一种宽带高增益双圆极化微带天线及通讯装置
阅读说明：本技术 一种宽带高增益双圆极化微带天线及通讯装置 (Broadband high-gain dual-circular polarization microstrip antenna and communication device ) 是由 曹振新 谢梦亭 许湘剑 陈伟荣 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种宽带高增益双圆极化微带天线及通讯装置,属于通信设备技术领域。微带天线包括第一介质层、第二介质层和第三介质层,三个介质层依次自上而下平行布置；第一辐射层,其形成于第一介质层顶面；第二辐射层,其形成于第一介质层和第二介质层之间；发射天线反射层,其形成于第二介质层和第三介质层之间；接地板,其形成于发射天线反射层和第三介质层之间；馈电层,其形成于发射天线反射层和接地板之间；接收端,其一端与接收天线馈源连接,另一端与接收天线馈电网络连接；发射端,其一端与发射天线馈源连接,另一端与发射天线馈电网络连接。本发明的微带天线,结构简单,生产成本低,具有宽频带、高增益、在双频带实现双圆极化的性能。(The invention discloses a broadband high-gain double-circular-polarization microstrip antenna and a communication device, and belongs to the technical field of communication equipment. The microstrip antenna comprises a first dielectric layer, a second dielectric layer and a third dielectric layer, wherein the three dielectric layers are sequentially arranged in parallel from top to bottom; the first radiation layer is formed on the top surface of the first dielectric layer; a second radiation layer formed between the first dielectric layer and the second dielectric layer; a transmitting antenna reflecting layer formed between the second dielectric layer and the third dielectric layer; a ground plate formed between the transmitting antenna reflection layer and the third dielectric layer; a feed layer formed between the transmitting antenna reflection layer and the ground plate; one end of the receiving end is connected with a receiving antenna feed source, and the other end of the receiving end is connected with a receiving antenna feed network; and one end of the transmitting end is connected with the transmitting antenna feed source, and the other end of the transmitting end is connected with the transmitting antenna feed network. The microstrip antenna has the advantages of simple structure, low production cost, wide frequency band, high gain and dual-circular polarization realization in dual frequency bands.)
技术领域
本发明属于通信设备技术领域，更具体地说，涉及一种宽带高增益双圆极化微带天线。
背景技术
微带天线是20世纪七十年代出现的一种新型的天线形式，七十年代以后，微带天线无论是在理论还是在应用的广度和深度上都进一步发展，并且显示出它在实际应用上的巨大潜力，各种新形式新性能的微带天线不断出现，由于微带天线体积小、重量轻、馈电方式灵活、成本低、易于与目标共形等优点而深受人们亲睐，广泛应用于卫星通信、导航遥测遥控、武器引信等军事领域以及现代移动通信、个人通信、医疗器件、环境保护、等民用领域。
传统微带天线带宽很窄，一般只有1％～7％，现有技术中为增大带宽，通常采用增设寄生贴片或将介质层替换为空气层等方法，虽然提高了带宽，但是会导致增益降低、损耗增大等问题，还会增加生产成本。
