專(zhuān)利名稱(chēng)：一種寬波束寬度小尺寸的圓極化天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圓極化天線，尤其是涉及一種寬波束寬度小尺寸的圓極化天線。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，雷達(dá)、全球定位系統(tǒng)、蜂窩通信等無(wú)線電通信技術(shù)發(fā)展迅猛。對(duì)無(wú)線電通信持續(xù)增長(zhǎng)的需求使越來(lái)越多的研究者投入到無(wú)線電通信系統(tǒng)的創(chuàng)新開(kāi)發(fā)之中。在無(wú)線電通信系統(tǒng)中，天線是一個(gè)核心元件。和線極化天線相比，圓極化天線具有更寬的接收和發(fā)射方位角，更好的移動(dòng)性，以及更好的天氣適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)，所以被更廣泛地應(yīng)用在無(wú)線電通信當(dāng)中。衛(wèi)星通訊要求圓極化天線具有寬視場(chǎng)角，一些特殊的設(shè)備甚至要求圓極化天線的波束寬度達(dá)到100°以上。同時(shí)，圓極化天線還必須具有高增益以及在正負(fù)10°的范圍內(nèi)都以圓極化方式工作(低軸比)。由于大部分衛(wèi)星系統(tǒng)要求重量輕、尺寸緊湊、成本低以及容易實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，所以和其它圓極化天線相比，貼片天線特別適合與衛(wèi)星通信。通常，圓極化天線可以劃分為兩種類(lèi)型一種是單饋電形式的圓極化天線，另一種是雙饋電形式的圓極化天線。單饋電天線的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，因?yàn)樗恍枰獠筐侂娋W(wǎng)絡(luò)來(lái)提供兩個(gè)正交振蕩模。然而，傳統(tǒng)的單饋電天線的軸比帶寬非常窄(1%或者更小)。提高軸比帶寬的方法之一是在輻射器上面添加刻槽。Ka-Lam Lau, Hang Wong and Kwai-Man Luk, ￠: ((A full-wavelength circularly polarized slot antenna)) Cf1J IEEE Trans. Antennas Propagat. ,vol. 54，no. 1，pp. 741-743，F(xiàn)eb. 2006)提出用正交刻槽來(lái)達(dá)到超過(guò) 5% 的軸比帶寬和IldBi的增益，但是其天線尺寸過(guò)大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷提出一種能實(shí)現(xiàn)更大的尺寸縮小幅度且產(chǎn)生非常寬的寬波束寬度小尺寸的圓極化天線。本發(fā)明所要進(jìn)一步解決的技術(shù)問(wèn)題是克服上述現(xiàn)有技術(shù)中單饋電圓極化天線軸比帶寬非常窄的缺陷，提出一種軸比帶寬比較寬的圓極化天線。本發(fā)明的技術(shù)問(wèn)題是這樣加以解決的
一種寬波束寬度小尺寸的圓極化天線，包括接地反射面、介電質(zhì)基板、覆蓋于介電質(zhì)基板一側(cè)的金屬貼片、一連接接地反射面和金屬貼片的同軸線；所述方形金屬貼片上設(shè)有兩個(gè)呈正交分布的終端開(kāi)路的刻槽。上述圓極化天線進(jìn)一步優(yōu)化的技術(shù)方案是，所述接地反射面為方形接地反射面， 所述金屬貼片為方形金屬貼片。上述圓極化天線進(jìn)一步優(yōu)化的技術(shù)方案是，所述介電質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)為 2. 33，尺寸為0.316 λ X0. 316 λ，其中λ為天線工作波長(zhǎng)。上述圓極化天線進(jìn)一步優(yōu)化的技術(shù)方案是，所述方形金屬貼片刻槽的長(zhǎng)度為 0.316λ，兩個(gè)呈正交分布的所述刻槽將金屬貼片以正交點(diǎn)為中心按順時(shí)針?lè)较蚍指顬榈谝痪匦钨N片、第二矩形貼片、第三矩形貼片和第四矩形貼片，其中第一矩形貼片和第四矩形貼片的尺寸相同，均為0.020 λ X0. 156 λ ；第二矩形貼片和第三矩形貼片C的尺寸相同，均為0.293 λ Χ0. 156 λ，其中λ為天線工作波長(zhǎng)。上述圓極化天線進(jìn)一步優(yōu)化的技術(shù)方案是，所述介電質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)為 2. 