專利名稱：一種單饋寬帶圓極化疊層微帶天線及其饋電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種單饋寬帶圓極化疊層微帶天線及其饋電裝 置。該天線可應(yīng)用于移動通信直放站或超高頻RFID讀寫器。
背景技術(shù)：
天線是無線通信、射頻識別、衛(wèi)星導(dǎo)航等工程系統(tǒng)中輻射或接收無線電波的部件。 作為發(fā)射天線，它將發(fā)射機(jī)送來的導(dǎo)波(或高頻電流)變換為無線電波并傳送到空間；而作 為接收天線，它又要做相反的變換，從而在任意兩點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)了信號的傳遞。因此，天線是 導(dǎo)波和輻射波的變換裝置。在諸多天線種類中微帶天線以其體積小、重量輕和成本低等一系列突出的優(yōu)點(diǎn)而 受到人們的青睞，發(fā)展迅猛。在一些關(guān)鍵系統(tǒng)中，微帶天線正在大顯神通。微帶天線在無線 通信、射頻識別、衛(wèi)星通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、指揮和控制系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)輻射器等眾多領(lǐng)域中占據(jù) 了舉足輕重的地位。微帶天線與其它的天線相比較，具有如下明顯的優(yōu)點(diǎn)①體積小、剖面低、重量輕。這樣，即使裝在宇宙飛船、導(dǎo)彈、火箭或衛(wèi)星上，也不會 改變它的空氣動力學(xué)性能。②適合工藝組合，能很方便地做成帶有天線的各種器件。③便于獲得圓極化，容易實(shí)現(xiàn)雙頻段、雙極化等多功能工作。④容易組織大量生產(chǎn)。天線部分饋線和匹配網(wǎng)絡(luò)可以一次做成，減少因裝配引入 的誤差。近年我國移動通信發(fā)展迅猛，在移動通信網(wǎng)中，基站信號只能有效覆蓋一定的地 理范圍。在遠(yuǎn)離基站的地方，因信號微弱致使通信質(zhì)量下降。另外，由于受地形、地物等影 響，即使在基站覆蓋范圍內(nèi)的地鐵、隧道、大型建筑內(nèi)、地下停車場等也會出現(xiàn)通信盲區(qū)，如 果再建基站，周期長且投資大，為此可采用移動通信中繼設(shè)備。直放站是一種在無線通信傳 輸過程中對信號直接放大的同頻中繼設(shè)備，其基本功能就是一個射頻信號功率增強(qiáng)器。為了避免電信基礎(chǔ)設(shè)施的重復(fù)建設(shè)，工業(yè)和信息化部于2008年10月已發(fā)布通知， 要求各地通信管理局和運(yùn)營商停止重復(fù)建設(shè)，推進(jìn)電信基礎(chǔ)設(shè)施共享。直放站作為電信基 礎(chǔ)設(shè)施的一部分，也應(yīng)推進(jìn)設(shè)施共享。因此研制900MHz通信頻段的寬頻直放站和直放站天 線且其帶寬能夠覆蓋821-960MHZ，對于推進(jìn)直放站共享具有重要的意義。射頻識別(RFID，Radio Frequency Identification)技術(shù)是一種通過射頻信號 識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)的無線通信技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于動物識別、電子收費(fèi)和門禁 系統(tǒng)等領(lǐng)域。但是不同的國家和地區(qū)為超高頻RFID系統(tǒng)分配的工作頻率是不同的。我國 的工作頻段為840-845MHz和920_925MHz，歐洲工作頻段為865_868MHz，北美工作頻段為 902-928MHZ，日本工作頻段為952_955MHz。我國RFID技術(shù)分配使用的頻段與國際標(biāo)準(zhǔn)化組 織ISO和國際電工委員會IEC推薦的860-960MHZ頻段并不完全一致。