一种超宽带圆极化天线

1.本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种超宽带圆极化天线。


背景技术：

2.众所周知，在通信、导航、电视、微波遥感、广播、雷达、电子对抗等无线系统中，都是通过无线电波来传递信息的，都存在无线电波的发射与接收。而在无线电设备中，用来发射和接收无线电波的装置成为天线。因为在各种无线通信系统中，天线是必不可少的射频前端器件，天线质量的好坏直接影响到系统的通信质量，所以研究、设计和生产性能好质量高的天线一直都是学术界和工业界共同的追求。自从赫兹在1886年设计出第一款天线以来，关于天线的理论研究与工程实践都取得了巨大的进步。随着无线通信技术的快速发展，无线通信系统的功能也越来越多，产品形态也越来越丰富，以及人们对通信速度和通信质量的要求也越来越高，对天线功能的需求和性能的需求也就越来越多样化，天线设计人员遇到的挑战越来越大。
3.天线可分为线极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线。与线极化天线相比，圆极化天线能够有效对抗多径干扰带来的信号衰落和抑制环境中雨雾的干扰，并且能够减小电离层造成的法拉第旋转效应，因而能够广泛的应用到卫星通信，空间探测、遥感导航和车载通信的系统中。在卫星导航领域，高稳定性高质量的圆极化天线是各类卫星天线的首选。但是现有的超宽带圆极化天线阵一般体积较大，不太适合应用于小型化的无线通信产品中。
4.因此，现有技术还有待改进和提高。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种超宽带圆极化天线，旨在解决现有技术的超宽带圆极化天线阵一般体积较大，不太适合应用于小型化的无线通信产品中的问题。
6.为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
7.第一方面，本发明提供一种超宽带圆极化天线，其中，所述超宽带圆极化天线包括：上层介质基板以及下层介质基板，所述上层介质基板与所述下层介质基板之间通过塑料螺丝连接；
8.所述上层介质基板上印刷有四个t型交叉偶极子以及寄生贴片，四个所述t型交叉偶极子呈旋转对称设置；所述下层介质基板上印刷有馈电网络，所述馈电网络包括一个输入端口以及四个输出端口；四个所述输出端口分别与四个所述t型交叉偶极子连接。
9.在一种实现方式中，所述t型交叉偶极子包括：设置在所述上层介质基板上表面的第一偶极子、设置在所述上层介质基板下表面的第二偶极子，所述第一偶极子、第二偶极子形成t型结构。
10.在一种实现方式中，所述t型交叉偶极子的垂直臂指向所述上层介质基板的中心位置。
11.在一种实现方式中，所述寄生贴片包括：设置在所述上层介质基板上表面的第一寄生贴片、设置在所述上层介质基板下表面的第二寄生贴片。
12.在一种实现方式中，所述第一寄生贴片与所述第二寄生贴片均设置有两个，且所述第一寄生贴片与所述第二寄生贴片均对称设置。
13.在一种实现方式中，所述第一寄生贴片与所述第二寄生贴片分别位于两个相邻的所述t型交叉偶极子的垂直臂之间，且与所述垂直臂之间的距离相等。
14.在一种实现方式中，所述第一寄生贴片与所述第二寄生贴片形状相同，且均设置为带有切角的矩形。
15.在一种实现方式中，所述馈电网络包括一个180
°
的巴伦以及两个90
°
的巴伦。
16.在一种实现方式中，所述馈电网络的四个所述输出端口的相位分别为0
°
、90
°
、180
°
和270
°
。
17.在一种实现方式中，四个所述输出端口分别通过同轴线缆连接到相对应的t型交叉偶极子上。
18.有益效果：与现有技术相比，本发明提供了一种超宽带圆极化天线，所述超宽带圆极化天线包括：上层介质基板以及下层介质基板，所述上层介质基板与所述下层介质基板之间通过塑料螺丝连接；所述上层介质基板上印刷有四个t型交叉偶极子以及寄生贴片，四个所述t型交叉偶极子呈旋转对称设置；所述下层介质基板上印刷有馈电网络，所述馈电网络包括一个输入端口以及四个输出端口；四个所述输出端口分别与四个所述t型交叉偶极子连接。本发明利用4个t型交叉偶极子及寄生贴片，通过特殊的组阵拓扑结构，实现了小型化的超宽带圆极化天线。
