基于单层结构的宽带圆极化孔径天线

1.本发明属于天线技术领域，更进一步涉及天线技术领域中的一种基于单层结构的宽带圆极化孔径天线。本发明可用于需要天线与其他微波元件集成的通信应用和对带宽要求极高的无线系统。


背景技术：

2.圆极化孔径天线由于结合了圆极化天线能够抵抗多径干扰和衰落，信号传输稳定和可靠等优点，和孔径天线的宽频带，低剖面低，易于设计和集成的优点，而被广泛应用于通信、测量、定位等无线系统中。为了满足现代无线系统越来越高以及越来越复杂的要求，天线向着宽频带、小型化的方向发展。圆极化孔径天线的相对工作带宽一般只有40％-50％，只有极少的圆极化孔径天线的相对工作带宽达到了70％，导致此类圆极化孔径天线要么尺寸较大，要么阻抗带宽无法完全覆盖其轴比带宽导致工作带宽窄的问题，因而在实际应用中受到了一定的限制。
3.福州大学在其申请的专利文献“一种倒l形枝节加载宽带圆极化缝隙天线”(专利申请号：cn201721796529.4，申请公布号：cn 207587968 u)中提出了一种倒l形枝节加载的宽带圆极化缝隙天线。该天线由以导电体围成的带缺口的矩形环形地板、矩形馈线和倒l形辐射贴片组成。该天线采用cpw馈电，具有较宽的阻抗带宽和轴比带宽，但是，该方法存在的不足之处是，该方法是以牺牲尺寸为代价提高的轴比带宽，尺寸较大，无法实现在需要天线与其他微波元件集成的通信应用中。
4.lei wang；bin yao；wenxiao fang等人在其发表的论文“new circular-slotcircularly polarized antenna with modified characteristic”(international journal ofantennas and propagation，2022)中提出了一种宽带圆极化天线。该天线由刻有圆形槽的地面、i形条带和半圆环形馈电结构组成。采用半圆环形馈电结构，并在地面的圆形缝隙增加一个条带作为微扰元件，可以同时激励多个圆极化谐振模式，实现较宽的阻抗带宽和轴比带宽。但是，该方法仍然存在的不足之处是，所实现的阻抗带宽不能完全覆盖其轴比带宽，部分轴比带宽浪费，无法在较宽的频带内工作。
5.张依轩等人在其发表的论文“miniaturised cp aperture antenna with tri-modeoperation for broadening bandwidth”(electronics letters，2018)中提出了一种宽带圆极化孔径天线。该天线通过l形馈线馈电，地平面上蚀刻圆形缝隙，引入一对微扰槽以产生圆极化辐射的高阶模式(准te
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)，获得了较宽的圆极化带宽，通过对地平面的一些修改，天线实现了小型化。但是，该方法仍然存在的不足之处是，该方法是以牺牲其工作带宽为代价实现的小型化，无法在对带宽要求极高的无线系统内工作。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于单层结构的宽带圆极化孔径天线，用于解决在需要天线与其他微波元件集成的通信应用中，无法在较宽的频带
内工作，以及无法在对带宽要求极高的无线系统内工作的问题。
7.实现本发明目的的思路是，采用单层结构，与多层结构相比具有剖面低，结构简单的优点。由于地平面对角线上的切角和加载的条带的存在，天线上的场的分量发生改变，使得该天线在不影响轴比带宽的前提下实现天线平面尺寸的减小，低剖面和小的平面尺寸实现了天线总体尺寸的减小，由此克服了现有技术中天线尺寸大的不足。在倒l形微带线和微带传输线之间采用的巴伦和馈线上额外添加的调谐短截线能够调节天线的阻抗大小，进行阻抗变换，从而实现阻抗匹配，克服了现有技术中天线阻抗带宽无法覆盖其轴比带宽，造成轴比带宽浪费的不足。在地平面上宽缝隙边沿蚀刻的四条矩形窄缝隙，由此改变电流路径，在更高频率上产生新的轴比最小点，通过合理调整天线参数，该点与原有轴比最小点同时工作，天线的轴比带宽拓宽，从而克服天线的轴比带宽窄的不足。
8.为了实现上述目的，本发明的宽带圆极化孔径天线包括：介质基板、金属地板、天线馈电单元3；所述介质基板为单层、金属地板的宽缝隙四周蚀刻有窄缝隙，馈电单元上加载矩形的调谐短截线。
9.本发明与现有技术相比，具有以下优点：
10.第一，由于本发明采用单层结构，对地平面进行的切角和加载的条带，由此克服了现有技术由于天线尺寸大无法在需要天线与其他微波元件集成的通信应用中的不足，使得本发明具有低剖面的优点，且在不影响轴比带宽的前提下实现天线平面尺寸的减小，易于实现天线与其他微波元件集成的优点。
11.第二，由于本发明在微带线和馈线之间采用的巴伦和馈线上额外添加的调谐短截线，由此调节天线的阻抗大小，从而进行阻抗匹配，克服了现有技术中天线阻抗带宽无法覆盖其轴比带宽，造成轴比带宽浪费的不足，使得本发明具有宽阻抗带宽的优点。
12.第三，由于本发明在地面上宽缝隙边沿蚀刻的矩形窄缝隙，由此改变电流路径，在更高频率上产生新的轴比最小点，天线的轴比带宽拓宽，从而克服了现有技术中天线的轴比带宽窄的不足，使得本发明具有宽轴比带宽的优点。
附图说明
13.图1为本发明实施例的侧面结构示意图；
14.图2为本发明实施例中金属地板结构示意图；
15.图3为本发明实施例中馈电单元结构示意图；
16.图4为本发明实施例的反射系数随频率变化的仿真曲线图；
17.图5为本发明实施例的轴比参数随频率变化的仿真曲线图；
18.图6为本发明实施例的增益随频率变化的仿真曲线图；
19.图7为本发明实施例在3.9ghz时的远场辐射方向图；
20.图8为本发明实施例在5.55ghz时的远场辐射方向图。
具体实施方式
21.下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。
