阅读说明：本技术 一种基于多模谐振的宽频带低剖面圆极化微带天线 (Broadband low-profile circularly polarized microstrip antenna based on multimode resonance ) 是由 胡伟 李长江 胡志鹏 林聪� 陈霑 姜文 于 2020-11-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于多模谐振的宽频带低剖面圆极化微带天线。该天线具有两层结构,第一层为印刷在上介质板上层具有旋转对称特性的辐射结构,包括四个驱动贴片、四个寄生贴片和四个金属墙,寄生贴片通过空隙与驱动贴片耦合,金属墙放置在介质板的边缘并向下弯折；驱动贴片与寄生贴片分别通过金属柱与馈电网络和地板相连。第二层为印刷在下介质板上层的地板以及下层的馈电网络,包括二阶的威尔金森功分器和90°宽带移相器；两层结构之间由空气层隔开。此天线具有频带宽、剖面低、结构简单、带内增益平缓等优点,适合用于电子对抗、导弹制导、卫星通讯等领域中。(The invention discloses a broadband low-profile circularly polarized microstrip antenna based on multimode resonance. The antenna has a two-layer structure, wherein the first layer is a radiation structure printed on the upper layer of an upper dielectric plate and has a rotational symmetry characteristic, and comprises four driving patches, four parasitic patches and four metal walls, the parasitic patches are coupled with the driving patches through gaps, and the metal walls are arranged on the edge of the dielectric plate and bent downwards; the driving patch and the parasitic patch are respectively connected with the feed network and the floor through metal columns. The second layer is printed on the floor on the upper layer of the lower dielectric plate and the feed network on the lower layer, and comprises a second-order Wilkinson power divider and a 90-degree broadband phase shifter; the two layers are separated by an air layer. The antenna has the advantages of wide frequency band, low section, simple structure, mild in-band gain and the like, and is suitable for the fields of electronic countermeasure, missile guidance, satellite communication and the like.)

一种基于多模谐振的宽频带低剖面圆极化微带天线

技术领域

本发明涉及无线通信领域中的天线设计技术，特别涉及一种基于多模谐振的宽频带低剖面圆极化微带天线。

背景技术

现代通信系统需要在复杂的环境和条件下实现稳定的通信，这对天线的稳定性和抗干扰性有很高的要求。圆极化因其能够避免极化损失，抑制多径干扰等优点广泛应用于电子对抗、导弹制导、卫星通讯等领域中。随着现代无线通信技术的快速发展，人们对通信设备的带宽提出了越来越高的要求，所以近年来，宽频带圆极化天线已成为了研究的热点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是利用多模谐振实现宽带特性，并通过寄生结构降低天线剖面高度，实现一种宽频带低剖面圆极化天线。此天线具有频带宽、剖面低、结构简单、带内增益平缓等特点。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种基于多模谐振的宽频带低剖面圆极化微带天线，天线包括两层介质板，第一层介质板包括印刷在其上的四个驱动贴片、四个寄生贴片和四个金属墙；第二层介质板包括印刷在其上层的地板和下层的馈电网络；两层介质板之间设有连接层间介质板的金属柱和馈电探针；两层介质板之间由空气层隔开；

所述驱动贴片上设有金属圆盘，金属圆盘通过馈电探针连接到馈电网络进行耦合馈电；所述金属墙沿第一层介质板边沿向下弯折连接地板，实现宽频带低剖面圆极化天线的辐射并提高带内增益。

