一種左旋圓極化天線的製作方法
2023-09-21 21:27:00
本實用新型涉及無線通信技術領域，特別涉及一種左旋圓極化天線。
背景技術：
全球衛星導航系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)是以衛星作為導航臺的星基無線電導航系統，能為全球陸、海、空、天的各類載體提供全天候、24小時連續的高精度三維位置、速度和精密時間信息，在各個領域已有廣泛應用。GNSS-R技術是GNSS的一個新型分支，是國內外遙感探測和導航技術領域的研究熱點之一。該技術在接收衛星導航信號的同時也接收信號經反射面後的反射信號，通過對反射信號的精確估計和接收處理，實現對反射面物理特性的估計與反演。目前利用該技術進行目標遙感與探測的研究主要集中在海面測風、測高、海冰探測、土壤溼度、移動目標等領域。
衛星導航信號實質是一種電磁波，其極化特性主要為右旋圓極化，因此目前導航衛星信號接收天線主要是右旋圓極化天線。而衛星導航信號經海面等反射面反射後，極化特性會發生改變，右旋極化波轉換為左旋極化波。對於GNSS-R技術來說，接收左旋極化波的反射信號是必不可少的環節。接收左旋極化波的天線不僅需要足夠寬的工作帶寬，由於經海面等反射的信號非常微弱，需要非常高的增益。作為天線這一環節，目前尚未有成熟的設備可以提供，影響到了海面測風、測高、海冰探測、土壤溼度、移動目標的檢測靈敏度。
實用新型的目的在於提供一種左旋圓極化天線，具有足夠寬的工作帶寬和增益。
技術實現要素：
本實用新型的第一技術方案為一種左旋圓極化天線，其特徵在於：包括上層微帶板1、下層微帶板4，所述上層微帶板1和下層微帶板4之間由空氣或泡沫板隔開；
所述上層微帶板1為單層板，在上層介質3的下表面或上表面覆蓋有四塊寄生貼片2，所述四塊寄生貼片2為對角被切角的方形切角貼片，四塊寄生貼片2以上層介質3的中心為中心對稱分布，各個寄生貼片2的側邊互相對齊，切角沿左旋極化方向按順序分別旋轉90度；
所述下層微帶板4為雙層板，在下層介質7的上表面覆蓋有饋電網絡6和四塊諧振貼片5，下表面覆蓋有接地板10，四塊諧振貼片5以下層介質7的中心為中心對稱分布，各諧振貼片5分別位於對應的寄生貼片2的下方並且中心相同，各諧振貼片5的切角與寄生貼片2的切角位於同一位置，分別沿左旋極化方向按順序旋轉90度；
所述饋電網絡6包括第一微帶線61、第二微帶線62、第三微帶線63、第四微帶線64、第五微帶線65、第六微帶線66、第七微帶線67，連接在各諧振貼片5側邊上的4條第一微帶線61分別沿左旋極化方向按順序分別旋轉90度，兩條第二微帶線62、第三微帶線63分別與對角上的兩諧振貼片5的第一微帶線61連接，第二微帶線62與第一微帶線61呈直角連接，第三微帶線63與第一微帶線61呈直線連接，相鄰的第二微帶線62、第三微帶線63通過第四微帶線64連接，第五微帶線65、第六微帶線66呈兩側高低不等的U字形狀，位於以下層介質7的中心為中心旋轉180度的位置，各高端側線分別連接在第四微帶線64的中間偏外部位，各低端側線位於兩諧振貼片5的中間位置，互相連接成一直線，連接點在下層介質7的中心，第七微帶線67由三條夾角為直角的直線構成，外側的直線為信號輸出端，位於第五微帶線65、第六微帶線66各低端側線的延長線上，內側的直線連接在第六微帶線66的底線的中間偏向高端側線的部位。
本實用新型的第二技術方案基於第一技術方案，其特徵在於：所述寄生貼片2的整個外形尺寸大於諧振貼片5。
第三技術方案基於第一技術方案，其特徵在於：第二微帶線62的寬度比第一微帶線61窄，第三微帶線63由寬度不同的兩部分組成，寬的部分與第一微帶線61連接，寬度與第二微帶線62的寬度相同，第四微帶線64的寬度與第三微帶線63的窄的部分的寬度相同，第五微帶線65的寬度與第二微帶線62的寬度相同，第六微帶線66由寬度不同呈L形的兩部分組成，窄的部分的長度大於寬的部分，寬的部分的寬度與第二微帶線62的寬度相同，窄的部分的寬度與第三微帶線63的窄的部分相同，寬的部分與第四微帶線64連接，第七微帶線67的寬度與第二微帶線62的寬度相同。
