本發(fā)明屬于微波天線技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及無線通信領(lǐng)域中的一種寬帶圓極化天線。

背景技術(shù)：

隨著無線技術(shù)的高速發(fā)展，具有各種功能的天線技術(shù)得到了廣泛的發(fā)展。目前的各類天線大多為線極化天線，這類天線通常結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，但其在實際應(yīng)用中常常受天線方位和多徑效應(yīng)的限制。由于圓極化天線可以接收任意極化的來波和減少多徑效應(yīng)，因而受到了極大的關(guān)注。

深圳大學在其申請的專利“一種圓極化交叉偶極子天線及其制備方法”(申請?zhí)枺?01310420597.0，公開號：103474765A)中提出了一種基于交叉偶極子的圓極化天線。交叉偶極子印刷在介質(zhì)基板的兩個面上，由兩個3/4環(huán)連接，產(chǎn)生具有90°相差的正交電場，實現(xiàn)了易加工，性能穩(wěn)定的特點。該天線仍然存在的不足之處是，天線增益較低，軸比帶寬較窄，難以滿足實際需求。

電子科技大學在其申請的專利“一種實現(xiàn)寬波束的圓極化微帶天線”(申請?zhí)枺?01210135717.8，公開號：102637956B)中提出了實現(xiàn)寬波束的圓極化微帶天線。該天線包括介質(zhì)基片、圓極化微帶貼片、饋電同軸接頭，圓極化微帶貼片印制在介質(zhì)基片的一面，饋電同軸接頭設(shè)置在介質(zhì)基片的另一面，以及4個金屬柱。該天線實現(xiàn)了低剖面和寬波束的圓極化設(shè)計。該天線仍然存在的不足之處是，天線帶寬極窄，難以應(yīng)對目前的多領(lǐng)域需求。

綜上所述，目前圓極化天線主要面臨兩個問題，1.現(xiàn)有的圓極化天線帶寬普遍較窄，難以滿足多種實際應(yīng)用需求。2.現(xiàn)有的圓極化天線增益較低，通信距離受限。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種高增益的寬帶圓極化天線，以獲得較寬的圓極化帶寬及較高的增益和穩(wěn)定的輻射方向圖。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種寬帶圓極化天線，包括平行于水平面的呈矩形形狀的金屬地板，所述金屬地板的一組相鄰的邊以及與該組相鄰的邊相對的另一組相鄰的邊上均設(shè)有L形的金屬圍欄；兩金屬圍欄的相鄰端頭之間不相接，使兩金屬圍欄之間形成兩個缺口，且該兩個缺口在水平面內(nèi)呈180°旋轉(zhuǎn)對稱；所述金屬地板的中部固定有兩個相對的沿垂直方向的垂直金屬片，且該兩個垂直金屬片在水平面內(nèi)呈180°旋轉(zhuǎn)對稱；每個垂直金屬片的上端連接有一水平金屬片，所述水平金屬片包括與金屬地板相平行的水平片體以及從水平片體的一端延伸出的平行于金屬地板的半橢圓弧面；所述半橢圓弧面包括兩個相對的直邊和兩個相對的半橢圓曲線邊，所述半橢圓弧面的一個直邊與水平片體相接；所述的兩個水平金屬片在水平面內(nèi)呈180°旋轉(zhuǎn)對稱；所述的兩個垂直金屬片之間設(shè)有Γ型饋線。

上述半橢圓曲線邊的橢圓長軸與橢圓短軸之比≥2。

上所述半橢圓弧面從水平片體的與垂直金屬片相垂直的邊上延伸出。

上述水平片體上相對于半橢圓弧面的一端設(shè)有切角。

所述半橢圓曲線邊的橢圓長軸平行于任一垂直金屬片所在的平面。

上述金屬圍欄由垂直于金屬地板的金屬板構(gòu)成。

上述金屬地板、金屬圍欄、水平金屬片以及垂直金屬片均由銅、鋁或銀材料制成。

本發(fā)明的有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

第一，由于本發(fā)明使用了旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了圓極化，克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的帶寬過窄，結(jié)構(gòu)復雜的問題，使得本發(fā)明具有較寬的阻抗帶寬和軸比帶寬，并且天線由單端口饋電，結(jié)構(gòu)簡單。

第二，由于本發(fā)明使用了有缺口的金屬圍欄，克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的增益低，方向圖差的問題，使得本發(fā)明具有較高的增益和穩(wěn)定的方向圖。