对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：

优选的，所述四个驱动贴片和四个寄生贴片相互间隔分布在第一层介质板上层，金属墙两两对称分布于第一层介质板上，构成第一层介质板上层的辐射结构。

优选的，所述驱动贴片为窄条矩形金属贴片，四个驱动贴片对称分布在第一层介质板上层，中部留有空隙，其边缘与金属柱相连。

优选的，所述寄生贴片为宽型矩形金属贴片，四个寄生贴片对称间隔分布在驱动贴片之间，与四个驱动贴片之间留有缝隙；其边沿处与金属柱相连。

优选的，所述金属墙为弯折矩形金属贴片，四个金属墙两两交错对称分布于第一层介质板边沿，金属墙上部与寄生贴片之间留有缝隙，边缘处向下弯折与地板相连。

优选的，所述两层介质板为面积相同的矩形；馈电探针穿过两层介质板与馈电网络相连；金属柱穿过第一层介质板与地板相连。

优选的，所述馈电网络包括印刷在第二层介质板上的三个二阶威尔金森功分器和四个90°宽带移相器；所述二阶威尔金森功分器和90°宽带移相器的馈线末端均为一分二的端口；其中中间的二阶威尔金森功分器末端端口分别连接90°宽带移相器和右侧二阶威尔金森功分器；左、右两侧二阶威尔金森功分器的一分二的端口分别连接90°宽带移相器和馈电线。

优选的，二阶威尔金森功分器上两个间距不同的馈电线之间分别设有两个电阻；90°宽带移相器末端通过移相器金属柱与地板相连。

优选的，所述第一层介质板和第二层介质板别选用FR4和Rogers RO4003介质板，厚度分别为0.5mm和0.8mm；第一层介质板和第二层介质板之间的空气层厚度为5mm。

本发明的有益效果在于：

本发明基于多模谐振理论，结合寄生贴片，设计发明了基于多模谐振的宽频带低剖面圆极化微带天线。为了降低天线的剖面高度，在第一层介质板上引入了寄生贴片，寄生贴片与驱动贴片耦合，使得驱动贴片的谐振点移向低频。为了展宽天线的阻抗带宽，引入了金属柱结构，并且分别加载在驱动贴片和寄生贴片上，产生了三个谐振模式。通过优化两种贴片的几何参数和金属柱的位置，对天线进行阻抗匹配，进而达到宽频带的效果。为了提高带内增益，在第一层介质板上层印刷了金属墙，金属墙能够在对应谐振点处提供磁流分量，继而提高带内增益。

同时，采用顺序旋转结构，利用宽带功分移相器，实现了较宽的轴比带宽。其中，二阶威尔金森功分器提供等幅同向激励，同时，在二阶威尔金森功分器上分别加载两个阻值不同的贴片电阻，以进一步提高两个输出端口之间的隔离度。另外，通过宽带移相器，可以在较宽的频带内保持稳定的相位差。并且，将地板放置在天线下方，使得天线的辐射方向图具有良好的定向性，保证在整个工作频带内最大辐射方向都位于天线的正上方。

此天线具有频带宽、剖面低、结构简单、带内增益平缓等优点，天线中心频率为3GHz，相对阻抗带宽不小于97％，轴比带宽达到86％；天线的XOZ面方向图与YOZ面方向图近乎一致；带内增益平缓；最大增益不小于8dBic。该天线适合用于电子对抗、导弹制导、卫星通讯等领域中。

附图说明

图1为本发明圆极化天线的立体结构示意图；

图2为本发明圆极化天线的整体结构俯视图；

图3为本发明圆极化天线的整体结构侧视图；

图4为本发明圆极化天线的馈电网络仰视图；

图5(a)、(b)分别为本发明圆极化天线的二阶威尔金森功分器以及宽带移相器结构图；

图6为本发明圆极化天线的反射系数曲线图；

图7为本发明圆极化天线的轴比曲线图；

图8为本发明圆极化天线在2.0GHz的XOZ面主极化与交叉极化方向图；

图9为本发明圆极化天线在2.0GHz的YOZ面主极化与交叉极化方向图；

图10为本发明圆极化天线在2.5GHz的XOZ面主极化与交叉极化方向图；

图11为本发明圆极化天线在2.5GHz的YOZ面主极化与交叉极化方向图；

图12为本发明圆极化天线在3.5GHz的XOZ面主极化与交叉极化方向图；

图13为本发明圆极化天线在3.5GHz的YOZ面主极化与交叉极化方向图；

图14为本发明圆极化天线的主极化增益曲线图。

图中：1、第一层介质板；2、第二层介质板；3、驱动贴片；4、寄生贴片；5、金属墙；6、馈电网络；7、金属柱；8、馈电探针；9、馈电端口；10、移相线金属柱；11、100Ω电阻；12、200Ω电阻；13、二阶威尔金森功分器；14、90°宽带移相器；15、地板；16、金属圆盘。

