专利名称：一种单馈宽带圆极化叠层微带天线及其馈电装置的制作方法
技术领域：
本发明属于电子技术领域，涉及一种单馈宽带圆极化叠层微带天线及其馈电装 置。该天线可应用于移动通信直放站或超高频RFID读写器。
背景技术：
天线是无线通信、射频识别、卫星导航等工程系统中辐射或接收无线电波的部件。 作为发射天线，它将发射机送来的导波(或高频电流)变换为无线电波并传送到空间；而作 为接收天线，它又要做相反的变换，从而在任意两点之间实现了信号的传递。因此，天线是 导波和辐射波的变换装置。在诸多天线种类中微带天线以其体积小、重量轻和成本低等一系列突出的优点而 受到人们的青睐，发展迅猛。在一些关键系统中，微带天线正在大显神通。微带天线在无线 通信、射频识别、卫星通信、卫星导航、指挥和控制系统、生物医学辐射器等众多领域中占据 了举足轻重的地位。微带天线与其它的天线相比较，具有如下明显的优点①体积小、剖面低、重量轻。这样，即使装在宇宙飞船、导弹、火箭或卫星上，也不会 改变它的空气动力学性能。②适合工艺组合，能很方便地做成带有天线的各种器件。③便于获得圆极化，容易实现双频段、双极化等多功能工作。④容易组织大量生产。天线部分馈线和匹配网络可以一次做成，减少因装配引入 的误差。近年我国移动通信发展迅猛，在移动通信网中，基站信号只能有效覆盖一定的地 理范围。在远离基站的地方，因信号微弱致使通信质量下降。另外，由于受地形、地物等影 响，即使在基站覆盖范围内的地铁、隧道、大型建筑内、地下停车场等也会出现通信盲区，如 果再建基站，周期长且投资大，为此可采用移动通信中继设备。直放站是一种在无线通信传 输过程中对信号直接放大的同频中继设备，其基本功能就是一个射频信号功率增强器。为了避免电信基础设施的重复建设，工业和信息化部于2008年10月已发布通知， 要求各地通信管理局和运营商停止重复建设，推进电信基础设施共享。直放站作为电信基 础设施的一部分，也应推进设施共享。因此研制900MHz通信频段的宽频直放站和直放站天 线且其带宽能够覆盖821-960MHZ，对于推进直放站共享具有重要的意义。射频识别(RFID，Radio Frequency Identification)技术是一种通过射频信号 识别特定目标并读写相关数据的无线通信技术，已广泛应用于动物识别、电子收费和门禁 系统等领域。但是不同的国家和地区为超高频RFID系统分配的工作频率是不同的。我国 的工作频段为840-845MHz和920_925MHz，欧洲工作频段为865_868MHz，北美工作频段为 902-928MHZ，日本工作频段为952_955MHz。我国RFID技术分配使用的频段与国际标准化组 织ISO和国际电工委员会IEC推荐的860-960MHZ频段并不完全一致。随着RFID技术的飞 速发展，研制适用于全球的宽频读写器天线即其宽带能够覆盖835-960MHZ，对于推广RFID 技术的应用具有重要的意义。通常超高频RFID标签采用线极化天线。工程应用中要求读写器能够正确读写处于任何方向的标签，因此读写器应采用圆极化天线。微带天线实现圆极化工作的关键是激励并产生两个幅度相等且相位相差90度的 正交线极化波，常采用的方法有单馈法和多馈法。对于单馈法，只需在微带天线辐射板中 引入不对称和选择适当的馈电位置即可实现圆极化。单馈圆极化微带天线结构简单、易加 工和成本低，但是该类天线的圆极化相对带宽窄，约为中心频率的0. 5-2%。采用低介电常 数且较厚的介质材料(例如，泡沫或空气)，单馈单层微带天线的圆极化相对带宽可增加为 10. 5%。采用叠层配置，单同轴馈电微带天线的圆极化相对带宽可拓展到13. 5%，但是输入 阻抗匹配较差，不能满足通信系统输入驻波比小于1. 5的要求。采用L型带条馈电技术和 孔耦合馈电技术，叠层微带天线可实现良好的阻抗匹配。但是L型带条的水平和垂直部分 都同时影响天线输入电阻和输入电抗，其设计较复杂，且天线辐射方向性图是非对称的。