基于分支线耦合环电路馈电的圆极化微带天线的制作方法

1.本发明涉及天线技术领域，更具体地说，涉及基于分支线耦合环电路馈电的圆极化微带天线。


背景技术：

2.微带天线实现圆极化馈电的方式大体可以分为单馈点和多馈点两大类，单馈点馈电方式的特点是电路设计简单，天线整体结构小巧，性能稳定，主要不足是圆极化性能的提升空间有限，特别是轴比带宽、低仰角轴比等指标的改善较为困难，显然随着馈点的增加会明显改善这些指标，但随之又会造成其馈电电路的复杂度增加，以及天线整体尺寸的增大等不利因素。因此，圆极化微带天线的多馈点馈电形式，往往以双馈点馈电方式为主，既保证了圆极化性能的明显改善，同时又能把馈电电路的复杂度控制到合理水平。
3.若采用常规方案实施上述馈电电路，通常需要包含匹配、移相、功分等电路单元，其中匹配电路用以消减和抑制来自天线振子的电抗分量，移相电路用以产生符合圆极化激励的相位差，而功分电路需要产生等幅度的两路射频信号。由于微带电路呈现明显的横向延展特性，实现上述整体馈电匹配电路所占用的电路面积显然要远大于微带辐射贴片自身的面积，使得整体装配的天线大体呈现如下典型特征：1)低剖面，2)横向截面较大。
4.实际工程应用中，可以采用“hybrid射频电桥”器件(或部件)来替代上述移相和功分电路单元的功能，但是对电桥器件(或部件)的端口匹配，以及结构布局等方面的限制性条件，仍然会增大电路占用的面积。
5.在大多数性能要求不高的应用场合，采用单馈点馈电方式设计圆极化微带天线，即可满足基本的常规技术指标(例如：峰值增益、端口驻波、辐射效率等)，但在一些对圆极化轴比具有较高要求的特殊应用领域(例如：卫星导航接收机、射频识别阅读器等)，通常采用双馈点甚至多馈点馈电方式实现圆极化馈电。
6.如上所述，传统形式的双馈点馈电方式，电路设计需要占用较大的电路板面积，对圆极化天线的小型化极为不利，尤其是微带天线阵列化应用时，复杂密集的微带馈电电路与有限的天线口径面积形成尖锐矛盾，随着天线阵列规模的增大，这一矛盾越发突出。
7.改进并简化微带天线的圆极化馈电方式，在保持天线性能的同时，有效减小馈电电路的占用面积，是最简单有效的解决方法。