附图说明
19.图1为本发明实施例提供的超宽带圆极化天线的三维示意图。
20.图2为本发明实施例提供的超宽带圆极化天线的左视图。
21.图3为本发明实施例提供的超宽带圆极化天线的俯视图。
22.图4为本发明实施例提供的超宽带圆极化天线中的馈电网络结构图。
23.图5为本发明实施例的超宽带圆极化天线阵的s参数仿真与实测图。
24.图6为本发明实施例的超宽带圆极化天线的仿真与实测轴比与增益图。
具体实施方式
25.为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
26.众所周知，在通信、导航、电视、微波遥感、广播、雷达、电子对抗等无线系统中，都是通过无线电波来传递信息的，都存在无线电波的发射与接收。而在无线电设备中，用来发射和接收无线电波的装置成为天线。因为在各种无线通信系统中，天线是必不可少的射频前端器件，天线质量的好坏直接影响到系统的通信质量，所以研究、设计和生产性能好质量高的天线一直都是学术界和工业界共同的追求。自从赫兹在1886年设计出第一款天线以来，关于天线的理论研究与工程实践都取得了巨大的进步。随着无线通信技术的快速发展，
无线通信系统的功能也越来越多，产品形态也越来越丰富，以及人们对通信速度和通信质量的要求也越来越高，对天线功能的需求和性能的需求也就越来越多样化，天线设计人员遇到的挑战越来越大。
27.天线可分为线极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线。与线极化天线相比，圆极化天线能够有效对抗多径干扰带来的信号衰落和抑制环境中雨雾的干扰，并且能够减小电离层造成的法拉第旋转效应，因而能够广泛的应用到卫星通信，空间探测、遥感导航和车载通信的系统中。在卫星导航领域，高稳定性高质量的圆极化天线是各类卫星天线的首选。中国的北斗导航系统、欧洲的伽利略卫星导航系统、俄罗斯的全球导航卫星系统和美国的全球定位系统均使用的是圆极化天线进行信号发送。在车载通信系统中，无论是路侧设备中的天线还是汽车终端上的天线都以圆极化为主，例如电子不停车收费系统(etc，electronic toll collection)、汽车电子标识系统以及视频射频双基识别系统等。另外，由于圆极化天线能够接收任意方向的线极化波和同样旋向的圆极化波，并且圆极化波也能够被任意线极化的天线接收，所以使用圆极化天线能够提高通信系统中发射天线和接收天线的安装灵活性，使其不再受到天线极化是否匹配以及空间位置是否合适等因素的影响。
28.集成化的无线通信产品成为趋势，产品的功能越来越多，包含的天线数量越来越多，天线的工作频段也不尽相同，在产品空间有限的情况下，具有宽频率带宽的天线成为解决这一问题的关键。另外，超宽带技术(uwb，ultra
‑
wideband)作为一种新型的无线通信技术，具有发射信号功率谱密度低、对信道衰落不敏感、系统复杂度低、发射功率低、抗干扰性强、系统容量大、保密性好以及多径分辨率高等特点。近年来在工业界和学术界都得到了广泛的关注和研究，并被大量的应用到无线个域网、智能交通、物联网、成像系统和定位系统等应用中。
29.但是，现有的超宽带圆极化天线阵一般体积较大，不太适合应用于小型化的无线通信产品中。为了解决现有技术的问题，本实施例提供一种超宽带圆形极化天线，如图1中所示，所述超宽带圆极化天线包括：上层介质基板1以及下层介质基板2，所述上层介质基板1与所述下层介质基板2之间通过塑料螺丝5连接。从图2中可以看出，本实施例中的塑料螺丝5具有两个，通过两个塑料螺丝5实现上层介质基板1以及下层介质基板2之间的连接与支撑。在本实施例中，所述上层介质基板1上印刷有四个t型交叉偶极子，且四个所述t型交叉偶极子呈旋转对称设置，从而形成一种特殊的天线拓扑结构。其中，如图3中所示，该t型交叉偶极子包括：设置在所述上层介质基板上表面的第一偶极子6、设置在所述上层介质基板下表面的第二偶极子7，所述第一偶极子6、第二偶极子7形成t型结构。