第四技術方案基於第一技術方案，其特徵在於：所述上層微帶板1與下層微帶板4之間通過絕緣立柱9固定連接。
第五技術方案基於第一至第四中任一技術方案，其特徵在於：下層微帶板4的上表面設置有低噪聲放大器，所述低噪聲放大器位於第七微帶線67的外側直線的外側，與外側直線連接。
第六技術方案基於第一至第四中任一技術方案，其特徵在於：所述上下層微帶板1、4採用羅傑斯板材4350，下層微帶板4為厚度0.762mm的雙層微帶板，上層微帶板1為厚度1.524mm的單層板，所述寄生貼片2、諧振貼片5、饋電網絡6通過腐蝕法製取。
本實用新型的優點和有益效果：本實用新型提供的左旋圓極化天線具有增益高、駐波比低、工作帶寬更寬的優點。
附圖說明
圖1是左旋圓極化天線的側視圖，
圖2是左旋圓極化天線的斜視圖(為方便觀察，上層微帶板的一部分被截取)，
圖3是上層微帶板下表面的結構示意圖，
圖4是下層微帶板上表面的結構示意圖，
圖5是左旋圓極化天線效果的仿真測試圖。
附圖標記：
1-上層微帶板， 2-寄生貼片，
3-上層介質， 4-下層微帶板，
5-諧振貼片， 6-饋電網絡，
7-下層介質， 8-低噪聲放大器(LNA)，
9-絕緣立柱， 61-第一微帶線，
62-第二微帶線， 63-第三微帶線，
64-第四微帶線， 65-第五微帶線，
66-第六微帶線， 67-第七微帶線。
具體實施方式
本實用新型提供了許多可應用的創造性概念，該創造性概念可大量的體現於具體的上下文中。在下述本實用新型的實施方式中描述的具體的實施例僅作為本實用新型的具體實施方式的示例性說明，而不構成對本實用新型範圍的限制。
下面結合附圖和具體的實施方式對本實用新型作進一步的描述。
如圖1至4所示，本實用新型的包括上層微帶板1、下層微帶板4，所述上層微帶板1和下層微帶板4之間由空氣或泡沫板隔開。
所述上層微帶板1為單層板，在上層介質3的下表面或上表面覆蓋有四塊寄生貼片2，如圖3所示，四塊寄生貼片2為對角被切角的方形切角貼片，四塊寄生貼片2以上層介質3的中心為中心對稱分布，各個寄生貼片2的側邊互相對齊，切角沿左旋極化方向按順序分別旋轉90度。
如圖4所示，所述下層微帶板4為雙層板，在下層介質7的上表面覆蓋有饋電網絡6和四塊諧振貼片5，下表面覆蓋有接地板10，四塊諧振貼片5以下層介質7的中心為中心對稱分布，各諧振貼片5分別位於對應的寄生貼片2的下方並且中心相同，各諧振貼片5的切角與寄生貼片2的切角位於同一位置，分別沿左旋極化方向按順序旋轉90。
如圖4所示，所述饋電網絡6包括第一微帶線61、第二微帶線62、第三微帶線63、第四微帶線64、第五微帶線65、第六微帶線66、第七微帶線67。連接在各諧振貼片5側邊上的4條第一微帶線61分別沿左旋極化方向按順序分別旋轉90度，兩條第二微帶線62、第三微帶線63分別與對角上的兩諧振貼片5的第一微帶線61連接，第二微帶線62與第一微帶線61呈直角連接，第三微帶線63與第一微帶線61呈直線連接，相鄰的第二微帶線62、第三微帶線63通過第四微帶線64連接，第五微帶線65、第六微帶線66呈兩側高低不等的U字形狀，位於以下層介質7的中心為中心旋轉180度的位置，各高端側線分別連接在第四微帶線64的中間偏外部位，各低端側線位於兩諧振貼片5的中間位置，互相連接成一直線，連接點在下層介質7的中心，第七微帶線67由三條夾角為直角的直線構成，外側的直線為信號輸出端，位於第五微帶線65、第六微帶線66各低端側線的延長線上，內側的直線連接在第六微帶線66的底線的中間偏向高端側線的部位。
本實施方式中，利用上下兩層貼片2和5之間的相互耦合作用，產生兩個相近的諧振頻率點，從而達到增加微帶天線頻帶寬度的目的，如能實現同時接收GPS、北鬥二號(BD2)和Galileo的不同頻率的效果，適用範圍廣；
四塊諧振貼片5構成的方形微帶天線獲得圓極化波的條件是：
2Δs/s＝a1/a＝1/2Q
其中，Q為介質材料的品質因數，但由於天線輻射能量，實際上Q值要小於理論值，
天線單元諧振長度α近似等於其工作頻率的半波長：
<![CDATA[ a = c 2 f e ]]>
