CN105048080A - 一种基于电/磁偶极子的全向性圆极化平面天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于电/磁偶极子的圆极化全向天线，包括微带天线及支撑微带天线的介质基片；微带天线包括位于介质基片上下表面的第一、二矩形金属贴片，第一、二矩形金属贴片为尺寸相同且呈相互正对和平行的关系，在沿第一、二矩形金属贴片的长度方向上，分别以反方向引出尺寸相同的第一、二矩形金属臂；其中第一矩形金属贴片和第一矩形金属臂组成介质基片的第一表面，第二矩形金属贴片和第二形金属臂组成介质基片的第二表面，第一、二表面之间以短路壁连接，短路壁的宽度与介质基片的厚度相等，短路壁的长度与第一矩形金属贴片相等。本天线主辐射部分使用贴片，未使用电抗元件，具有剖面低，尺寸小，易共面等小型化优势，在单层板上即可实现。

Description

一种基于电/磁偶极子的全向性圆极化平面天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，更具体地，涉及一种基于电/磁偶极子的全向性圆极化平面天线，是一种微带贴片天线，工作频率为5GHz，能在垂直平面实现圆极化且辐射方向图为全向性的功能。

背景技术

通信技术的发展使人类社会进入现代信息化社会，信息交换越来越频繁，交流的渠道也多种多样，各种电子通信设备呈爆发性出现，对通信质量的要求也变得越来越高。天线作为信号传递和能量转换的关键性部件，是信号在不同媒介中传输的前哨站，其性能优良直接影响通信的质量。

基于电/磁偶极子最简单的天线结构为半波偶极子天线，它使用两根直径和长度都相等的直导线组成，每根导线的长度为1/4个工作波长，导线的直径远小于工作波长，天线的激励是等幅反向的电压信号，加在天线中间的两个相邻端点上，且天线中间两个相邻端点间的距离远小于工作波长。由于其电流分布近似为沿双臂呈流动，由此得到的的天线其极化方式为线极化，且辐射方向图在H面上是一个圆，即在H面上具有全向性。

圆极化是天线重要的远场参数之一。当无线电波的极化面与大地法线面之间的夹角从0～360°周期的变化，即电场大小不变，方向随时间变化，电场矢量末端的轨迹在垂直于传播方向的平面上投影是一个圆时，称为圆极化。圆极化天线具有以下重要的性质：1、在电场的水平分量和垂直分量振幅相等，相位相差90°或270°时，可以得到圆极化，因此它具有接收任意线极化的特性，广泛应用于基站、广播、雷达等领域；2、圆极化天线分为左旋和右旋圆极化，某一旋向极化的天线只能接收同一旋向的来波，具有很高的抗干扰能力；3、圆极化波入射到对称对象时，旋向逆转，故能有效抑制多径反射和干扰。

全向性圆极化天线是近年来的研究热点，因其把全方向性和圆极化结合于一体形成性能优异的天线备受关注。目前已有涉及全向性圆极化的研究主要有：

【1】X.Quan,R.Li,M.M.Tentzeris,“ABroadbandOmnidirectionalCircularlyPolarizedAntenna,”IEEETrans.AntennasPropag.,vol.61,no.5,pp.2363-2370,May2013.

【2】B.C.ParkandJ.H.Lee,“Omnidirectionalcircularlypolarizedantennautilizingzeroth-orderresonanceofepsilonnegativetransmissionline,”IEEETrans.AntennasPropag.,vol.59,no.7,pp.2717-2721,July2011.

【3】L.Peng,D.R.Jackson,“Circular-polarizedcompactlow-profileomni-directionalantenna,”IEEEAntennasandPropagationSocietyInternationalSymposium(APSURSI),pp.1472-1473,2013.

【4】B.C.ParkandJ.H.Lee,“Dual-BandOmnidirectionalCircularlyPolarizedAntennaUsingZeroth-andFirst-OrderModes",IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters,vol.11,pp.407-410,2012.

【5】B.Li,S.-W.Liao,Q.Xue,“OmnidirectionalCircularlyPolarizedAntennaCombiningMonopoleandLoopRadiators,”IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters,vol.12,pp.607-610,2013.