经检索，中国专利公开号：CN 104269641 A；公开日：2015年1月7日；公开了一种微带天线，包括一介质基板、两组辐射单元和两馈电网络；两组辐射单元间隔设于该介质基板的正面上，两馈电网络设于该介质基板的正面上，且分别连接该两组辐射单元；每一组辐射单元包括两个相同频段的子辐射单元，四个子辐射单元沿同一方向间隔排列；每一馈电网络为一二功分器，每一二功分器的两输出端分别通过微带线连接对应的两个子辐射单元。该申请案的微带天线的结构设计，使得水平波束宽度增大，提高了天线增益，但是其结构设计导致尺寸较大，且带宽较窄。
发明内容
为了解决上述技术问题至少之一，根据本发明的一方面，提供了一种宽带高增益双圆极化微带天线，包括：
第一介质层、第二介质层和第三介质层，三个介质层依次自上而下平行布置；
第一辐射层，其形成于第一介质层顶面，第一辐射层为高频天线层，用于接收信号；
第二辐射层，其形成于第一介质层和第二介质层之间，第二辐射层为低频天线层，用于发射信号；
发射天线反射层，其形成于第二介质层和第三介质层之间；
接地板，其形成于发射天线反射层和第三介质层之间，用以接地；
馈电层，其形成于发射天线反射层和接地板之间，馈电层包括接收天线馈电网络和发射天线馈电网络，接收天线馈电网络与第一辐射层连接，发射天线馈电网络与第二辐射层连接；
接收端，其一端与接收天线馈源连接，另一端与接收天线馈电网络连接；
发射端，其一端与发射天线馈源连接，另一端与发射天线馈电网络连接。
根据本发明实施例的宽带高增益双圆极化微带天线，可选地，所述第一辐射层与第二辐射层均为金属贴片。
根据本发明实施例的宽带高增益双圆极化微带天线，可选地，所述第一辐射层包括一环状矩形贴片及两个矩形贴片，两个矩形贴片相互垂直布置且分别连接于环状矩形贴片内边沿相邻的两条边；
环状矩形贴片与两个矩形贴片一体成型。
根据本发明实施例的宽带高增益双圆极化微带天线，可选地，所述接收天线馈电网络和发射天线馈电网络均包括有威尔金森功分器，均向对应的辐射层提供两个等幅，相位相差90度的馈源。
根据本发明实施例的宽带高增益双圆极化微带天线，可选地，所述接收天线馈电网络的威尔金森功分器的输入端与接收端连接，两个输出端分别连接有同轴探针一和同轴探针二，同轴探针一和同轴探针二均依次穿过发射天线反射层、第二介质层和第二辐射层后，分别与第一辐射层的两个矩形贴片连接。
根据本发明实施例的宽带高增益双圆极化微带天线，可选地，所述发射天线馈电网络的威尔金森功分器的输入端与发射端连接，两个输出端分别连接有馈电探针一和馈电探针二，馈电探针一和馈电探针二均依次穿过发射天线反射层和第二介质层后，分别与第二辐射层底面连接。
根据本发明的另一方面，提供了一种通讯装置，该装置包括上述的宽带高增益双圆极化微带天线。
本发明的宽带高增益双圆极化微带天线，接收天线的馈电网络穿过发射天线辐射层中间短路孔对接收天线辐射层进行馈电，接收天线的辐射结构由两个矩形贴片和一个环状矩形贴片构成，结构简单，且发射天线的辐射层作为接收天线的反射层，提高了空间的利用率，减小了微带天线的体积，降低了结构成本，亦使得微带天线具有较高的增益，接收天线增益可以达到6.7dB，发射天线增益可以达到7.2dB。
本发明的通讯装置，搭载有本发明的宽带高增益双圆极化微带天线，成本低，且通讯效果好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。
图1示出了本发明的宽带高增益双圆极化微带天线结构示意图；
图2示出了本发明的宽带高增益双圆极化微带天线分解结构示意图；
图3示出了本发明的第一辐射层结构示意图；
图4示出了本发明的馈电层的结构示意图；
图5为本发明的接收天线有源驻波图；
图6为本发明的接收天线隔离图；
图7为本发明的接收天线增益图；
图8为本发明的接收天线交叉极化图；
图9为本发明的发射天线有源驻波图；
图10为本发明的发射天线隔离图；
图11为本发明的发射天线增益图；
图12为本发明的发射天线交叉极化图；
附图标记：
1、第一介质层；
2、第二介质层；
3、第三介质层；
4、第一辐射层；40、环状矩形贴片；41、矩形贴片；
5、第二辐射层；
6、发射天线反射层；
7、接地板；
8、馈电层；80、接收天线馈电网络；800、同轴探针一；801、同轴探针二；81、发射天线馈电网络；810、馈电探针一；811、馈电探针二；
90、接收端；900、接收端内导体；91、发射端；910、发射端内导体。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。
实施例1
参照图1和图2，本实施例的第一介质层1、第二介质层2和第三介质层3依次自上而下相互平行布置，第一介质层1、第二介质层2和第三介质层3均为8×8×1.524mm3的长方体结构，所用介质均为Rogers5880，介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009；本实施例的各介质板采用低介电常数的介质，在本实施例微带天线的结构设计下，采用低介电常数的介质层仍可以较小的体积在高频段保持较高的增益，确保通讯效果，无需通过选用高介电常数的介质层来达到减小尺寸的目的，也就降低了通讯过程中的损耗。
参照图2和图3，本实施例的第一辐射层4为金属贴片，位于第一介质层1顶面，由一个环状矩形贴片40及两个矩形贴片41一体成型构成，其中，两个矩形贴片41相互垂直布置，且两矩形贴片41分别连接于环状矩形贴片40内环边沿相邻的两条边上，第一辐射层4为接收天线的结构件，工作在高频。