33，厚度為1. 57mm，所述方形金屬貼片刻槽的寬度為0. 30mm。上述圓極化天線進(jìn)一步優(yōu)化的技術(shù)方案是，所述介電質(zhì)基板與金屬貼片通過(guò)所述同軸線支撐于所述接地反射面之上；同軸線的外殼與第二矩形貼片相連接，同軸線的軸線通過(guò)一直交銅橋與第四矩形貼片相連接。上述圓極化天線進(jìn)一步優(yōu)化的技術(shù)方案是，所述接地反射面的四個(gè)角出各連接有一個(gè)終端開(kāi)路的短路柱狀物，柱狀物的軸線垂直于接地反射面且與上方的金屬貼片的邊緣角對(duì)齊，短路柱狀物的高度小于所述接地反射面與介電質(zhì)基板的垂直距離。上述圓極化天線進(jìn)一步優(yōu)化的技術(shù)方案是，所述接地反射面的尺寸為 0. 394 λ XO. 394 λ,柱狀物的高度為0. 138 λ，其中λ為天線工作波長(zhǎng)。上述圓極化天線進(jìn)一步優(yōu)化的技術(shù)方案是，所述接地反射面與介電質(zhì)基板的垂直距離為0. 143 λ，其中λ為天線工作波長(zhǎng)。上述圓極化天線進(jìn)一步優(yōu)化的技術(shù)方案是，所述直交銅橋的短邊為1. 00mm，長(zhǎng)邊為 5. 40mmo上述技術(shù)方案中，通過(guò)在金屬貼片上設(shè)刻槽，電流必須繞過(guò)金屬貼片上的刻槽，這樣可以增長(zhǎng)電流路徑，有效地縮小天線的尺寸，降低工作頻率，獲得很寬的波束寬度。直交銅橋的作用是正交刻槽的激勵(lì)源。電流在金屬貼片上的流向是依次從第一矩形貼片到第四矩形貼片到第三矩形貼片再到第二矩形貼片，和右旋圓極化波的方向一致。所述柱狀物就像是接地反射面在垂直方向上的延伸，電流在上面的流向同樣遵循逆時(shí)針?lè)较?，從而產(chǎn)生了另一個(gè)右旋圓極化波，大大提高了天線的波束寬度。所述介電質(zhì)基板的厚度為1.57mm，相對(duì)介電常數(shù)為2. 33，并非高值，卻使天線能保持約3. 8%的軸比帶寬，大于一般單饋電天線的1%?？偟膩?lái)說(shuō)，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明通過(guò)在金屬貼片上設(shè)置正交刻槽和直交銅橋，在發(fā)射面上設(shè)置柱狀延伸物，獲得很寬的波束寬度，兼顧使天線保持很小的尺寸以及較寬的軸比帶寬。具有天線尺寸緊湊，重量輕，造價(jià)低，制作容易，尤其是具有阻抗帶寬好、輻射波束非常寬、高增益等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛用于衛(wèi)星通信和交通導(dǎo)航。


圖1是具體實(shí)施方式
中寬波束寬度小尺寸的圓極化天線的立體視圖。圖2是具體實(shí)施方式
中寬波束寬度小尺寸的圓極化天線的俯視圖。圖3是圓極化天線在3. 9GHz工作頻率下的仿真輻射方向性圖。圖4是圓極化天線在3. 9GHz工作頻率下去掉短路柱狀物后的仿真輻射方向性圖。圖5是圓極化天線在3. 9GHz工作頻率下去掉短路柱狀物并加上四個(gè)側(cè)壁后的仿真輻射方向性圖。圖6是圓極化天線的駐波比和增益隨工作頻率變化而變化的仿真和實(shí)物測(cè)量函數(shù)圖。
圖7是圓極化天線的軸比隨工作頻率變化而變化的仿真和實(shí)物測(cè)量函數(shù)圖。圖fe是圓極化天線在3. 87GHz工作頻率下的仿真測(cè)量輻射方向性圖。圖8b是圓極化天線在3. 87GHz工作頻率下的實(shí)物測(cè)量輻射方向性圖。圖8c是圓極化天線在3. 9GHz工作頻率下的仿真測(cè)量輻射方向性圖。圖8d是圓極化天線在3. 9GHz工作頻率下的實(shí)物測(cè)量輻射方向性圖。圖8e是圓極化天線在3. 93GHz工作頻率下的仿真測(cè)量輻射方向性圖。圖8f是圓極化天線在3. 93GHz工作頻率下的實(shí)物測(cè)量輻射方向性圖。圖8g是圓極化天線在3. 96GHz工作頻率下的仿真測(cè)量輻射方向性圖。圖他是圓極化天線在3. 96GHz工作頻率下的實(shí)物測(cè)量輻射方向性圖。圖8i是圓極化天線在3. 99GHz工作頻率下的仿真測(cè)量輻射方向性圖。圖8j是圓極化天線在3. 99GHz工作頻率下的實(shí)物測(cè)量輻射方向性圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖并結(jié)合具體實(shí)施方式
