一種寬帶寬角度全向圓極化天線的製作方法

2023-12-03 12:07:31 1

本發明涉及全向圓極化天線，具體是一種寬帶寬角度全向圓極化天線。

背景技術：

隨著無線通信技術的發展，單純的線極化天線已很難滿足社會的需求，而全向圓極化天線具有抗多徑衰落、抗幹擾能力強等特點，可以廣泛應用於遙感遙測、雷達、電子幹擾等多個領域。此外，由於全向圓極化天線的全向輻射特性和圓極化性能，使其可以應用到高速運動或旋轉的通信設備上。可見，全向圓極化天線具有廣闊的應用前景。

目前，無線通信系統中採用的全向圓極化天線有兩種：第一種是將多個定向圓極化天線或全向線極化天線組合在一起，此類天線體積較大、設計複雜。第二種是平面結構的全向圓極化天線，此類天線雖然結構簡單、電尺寸較小，但是阻抗帶寬和軸比帶寬較窄。因此，近年來，眾多學者提出了多種展寬天線帶寬的方法。比如，在高介電常數的介質頂端引入阿爾福特環(W. W. Li etc, 「Omnidirectional circularly polarized dielectric resonator antenna with top-loaded alford loop for pattern diversity design,」 IEEE Trans. Antennas Propag., 61 (2013),4246-4256.)；在貼片邊緣引入耦合枝節(W. Lin etc, 「Circularly polarized conical-beam antenna with wide bandwidth and low profile,」 IEEE Trans. Antennas Propag., 62 (2014), 5974-5982.)；在接地板和貼片上同時蝕刻縫隙並加載短路過孔(Y. Z. Shi etc, 「Wideband and low-profile omnidirectional circularly polarized antenna with slits and shorting-vias,」 IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., 15 (2016), 686-689.)等。儘管如此，目前技術實現的天線只能在某一方位角平面上（如x-y面或是θ=30°面）實現全向圓極化。

鑑於此，有必要提出一種可以在多方位角平面上實現全向圓極化的寬帶天線，以滿足無線通信的發展需求。

技術實現要素：

本發明為了解決現有全向圓極化天線無法在多方位角平面上實現全向圓極化的問題，提供了一種寬帶寬角度全向圓極化天線。

本發明是採用如下技術方案實現的：

一種寬帶寬角度全向圓極化天線，包括圓形輻射貼片、介質基板、圓形接地板；

其中，圓形輻射貼片和圓形接地板分別貼裝於介質基板的上表面和下表面；圓形輻射貼片的軸線、介質基板的軸線、圓形接地板的軸線相重合；

圓形輻射貼片的邊緣延伸設置有M個上層彎曲枝節；每個上層彎曲枝節均由一條沿徑向延伸的條狀微帶線和一條沿周向順時針延伸的圓弧狀短截線組成；各個上層彎曲枝節均貼裝於介質基板的上表面，且各個上層彎曲枝節沿周向等距排列；

圓形接地板的邊緣延伸設置有M個下層彎曲枝節；每個下層彎曲枝節均由一條沿徑向延伸的條狀微帶線和一條沿周向逆時針延伸的圓弧狀短截線組成；各個下層彎曲枝節均貼裝於介質基板的下表面，且各個下層彎曲枝節沿周向等距排列；

各個上層彎曲枝節的條狀微帶線和各個下層彎曲枝節的條狀微帶線之間以夾角α錯開；

圓形輻射貼片和圓形接地板之間貫通開設有N個短路過孔，且各個短路過孔沿周向等距排列；

圓形輻射貼片的中央和圓形接地板的中央之間貫通設置有同軸饋電點；

M、N均為正整數。

工作時，由N個短路過孔連接的圓形輻射貼片和圓形接地板產生垂直極化波，與圓形輻射貼片和圓形接地板相連的彎曲枝節產生水平極化波，二者幅度相同，且相位相差90°，因而激勵起圓極化波；同時M個上層彎曲枝節沿周向順時針延伸，因此形成的是右旋圓極化（RHCP）。與現有全向圓極化天線相比，本發明所述的一種寬帶寬角度全向圓極化天線通過在圓形輻射貼片邊緣和圓形接地板邊緣分別引入彎曲枝節（上層彎曲枝節和下層彎曲枝節），並將上層彎曲枝節和下層彎曲枝節錯開一定的角度α，改善了天線的軸比帶寬（3-dB軸比帶寬為1.95 - 2.75 GHz，相對帶寬達到34.1 %），並在多方位角平面上實現了全向圓極化，提高了天線的增益，從而滿足了無線通信的發展需求。