对 于孔耦合馈电技术，需要一个发射板来减少天线后向辐射(通常发射板与天线距离为四分 之一波长)，因此天线高度很大。另外对于多馈法，常采用3dB混合环对微带天线两个正交 点进行馈电从而实现圆极化，使得天线结构复杂、体积增大和成本提高。多馈法还包括三馈 法和四馈法，显然天线结构更加复杂。有鉴于此，确有必要提出一种单馈宽带圆极化叠层微带天线及其馈电装置，使 得天线轴比小于3dB且驻波比小于1. 5的带宽为821-960MHZ，且相对带宽为中心频率的 15. 6%。
发明内容
本发明针对以上问题的提出，研制了一种单馈宽带圆极化叠层微带天线及其馈电 装置，尤其是指应用于移动通信直放站或超高频RFID读写器的宽带圆极化叠层微带天线。 本发明采用的技术方案如下同轴探针馈电技术是提出最早也是应用最为广泛的一种微带天线馈电技术，其主 要特性是同轴探针激励辐射板的馈电位置决定了天线的输入电阻，即馈电位置离辐射板边 缘越近输入电阻越大，离辐射板中心越近输入电阻越小。但是同轴探针的电感效应，使得天 线带宽很窄。为了解决这个问题，L型探针馈电技术被提出，并被发展为L型带条馈电技术。 L型探针和L型带条馈电技术原理类似，其原理为L型带条的水平部分与辐射板近耦合形成 一个耦合电容，该电容可补偿L型带条垂直部分引入的输入电感，从而实现宽频匹配。但是 L型带条的水平和垂直部分都同时影响天线输入电阻和输入电抗，其设计较复杂，且天线辐 射方向性图是非对称的。基于同轴探针馈电技术和L型带条馈电技术，我们提出一种新型 的微带天线馈电技术。该馈电装置包括阻抗匹配板、馈电探针和输入连接器。阻抗匹配板 的一端通过馈电探针激励叠层微带天线的下层辐射板，另一端连接输入连接器内导体。阻 抗匹配板由两个圆环型金属带条组成，其形状呈“8”字型。该馈电技术的原理为通过馈电 探针激励叠层微带天线下层辐射板的位置决定输入电阻；通过阻抗匹配板与叠层微带天线 下层辐射板和地板形成的两个分布电容来补偿由馈电探针引入的输入电感，从而实现良好 的阻抗匹配。为了实现圆极化辐射和接收，叠层微带天线的辐射板均采用对角线切角的正方形 板。为了展宽天线的圆极化带宽，在叠层微带天线结构中设置了两层空气层间隙。空气层 间隙越厚，所能得到的圆极化带宽越宽。但是空气层间隙越厚，馈电探针越长，馈电探针所引入的输入电感也会越大，这将使天线输入电压驻波比性能变差。因此，空气层间隙的厚 度应根据天线带宽决定。当空气层间隙厚度决定后，相应的馈电探针长度也就决定了。由 于本发明所研制天线的带宽为139MHz，相对带宽为中心频率的15.6%，空气层总厚度应大 于0. 14 A 0, X。为中心频率对应的波长，此时如果采用同轴探针直接馈电叠层平板天线，天 线将很难实现驻波比小于1. 5的要求；如果采用L型带条进行馈电，天线辐射方向性图将 是非对称的。但是如果采用我们所提出的馈电装置进行馈电，天线辐射方向性图将是对称 的。这是因为阻抗匹配板是一个对称结构，通过它激励天线辐射板，辐射板的电场分布将是 对称的，从而在远场实现的辐射方向性图也将是对称的。实采用的技术指标如下频率范围821_960MHz带宽l39MHz驻波比1.3 1轴比彡3dB极化方式RHCP天线增益彡8. 8dBi半功率波束宽度66°馈电方式SMA_F。本发明采用的技术手段如下一种单馈宽带圆极化叠层微带天线的馈电装置，其特征在于包括阻抗匹配板、馈 电探针和输入连接器；所述阻抗匹配板由两个圆环型金属带条组成，并且为对称结构；所 述阻抗匹配板的一端连接所述馈电探针，另一端连接输入连接器的内导体。组成阻抗匹配板的两个圆环型金属带条组成的形状呈“8”字型。一种包括上述馈电装置的单馈宽带圆极化叠层微带天线，其特征在于包括上层 辐射板、下层辐射板、馈电装置、地板和固定螺丝；所述上层辐射板、下层辐射板、阻抗匹配 板和地板依次通过固定螺丝进行固定；在所述上层辐射板、下层辐射板、阻抗匹配板和地板 之间通过在固定螺丝处设置的轴套，以保持上层辐射板、下层辐射板、阻抗匹配板和地板之 间的空气层间隙。