一種基于矩形環的寬帶圓極化全向天線的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于矩形環的寬帶圓極化全向天線，包括天線輻射部分、柔性介質板、寬帶饋電網絡、饋電基板和金屬反射柱，天線輻射部分包括四個寬帶矩形環，每個矩形環由一個主輻射環和一個寄生環組成，環上均開有縫隙。柔性介質板彎曲成空心圓柱狀，四個寬帶矩形環在柔性介質板上呈等分均勻環狀排列，金屬反射柱放置于空心介質圓柱中軸線上，寬帶饋電網絡則印制在饋電基板的正反面上，其水平放置于介質空心圓柱中心，實現對四個寬帶矩形環等幅同相饋電。本發明具有左右旋圓極化實現靈活、全向性好和寬帶的優點，適用于移動通信基站領域。
【專利說明】—種基于矩形環的寬帶圓極化全向天線
【技術領域】
[0001]本發明涉及無線通信領域，具體涉及一種基于矩形環的寬帶圓極化全向天線。
【背景技術】
[0002]在天線系統中，任意極化來波都可以由圓極化天線接收，且圓極化天線輻射的圓極化波也可以由任意極化天線接收，因此，圓極化天線接收到的信號強度不受發射天線與接收天線相對取向影響。并且由于圓極化反射波的極化方向與入射波相反，所以在多徑環境下采用圓極化天線可減小多徑信號干擾，從而使其得以廣泛應用于衛星通信、空間探測領域、地面移動通信、廣播電視和毫米波通信等系統中。
[0003]在空間飛行器(如飛機、火箭、導彈等)、遙感遙測以及無線通信系統中廣泛需要圓極化全向天線以保持與不同方位的目標進行通信，但不易實現寬帶是圓極化天線的經典難題，阻礙了圓極化全向天線廣泛應用。
【發明內容】
[0004]為了克服現有技術存在的缺點與不足，本發明提供一種寬帶寬、水平面全向輻射的基于矩形環的寬帶圓極化全向天線。
[0005]本發明采用如下技術方案:
[0006]一種基于矩形環的寬帶圓極化全向天線，包括天線輻射部分、柔性介質板、饋電基板、寬帶饋電網絡，所述寬帶饋電網絡蝕刻在饋電基板的正、反兩面，還包括金屬反射柱，所述柔性介質板彎曲成空心圓柱，所述金屬反射柱放置于空心圓柱的中軸線上，所述天線輻射部分包括圍繞空心圓柱外表面呈等分均勻環狀排列的四個寬帶矩形環，所述饋電基板水平放置于空心圓柱的中心。
[0007]所述空心圓柱直徑為0.35 λ。?0.4 λ。，高度為1.57 λ。，其中λ。為中心頻率2GHz所對應自由空間的波長。
[0008]所述寬帶矩形環由一個主輻射環和一個寄生環構成，所述主輻射環及寄生環均為矩形環，所述主輻射環及寄生環的環寬分別為0.04 λ ^和0.02 λ 0,兩環相隔距離是(XOlAtl，其中Xtl為中心頻率2GHz所對應自由空間的波長。
[0009]所述主輻射環包括主輻射環上部分及主輻射環下部分，兩者對于橫向中軸線上下對稱，在所述橫向中軸線的中間位置留有縫隙通過焊點與寬帶饋電網絡連接；所述寄生環包括寄生環上部分及寄生環下部分，所述寄生環上部分嵌套在主輻射環上部分內，所述寄生環下部分嵌套在主輻射環下部分內。
[0010]所述主輻射環上部分的右側開有第一縫隙、主輻射環下部分的左側開有第二縫隙，所述第一縫隙及第二縫隙的寬度是0.02 λ ^，所述寄生環上部分的右側開有第三縫隙，寄生環下部分的左側開有第四縫隙，所述第三縫隙及第四縫隙寬度是0.01 λ。。