参照图2，本实施例的第二辐射层5为金属贴片，位于第一介质层1和第二介质层2之间，第二辐射层5呈矩形，第二辐射层5为发射天线的结构件，工作在低频。
参照图2，本实施例的发射天线反射层6为平面状结构，位于第二介质层2和第三介质层3之间，用于发射天线馈源发出的电磁波进行集中反射，本实施例中第二辐射层5同时还作为接收天线反射层，增强接收信号强度，简化微带天线结构。
参照图2，本实施例的接地板7位于发射天线反射层6和第三介质层3之间，用以接地。
参照图2和图4，本实施例的馈电层8位于发射天线反射层6和接地板7之间，馈电层8包括接收天线馈电网络80和发射天线馈电网络81，接收天线馈电网络80与第一辐射层4连接，发射天线馈电网络81与第二辐射层5连接；进一步地，接收天线馈电网络80和发射天线馈电网络81均包括有威尔金森功分器，威尔金森功分器具有一个输入端与两个输出端，输入端输入馈源，两个输出端能够输出两个等幅且相位相差90度的馈源。
参照图1和图2，本实施例的接收端90一端用于连接接收天线馈源，另一端与接收天线馈电网络80的威尔金森功分器的输入端连接，发射端91一端用于连接发射天线馈源，另一端与发射天线馈电网络81的威尔金森功分器的输入端连接；接收端90与发射端91均为同轴线，固定设于第三介质层3底部，第三介质层3对应接收端90与发射端91的位置处均贯穿开设通孔，接收端90同轴线中的接收端内导体900穿过第三介质层3的对应通孔与接收天线馈电网络80的威尔金森功分器的输入端接触连接，发射端91同轴线中的发射端内导体910穿过第三介质层3的对应通孔与发射天线馈电网络81的威尔金森功分器的输入端接触连接，如图2和图4所示。
参照图2和图4，接收天线馈电网络80的威尔金森功分器的两个输出端分别连接有同轴探针一800和同轴探针二801，同轴探针一800和同轴探针二801均垂直于各介质层布置，在发射天线反射层6的对应位置开设两处通孔供同轴探针一800和同轴探针二801穿过，在第二介质层2对应位置开设大通孔供同轴探针一800和同轴探针二801穿过，在第二辐射层5的对应位置开设两处圆形短路孔供同轴探针一800和同轴探针二801穿过，需要说明的是开设短路孔后的第二辐射层5仍为中心对称结构，本实施例中各介质层及各辐射层的结构均分别为中心对称结构，在利用本实施例的微带天线组成阵时，更加方便，在第一介质层1对应位置开设两处通孔供同轴探针一800和同轴探针二801穿过，同轴探针一800和同轴探针二801依次穿过发射天线反射层6、第二介质层2和第二辐射层5的对应通孔后，分别与第一辐射层4的两个矩形贴片41连接；在本实施例的接收天线结构中，接收天线馈源由接收端90馈入，经过接收天线馈电网络80产生两路等幅且相位相差90度的信号，分别通过同轴探针一800和同轴探针二801传输到第一辐射层4的两个相互垂直的矩形贴片41，产生右旋极化，如图8所示。
进一步地，由于同轴探针一800和同轴探针二801要穿过较多结构层，会与空气有较多接触，因此选择在探针外套设有外导体护套的同轴探针结构，能降低辐射损耗，使馈电更稳定。
参照图2和图4，发射天线馈电网络81的威尔金森功分器的两个输出端分别连接有馈电探针一810和馈电探针二811，馈电探针一810和馈电探针二811均垂直于各介质层布置，在发射天线反射层6的对应位置开设两处通孔供馈电探针一810和馈电探针二811穿过，馈电探针一810和馈电探针二811穿过第二介质层2的大通孔，馈电探针一810和馈电探针二811依次穿过发射天线反射层6和第二介质层2的对应通孔后，与第二辐射层5底面接触连接；在本实施例的发射天线结构中，发射天线馈源由发射端91馈入，经过发射天线馈电网络81产生两路等幅且相位相差90度的信号，分别通过馈电探针一810和馈电探针二811传输到第二辐射层5，在第二辐射层5两个相差90°的位置处馈入，产生左旋极化，如图12所示。
本实施例微带天线的接收天线有源驻波图如图5所示，从图中看出，在21.8GHz~30.1GHz频段内，回波损耗≤-10dB，相对带宽为32.0%，具有宽频带特性；图6为接收天线隔离图，从图中看出，在21.8GHz~30.1GHz频段内，隔离≤-14.7dB，隔离较好；图7为接收天线在频率为26.152GHz，Phi=90°、0°时的增益，从图中可以看出接收天线的增益为6.7dB，具有较高增益。
本实施例微带天线的发射天线有源驻波图如图9所示，从图中看出，在19.2GHz~29.9GHz频段内，回波损耗≤-10dB，相对带宽为43.6%，具有宽频带特性；图10为发射天线隔离图，从图中看出，在19.2GHz~29.9GHz频段内，隔离≤-14.6dB，隔离较好；图11为发射天线在频率为22.65GHz，Phi=90°、0°时的增益，从图中可以看出发射天线的增益为7.2dB，具有较高增益。
综上数据可知，本实施例的微带天线各项指标良好，具有宽频带、高增益、在双频带实现双圆极化的性能。
实施例2
本实施例提供了一种通讯装置，包括实施例1所述的宽带高增益双圆极化微带天线。
本实施例的通讯装置，通过实施例1宽带高增益双圆极化微带天线，装置成本更低，通讯效果更好。
本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。
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