所述阻抗匹配板分别与地板和下层辐射板形成两个分布电容。所述上层辐射板和下层辐射板均为对角线切角的正方形板。所述空气层间的总隙厚度达到0. 14 X。时通过采用所述馈电装置和叠层微带天 线结构，微带天线轴比小于3dB且电压驻波比小于1.3的相对带宽被拓展为中心频率的 15. 6%。所述馈电探针与微带天线下层辐射板中心的距离决定了天线的输入电阻，通过调 整该距离使得所述单馈宽带圆极化叠层微带天线工作频带内的输入电阻在50士8欧姆范 围内；所述馈电探针的直径和圆环型金属带条的宽度决定了天线的输入电抗，通过调整探 针直径和带条宽度使得所述单馈宽带圆极化叠层微带天线工作频带内的输入电抗在士 10 欧姆范围内，从而取得电压驻波比小于1. 3的宽频匹配效果。由于采用了上述技术方案，本发明提供的单馈宽带圆极化叠层微带天线，提高了 微带天线的阻抗和圆极化带宽，从而满足移动通信直放站或全球任何一个国家的超高频RFID系统的技术要求，并且该天线具有输入电压驻波比小、增益高和成本低的特点，适于在 移动通信领域广泛推广。
图1是本发明单馈宽带圆极化叠层微带天线馈电装置的结构视图；图2是本发明单馈宽带圆极化叠层微带天线的结构视图；图3是本发明单馈宽带圆极化叠层微带天线的输入阻抗图；图4是本发明单馈宽带圆极化叠层微带天线的输入电压驻波比图；图5是本发明单馈宽带圆极化叠层微带天线的轴比图；图6是本发明单馈宽带圆极化叠层微带天线的增益图；图7是本发明单馈宽带圆极化叠层微带天线在中心频率890MHz的辐射方向性图。
具体实施例方式如图1所示，本发明单馈宽带圆极化叠层微带天线的馈电装置1包括阻抗匹配板 11、馈电探针12和输入连接器13。阻抗匹配板11的一端通过馈电探针12激励叠层微带天 线，另一端连接输入连接器13的内导体131。阻抗匹配板11由两个圆环型金属带条组成， 其形状呈“8”字型。由于所采用的阻抗匹配板11是一个对称结构，可使得微带天线的辐射 方向性图也是对称的。参阅图2，本发明基于馈电装置1的单馈宽带圆极化叠层微带天线包 括馈电装置1、上层辐射板2、下层辐射板3、地板4和固定螺丝5，其中阻抗匹配板11、上层 辐射板2、下层辐射板3、和地板4，通过固定螺丝5进行固定，另外在上层辐射板2、下层辐 射板3、阻抗匹配板11和地板4之间通过在固定螺丝处设置的轴套51，以保持上层辐射板、 下层辐射板、阻抗匹配板和地板之间的空气层间隙。空气层间隙越大，轴比小于3dB的圆极 化带宽越宽。当空气层间隙总厚度为0.14X。(入。为中心频率对应的波长)时单馈宽带圆 极化叠层微带天线的相对带宽被拓展为中心频率的15.6%。上层辐射板2和下层辐射板3 均为对角线切角的正方形板，以实现圆极化辐射和接收。上层辐射板2通过下层辐射板3 耦合馈电；下层辐射板3通过馈电探针12馈电。阻抗匹配板11分别与地板4和下层辐射 板3形成两个分布电容61和62，可补偿由馈电探针12引入的输入电感，从而取得良好的匹 配效果。参阅图3，在本实施方案中，通过调整馈电探针12与下层辐射板3中心的距离可使 得所述单馈宽带圆极化叠层微带天线工作频带821-960MHZ内的输入电阻在50士8欧姆范 围内变化；通过调整馈电探针12的直径和阻抗匹配板11的带条宽度可使得所述单馈宽带 圆极化叠层微带天线工作频带821-960MHZ内的输入电抗在士 10欧姆范围内变化，从而取 得输入电压驻波比小于1. 3的宽频匹配效果(如图4所示)。请参阅图4，本发明单馈宽带圆极化叠层微带天线输入电压驻波比小于1. 3的带 宽为742-lOOOMHz，相对带宽为中心频率的29. 6%，说明本发明单馈宽带圆极化叠层微带 天线的馈电装置具有宽带匹配功能。