以及仿真和實(shí)物測(cè)量結(jié)果對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。如圖1、圖2所示，一種寬波束寬度小尺寸的圓極化天線，是一個(gè)金屬貼片天線和反射面的組合，兩者通過(guò)同軸饋電線連接，所述圓極化天線包括介電質(zhì)基板以及覆蓋于其上的金屬貼片1、接地反射面4、一連接金屬貼片和反射面的同軸線6。所述介電質(zhì)基板的厚度為T(mén)sub=L 57mm，相對(duì)介電常數(shù)為2. 33。所述方形金屬貼片1的尺寸為I^xP=O. 316 λ χΟ. 316 λ，其上有一對(duì)正交刻槽2，刻槽的寬度為G=O. 02mm，該對(duì)正交刻槽將金屬貼片以交點(diǎn)為中心按順時(shí)針?lè)较蚍指顬榈谝痪匦钨N片A、第二矩形貼片B、第三矩形貼片C、第四矩形貼片D四片矩形貼片，其中第一矩形貼片A、第四矩形貼片D的尺寸相同，為PlxP2=0. 020 λ x0. 156 λ，第二矩形貼片B、第三矩形貼片C的尺寸相同，為Ρ3χΡ2=0. 293 λχ0. 156λ，其中λ為天線工作波長(zhǎng)。所述方形金屬貼片1上還有一直交銅橋3，銅橋的尺寸為^xSw=O. 013 λ χΟ. 070 λ , 其中λ為天線工作波長(zhǎng)。銅橋一端與同軸線的軸線相連接，另一端與貼片D相連接，也就是將貼片D與同軸線的軸線連接起來(lái)，直交銅橋的作用是充當(dāng)刻槽產(chǎn)生圓極化波的激勵(lì)源。所述接地反射面4的尺寸為⑶KD=O. 394 λ χΟ. 394 λ，它與介電質(zhì)基板的垂直距離為H=O. 143 λ。在接地反射面4的四角還各有一根終端開(kāi)路的短路柱狀物5，短路柱狀物的高度為Hsp=O. 138 λ，其中λ為天線工作波長(zhǎng)。柱狀物的軸線與方形貼片的相對(duì)邊緣對(duì)齊(如圖2，軸線位于邊緣角端)。所述同軸線6的外殼與貼片B相連接，軸線通過(guò)直交銅橋與貼片D相連接。以上λ =76. 92mm,為天線的工作波長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)工作頻率為3. 9GHz。仿真及實(shí)物測(cè)量結(jié)果
本實(shí)施方式使用網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent E5071C Network Analyzer進(jìn)行駐波測(cè)量，使用天線測(cè)試系統(tǒng)SATIMO Near-field Measurement System進(jìn)行方向圖跟天線增益測(cè)量。該天線工作時(shí)，最大電流密度沿著兩條正交刻槽分布，而電流的方向是沿著貼片 A-D-C-B的順序，和右旋圓極化波的旋轉(zhuǎn)方向一致。如圖3的仿真結(jié)果所示，在3. 9GHz工作頻率下，本發(fā)明的3dB波束寬度達(dá)到102.5°且后瓣增益小于_15dB。將圖3與圖4進(jìn)行比較可見(jiàn)，去掉短路柱狀物后，天線不再是定向天線，這時(shí)反向輻射占據(jù)了主導(dǎo)地位，所以短路柱狀物可以增強(qiáng)天線的單向性。將圖 3與圖5進(jìn)行比較可見(jiàn)，帶短路柱狀物的天線比帶側(cè)壁的天線有更好的輻射圖樣、低后瓣、 低正交極化以及更好的阻抗匹配等優(yōu)點(diǎn)。如圖6所示，本發(fā)明在3. 5GHz到4. 45GHz范圍內(nèi)的仿真阻抗帶寬約為23. 9% (駐波比小于2)，而在3. 5GHz到4. 25GHz范圍內(nèi)的實(shí)物測(cè)量帶寬約為19. 3% (駐波比小于2)。 實(shí)物測(cè)量的駐波比在高頻帶有輕微失配。實(shí)物測(cè)量的平均增益為5. 76dBi,比仿真結(jié)果低約 0.8dBi。如圖7所示，本發(fā)明在3. 77到4. 05GHz范圍內(nèi)的仿真軸比帶寬約為7. 2%，而在 3. 85到4. OGHz范圍內(nèi)的實(shí)物測(cè)量軸比帶寬約為3. 8%。如圖8a_圖8j所示，本發(fā)明在各工作頻率下其3dB軸比帶寬內(nèi)的波束寬度都達(dá)到 100°以上，且在Φ=0°和Φ=90°平面內(nèi)都達(dá)到這個(gè)波束寬度。此外，輻射方向性圖都穩(wěn)定且近似對(duì)稱(chēng)，具有良好的方向性。表1取了測(cè)量頻率范圍的最大最小值，進(jìn)一步說(shuō)明了在這兩個(gè)頻率的波束寬度。表 權(quán)利要求