30.进一步地，所述如图1和图4中所示，所述下层介质基板2上印刷有馈电网络3，所述馈电网络3包括一个输入端口以及四个输出端口12；四个所述输出端口12分别与四个所述t型交叉偶极子连接。因此可见，在本实施例中，上层介质基板1上设置有t型交叉偶极子，下层介质介质基板2设置有馈电网络3，且馈电网络3的四个输出端口分别与四个所述t型交叉偶极子连接，从而通过特殊的组阵拓扑结构，实现了小型化的超宽带圆极化天线。
31.具体地，本实施例中的t型交叉偶极子中的垂直臂13指向所述上层介质基板1的中心位置。从图3中可以看出，所述t型交叉偶极子是旋转设置在所述上层介质基板1上，呈轴对称结构。在所述上层介质基板1上还印刷有寄生贴片，该寄生贴片包括：设置在所述上层介质基板1上表面的第一寄生贴片8、设置在所述上层介质基板1下表面的第二寄生贴片9。
并且，所述第一寄生贴片8与所述第二寄生贴片9均设置有两个，且所述第一寄生贴片8与所述第二寄生贴片9均对称设置。也就是说，本实施例中的两个第一寄生贴片8是对称设置在所述上层介质基板1上表面，两个第二寄生贴片9是对称设置在所述上层介质基板1下表面。从图3中可以看出，所述第一寄生贴片8和第二寄生贴片9是间隔设置的，并且位于两个相邻的所述t型交叉偶极子的垂直臂13之间，且与所述垂直臂13之间的距离相等，从而使得寄生贴片也呈现一种旋转对称设置的结构。
32.在一种实现方式中，本实施例的所述第一寄生贴片8与所述第二寄生贴片9的形状相同，且均设置为带有切角的矩形，从图3中可以看出，所述第一寄生贴片8与所述第二寄生贴片9呈现六边形结构。
33.在本实施例中，所述馈电网络3为一分四超宽带馈电网络。如图4所示，该馈电网络由一个180
°
的巴伦10和两个90
°
的巴伦11组成的，并具有一个输入端口和四个输出端口12，四个输出端口12的相位分别为0
°
，90
°
，180
°
和270
°
。如图1和图2所示，所述馈电网络3的四个输出端口12分别通过同轴线缆4连接到相对应的t型交叉偶极子上，从而在四个t型交叉偶极子上加载四个幅度相等，相位分别为0
°
，90
°
，180
°
和270
°
的信号。本实施例中，所述上层介质基板1的材料为fr4，下层介质基板2的材料为罗杰斯4003。
34.本实施例还对超宽带圆极化天线的s参数进行仿真和测试，图5为本实施例的超宽带圆极化天线阵的s参数仿真与实测图，如图5可以看出，天线阵|s11|<
‑
10db的阻抗带宽为106.1％，覆盖频率范围1.57
‑
5.12ghz。本实施例还对超宽带圆极化天线的轴比与增益进行仿真。图6为本实施例的超宽带圆极化天线的仿真与实测轴比与增益，从图6中可以看出，天线的3
‑
db轴比带宽为104.1％，覆盖频率范围为1.57
‑
4.98ghz；最大增益为8.6dbic，且3
‑
db增益带宽达到了73.3％(1.9
‑
4.1ghz)。由此可见，本发明设计的超宽带圆极化天线，基于圆极化天线的概念设计，不仅结构简单，还能显著减小其体积，具有体积小，超宽带的特点，可应用于移动通信等无线通信系统中。具体的，该天线|s11|<
‑
10db的阻抗带宽为106.1％，覆盖频率范围1.57
‑
5.12ghz，3
‑
db轴比带宽为104.1％，覆盖频率范围为1.57
‑
4.98ghz，且3
‑
db增益带宽达到了73.3％(1.9
‑
4.1ghz)，并且该天线的体积为0.56λ
×
0.56λ
×
0.12λ(其中λ指最低工作频率所对应的真空中波长)。
35.综上，本发明公开了一种超宽带圆极化天线，所述超宽带圆极化天线包括：上层介质基板以及下层介质基板，所述上层介质基板与所述下层介质基板之间通过塑料螺丝连接；所述上层介质基板上印刷有四个t型交叉偶极子以及寄生贴片，四个所述t型交叉偶极子呈旋转对称设置；所述下层介质基板上印刷有馈电网络，所述馈电网络包括一个输入端口以及四个输出端口；四个所述输出端口分别与四个所述t型交叉偶极子连接。本发明利用4个t型交叉偶极子及寄生贴片，通过特殊的组阵拓扑结构，实现了小型化的超宽带圆极化天线。
36.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。