以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的俯視圖；

圖3為本發(fā)明的回波損耗仿真實驗數(shù)據(jù)圖；

圖4為本發(fā)明的增益仿真實驗數(shù)據(jù)圖；

圖5為本發(fā)明的軸比仿真實驗數(shù)據(jù)圖；

圖6(a)為本發(fā)明在1.8GHz phi＝0°平面的輻射方向圖；

圖6(b)為本發(fā)明在1.8GHz phi＝90°平面的輻射方向圖；

圖7(a)為本發(fā)明在2.7GHz phi＝0°平面的輻射方向圖；

圖7(b)為本發(fā)明在2.7GHz phi＝90°平面的輻射方向圖；

圖8(a)為本發(fā)明在3.5GHz phi＝0°平面的輻射方向圖；

圖8(b)為本發(fā)明在3.5GHz phi＝90°平面的輻射方向圖；

附圖標記說明：1、水平金屬片；2、垂直金屬片；3、Γ型饋線；4、金屬地板；5、金屬圍欄；6、缺口；1-1、水平片體；1-2、半橢圓弧面。

具體實施方式

實施例1：

參照圖1及圖2，本發(fā)明提供了一種寬帶圓極化天線，包括平行于水平面的呈矩形形狀的金屬地板4，所述金屬地板4的一組相鄰的邊以及與該組相鄰的邊相對的另一組相鄰的邊上均設(shè)有L形的金屬圍欄5；兩金屬圍欄5的相鄰端頭之間不相接，使兩金屬圍欄5之間形成兩個缺口6，且該兩個缺口6在水平面內(nèi)呈180°旋轉(zhuǎn)對稱；所述金屬地板4的中部固定有兩個相對的沿垂直方向的垂直金屬片2，且該兩個垂直金屬片2在水平面內(nèi)呈180°旋轉(zhuǎn)對稱；每個垂直金屬片2的上端連接有一水平金屬片1，所述水平金屬片1包括與金屬地板4相平行的水平片體1-1以及從水平片體1-1的一端延伸出的平行于金屬地板4的半橢圓弧面1-2；所述半橢圓弧面1-2包括兩個相對的直邊和兩個相對的半橢圓曲線邊，所述半橢圓弧面1-2的一個直邊與水平片體1-1相接；所述的兩個水平金屬片1在水平面內(nèi)呈180°旋轉(zhuǎn)對稱；所述的兩個垂直金屬片2之間設(shè)有Γ型饋線3。本實施例結(jié)構(gòu)簡單，能夠產(chǎn)生圓極化波，并具有很寬的阻抗帶寬和軸比帶寬，以及高增益和穩(wěn)定的遠場輻射方向圖。由于使用了旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了圓極化，克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的帶寬過窄，結(jié)構(gòu)復雜的問題，使得本發(fā)明具有較寬的阻抗帶寬和軸比帶寬，并且天線由單端口饋電，結(jié)構(gòu)簡單。由于使用了有缺口的金屬圍欄，克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的增益低，方向圖差的問題，使得本實施例具有較高的增益和穩(wěn)定的方向圖。

實施例2:

在實施例1的基礎(chǔ)上，所述半橢圓曲線邊的橢圓長軸與橢圓短軸之比≥2。所述半橢圓弧面1-2從水平片體1-1的與垂直金屬片2相垂直的邊上延伸出。所述水平片體1-1上相對于半橢圓弧面1-2的一端設(shè)有切角，所切掉的切角形狀可以為三角形，矩形或扇形；切角不同的形狀和尺寸對天線的軸比(即空間某一點處天線輻射的電磁波在兩個正交方向上的電場分量的幅度之比)有一定的影響，經(jīng)過不斷的仿真優(yōu)化，最終選擇如圖1和圖2所示的類三角形狀切角，可以獲得最優(yōu)的軸比帶寬性能。所述半橢圓弧面1-2的半橢圓曲線邊朝遠離金屬地板4中心的方向凸起。所述半橢圓曲線邊的橢圓長軸平行于任一垂直金屬片2所在的平面。所述金屬圍欄5由垂直于金屬地板4的金屬板構(gòu)成。所述金屬地板4、金屬圍欄5、水平金屬片1以及垂直金屬片2均由銅、鋁或銀材料制成。