1.一種寬波束寬度小尺寸的圓極化天線，其特征在于包括接地反射面、介電質(zhì)基板、覆蓋于介電質(zhì)基板一側(cè)的金屬貼片、一連接接地反射面和金屬貼片的同軸線；所述方形金屬貼片上設(shè)有兩個(gè)呈正交分布的終端開(kāi)路的刻槽。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬波束寬度小尺寸的圓極化天線，其特征在于所述接地反射面為方形接地反射面，所述金屬貼片為方形金屬貼片。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的寬波束寬度小尺寸的圓極化天線，其特征在于所述介電質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)為2. 33，尺寸為0.316 λ X0. 316 λ，其中λ為天線工作波長(zhǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的寬波束寬度小尺寸的圓極化天線，其特征在于所述方形金屬貼片刻槽的長(zhǎng)度為0. 316 λ，兩個(gè)呈正交分布的所述刻槽將金屬貼片以正交點(diǎn)為中心按順時(shí)針?lè)较蚍指顬榈谝痪匦钨N片、第二矩形貼片、第三矩形貼片和第四矩形貼片，其中第一矩形貼片和第四矩形貼片的尺寸相同，均為0.020 λ Χ0. 156 λ ；第二矩形貼片和第三矩形貼片C的尺寸相同，均為0.293 λ Χ0. 156 λ，其中λ為天線工作波長(zhǎng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的寬波束寬度小尺寸的圓極化天線，其特征在于所述介電質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)為2. 33，厚度為1. 57mm，所述方形金屬貼片刻槽的寬度為0. 30mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的寬波束寬度小尺寸的圓極化天線，其特征在于所述介電質(zhì)基板與金屬貼片通過(guò)所述同軸線支撐于所述接地反射面之上；同軸線的外殼與第二矩形貼片相連接，同軸線的軸線通過(guò)一直交銅橋與第四矩形貼片相連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1飛任一項(xiàng)所述的寬波束寬度小尺寸的圓極化天線，其特征在于所述接地反射面的四個(gè)角出各連接有一個(gè)終端開(kāi)路的短路柱狀物，柱狀物的軸線垂直于 接地反射面且與上方的金屬貼片的邊緣角對(duì)齊，短路柱狀物的高度小于所述接地反射面與介電質(zhì)基板的垂直距離。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的寬波束寬度小尺寸的圓極化天線，其特征在于所述接地反射面的尺寸為0.394 λ X0. 394 λ，柱狀物的高度為0. 138 λ，其中λ為天線工作波長(zhǎng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的寬波束寬度小尺寸的圓極化天線，其特征在于所述接地反射面與介電質(zhì)基板的垂直距離為0. 143λ，其中λ為天線工作波長(zhǎng)。
10.按照權(quán)利要求9所述的寬波束寬度小尺寸的圓極化天線，其特征在于所述直交銅橋的短邊為1. 00mm，長(zhǎng)邊為5. 40mm。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種寬波束寬度小尺寸的圓極化天線，它包括方形貼片，其上設(shè)有兩個(gè)相互正交的終端開(kāi)路的刻槽，貼片通過(guò)一同軸線固定在一方形的接地反射面上。反射面上有四個(gè)終端開(kāi)路的短路柱狀物，從而減少了反射面的尺寸。本發(fā)明使用單饋電技術(shù)來(lái)激發(fā)兩個(gè)正交刻槽工作在圓極化模式下。本發(fā)明的阻抗帶寬達(dá)到19%(駐波比小于2)，3dB軸比帶寬達(dá)到3.8%。在軸比帶寬內(nèi)，它的3dB波束寬度達(dá)到101.4°±1.4°，增益達(dá)到5.76dBi±0.18dBi。具有天線尺寸緊湊，重量輕，造價(jià)低，制作容易，尤其是具有阻抗帶寬好、輻射波束非常寬、高增益的優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛用于衛(wèi)星通信和交通導(dǎo)航。
文檔編號(hào)H01Q1/38GK102280704SQ20111012456
公開(kāi)日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月13日
發(fā)明者吳壁群 申請(qǐng)人:廣東博緯通信科技有限公司