本發明結構合理、設計巧妙，有效解決了現有全向圓極化天線無法在多方位角平面上實現全向圓極化的問題，適用於無線通信。

附圖說明

圖1是本發明的立體結構示意圖。

圖2是本發明中圓形輻射貼片和上層彎曲枝節的平面結構示意圖。

圖3是本發明中圓形接地板和下層彎曲枝節的平面結構示意圖。

圖4是本發明的S11示意圖。

圖5是本發明在θ=70°、φ=0°時的軸比示意圖。

圖6是本發明在夾角α為0°且φ=0°時不同方位角的軸比示意圖。

圖7是本發明在夾角α為30°且φ=0°時不同方位角的軸比示意圖。

圖8是本發明在夾角α為0°且頻率為2.4GHz時不同方位角平面上的軸比示意圖。

圖9是本發明在夾角α為30°且頻率為2.4GHz時不同方位角平面上的軸比示意圖。

圖10是本發明在夾角α為0°且φ=0°時不同方位角的增益示意圖。

圖11是本發明在夾角α為30°且φ=0°時不同方位角的增益示意圖。

圖12是頻率為2.4GHz時本發明在φ=0°面的輻射方向示意圖。

圖13是頻率為2.4GHz時本發明在θ=50°面的輻射方向示意圖。

圖14是頻率為2.4GHz時本發明在θ=70°面的輻射方向示意圖。

圖15是頻率為2.4GHz時本發明在θ=90°面的輻射方向示意圖。

圖1-圖3中：1-圓形輻射貼片，2-介質基板，3-圓形接地板，4-上層彎曲枝節，5-下層彎曲枝節，6-短路過孔，7-同軸饋電點。

具體實施方式

一種寬帶寬角度全向圓極化天線，包括圓形輻射貼片1、介質基板2、圓形接地板3；

其中，圓形輻射貼片1和圓形接地板3分別貼裝於介質基板2的上表面和下表面；圓形輻射貼片1的軸線、介質基板2的軸線、圓形接地板3的軸線相重合；

圓形輻射貼片1的邊緣延伸設置有M個上層彎曲枝節4；每個上層彎曲枝節4均由一條沿徑向延伸的條狀微帶線和一條沿周向順時針延伸的圓弧狀短截線組成；各個上層彎曲枝節4均貼裝於介質基板2的上表面，且各個上層彎曲枝節4沿周向等距排列；

圓形接地板3的邊緣延伸設置有M個下層彎曲枝節5；每個下層彎曲枝節5均由一條沿徑向延伸的條狀微帶線和一條沿周向逆時針延伸的圓弧狀短截線組成；各個下層彎曲枝節5均貼裝於介質基板2的下表面，且各個下層彎曲枝節5沿周向等距排列；

各個上層彎曲枝節4的條狀微帶線和各個下層彎曲枝節5的條狀微帶線之間以夾角α錯開；

圓形輻射貼片1和圓形接地板3之間貫通開設有N個短路過孔6，且各個短路過孔6沿周向等距排列；

圓形輻射貼片1的中央和圓形接地板3的中央之間貫通設置有同軸饋電點7；

M、N均為正整數。

具體實施時，上層彎曲枝節4的數目和下層彎曲枝節5的數目均為六個；夾角α的度數為30°；短路過孔6的數目為十六個。

如圖4所示，曲線1表示僅引入上層彎曲枝節時天線的S11，曲線2表示同時引入上層彎曲枝節和下層彎曲枝節後天線的S11。通過圖4可以看出：僅引入上層彎曲枝節時，天線有兩個相鄰的諧振頻率2.28GHz和2.5GHz，分別是由N個短路過孔和圓形輻射貼片所激勵。因此，可以得到較寬的阻抗帶寬 (|S11| < -10 dB)為2.2 - 2.59 GHz，相對帶寬為16.3 %。同時引入上層彎曲枝節和下層彎曲枝節後，天線的-10-dB阻抗帶寬右移，為2.27 - 2.7 GHz。

如圖5所示，曲線1表示僅引入上層彎曲枝節時天線在θ=70°、φ=0°的軸比，曲線2表示同時引入上層彎曲枝節和下層彎曲枝節後天線在θ=70°、φ=0°的軸比。通過圖5可以看出：僅引入上層彎曲枝節時，天線僅在3個較窄的頻帶(1.73 GHz - 1.83 GHz, 2.18 GHz - 2.4 GHz，3.77 GHz - 4 GHz)滿足軸比小於3dB。同時引入上層彎曲枝節和下層彎曲枝節後，天線的圓極化特性得到改善，3-dB軸比帶寬為2.05 - 3.35 GHz，相對帶寬為48.1 %，被大大展寬。