[0011]所述寬帶饋電網絡由四個寬帶巴倫及阻抗匹配網絡構成，所述每個寬帶巴倫由在饋電基板反面的縫隙和正面的L型微帶線構成，所述L型微帶線的末端開路，另一端與阻抗匹配電路一端相連，所述阻抗匹配電路的另一端連接到空心圓柱的中央，接到饋電所用50 Ω同軸線上。
[0012]所述饋電基板背面還印制有十字型導體貼片，所述十字型貼片上蝕刻了縫隙。
[0013]所述金屬反射柱的直徑為0.1 λ。，高度為1.5 Xtl-L 6 λ。，厚度是0.007 λ。，金屬反射柱在中部斷開高度為0.07 λ ^的縫隙放置寬帶饋電網絡，其中λ ^為中心頻率2GHz所對應自由空間的波長。
[0014]當矩形環上的縫隙與矩形環呈S形狀繞行時，實現左旋圓極化全向天線；當矩形環對于環的縱向中軸線左右對稱翻轉，此時，矩形環上的縫隙與矩形環呈反S形狀繞行，實現右旋圓極化全向天線。
[0015]本發明的有益效果:
[0016](I)本發明采用定向圓極化矩形環天線具有寬帶性能，實現了寬帶圓極化，并且四個定向圓極化矩形環天線組合圍繞空心圓柱環狀均勻放置保證了天線的全向性；
[0017](2)圓極化全向天線的極化旋向由環上縫隙位置決定，當矩形環和縫隙組合成S形，構成左旋圓極化全向天線，如其左右翻轉，組合成g形，則構成右旋圓極化全向天線，轉換方式靈活；
[0018](3)每個矩形環包括一個主輻射環和一個寄生環，可以通過調整主輻射環和寄生環尺寸及相對位置，利用兩環之間耦合展寬了天線帶寬，實現寬帶圓極化特性，寄生環對天線圓極化性能與阻抗性能均有影響；
[0019](4)金屬反射柱只對天線圓極化性能產生影響，幾乎不影響其回波損耗性能；
[0020](5)寬帶饋電網絡僅影響天線阻抗性能，對天線圓極化和全向特性幾乎無影響；寬帶饋電網絡對四個寬帶矩形環等幅同相饋電，實現了寬帶阻抗匹配，1dB的回波損耗帶寬可達到 45% (1.58-2.5GHz)，3dB 軸比帶寬為 41% (1.65-2.5GHz)，在 1.7-2.4GHz 頻段內，水平面方向圖不圓度小于1.5dB。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1是本發明一種基于矩形環的寬帶圓極化全向天線的結構示意圖；
[0022]圖2是圖1中寬帶矩形環的結構示意圖；
[0023]圖3是圖1中寬帶饋電網絡的結構示意圖；
[0024]圖4(a)、圖4(b)分別是本發明實施例中在回波損耗及軸比的仿真測量結果對比。
【具體實施方式】
[0025]下面結合實施例及附圖，對本發明作進一步地詳細說明，但本發明的實施方式不限于此。
[0026]實施例
[0027]如圖1、圖2所示，一種基于矩形環的寬帶圓極化全向天線，包括天線輻射部分、柔性介質板2、饋電基板4、寬帶饋電網絡3、金屬反射柱5，所述寬帶饋電網絡3蝕刻在饋電基板4的正、反兩面，實現對四個寬帶矩形環等幅同相饋電，所述柔性介質板2彎曲成空心圓柱，所述空心圓柱直徑為0.35 λ ^?0.4 λ μ高度為1.57 λ 0,所述饋電基板4水平放置于空心圓柱的中心，且穿過金屬反射柱5中部斷開的縫隙，所述縫隙高度為0.07 λ ^，所述金屬反射柱5放置于空心圓柱的中軸線上，其直徑為0.1 λ μ高度為1.5 λ 0-1.6λ0,厚度是0.007 λ ^，其中為中心頻率2GHz所對應自由空間的波長。