隨著RFID技術(shù)的飛 速發(fā)展，研制適用于全球的寬頻讀寫器天線即其寬帶能夠覆蓋835-960MHZ，對于推廣RFID 技術(shù)的應(yīng)用具有重要的意義。通常超高頻RFID標(biāo)簽采用線極化天線。工程應(yīng)用中要求讀寫器能夠正確讀寫處于任何方向的標(biāo)簽，因此讀寫器應(yīng)采用圓極化天線。微帶天線實(shí)現(xiàn)圓極化工作的關(guān)鍵是激勵并產(chǎn)生兩個幅度相等且相位相差90度的 正交線極化波，常采用的方法有單饋法和多饋法。對于單饋法，只需在微帶天線輻射板中 引入不對稱和選擇適當(dāng)?shù)酿侂娢恢眉纯蓪?shí)現(xiàn)圓極化。單饋圓極化微帶天線結(jié)構(gòu)簡單、易加 工和成本低，但是該類天線的圓極化相對帶寬窄，約為中心頻率的0. 5-2%。采用低介電常 數(shù)且較厚的介質(zhì)材料(例如，泡沫或空氣)，單饋單層微帶天線的圓極化相對帶寬可增加為 10. 5%。采用疊層配置，單同軸饋電微帶天線的圓極化相對帶寬可拓展到13. 5%，但是輸入 阻抗匹配較差，不能滿足通信系統(tǒng)輸入駐波比小于1. 5的要求。采用L型帶條饋電技術(shù)和 孔耦合饋電技術(shù)，疊層微帶天線可實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配。但是L型帶條的水平和垂直部分 都同時影響天線輸入電阻和輸入電抗，其設(shè)計(jì)較復(fù)雜，且天線輻射方向性圖是非對稱的。對 于孔耦合饋電技術(shù)，需要一個發(fā)射板來減少天線后向輻射(通常發(fā)射板與天線距離為四分 之一波長)，因此天線高度很大。另外對于多饋法，常采用3dB混合環(huán)對微帶天線兩個正交 點(diǎn)進(jìn)行饋電從而實(shí)現(xiàn)圓極化，使得天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積增大和成本提高。多饋法還包括三饋 法和四饋法，顯然天線結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。有鑒于此，確有必要提出一種單饋寬帶圓極化疊層微帶天線及其饋電裝置，使 得天線軸比小于3dB且駐波比小于1. 5的帶寬為821-960MHZ，且相對帶寬為中心頻率的 15. 6%。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對以上問題的提出，研制了一種單饋寬帶圓極化疊層微帶天線及其饋電 裝置，尤其是指應(yīng)用于移動通信直放站或超高頻RFID讀寫器的寬帶圓極化疊層微帶天線。 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下同軸探針饋電技術(shù)是提出最早也是應(yīng)用最為廣泛的一種微帶天線饋電技術(shù)，其主 要特性是同軸探針激勵輻射板的饋電位置決定了天線的輸入電阻，即饋電位置離輻射板邊 緣越近輸入電阻越大，離輻射板中心越近輸入電阻越小。但是同軸探針的電感效應(yīng)，使得天 線帶寬很窄。為了解決這個問題，L型探針饋電技術(shù)被提出，并被發(fā)展為L型帶條饋電技術(shù)。 L型探針和L型帶條饋電技術(shù)原理類似，其原理為L型帶條的水平部分與輻射板近耦合形成 一個耦合電容，該電容可補(bǔ)償L型帶條垂直部分引入的輸入電感，從而實(shí)現(xiàn)寬頻匹配。但是 L型帶條的水平和垂直部分都同時影響天線輸入電阻和輸入電抗，其設(shè)計(jì)較復(fù)雜，且天線輻 射方向性圖是非對稱的?；谕S探針饋電技術(shù)和L型帶條饋電技術(shù)，我們提出一種新型 的微帶天線饋電技術(shù)。該饋電裝置包括阻抗匹配板、饋電探針和輸入連接器。阻抗匹配板 的一端通過饋電探針激勵疊層微帶天線的下層輻射板，另一端連接輸入連接器內(nèi)導(dǎo)體。