【6】D.Yu,S.-X.Gong,Y.-T.Wan,Y.-L.Yao,Y.-X.Xu,F.-W.Wang,“WidebandOmnidirectionalCircularlyPolarizedPatchAntennaBasedonVortexSlotsandShortingVias,”IEEETrans.AntennasPropag.,vol.62,no.8,pp.3970-3977,Aug.2014.

【7】D.Yu,S.-X.Gong,Y.-T.Wan,W.-F.Chen,“Omnidirectionaldual-banddualcircularlypolarizedmicrostripantennausingTM01andTM02modes,”IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters,vol.13,pp.1104-1107,2014.

上述文献【1】在同轴中空圆柱体的侧面印制辐射贴片，在圆柱内导体馈电，贴片由四个矩形环连接而成，每个环在不同位置开缝隙以激励其行波电流从而产生前后双旋向圆极化波，其工作频率为2GHz，得到的轴比带宽为39%（1.67-2.47GHz），在xz平面内其辐射方向图为全向性。文献【2】基于传输线模型的零阶谐振（zero-orderresonance，ZOR）模式，在圆形贴片边缘加上四个沿顺时针方向的弯曲臂，在贴片馈电中心附近有四个金属过孔，用以调节电流分布。由于此结构利用零阶谐振模式，本身就有90度的相移，故不需要额外的相移网络。该天线得到圆极化为左旋，若是调整弯曲臂为逆时针分布，还可形成右旋圆极化。文献【3】也同样利用ZOR原理设计了一种全向性圆极化天线，与【2】不同的是，该天线的弯曲臂是在圆环形贴片内部，过孔的位置分布在环的边缘而不是中心附近。得到的轴比在辐射平面内基本稳定在1dB附近，交叉极化电平比主极化低至少10dB，极化纯度高。文献【4】设计的天线结构与【2】类似，也是利用ZOR在圆形贴片外沿添加顺时针的弯曲臂以及贴片中间的过孔联合作用实现圆极化。更进一步的是，该天线也同时利用到第一阶谐振模（First-orderresonance，FOR），因此产生了两个谐振带。文献【5】以电流环产生磁偶极子与电偶极子叠加产生圆极化为基础，在双层板上制作天线，上下层各有电流环的一半，通过中间的金属通孔连接，轴比带宽能达到17.50%。文献【6】设计的天线呈涡流状，若干片如同风扇叶片按顺时针组成的结构，每片叶片的内侧边缘都以短路钉连接上下表面，通过在中心同轴馈电，由短路钉激励起和模，而顶部加载的碟形同轴探针激励起单极子模式，最后可得到较宽的轴比带宽，约60.2%（1.94~3.61GHz），以及相对带宽为51.7%（2.11~3.58GHz）。

有上述文献可知，现有技术大多基于利用ZOR原理，在主辐射贴片（一般为圆形贴片）周围以一定的排列顺序对弯曲臂进行排列，在远离弯曲臂的一端对应有金属销钉，用以短路电流。因此金属贴片和地板之间垂直电场，等效于一个电容，而围绕这贴片的水平电流等效于电感，因此ZOR等效为LC谐振器。由于LC谐振器的Q值较高，因此得到的天线频带窄，若想展宽，则需扩大尺寸，牺牲其小型化。而且上述现有技术制成的天线多大使用金属钉，在高频率时容易引入高阶模，使交叉极化电平升高，影响辐射方向图。由ZOR原理制成的天线，在组成阵列以提高天线性能时，由于相互之间的耦合，需要额外的馈电网络进行补偿。

发明内容

本发明提供了一个新型的基于电/磁偶极子的圆极化全向天线，主辐射部分全部使用贴片，未使用电抗元件，具有剖面低，尺寸小，易共面等小型化优势，在单层板上即可实现结构的构建。

一种基于电/磁偶极子的全向性圆极化平面天线，包括微带天线及支撑微带天线的介质基片；所述微带天线包括位于介质基片上下表面的第一矩形金属和第二矩形金属贴片，所述第一矩形金属贴片和第二矩形金属贴片为尺寸相同且呈相互正对和平行的关系，在沿第一、二矩形金属贴片的长度方向上，分别以反方向引出尺寸相同的第一、二矩形金属臂；其中第一矩形金属贴片和第一矩形金属臂组成介质基片的第一表面，第二矩形金属贴片和第二矩形金属臂组成介质基片的第二表面，第一表面和第二表面之间以短路壁连接，所述短路壁的高度与介质基片的厚度相等，短路壁的长度与第一、二矩形金属贴片相等。