本發(fā)明的圓極化天線頻帶的中心頻率為2.64GHz時所采用的一個實例的各結(jié)構(gòu)尺寸如下：

其中每個水平金屬片末端延伸出包括2個相對的直邊和2個相對的半橢圓曲線邊的半橢圓弧面，其半橢圓曲線邊的橢圓長軸與橢圓短軸之比為2，兩個水平金屬片在水平面內(nèi)呈180°旋轉(zhuǎn)對稱。水平金屬片的間距為17mm，與金屬地板的距離為30mm。垂直金屬片為長方形，尺寸為49mm×30mm，在水平面內(nèi)呈180°旋轉(zhuǎn)對稱設(shè)置，連接于水平金屬片和金屬底板之間。金屬地板為長方形，尺寸為180mm×145mm。金屬圍欄的2個缺口由互相垂直的兩個不同的方形缺口構(gòu)成，其中，圍欄長邊上的方形缺口尺寸為30mm×30mm，短邊上的方形缺口尺寸為30mm×17mm。兩個缺口在水平面內(nèi)也呈180°旋轉(zhuǎn)對稱。本實例所采用的金屬材料具體為銅。

以下結(jié)合圖3、圖4、圖5、圖6、圖7及圖8對上述實例的天線效果作進一步的描述。

本發(fā)明的仿真結(jié)果是通過電磁軟件Ansys HFSS建模，在天線頻帶1.5-4GHz內(nèi)仿真得到的。

參照附圖3，圖4，圖5對本發(fā)明的回波損耗，軸比和增益進行分析。

圖3中的橫軸表示頻率，縱軸表示回波損耗。圖中實線代表回波損耗隨頻率的變化趨勢。從本發(fā)明仿真的回波損耗曲線可以看出，天線的阻抗匹配頻帶(S11≤-10dB)為1.69-3.65GHz，相對帶寬73.4％。

圖4中的橫軸表示頻率，縱軸表示軸比。圖中實線代表軸比隨頻率的變化趨勢。從本發(fā)明仿真的軸比曲線可以看出，天線的軸比小于3dB的頻帶為1.72-3.56GHz，相對帶寬為69.7％。

圖5中的橫軸表示頻率，縱軸表示軸比。圖中實線代表增益隨頻率的變化趨勢。從本發(fā)明仿真的增益曲線可以看出，在軸比(≤3dB)帶寬內(nèi)，天線的增益為8.3-10.1dBi，平均增益9.2dBi。

參照附圖6，圖7，圖8對本發(fā)明的遠場輻射方向圖進行分析。

圖6，圖7，圖8中圓上的刻度表示角度，縱軸表示歸一化場強。圖中實線代表左旋圓極化強度，虛線代表右旋圓極化強度。圖6(a)為本發(fā)明在1.8GHz phi＝0°平面的輻射方向圖，圖6(b)為本發(fā)明在1.8GHz phi＝90°平面的輻射方向圖。圖7(a)為本發(fā)明在2.7GHz phi＝0°平面的輻射方向圖，圖7(b)為本發(fā)明在2.7GHz phi＝90°平面的輻射方向圖。圖8(a)為本發(fā)明在3.5GHz phi＝0°平面的輻射方向圖，圖8(b)為本發(fā)明在3.5GHz phi＝90°平面的輻射方向圖。從本發(fā)明的仿真方向圖曲線可以看出，天線主極化為左旋圓極化，并在工作頻段內(nèi)天線在phi＝0°和phi＝90°平面具有幾乎相同的遠場方向圖，實現(xiàn)穩(wěn)定的遠場輻射性能。

從上述分析可知，本發(fā)明具有較寬的阻抗匹配帶寬和軸比帶寬，同時也具有較高的增益和穩(wěn)定的遠場輻射方向圖。

因此，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：

第一，由于本發(fā)明使用了旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了圓極化，克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的帶寬過窄，結(jié)構(gòu)復雜的問題，使得本發(fā)明具有較寬的阻抗帶寬和軸比帶寬，并且天線由單端口饋電，結(jié)構(gòu)簡單。

第二，由于本發(fā)明使用了有缺口的金屬圍欄，克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的增益低，方向圖差的問題，使得本發(fā)明具有較高的增益和穩(wěn)定的方向圖。

本實施方式中沒有詳細敘述的部分屬本行業(yè)的公知的常用手段，這里不一一敘述。以上例舉僅僅是對本發(fā)明的舉例說明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的保護范圍的限制，凡是與本發(fā)明相同或相似的設(shè)計均屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。