和W_s 。

螺旋微帶線的組成部分較多，相關(guān)尺寸標(biāo)注如附圖1所示，螺旋微帶線由尾部和螺旋部組成；螺旋微帶線的寬度為W_f ，從介質(zhì)基板一邊緣向中部沿著垂直于該邊緣的方向延伸，形成長度為W₀的尾部，尾部繼續(xù)延伸并經(jīng)三次90彎折形成螺旋部；螺旋部位于介質(zhì)基板的正中，形狀為一個(gè)邊長為W₁ 但未封閉的正方形，該正方形的四邊分別與介質(zhì)基板的四邊平行, 本實(shí)施例中皆以這個(gè)正方形的邊長W₁表征螺旋微帶線的尺寸；這個(gè)正方形沒有閉合的開口處的寬度為W₂。

由于本實(shí)施例中近簡并共振模式的發(fā)生主要是通過調(diào)節(jié)十字縫隙的雙臂長度來控制的，縫隙的尺寸對(duì)天線性能的影響較大。

本實(shí)施例中選取的十字縫隙的長度L_s對(duì)天線的反射系數(shù)和軸比特性的影響如附圖3和 4所示，L_s的變化范圍從14~18mm，利用HFSS軟件仿真的結(jié)果表明，縫隙的長度L_s對(duì)反射系數(shù)和軸比均有比較大的影響。圖4中，隨著L_s的增大，該圓極化螺旋紋微帶天線的軸比（圖中的縱軸AxialRatio,下同）小于3dB（圖中虛線所示，下同）的頻率范圍隨之展寬，即軸比帶寬也隨之展寬，與此同時(shí)，圖3中天線的反射系數(shù)（圖中的縱軸，S11）低于-10dB（圖中虛線所示，下同）的頻帶范圍，即阻抗帶寬隨著L_s的增大卻變窄，當(dāng)頻率在11.5GHz左右時(shí)，反射系數(shù)的值會(huì)發(fā)生較大的起伏。綜合考慮L_s對(duì)反射系數(shù)和軸比特性的影響，選取16mm為最終的優(yōu)化結(jié)果。

本實(shí)施例選取的十字縫隙的寬度W_s對(duì)天線的反射系數(shù)和軸比的影響如附圖5和6所示，從仿真結(jié)果圖可以看出，縫隙的寬度對(duì)天線反射系數(shù)的影響不大，但是對(duì)軸比特性有比較顯著的影響，W_s越小，天線的軸比帶寬較小，而且軸比最小值趨近于1，圓極化性能相對(duì)來說比較差，但是當(dāng)W_s增大到某一值時(shí)，在圖6中軸比小于3dB的頻帶寬度，會(huì)有所下降，綜上所述，選取縫隙寬度為0.455mm是最終的優(yōu)化結(jié)果。

由于該圓極化螺旋紋微帶天線實(shí)現(xiàn)圓極化是利用螺旋微帶線的相位延遲特性得到相位差90°的等幅信號(hào)，因此螺旋微帶線的尺寸也會(huì)影響天線的性能參數(shù)。螺旋微帶線的尺寸W₁對(duì)天線的反射系數(shù)和軸比的影響如附圖7和8所示，從圖中可以看出，隨著W₁的增大，阻抗帶寬逐漸變寬，而軸比帶寬則是先展寬后變窄，當(dāng)螺旋微帶線的尺寸為8.6mm時(shí)，軸比和反射系數(shù)都處于最優(yōu)狀態(tài)，所以選其為最終的優(yōu)化結(jié)果。

最終各個(gè)參數(shù)優(yōu)化分析后的具體情況如表1所示。

表1優(yōu)化的各尺寸參數(shù)

綜上所述，該圓極化螺旋紋微帶天線各個(gè)參數(shù)優(yōu)化后的仿真結(jié)果圖如附圖9～12所示。通過附圖9可以看出，反射系數(shù)低于-10dB的頻帶范圍是9.53～12.5GHz，相對(duì)帶寬是26.96％；根據(jù)附圖10可得，軸比低于3dB的頻帶范圍是9.55～11.05GHz，相對(duì)帶寬是14.54％ 。

從附圖11可以看出，當(dāng)頻率為12.15GHz時(shí)（同中的虛線直線處），天線的輸入阻抗（圖中縱軸 Z(1,1)，圖中實(shí)線的曲線表示輸入阻抗的實(shí)部re，虛線曲線表示輸入阻抗的虛部im）是（48.58-j4.95）Ω，由此可知該天線結(jié)構(gòu)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了良好的阻抗匹配；根據(jù)附圖12可以發(fā)現(xiàn)，天線的右旋圓極化波增益(Gain RHCP)和總增益(Gain Total)近似重合，方向圖有良好的對(duì)稱性，表明天線輻射的是右旋圓極化波，該天線的最大增益為3.85dBi。

以上所述的僅是本發(fā)明的實(shí)施例，方案中公知的具體結(jié)構(gòu)及特性等常識(shí)在此未作過多描述，所屬領(lǐng)域普通技術(shù)人員知曉申請(qǐng)日或者優(yōu)先權(quán)日之前發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域所有的普通技術(shù)知識(shí)，能夠獲知該領(lǐng)域中所有的現(xiàn)有技術(shù)，并且具有應(yīng)用該日期之前常規(guī)實(shí)驗(yàn)手段的能力，所屬領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以在本申請(qǐng)給出的啟示下，結(jié)合自身能力完善并實(shí)施本方案，一些典型的公知結(jié)構(gòu)或者公知方法不應(yīng)當(dāng)成為所屬領(lǐng)域普通技術(shù)人員實(shí)施本申請(qǐng)的障礙。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明結(jié)構(gòu)的前提下，還可以作出若干變形和改進(jìn)，這些也應(yīng)該視為本發(fā)明的保護(hù)范圍，這些都不會(huì)影響本發(fā)明實(shí)施的效果和專利的實(shí)用性。本申請(qǐng)要求的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以其權(quán)利要求的內(nèi)容為準(zhǔn)，說明書中的具體實(shí)施方式等記載可以用于解釋權(quán)利要求的內(nèi)容。