[0028]所述天線輻射部分包括圍繞圓周外表面呈等分均勻環狀排列的四個寬帶矩形環1A-1D，每個寬帶矩形環由一個主輻射環6和一個寄生環7構成，所述主輻射環6及寄生環7均為矩形環，所述主輻射環6及寄生環7的環寬分別為0.04 λ ^和0.02 λ 0,兩環相隔距離是0.01 λ ^，其中λ。為中心頻率2GHz所對應自由空間的波長。
[0029]本實施例中主福射環的長度Ii1為115mm,寬度W1是35mm,環寬Ii1是6mm,寄生環的長度h2為45.5mm,寬度W2是20mm,環寬k2是3mm,兩環相隔距離k3是1.5mm。
[0030]所述主輻射環包括主輻射環上部分及主輻射環下部分，兩者對于橫向中軸線上下對稱，在所述橫向中軸線的中間位置留有縫隙通過焊點與寬帶饋電網絡連接，所述共有四個焊點8A-8D分別與寬帶饋電網絡連接，本實施例中該縫隙寬度為1.6_，焊點優選長度Wf是2.7mm ;所述寄生環包括寄生環上部分及寄生環下部分，所述寄生環上部分嵌套在主輻射環上部分內，所述寄生環下部分嵌套在主輻射環下部分內。
[0031]所述主輻射環上部分的右側開有第一縫隙、主輻射環下部分的左側開有第二縫隙，所述第一縫隙及第二縫隙的寬度是0.02 λ 0,優選gl為3mm，所述寄生環上部分的右側開有第三縫隙，寄生環下部分的左側開有第四縫隙，所述第三縫隙及第四縫隙寬度是
0.01 λ。,優選g2為1.2mm。兩個環的縫隙定位距離分別為S1為9.2mm和S2為10.7mm。
[0032]本實施例中柔性介質板是厚度為0.05mm高頻板Panasonic R-F775板材,相對介電常數3.2，損耗角正切是0.0015，彎曲成空心圓柱的直徑優選為0.38 λ 0,高度為1.57 λ。，其中λ ^為中心頻率2GHz所對應自由空間的波長。
[0033]所述寬帶饋電網絡由四個寬帶巴倫及阻抗匹配網絡構成，由在饋電基板背面的四個縫隙1A?1D和正面的四個L型微帶線IlA?IlD構成，L型微帶線的末端開路，另一端與阻抗匹配電路12 —端相連，阻抗匹配電路的另一端則連接到空心圓柱的中央饋電點9上，接到饋電所用50Ω同軸線上，同軸線采用柔性同軸線Johnson/Emerson RG-178,直徑為2.5mm，特征阻抗為50 Ω。
[0034]基板背面還印制有十字型導體貼片13，十字型貼片上蝕刻了縫隙，貼片寬度Wg是14mm，所述寬帶矩形環與寬帶饋電網絡的焊點距離十字型貼片的距離hf優選是1.5mm。
[0035]如圖3所示，寬帶饋電網絡可以實現對四個寬帶矩形環振子等幅同相饋電，其中優選參數說明如下:ls是縫隙長度為16.8mm,Ws是縫隙寬度為1.6mm, I1是阻抗匹配電路第一段的長度為4.75mm, W1是阻抗匹配電路第一段的寬度為0.7mm, I2是阻抗匹配電路第二段部分的長度為4.75mm, I3是阻抗匹配電路第三段部分長度為20.5mm, I4是阻抗匹配電路第三段部分長度為20.5mm, W2是阻抗匹配電路第二、三和四段的寬度均為0.5mm, I5是微帶線長度為3.75mm, I6是微帶線彎折部分長度為14.25mm, W3是微帶線寬度為1.6mm。
[0036]當矩形環上的縫隙與矩形環呈S形狀繞行時，為左旋圓極化全向天線；當矩形環對于環的縱向中軸線左右對稱翻轉，此時，環上縫隙與矩形環組合成反S形狀繞行時，可以實現右旋圓極化全向天線，轉換方法簡單、靈活。
[0037]利用該發明還可進行天線組陣，形成多單元圓極化全向天線陣列，提高天線增益，從而滿足移動通信基站天線高增益的需求。