本发明的基于电/磁偶极子的全向性圆极化平面天线，其上下表面分别具有矩形金属臂，在馈电的激励下，形成沿长度方向流动的电流。而第一、二表面之间的开放结构远远小于波长，形成与切向电场，可等效为磁流源。由于磁流源和矩形臂形成的电流源距离很近，可以认为二者放置在同一个轴向上，故其辐射方向图在垂直平面上为全向性。磁流相对于电流在相位上本身就相差90度，故不需要额外的相移网络达成圆极化。由电流源和磁流源的方向可以得到本天线为左旋圆极化，若希望得到右旋圆极化，可将矩形臂上下调换，其余保持不变即可实现。

进一步的，所述天线为同轴单馈电天线，其同轴馈电点位于天线长度方向的中心处。该天线的馈电方式为同轴单馈，不需要额外的馈电网络，简单便利。

进一步的，所述介质基片为介电常数为2.2，厚度为3.4mm的介质基片。

进一步的，所述同轴馈电点通过SMA接头连接贴片，引出同轴线，实现馈电。

进一步的，所述第一、二矩形金属贴片的金属为铜。

本发明的有益效果：本发明所述的基于电/磁偶极子的全向性圆极化平面天线，其上下表面分别具有矩形臂，在馈电的激励下，形成沿长度方向流动的电流。而上下表面之间的开放结构远远小于波长，形成与切向电场，可等效为磁流源。由于磁流源和矩形臂形成的电流源距离很近，可以认为二者放置在同一个轴向上，故其辐射方向图在垂直平面上为全向性。磁流相对于电流在相位上本身就相差90度，故不需要额外的相移网络达成圆极化。由电流源和磁流源的方向可以得到本天线为左旋圆极化，若希望得到右旋圆极化，可将矩形臂上下调换，其余保持不变即可实现。

本发明的全向性圆极天线具有“广播式”特性，能在铅垂面上覆盖360度的范围，易于扩展成天线阵列，本天线的圆极化全方向特性可以在铅垂平面的任意角度内实现圆极化，而不是仅仅局限于某个角度范围的圆极化，可以避免辐射上的盲点，可广泛应用于移动通信系统和对抗电子干扰。

附图说明

图1为本发明基于电/磁偶极子的全向性圆极化平面天线的结构示意图。

图2为本发明实施例所述天线的物理尺寸结构示意图。

图3为本发明实施例所述天线仿真模型的S11参数图。

图4为本发明实施例所述天线仿真模型的输入阻抗图。

图5为本发明实施例所述天线仿真模型的轴比图。

图6为本发明实施例所述天线仿真模型的交叉极化图。

图7为本发明实施例所述天线仿真模型的3D辐射方向图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的实施方式并不限于此。

1-第一矩形金属贴片、2-第二矩形金属贴片、3-第一矩形金属臂、4-第二矩形金属臂、5-短路壁、6-天线长度方向的中心处。

如图1，一种基于电/磁偶极子的全向性圆极化平面天线，包括微带天线及支撑微带天线的介质基片；所述微带天线包括位于介质基片上下表面的第一矩形金属贴片1和第二矩形金属贴片2，所述第一矩形金属贴片1和第二矩形金属贴片2为尺寸相同且呈相互正对和平行的关系，在沿第一、二矩形金属贴片的长度方向上，分别以反方向引出尺寸相同的第一、二矩形金属臂；其中第一矩形金属贴片1和第一矩形金属臂3组成介质基片的第一表面，第二矩形金属贴片2和第二形矩形金属臂4组成介质基片的第二表面，第一表面和第二表面之间以短路壁5连接，所述短路壁5的高度与介质基片的厚度相等，短路壁5的长度与第一、二矩形金属贴片相等。所述介质基片采用Rogers5880，其介电常数为2.2，厚度为3.4mm；第一、二矩形金属贴片的金属为铜。