阻 抗匹配板由兩個圓環(huán)型金屬帶條組成，其形狀呈“8”字型。該饋電技術(shù)的原理為通過饋電 探針激勵疊層微帶天線下層輻射板的位置決定輸入電阻；通過阻抗匹配板與疊層微帶天線 下層輻射板和地板形成的兩個分布電容來補(bǔ)償由饋電探針引入的輸入電感，從而實(shí)現(xiàn)良好 的阻抗匹配。為了實(shí)現(xiàn)圓極化輻射和接收，疊層微帶天線的輻射板均采用對角線切角的正方形 板。為了展寬天線的圓極化帶寬，在疊層微帶天線結(jié)構(gòu)中設(shè)置了兩層空氣層間隙?？諝鈱?間隙越厚，所能得到的圓極化帶寬越寬。但是空氣層間隙越厚，饋電探針越長，饋電探針?biāo)氲妮斎腚姼幸矔酱?，這將使天線輸入電壓駐波比性能變差。因此，空氣層間隙的厚 度應(yīng)根據(jù)天線帶寬決定。當(dāng)空氣層間隙厚度決定后，相應(yīng)的饋電探針長度也就決定了。由 于本發(fā)明所研制天線的帶寬為139MHz，相對帶寬為中心頻率的15.6%，空氣層總厚度應(yīng)大 于0. 14 A 0, X。為中心頻率對應(yīng)的波長，此時如果采用同軸探針直接饋電疊層平板天線，天 線將很難實(shí)現(xiàn)駐波比小于1. 5的要求；如果采用L型帶條進(jìn)行饋電，天線輻射方向性圖將 是非對稱的。但是如果采用我們所提出的饋電裝置進(jìn)行饋電，天線輻射方向性圖將是對稱 的。這是因?yàn)樽杩蛊ヅ浒迨且粋€對稱結(jié)構(gòu)，通過它激勵天線輻射板，輻射板的電場分布將是 對稱的，從而在遠(yuǎn)場實(shí)現(xiàn)的輻射方向性圖也將是對稱的。實(shí)采用的技術(shù)指標(biāo)如下頻率范圍821_960MHz帶寬l39MHz駐波比1.3 1軸比彡3dB極化方式RHCP天線增益彡8. 8dBi半功率波束寬度66°饋電方式SMA_F。本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下一種單饋寬帶圓極化疊層微帶天線的饋電裝置，其特征在于包括阻抗匹配板、饋 電探針和輸入連接器；所述阻抗匹配板由兩個圓環(huán)型金屬帶條組成，并且為對稱結(jié)構(gòu)；所 述阻抗匹配板的一端連接所述饋電探針，另一端連接輸入連接器的內(nèi)導(dǎo)體。組成阻抗匹配板的兩個圓環(huán)型金屬帶條組成的形狀呈“8”字型。一種包括上述饋電裝置的單饋寬帶圓極化疊層微帶天線，其特征在于包括上層 輻射板、下層輻射板、饋電裝置、地板和固定螺絲；所述上層輻射板、下層輻射板、阻抗匹配 板和地板依次通過固定螺絲進(jìn)行固定；在所述上層輻射板、下層輻射板、阻抗匹配板和地板 之間通過在固定螺絲處設(shè)置的軸套，以保持上層輻射板、下層輻射板、阻抗匹配板和地板之 間的空氣層間隙。所述阻抗匹配板分別與地板和下層輻射板形成兩個分布電容。所述上層輻射板和下層輻射板均為對角線切角的正方形板。所述空氣層間的總隙厚度達(dá)到0. 14 X。時通過采用所述饋電裝置和疊層微帶天 線結(jié)構(gòu)，微帶天線軸比小于3dB且電壓駐波比小于1.3的相對帶寬被拓展為中心頻率的 15. 6%。所述饋電探針與微帶天線下層輻射板中心的距離決定了天線的輸入電阻，通過調(diào) 整該距離使得所述單饋寬帶圓極化疊層微帶天線工作頻帶內(nèi)的輸入電阻在50士8歐姆范 圍內(nèi)；所述饋電探針的直徑和圓環(huán)型金屬帶條的寬度決定了天線的輸入電抗，通過調(diào)整探 針直徑和帶條寬度使得所述單饋寬帶圓極化疊層微帶天線工作頻帶內(nèi)的輸入電抗在士 10 歐姆范圍內(nèi)，從而取得電壓駐波比小于1. 3的寬頻匹配效果。由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供的單饋寬帶圓極化疊層微帶天線，提高了 微帶天線的阻抗和圓極化帶寬，從而滿足移動通信直放站或全球任何一個國家的超高頻RFID系統(tǒng)的技術(shù)要求，并且該天線具有輸入電壓駐波比小、增益高和成本低的特點(diǎn)，適于在 移動通信領(lǐng)域廣泛推廣。