具体实施方式

为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。

如图1所示，为本发明的基于多模谐振的宽频带低剖面圆极化微带天线的结构示意图。此图给出的是天线的结构爆炸图。天线具有两层结构，第一层介质板1为印刷在介质板上层具有旋转对称特性的辐射结构，主要为四个驱动贴片3、四个寄生贴片4和四个金属墙5；第二层介质板2为印刷在介质板上层的地板15以及下层的馈电网络6；馈电网络6包括三个二阶威尔金森功分器13与四个宽带移相器14，为辐射结构提供平衡馈电，同时实现了宽频带内的阻抗匹配。两层介质板之间设有连接第一层介质板1和第二层介质板2的金属柱7和馈电探针8，馈电探针8穿过第一、二层介质板；金属柱7穿过第一层介质板。最终实现了宽频带低剖面圆极化天线的辐射。

如图2所示，四个驱动贴片3、四个寄生贴片4和四个金属墙5位于第一层介质板上层，其中，四个驱动贴片3和四个寄生贴片4相互间隔分布在第一层介质板1上层，金属墙5两两对称分布于第一层介质板1上，构成第一层介质板上层的辐射结构。

驱动贴片3是窄条矩形金属贴片，四个驱动贴片3对称分布在第一层介质板1上层，中部留有空隙，其边缘处与金属柱相连。寄生贴片4是宽型矩形金属贴片，四个寄生贴片4对称间隔分布在驱动贴片3之间，与四个驱动贴片3之间留有缝隙；其边沿处与金属柱相连。金属墙4为弯折矩形金属贴片，四个金属墙5两两交错对称分布于第一层介质板1边沿，金属墙5上部与寄生贴片4之间留有缝隙，边缘处向下弯折与地板15相连。

其中，驱动贴片3通过金属圆盘16耦合馈电，金属圆盘16通过馈电探针连接到馈电网络6，寄生贴片4与驱动贴片3耦合，金属墙5与寄生贴片4耦合。

如图3所示，第一层介质板1与第二层介质板2为面积相同的矩形，由空气层隔开，空气层厚度为H2；馈电端口9为馈电网络6提供激励；馈电探针8穿过第一、二层介质板与馈电网络6相连；金属柱7穿过第一层介质板与地板15相连。

如图4所示，馈电网络6包括印刷在第二层介质板2上的三个二阶威尔金森功分器13和四个90°宽带移相器14。其中二阶威尔金森功分器13两个间距不同的馈电线之间分别设有100Ω电阻12和200Ω电阻13以提高端口之间的隔离度，二阶威尔金森功分器14和90°宽带移相器14的馈线末端均为一分二的端口。

其中，中间的二阶威尔金森功分器13末端端口分别连接90°宽带移相器14和右侧二阶威尔金森功分器；左、右两侧二阶威尔金森功分器13的一分二的端口分别通过连接90°宽带移相器14和馈电线。

图5(a)为二阶威尔金森功分器结构示意图，该功分器在两条间距不同的馈电线之间分别设有100Ω电阻11和200Ω电阻12，其馈线末端为一分二的端口。此时一分四馈电网络分别提供的是0°，90°，180°，270°的相位差。图5(b)所示为90°宽带移相器14结构，其中90°宽带移相器14的末端接移相线金属柱10。