在本实施例中，所述天线为同轴单馈天线，其同轴馈电点位于天线长度方向的中心处6。所述同轴馈电点通过SMA接头连接贴片，引出同轴线实现馈电；本天线的频带介于4.87GHz到5.21GHz。

上述天线结构的第一表面和第二表面仅以一个短路壁连接，该短路壁闭合由第一表面和第二表面构成的一个侧面，其余三个侧面不加闭合，呈开放状态。

如图2，第一、二金属矩形臂尺寸为20.3mm×3.8mm；所采用的第一、二矩形金属贴片的尺寸均为40mm×9.8mm；天线在该频带中的轴比小于5dB；产生的3D辐射方向图为近似“车轮”形状，即在垂直平面内的方向图近似圆。

上述天线的具体物理尺寸参数如下表。

表1

参数	W	L	L_a	W_a	B	d	H
								尺寸（mm）	9.8	40	20.3	3.8	2.5	0.9	3.4

现有同时实现全向性同和圆极化的天线大多基于ZOR原理构建天线，馈电网络复杂，阻抗匹配难度大，且Q值大，天线频带窄，在实现小型化上挑战颇大。本发明采用基于电/磁偶极子的全向性圆极化平面天线，上下表面展开的矩形臂上流动的电流与边缘间的缝隙形成的磁流相位相差90度，经过适当的调节可在远场叠加形成圆极化，不需要额外的相移网络。由于主辐射部分全部使用贴片，具有剖面低，尺寸小，易共面等小型化优势，在单层板上即可实现结构的构建。

利用电磁仿真软件AnsoftHFSS对本发明天线进行建模和仿真。得到实例所述的天线仿真的S11参数如图3所示，天线小于-10dB阻抗带宽从4.87~5.21GHz，相对带宽约为6.8%。从图4的输入阻抗图可以看出，在工作频率范围内的输入阻抗均为50欧姆附近，具有良好的匹配特性。从图5可得天线在中心频率下的轴比图，在Phi=90度的垂直平面内，Theta的取值对轴比影响不大，在该平面内轴比均小于3dB，即能实现平面内任意角度的圆极化。天线的交叉极化图由图6给出，从途中看出GainLHCP比GainRHCP大至少15dB，因此天线的旋向为左旋圆极化。最后得到实例所述的天线仿真的3D辐射方向图如图7，理论上得到的方向图应形如“圆饼”，但由于短路壁也会引入辐射，故在垂直于辐射平面的方向上出现了副瓣。仿真结果表面，该全向性圆极化平面天线性能优良，各方面参数均符合天线指标定义，其小型化和强大的圆极化、全向性特点在具体应用中具有突出优点。

以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于电/磁偶极子的全向性圆极化平面天线，其特征在于，包括微带天线及支撑微带天线的介质基片；所述微带天线包括位于介质基片上下表面的第一矩形金属贴片和第二矩形金属贴片，所述第一矩形金属贴片和第二矩形金属贴片为尺寸相同且呈相互正对和平行的关系，在沿第一、二矩形金属贴片的长度方向上，分别以反方向引出尺寸相同的第一、二矩形金属臂；其中第一矩形金属贴片和第一矩形金属臂组成介质基片的第一表面，第二矩形金属贴片和第二矩形金属臂组成介质基片的第二表面，第一表面和第二表面之间以短路壁连接，所述短路壁的高度与介质基片的厚度相等，短路壁的长度与第一、二矩形金属贴片相等。

2.根据权利要求1所述的基于电/磁偶极子的全向性圆极化平面天线，其特征在于，所述天线为同轴单馈电天线，同轴馈电点位于天线长度方向的中心处。

3.根据权利要求1或2所述的基于电/磁偶极子的全向性圆极化平面天线，其特征在于，所述介质基片为介电常数为2.2，厚度为3.4mm的介质基片。

4.根据权利要求2所述的基于电/磁偶极子的全向性圆极化平面天线，其特征在于，所述同轴馈电点通过SMA接头连接贴片，引出同轴线实现馈电。

5.根据权利要求4所述的基于电/磁偶极子的全向性圆极化平面天线，其特征在于，所述第一、二矩形金属贴片的金属为铜。