22.参照图1，对本发明实施例的天线结构做进一步的描述。
23.本发明的天线包括方形介质基板1、金属地板2和天线馈电单元3；所述介质基板1
为单层、金属地板2宽缝隙21四周蚀刻有窄缝隙，馈电单元3上加载矩形的调谐短截线33。
24.所述介质基板1的厚度为0.8mm～1.4mm，介电常数为3.65～4.4。
25.本发明的实施例中介质基板1选用厚度为1.2mm，相对介电常数为4.4，边长为43mm的方形fr4介质基板。
26.所述介质基板1正面及背面均设有覆铜层，正面覆铜层为天线馈电单元3，背面覆铜层为金属地板2。
27.参照图2，对本发明实施例的金属地板2做进一步的描述。
28.所述的金属地板2为切掉对角28、29的多边形结构，其上依次蚀刻有宽缝隙21，四个矩形窄缝隙24、25、26、27，以及ab处和cd处加载的条带22、23。
29.所述四个窄缝隙24、25、26、27均为矩形，宽度均相等，其取值范围为[0.1，1]mm，长度不等，其取值范围为[9，15]mm。
[0030]
本发明的实施例中四条矩形窄缝隙24、25、26、27均宽为0.12mm，长度分别为10.1mm，10.8mm、9.7mm和14mm。
[0031]
所述四条矩形窄缝隙24、25、26、27的延长线a、b、c、d两两正交，且其交点e、f、g、h的连线的交点与宽缝隙21的中心点o相重合。
[0032]
所述宽缝隙21的形状为矩形、圆形或不规则的多边形的任意一种，其边长或半径的取值范围为[16，20]mm。
[0033]
本发明的实施例中宽缝隙21为圆形，半径为16.4mm。
[0034]
参照图3，对本发明实施例的馈电单元3做进一步的描述。
[0035]
所述的馈电单元3，依次由倒l形微带线结构31，巴伦32，矩形调谐短截线33和微带传输线34组成，调谐短截线33位于微带传输线34上。
[0036]
所述巴伦为由上底边为ij、下底边为km、斜边为ik、jm组成的梯形，其上底边ij与倒l形微带线中垂直部分的下底边相连接，下底边km与微带传输线的上短边相连接。
[0037]
本发明的实施例中倒l形微带线结构31的水平部分的长与宽分别为17.4mm和7.2mm，垂直部分的长与宽分别为13mm和5.4mm；巴伦32的高为6mm；微带传输线的宽度分别为2.3mm和0.56mm；矩形调谐短截线的长为2.7mm，宽为1.4mm。
[0038]
下面结合本发明的仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明。
[0039]
1、仿真以及测试内容：
[0040]
本发明的仿真实验为利用商业仿真软件hfss_22.1和本发明天线实施例的具体参数进行天线建模，再利用该商业仿真软件hfss_22.1分别对该天线模型的反射系数s参数、轴比参数、增益结果、3.9ghz时的远场辐射方向图和5.55ghz时的远场辐射方向图进行仿真，得到的每种天线建模的仿真结果，如图4、5、6、7和8所示。
[0041]
图4为所述天线建模反射系数s参数的仿真结果。其中，横坐标为频率，单位为ghz，纵坐标为s
11
参数，单位为db，曲线为s
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参数随频率变化的曲线图。如图4可见，以本发明天线的反射系数s
11
≤-10db为标准，本发明实施例的模型仿真结果中阻抗带宽为3.14ghz-8.3ghz，相对带宽为90.2％。
[0042]
图5为所述天线建模轴比参数的仿真结果。其中，横坐标为频率，单位为ghz，纵坐标为ar参数，单位为db，曲线为ar参数随频率变化的曲线图。如图5可见，以本发明天线的轴比参数ar≤3db为标准，本发明实施例的模型仿真结果中轴比带宽为3.3ghz-8ghz，相对带
宽为83.2％。本发明与现有技术公开的轴比带宽相比，该天线的轴比带宽明显展宽，克服了现有技术中天线的轴比带宽窄的不足。
[0043]
所述现有技术指的是：张依轩等人在其发表的论文“miniaturised cp apertureantenna with tri-mode operation for broadening bandwidth”(electronicsletters，2018)中提出的一种宽带圆极化孔径天线。
[0044]
结合图4和图5的仿真结果，本发明天线的阻抗带宽完全覆盖其轴比带宽，其工作带宽即为轴比带宽，为83.2％。本发明与现有技术公开的工作带宽相比，该天线的工作带宽明显展宽，克服了现有技术中天线阻抗带宽无法覆盖其轴比带宽，造成轴比带宽浪费，工作带宽窄的不足。
[0045]
所述现有技术指的是：lei wang；bin yao；wenxiao fang等人在其发表的论文“new circular-slot circularly polarized antenna with modified characteristic”(international journal of antennas and propagation，2022)中提出的一种宽带圆极化天线。
[0046]
图6为所述天线建模增益的仿真结果。其中，横坐标为频率，单位为ghz，纵坐标为增益gain，单位为db，曲线为增益gain随频率变化的曲线图。从图6可见，本发明实施例的模型仿真结果中最大增益在工作频率范围内可以达到5db，且在大部分工作频段内的增益变化小于1db。
[0047]
图7和图8分别为所述天线建模在3.9ghz和5.55ghz时的远场辐射方向图，其中，图7(a)为xoz面远场辐射方向图，图7(b)为yoz面远场辐射方向图。图7和图8中的横坐标均为θ，单位为deg，纵坐标均为增益，单位为db。从图7和图8可见，本发明的天线工作在3.9ghz和5.55ghz时，对于仿真的xoz面辐射方向图和yoz面辐射方向图，该天线在+z方向均辐射右旋圆极化波，在-z方向均辐射左旋圆极化波。