式中：f是天線的工作頻率，εe是介質材料的有效介電常數，c自由空間的光速；
選擇介質基板(下層介質7)厚度時，要儘可能地避免激勵高次模，TM和TE模表面波的截止頻率分別為：
n＝0,1,2,…，(TMn模)
n＝0,1,2,…，(TEn模)
fc代表截止頻率，h是介質基板，c是光速，n是模式序號；
根據上述公式，選用介電常數εr合適的介質基片，既能夠使天線的尺寸降低，又能夠保證天線的輻射效率；
單元貼片(諧振貼片5、寄生貼片2)採用雙層貼片結構還有利於減小單個輻射單元的波束寬度，提高微帶天線整體增益並抑制遠區副瓣，提升信號接收效果；
本實用新型通過對雙層貼片採用切角的方式來實現輻射單元的圓極化工作，饋電設計中採用微帶線共面饋電方式對諧振貼片5進行饋電，採用的這種方式饋電的優點是天線結構簡單，有利於與LNA的一體化設計；同時在陣面饋電方式上採用0°，-90°，-180°，-270°的旋轉順序饋電有利於實現寬帶圓極化的低軸比性能；在尺寸上，本實用新型的左旋圓極化天線如可做到226mm*266mm*20mm的大小，由於面積小，使用極其方便。
本實用新型的微帶天線為雙層貼片天線，上層微帶板1與下層微帶板4之間通過絕緣立柱9固定連接，利用兩層貼片之間的相互耦合作用，產生兩個相近的諧振頻率點，達到增加微帶天線頻帶寬度的目的，從而實現能同時接收GPS、北鬥二號(BD2)和Galileo的不同頻率的效果，適用範圍廣。
本實施方式的效果歸納如下：
a)輻射單元採用微帶線饋電切角方形貼片，利用正交模式電抗感容差異實現單元諧振點附近的圓極化；
b)利用單元貼片的沿極化方向的順序旋轉，並利用饋電網絡順序(0°，-90°，-180°，-270°)，實現寬帶範圍內的低軸比；
c)利用雙層貼片技術方案，實現天線的寬帶阻抗匹配。
因此，本實用新型提供的左旋圓極化天線具有增益高、駐波比低、工作帶寬更寬的優點。
第一實施例，
寄生貼片2的整個外形尺寸大於諧振貼片5。
第二實施例
如圖4所示，第二微帶線62的寬度比第一微帶線61窄，第三微帶線63由寬度不同的兩部分組成，寬的部分與第一微帶線61連接，寬度與第二微帶線62的寬度相同，第四微帶線64的寬度與第三微帶線63的窄的部分的寬度相同，第五微帶線65的寬度與第2微帶線62的寬度相同，第六微帶線66由寬度不同呈L形的兩部分組成，窄的部分的長度大於寬的部分，寬的部分的寬度與第二微帶線62的寬度相同，窄的部分的寬度與第三微帶線63的窄的部分相同，寬的部分與第四微帶線64連接，第七微帶線67的寬度與第2微帶線62的寬度相同。
第三實施例
下層微帶板4的上表面設置有低噪聲放大器，低噪聲放大器位於第七微帶線67的外側直線的外側，與外側直線連接。
第四實施例
上下層微帶板1、4採用羅傑斯(Rogers)4350，下層微帶板4為厚度0.762mm的雙層微帶板，上層微帶板1為厚度1.524mm的單層板，寄生貼片2、諧振貼片5、饋電網絡6通過腐蝕法製取。
由於上下層微帶板1、4採用羅傑斯(Rogers)4350製成，進一步提高了諧振貼片5、寄生貼片2的性能，獲得更高的增益。
圖5是左旋圓極化天線效果的仿真測試圖，由表示駐波比與頻率關係的曲線a可知，本實用新型的左旋圓極化天線在GPS和北鬥頻點附近駐波比可降低到非常低的程度。理論低頻增益也可得到12.3dB。
另外，低噪聲放大器(LNA)8設置於下層微帶板4的上表面，與天線陣面一體化設計，使得LNA儘可能靠近天線輸入口，減小了傳輸路徑損耗，能夠降低饋電網絡的饋電損耗。
諧振貼片5、寄生貼片2的具體尺寸以及各微帶線的具體寬度、長度、低噪聲放大器(LNA)8的位置可通過仿真確定，也可利用現有的計算方法計算得到，在此就不在贅述。
應該注意的是，上述實施例對本實用新型進行說明而不是對本實用新型進行限制，並且本領域技術人員在不脫離所附權利要求的範圍的情況下可設計出替換實施例。在權利要求中，不應將位於括號之間的任何參考符號構造成對權利要求的限制。單詞「包括」不排除存在未列在權利要求中的元件或步驟。位於元件之前的單詞「一」或「一個」不排除存在多個這樣的元件。單詞第一、第二、以及第三等的使用不表示任何順序。可將這些單詞解釋為名稱。