圖1是本發(fā)明單饋寬帶圓極化疊層微帶天線饋電裝置的結(jié)構(gòu)視圖；圖2是本發(fā)明單饋寬帶圓極化疊層微帶天線的結(jié)構(gòu)視圖；圖3是本發(fā)明單饋寬帶圓極化疊層微帶天線的輸入阻抗圖；圖4是本發(fā)明單饋寬帶圓極化疊層微帶天線的輸入電壓駐波比圖；圖5是本發(fā)明單饋寬帶圓極化疊層微帶天線的軸比圖；圖6是本發(fā)明單饋寬帶圓極化疊層微帶天線的增益圖；圖7是本發(fā)明單饋寬帶圓極化疊層微帶天線在中心頻率890MHz的輻射方向性圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明單饋寬帶圓極化疊層微帶天線的饋電裝置1包括阻抗匹配板 11、饋電探針12和輸入連接器13。阻抗匹配板11的一端通過饋電探針12激勵疊層微帶天 線，另一端連接輸入連接器13的內(nèi)導(dǎo)體131。阻抗匹配板11由兩個圓環(huán)型金屬帶條組成， 其形狀呈“8”字型。由于所采用的阻抗匹配板11是一個對稱結(jié)構(gòu)，可使得微帶天線的輻射 方向性圖也是對稱的。參閱圖2，本發(fā)明基于饋電裝置1的單饋寬帶圓極化疊層微帶天線包 括饋電裝置1、上層輻射板2、下層輻射板3、地板4和固定螺絲5，其中阻抗匹配板11、上層 輻射板2、下層輻射板3、和地板4，通過固定螺絲5進(jìn)行固定，另外在上層輻射板2、下層輻 射板3、阻抗匹配板11和地板4之間通過在固定螺絲處設(shè)置的軸套51，以保持上層輻射板、 下層輻射板、阻抗匹配板和地板之間的空氣層間隙。空氣層間隙越大，軸比小于3dB的圓極 化帶寬越寬。當(dāng)空氣層間隙總厚度為0.14X。(入。為中心頻率對應(yīng)的波長)時單饋寬帶圓 極化疊層微帶天線的相對帶寬被拓展為中心頻率的15.6%。上層輻射板2和下層輻射板3 均為對角線切角的正方形板，以實(shí)現(xiàn)圓極化輻射和接收。上層輻射板2通過下層輻射板3 耦合饋電；下層輻射板3通過饋電探針12饋電。阻抗匹配板11分別與地板4和下層輻射 板3形成兩個分布電容61和62，可補(bǔ)償由饋電探針12引入的輸入電感，從而取得良好的匹 配效果。參閱圖3，在本實(shí)施方案中，通過調(diào)整饋電探針12與下層輻射板3中心的距離可使 得所述單饋寬帶圓極化疊層微帶天線工作頻帶821-960MHZ內(nèi)的輸入電阻在50士8歐姆范 圍內(nèi)變化；通過調(diào)整饋電探針12的直徑和阻抗匹配板11的帶條寬度可使得所述單饋寬帶 圓極化疊層微帶天線工作頻帶821-960MHZ內(nèi)的輸入電抗在士 10歐姆范圍內(nèi)變化，從而取 得輸入電壓駐波比小于1. 3的寬頻匹配效果(如圖4所示)。請參閱圖4，本發(fā)明單饋寬帶圓極化疊層微帶天線輸入電壓駐波比小于1. 3的帶 寬為742-lOOOMHz，相對帶寬為中心頻率的29. 6%，說明本發(fā)明單饋寬帶圓極化疊層微帶 天線的饋電裝置具有寬帶匹配功能。參閱圖5，本發(fā)明單饋寬帶圓極化疊層微帶天線的軸比 在工作頻帶821-960MHZ之間均小于3dB，說明本發(fā)明單饋寬帶圓極化疊層微帶天線的圓極 化性能好且圓極化頻帶寬。參閱圖6，本發(fā)明單饋寬帶圓極化疊層微帶天線的增益在工作頻 帶821-960MHZ之間均大于8. 8dBi，說明本發(fā)明單饋寬帶圓極化疊層微帶天線的天線增益 高。圖7為本發(fā)明單饋寬帶圓極化疊層微帶天線在中心頻率890MHz的輻射方向性圖，由圖可知該天線的兩個主平面x-z和y_z平面的輻射方向性圖都非常對稱。本發(fā)明單饋寬帶圓極化疊層微帶天線，由于采用了所提出的饋電裝置以及疊層微 帶天線結(jié)構(gòu)，使得天線輸入電壓駐波比小、圓極化頻帶寬、加工簡單、成本低，非常適合于移 動通信直放站或超高頻RFID讀寫器的應(yīng)用。