技术特征：
1.一种基于单层结构的宽带圆极化孔径天线，包括：介质基板(1)、金属地板(2)以及天线馈电单元(3)；其特征在于，所述介质基板(1)为单层、金属地板(2)中的宽缝隙(21)四周蚀刻有窄缝隙，馈电单元(3)上加载矩形的调谐短截线(33)。2.根据权利要求1所述的基于单层结构的宽带圆极化孔径天线，其特征在于，所述介质基板(1)的厚度为0.8mm～1.4mm，介电常数为3.65～4.4。3.根据权利要求1所述的基于单层结构的宽带圆极化孔径天线，其特征在于，所述介质基板(1)的正面及背面均设有覆铜层，正面覆铜层为天线馈电单元(3)，背面覆铜层为金属地板(2)。4.根据权利要求1所述的基于单层结构的宽带圆极化孔径天线，其特征在于，所述金属地板(2)为切掉对角(28)、(29)的多边形结构，其上依次蚀刻有宽缝隙(21)、四个窄缝隙(24)、(25)、(26)、(27)，以及ab处和cd处加载的条带(22)、(23)。5.根据权利要求4所述的基于单层结构的宽带圆极化孔径天线，其特征在于，所述四个窄缝隙(24)、(25)、(26)、(27)均为矩形，宽度均相等，其取值范围为[0.1，1]mm，长度不等，其取值范围为[9，15]mm。6.根据权利要求4所述的基于单层结构的宽带圆极化孔径天线，其特征在于，所述四个窄缝隙(24)、(25)、(26)、(27)的延长线a、b、c、d两两正交，且其交点e、f、g、h的连线的交点与宽缝隙(21)的中心点o相重合。7.根据权利要求4所述的基于单层结构的宽带圆极化孔径天线，其特征在于，所述宽缝隙(21)的形状为矩形、圆形或不规则的多边形中的任意一种，其边长或半径的取值范围为[16，20]mm。8.根据权利要求1所述的基于单层结构的宽带圆极化孔径天线，其特征在于，所述馈电单元(3)依次由倒l形微带线(31)、巴伦(32)、调谐短截线(33)和微带传输线(34)组成，调谐短截线(33)位于微带传输线(34)上。9.根据权利要求8所述的基于单层结构的宽带圆极化孔径天线，其特征在于，所述巴伦(32)为由上底边为ij、下底边为km、斜边为ik、jm组成的梯形，其上底边ij与倒l形微带线(31)中垂直部分的下底边相连接，下底边km与微带传输线(34)的上短边相连接。

技术总结
本发明公开一种基于单层结构的宽带圆极化孔径天线，包括介质基板1、金属地板2以及天线馈电单元3。介质基板1为单层、金属地板2宽缝隙21四周蚀刻有窄缝隙，馈电单元3上加载矩形的调谐短截线33。本发明在金属地板上的切角和加载条带，使得天线在不影响带宽的情况下减小天线尺寸；蚀刻的窄缝隙，由此改变电流路径，在更高频率上产生新的轴比最小点，使得天线的轴比带宽拓宽。馈电单元上加载的巴伦和调谐短截线能够调节天线的阻抗大小，从而进行阻抗匹配，使得天线的阻抗带宽拓宽，其阻抗带宽完全覆盖其轴比带宽。本发明可适用于在需要天线与其他微波元件集成的通信应用和对带宽要求极高的无线系统内工作。高的无线系统内工作。高的无线系统内工作。


技术研发人员：焦永昌 高孟瑶 张紫卉 孙禹达
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/8/6