参阅图5，本发明单馈宽带圆极化叠层微带天线的轴比 在工作频带821-960MHZ之间均小于3dB，说明本发明单馈宽带圆极化叠层微带天线的圆极 化性能好且圆极化频带宽。参阅图6，本发明单馈宽带圆极化叠层微带天线的增益在工作频 带821-960MHZ之间均大于8. 8dBi，说明本发明单馈宽带圆极化叠层微带天线的天线增益 高。图7为本发明单馈宽带圆极化叠层微带天线在中心频率890MHz的辐射方向性图，由图可知该天线的两个主平面x-z和y_z平面的辐射方向性图都非常对称。本发明单馈宽带圆极化叠层微带天线，由于采用了所提出的馈电装置以及叠层微 带天线结构，使得天线输入电压驻波比小、圆极化频带宽、加工简单、成本低，非常适合于移 动通信直放站或超高频RFID读写器的应用。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其 发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种单馈宽带圆极化叠层微带天线的馈电装置，其特征在于包括阻抗匹配板、馈电探针和输入连接器；所述阻抗匹配板由两个圆环型金属带条组成，并且为对称结构；所述阻抗匹配板的一端连接所述馈电探针，另一端连接输入连接器的内导体。
2.根据权利要求1所述的一种单馈宽带圆极化叠层微带天线的馈电装置，其特征在于 组成阻抗匹配板的两个圆环型金属带条组成的形状呈“8”字型。
3.一种包括权利要求1所述馈电装置的单馈宽带圆极化叠层微带天线，其特征在于包 括上层辐射板、下层辐射板、馈电装置、地板和固定螺丝；所述上层辐射板、下层辐射板、 阻抗匹配板和地板依次通过固定螺丝进行固定；在所述上层辐射板、下层辐射板、阻抗匹配 板和地板之间通过在固定螺丝处设置的轴套，以保持上层辐射板、下层辐射板、阻抗匹配板 和地板之间的空气层间隙。
4.根据权利要求3所述的一种单馈宽带圆极化叠层微带天线，其特征在于所述阻抗匹 配板分别与地板和下层辐射板形成两个分布电容。
5.根据权利要求3所述的一种单馈宽带圆极化叠层微带天线，其特征在于所述上层辐 射板和下层辐射板均为对角线切角的正方形板。
6.根据权利要求3所述的一种单馈宽带圆极化叠层微带天线，其特征在于所述空气层 间隙的总厚度达到0. 14 A 0, X。为中心频率对应的波长，时通过采用所述馈电装置和叠层 微带天线结构，微带天线轴比小于3dB且电压驻波比小于1. 3的相对带宽被拓展为中心频 率的15. 6%。
7.根据权利要求3所述的一种单馈宽带圆极化叠层微带天线，其特征在于所述馈电探 针与微带天线下层辐射板中心的距离决定了天线的输入电阻，通过调整该距离使得所述单 馈宽带圆极化叠层微带天线工作频带内的输入电阻在50士8欧姆范围内；所述馈电探针的 直径和圆环型金属带条的宽度决定了天线的输入电抗，通过调整探针直径和带条宽度使得 所述单馈宽带圆极化叠层微带天线工作频带内的输入电抗在士 10欧姆范围内，从而取得 电压驻波比小于1. 3的宽频匹配效果。
全文摘要
本发明公开了一种单馈宽带圆极化叠层微带天线及其馈电装置，所述天线由上层辐射板、下层辐射板、阻抗匹配板和地板依次通过固定螺丝进行固定构成；在所述上层辐射板、下层辐射板、阻抗匹配板和地板之间通过在固定螺丝处设置的轴套，以保持上层辐射板、下层辐射板、阻抗匹配板和地板之间的空气层间隙。馈电装置由阻抗匹配板、馈电探针和输入连接器构成；阻抗匹配板由两个圆环型金属带条组成，并且为对称结构。上述技术提高了微带天线的阻抗和圆极化带宽，从而满足移动通信直放站或全球任何一个国家的超高频RFID系统的技术要求，并且该天线具有输入电压驻波比小、增益高和成本低的特点，适于在移动通信领域广泛推广。
文档编号H04W88/08GK101976757SQ20101052196
公开日2011年2月16日 申请日期2010年10月20日 优先权日2010年10月20日
发明者傅世强, 房少军, 王钟葆 申请人:大连海事大学