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其 發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種單饋寬帶圓極化疊層微帶天線的饋電裝置，其特征在于包括阻抗匹配板、饋電探針和輸入連接器；所述阻抗匹配板由兩個圓環(huán)型金屬帶條組成，并且為對稱結(jié)構(gòu)；所述阻抗匹配板的一端連接所述饋電探針，另一端連接輸入連接器的內(nèi)導(dǎo)體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單饋寬帶圓極化疊層微帶天線的饋電裝置，其特征在于 組成阻抗匹配板的兩個圓環(huán)型金屬帶條組成的形狀呈“8”字型。
3.一種包括權(quán)利要求1所述饋電裝置的單饋寬帶圓極化疊層微帶天線，其特征在于包 括上層輻射板、下層輻射板、饋電裝置、地板和固定螺絲；所述上層輻射板、下層輻射板、 阻抗匹配板和地板依次通過固定螺絲進(jìn)行固定；在所述上層輻射板、下層輻射板、阻抗匹配 板和地板之間通過在固定螺絲處設(shè)置的軸套，以保持上層輻射板、下層輻射板、阻抗匹配板 和地板之間的空氣層間隙。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種單饋寬帶圓極化疊層微帶天線，其特征在于所述阻抗匹 配板分別與地板和下層輻射板形成兩個分布電容。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種單饋寬帶圓極化疊層微帶天線，其特征在于所述上層輻 射板和下層輻射板均為對角線切角的正方形板。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種單饋寬帶圓極化疊層微帶天線，其特征在于所述空氣層 間隙的總厚度達(dá)到0. 14 A 0, X。為中心頻率對應(yīng)的波長，時通過采用所述饋電裝置和疊層 微帶天線結(jié)構(gòu)，微帶天線軸比小于3dB且電壓駐波比小于1. 3的相對帶寬被拓展為中心頻 率的15. 6%。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種單饋寬帶圓極化疊層微帶天線，其特征在于所述饋電探 針與微帶天線下層輻射板中心的距離決定了天線的輸入電阻，通過調(diào)整該距離使得所述單 饋寬帶圓極化疊層微帶天線工作頻帶內(nèi)的輸入電阻在50士8歐姆范圍內(nèi)；所述饋電探針的 直徑和圓環(huán)型金屬帶條的寬度決定了天線的輸入電抗，通過調(diào)整探針直徑和帶條寬度使得 所述單饋寬帶圓極化疊層微帶天線工作頻帶內(nèi)的輸入電抗在士 10歐姆范圍內(nèi)，從而取得 電壓駐波比小于1. 3的寬頻匹配效果。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單饋寬帶圓極化疊層微帶天線及其饋電裝置，所述天線由上層輻射板、下層輻射板、阻抗匹配板和地板依次通過固定螺絲進(jìn)行固定構(gòu)成；在所述上層輻射板、下層輻射板、阻抗匹配板和地板之間通過在固定螺絲處設(shè)置的軸套，以保持上層輻射板、下層輻射板、阻抗匹配板和地板之間的空氣層間隙。饋電裝置由阻抗匹配板、饋電探針和輸入連接器構(gòu)成；阻抗匹配板由兩個圓環(huán)型金屬帶條組成，并且為對稱結(jié)構(gòu)。上述技術(shù)提高了微帶天線的阻抗和圓極化帶寬，從而滿足移動通信直放站或全球任何一個國家的超高頻RFID系統(tǒng)的技術(shù)要求，并且該天線具有輸入電壓駐波比小、增益高和成本低的特點(diǎn)，適于在移動通信領(lǐng)域廣泛推廣。
文檔編號H04W88/08GK101976757SQ20101052196
公開日2011年2月16日 申請日期2010年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月20日
發(fā)明者傅世強(qiáng), 房少軍, 王鐘葆 申請人:大連海事大學(xué)