在一个实施例中：

第一层介质板为140mm×140mm×0.5mm的FR4，介电常数4.4；

第一层介质板为140mm×140mm×0.8mm的Rogers RO4003，介电常数3.5。

在本实施例中，天线的中心频率为3GHz，相对阻抗带宽不小于97％，轴比带宽达到86％。

以上这些结构的相互密切配合，并进行优化设计，以实现工作在较宽频带下的圆极化天线。

其他结构尺寸见表1所示。

表1

其中:W为第一、二层矩形介质板的宽；L为第一、二层矩形介质板的长；L1为驱动贴片的长；W1为驱动贴片的宽；L2为寄生贴片的长；W2为寄生贴片的宽；L3为寄生贴片上一对金属柱之间的距离；W3为金属柱与寄生贴片边缘的距离；L4为驱动贴片上一对金属柱之间的距离；L5为金属墙的长度；W5为金属墙的宽度；R1为金属圆盘的半径；R2为驱动贴片上的圆孔，略大于R1，从而起到电容耦合的效果；R3为加载在驱动贴片上的金属柱的半径；R4为加载在寄生贴片上的金属柱的半径；H1为第一层介质板的厚度；H2为空气层的厚度；H3为第二层介质板的厚度。

本发明天线的宽频带低剖面原理为：为四个旋转对称的驱动贴片馈入幅度相同，相位差为0°，90°，180°，270°的激励，同时采用寄生贴片，引入两个谐振点，达到宽频带的效果；寄生贴片的引入也移动驱动贴片的谐振点，从而达到低剖面的效果。其中驱动贴片在低频工作，寄生贴片在高频工作。通过优化偶极子几何参数，对天线进行阻抗匹配，使得高频段和低频段曲线平滑且连通，进而达到宽频带的效果。

最后采用弱耦合馈电网络结构，利用宽带功分移相器，实现了较宽的轴比带宽。其中，采用二阶威尔金森功分器配合两个阻值不同的贴片电阻，提升了两个输出端口之间的隔离度。另外，宽带移相器利用微带线之间的耦合，可以在较宽的频带内保持稳定的相位差。并且，将地板放置在天线下方，使得天线的辐射方向图具有良好的定向性，保证在整个工作频带内最大辐射方向都位于天线的正上方。以上结构设置共同作用，形成一个良好的宽频带低剖面圆极化天线。

本发明基于多模谐振，利用寄生贴片与金属柱加载，设计出一款新型宽频带低剖面圆极化天线，通过改变驱动贴片与寄生贴片的形状尺寸、金属墙的尺寸、宽带功分移相器尺寸等参数变量，可以快速方便灵活的调整此宽频带圆极化天线的频率带宽。

如图6所示，为本实施例的反射系数曲线图。作为优选方案，宽频带圆极化天线的中心频率为3GHz，相对阻抗带宽不小于97％。

如图7所示，为本实施例的轴比参数曲线图。作为优选方案，宽频带圆极化天线的中心频率为3GHz，轴比带宽达到86％。

如图8所示，为本实施例在2.0GHz的XOZ面主极化与交叉极化方向图，在主辐射方向具有良好的定向性与对称性。

如图9所示，为本实施例在2.0GHz的YOZ面主极化与交叉极化方向图，在主辐射方向具有良好的定向性与对称性。

如图10所示，为本实施例在2.5GHz的XOZ面主极化与交叉极化方向图，在主辐射方向具有良好的定向性与对称性。

如图11所示，为本实施例在2.5GHz的YOZ面主极化与交叉极化方向图，在主辐射方向具有良好的定向性与对称性。

如图12所示，为本实施例在3.5GHz的XOZ面主极化与交叉极化方向图，在主辐射方向具有良好的定向性与对称性。

如图13所示，为本实施例在3.5GHz的YOZ面主极化与交叉极化方向图，在主辐射方向具有良好的定向性与对称性。

如图14所示，为本实施例的主极化增益曲线图，增益在频带内比较平缓，最大增益不小于8dBic。

以上对本发明所提供的一种宽频带低剖面圆极化天线进行了详细介绍，并应用了详细的结构设计参数对本发明的原理及实施方式进行了阐述及实现。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。