[0038]如圖4(a)、圖4(b)所示，按照本實施例各個參數尺寸制作的天線在1dB的回波損耗帶寬可達到 45% (1.58-2.5GHz)，3dB 軸比帶寬為 41% (1.65-2.5GHz)，在 1.7-2.4GHz頻段內，水平面方向圖不圓度小于1.5dB。
[0039]上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種基于矩形環的寬帶圓極化全向天線，包括天線輻射部分、柔性介質板、饋電基板、寬帶饋電網絡，所述寬帶饋電網絡蝕刻在饋電基板的正、反兩面，其特征在于，還包括金屬反射柱，所述柔性介質板彎曲成空心圓柱，所述金屬反射柱放置于空心圓柱的中軸線上，所述天線輻射部分包括圍繞空心圓柱外表面呈等分均勻環狀排列的四個寬帶矩形環，所述饋電基板水平放置于空心圓柱的中心。
2.根據權利要求1所述的天線，其特征在于，所述空心圓柱直徑為0.35 λ ^?0.4 λ μ高度為1.57 λ ^，其中λ ^為中心頻率2GHz所對應自由空間的波長。
3.根據權利要求1所述的天線，其特征在于，所述寬帶矩形環由一個主輻射環和一個寄生環構成，所述主輻射環及寄生環均為矩形環，所述主輻射環及寄生環的環寬分別為0.04 A0和0.02 λ 0，兩環相隔距離是0.01 λ 0，其中λ 0為中心頻率2GHz所對應自由空間的波長。
4.根據權利要求3所述的天線，其特征在于，所述主輻射環包括主輻射環上部分及主輻射環下部分，兩者對于橫向中軸線上下對稱，在所述橫向中軸線的中間位置留有縫隙通過焊點與寬帶饋電網絡連接；所述寄生環包括寄生環上部分及寄生環下部分，所述寄生環上部分嵌套在主輻射環上部分內，所述寄生環下部分嵌套在主輻射環下部分內。
5.根據權利要求4所述的天線，其特征在于，所述主輻射環上部分的右側開有第一縫隙、主輻射環下部分的左側開有第二縫隙，所述第一縫隙及第二縫隙的寬度是0.02 λ ^，所述寄生環上部分的右側開有第三縫隙，寄生環下部分的左側開有第四縫隙，所述第三縫隙及第四縫隙寬度是0.01 λ。。
6.根據權利要求1所述的天線，其特征在于，所述寬帶饋電網絡由四個寬帶巴倫及阻抗匹配網絡構成，所述每個寬帶巴倫由在饋電基板反面的縫隙和正面的L型微帶線構成，所述L型微帶線的末端開路，另一端與阻抗匹配電路一端相連，所述阻抗匹配電路的另一端連接到空心圓柱的中央，接到饋電所用50Ω同軸線上。
7.根據權利要求1所述的天線，其特征在于，所述饋電基板背面還印制有十字型導體貼片，所述十字型貼片上蝕刻了縫隙。
8.根據權利要求1所述的天線，其特征在于，所述金屬反射柱的直徑為0.1 λ μ高度為1.5 λ 0-1.6λ0,厚度是0.007 λ 0,金屬反射柱在中部斷開高度為0.07 λ ^的縫隙放置寬帶饋電網絡，其中λ ^為中心頻率2GHz所對應自由空間的波長。
9.根據權利要求1-8任一項所述的天線，其特征在于，矩形環上的縫隙與矩形環呈S形狀繞行時，為左旋圓極化全向天線；當矩形環對于環的縱向中軸線左右對稱翻轉，此時，矩形環上的縫隙與矩形環呈反S形狀繞行，實現右旋圓極化全向天線。
【文檔編號】H01Q1/36GK104134854SQ201410329128
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月10日 優先權日:2014年7月10日
【發明者】李融林, 范藝, 全旭林 申請人:華南理工大學