如圖6所示，曲線1、2、3、4、5分別表示各個上層彎曲枝節的條狀微帶線和各個下層彎曲枝節的條狀微帶線之間的夾角α為0°且φ=0°時，天線在θ=50°、60°、70°、80°、90°的軸比。通過圖6可以看出：夾角α為0°時，天線僅在θ=70°、80°的角度上實現較寬的3-dB軸比帶寬，為2.05 – 3.35 GHz。當θ在50°和60°之間變化時，整個通帶內的軸比已經大於3dB。

如圖7所示，曲線1、2、3、4、5分別表示各個上層彎曲枝節的條狀微帶線和各個下層彎曲枝節的條狀微帶線之間的夾角α為30°且φ=0°時，天線在θ=50°、60°、70°、80°、90°的軸比。通過圖7可以看出：夾角α為30°時，天線在50° - 90°範圍內所有方位角上都實現了較寬的軸比帶寬。其中，θ=70°時的3-dB軸比帶寬最寬，為1.87 - 3.82 GHz。另外，由於天線的對稱性，在θ=100° - 130°面上，可以得到相似的結果，同樣實現全向圓極化，這裡沒有一一列舉。

如圖8所示，曲線1、2、3、4、5分別表示各個上層彎曲枝節的條狀微帶線和各個下層彎曲枝節的條狀微帶線之間的夾角α為0°且頻率為2.4GHz時，天線在θ=50°、60°、70°、80°、90°方位面上的軸比。通過圖8可以看出：夾角α為0°時，只有θ=80°，90°(x-y面)平面上可以實現全向圓極化，該平面所有角度上的軸比均小於3 dB。

如圖9所示，曲線1、2、3、4、5分別表示各個上層彎曲枝節的條狀微帶線和各個下層彎曲枝節的條狀微帶線之間的夾角α為30°且頻率為2.4GHz時，天線在θ=50°、60°、70°、80°、90°方位面上的軸比。通過圖9可以看出：夾角α為30°時，擴大了可以實現全向圓極化的方位角，天線在θ =50° - 90°範圍內的所有方位面上，每一點的軸比均小於3 dB。平均軸比最小的平面為θ =70°面，軸比平均值為0.5 dB，平均軸比最大的平面為θ =50°面，軸比平均值為2.2 dB。

如圖10所示，曲線1、2、3、4、5分別表示各個上層彎曲枝節的條狀微帶線和各個下層彎曲枝節的條狀微帶線之間的夾角α為0°且φ=0°時，天線在θ=50°、60°、70°、80°、90°的增益。通過圖10可以看出：夾角α為0°時，天線在2.14 - 2.58 GHz的-10-dB阻抗帶寬範圍內增益都較低，在-6.4 - -0.9 dBic範圍內變化。

如圖11所示，曲線1、2、3、4、5分別表示各個上層彎曲枝節的條狀微帶線和各個下層彎曲枝節的條狀微帶線之間的夾角α為30°且φ=0°時，天線在θ=50°、60°、70°、80°、90°的增益。通過圖11可以看出：夾角α為30°時，天線增益得到改善，在通帶範圍內所有方位面上都可以獲得0 dBic左右相對穩定的增益。其中，最大增益在2.2 GHz處，θ=90°面上，為0.6 dBic；最小增益在2.58 GHz處，θ=50°面上，為-0.6 dBic。

如圖12所示，曲線1、2分別表示頻率為2.4GHz時天線在φ=0°面的右旋圓極化、左旋圓極化。通過圖12可以看出：在φ=0°面，50°＜ θ ＜ 130°角度上的主極化(右旋圓極化)輻射強度幾乎相同，半功率波束寬度為100°。

如圖13所示，曲線1、2分別表示頻率為2.4GHz時天線在θ=50°方位面的右旋圓極化、左旋圓極化。通過圖13可以看出：在θ=50°方位面，天線具有全向的輻射，且交叉極化(左旋圓極化)較小。

如圖14所示，曲線1、2分別表示頻率為2.4GHz時天線在θ=70°方位面的右旋圓極化、左旋圓極化。通過圖14可以看出：在θ=70°方位面，天線具有全向的輻射，且交叉極化(左旋圓極化)較小。

如圖15所示，曲線1、2分別表示頻率為2.4GHz時天線在θ=90°方位面的右旋圓極化、左旋圓極化。通過圖15可以看出：在θ=90°方位面，天線具有全向的輻射，且交叉極化(左旋圓極化)較小。另外，天線在50° ＜ θ ＜ 130°範圍內的其他角度方位面上同樣可以獲得全向的輻射，這裡沒有一一列舉。