技术实现要素：

8.要解决的技术问题：
9.针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于分支线耦合环电路馈电的圆极化微带天线，解决背景技术中的问题。
10.技术方案：
11.为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案；
12.基于分支线耦合环电路馈电的圆极化微带天线，包括馈电电路板、微带辐射贴片
以及垂直贯通于馈电电路板与微带辐射贴片的垂直馈电柱，所述馈电电路板的底端设有分支线耦合环电路，所述馈电电路板的顶端附着有金属反射平面，所述金属反射平面的上方设有微带辐射贴片，所述微带辐射贴片的顶端附着有微带辐射金属面，所述垂直馈电柱垂直贯通于馈电电路板与微带辐射贴片内，且所述垂直馈电柱的顶端电连接于微带辐射金属面，所述垂直馈电柱的底端与分支线耦合环电路的环内馈电端口，所述垂直馈电柱与金属反射平面的交汇处且位于金属反射平面上设有安全孔；
13.所述分支线耦合环电路依次由r1、r2、r3、r4四段等长的四分之一圆弧线段构成的主环电路和c1、c2、c3、c4四段匹配支线共同组成；所述的四分之一圆弧线段r1与r3、r2与r4分别具有相同的线宽；所述的四段匹配支线具有相同的尺寸，其中c1与c2成垂直关系并以主环电路的圆心为基准，由主环电路向外延伸，c3与c4也成垂直关系并以主环电路的圆心为基准，由主环电路向内延伸；所述匹配支线c1、c2、c3、c4的延伸末端，分别对应射频端口d1、d2、d3、d4，其中d1、d2作为环外馈电端口，用于连接天线馈电端口或匹配负载，d3、d4作为环内馈电端口，分别电连接于所述垂直馈电柱的底端。
14.优选的，所述微带辐射金属面边界图案包含但不限于正方形、圆形与正多边形，所述微带辐射金属面几何中心与分支线耦合环电路的主环电路圆心重合。
15.优选的，所述分支线耦合环电路的电路呈现形式包含但不限于上述微带电路，同样适用于带状线、共面波导等电路形式。
16.优选的，所述馈电电路板与微带辐射贴片的介质材料包含但不限于pcb材料与陶瓷材料。
17.相比于现有技术，本发明的优点在于：高效集成了功分、移相、匹配、馈电等电路功能于“分支线耦合环电路”一体，既提高了天线性能，又显著减小了圆极化馈电电路占用的面积，对微带天线的小型化设计应用极其有利。
附图说明
18.图1为本发明的结构示意图；
19.图2为本发明图1的平面结构示意图；
20.图3为本发明馈电电路板与微带辐射贴片的位置结构示意图；
21.图4为本发明中图1的爆炸图；
22.图5为本发明图4中部分结构组合示意图；
23.图6为本发明中分支线耦合环电路的结构组成示意图；
24.图7为本发明实施例1中在形成双频层叠式微带天线及其圆极化馈电电路时的层叠结构示意图；
25.图8为本发明中图7组装后的侧视图；
26.图9为实施例1中的各结构组合示意图；
27.图10为实施例2的结构示意图；
28.图11为实施例2中四个微带辐射金属面在微带辐射贴片上的分布图；
29.图12为实施例2的各结构组合示意图。
30.图中标号说明：
31.1、馈电电路板；2、微带辐射贴片；3、分支线耦合环电路；4、垂直馈电柱；5、微带辐
射金属面；6、金属反射平面；7、安全孔。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
33.请参阅图1-6，基于分支线耦合环电路馈电的圆极化微带天线，包括馈电电路板1、微带辐射贴片2以及垂直贯通于馈电电路板1与微带辐射贴片2的垂直馈电柱4，馈电电路板1的底端设有分支线耦合环电路3，馈电电路板1的顶端附着有金属反射平面6，金属反射平面6的上方设有微带辐射贴片2，微带辐射贴片2的顶端附着有微带辐射金属面5，垂直馈电柱4垂直贯通于馈电电路板1与微带辐射贴片2内，且垂直馈电柱4的顶端电连接于微带辐射金属面5，垂直馈电柱4的底端电连接于分支线耦合环电路的环内馈电端口，垂直馈电柱4与金属反射平面6的交汇处且位于金属反射平面6上设有安全孔7，其中安全孔7的直径略大于垂直馈电柱4，用以避免垂直馈电柱4与金属反射平面6短路。
34.本方案，通过馈电电路板1、微带辐射贴片2、分支线耦合环电路3、垂直馈电柱4、微带辐射金属面5、金属反射平面6以及安全孔7构成的圆极化微带天线，以同轴双馈的模式工作。从垂直馈电柱4底端馈入等幅且相位差90度的射频信号，即可在微带辐射金属面5形成圆极化工作模式。
35.其中，分支线耦合环电路3用于产生满足上述技术要求的馈电信号，其工作原理与传统的分支线耦合器电路相似，调节其主环的半径尺寸，致使d1与d2之间(或d3与d4)之间在工作频率上形成90度相位差；调节r1与r2(或r3与r4)的线宽之比，通过改变主环电路各线段的特性阻抗，对上述端口的功率分配起到调节作用，并最终达到等幅状态。
36.与传统的分支线耦合器电路对全部四个端口均需要适配50欧姆标准负载相比，本专利技术方案中的分支线耦合环电路具有的不同点，是环外馈电端口d1、d2适配50欧姆标准负载，环内馈电端口d3、d4适配来自天线振子的非标准负载，通常其中含有较大的电抗分量，由于c1、c2、c3、c4匹配支线的引入，致使d3、d4端口得到相应的阻抗匹配，通过微带天线辐射面的馈电位置调节，以及其它电路参数调整的配合，最终上述端口均可实现良好匹配。
37.示例性的：若分支线耦合环电路3中，r1线宽小于r2线宽，d2接负载，d1接天线射频输入端口，通过各项电路参数的调整，可在d3与d4端形成右旋圆极化馈电条件，反之，在维持r1与r2的线宽条件下，d1接负载，d2接天线射频输入端口，调节各项参数，可在d3与d4端形成左旋圆极化馈电条件。
38.上述分支线耦合环电路3集成了功分、移相、匹配、馈电等电路功能，同时结合上述应用规则，可有效提高圆极化微带天线的性能并减小馈电电路占用面积。
39.实施例1
40.基于上述的圆极化微带天线，用以构建双频层叠式微带天线及其圆极化馈电电路，参阅图7-9，包含a、b两组圆极化微带天线电路结构的层叠。
41.其中a组包括有：一个微带辐射贴片a2与附着于其上的一个微带辐射金属面a5、一组垂直馈电柱a4与一个分支线耦合环电路a3；
42.b组包含有：一个微带辐射贴片b2与附着于其上的一个微带辐射金属面b5、一组垂直馈电柱b4与一个分支线耦合环电路b3；
43.另外还包括公用的馈电电路板1与附着于其上的金属反射平面6；
44.上述两组微带辐射贴片a2与b2均采用圆形形状且采用相同介电常数的材料，以a组天线频率高于b组天线频率为例，则微带辐射贴片b2的直径大于微带辐射贴片a2的直径。
45.由上至下，微带辐射金属面a5、微带辐射贴片a2、微带辐射金属面b5、微带辐射贴片b2、金属反射平面6依次层叠于馈电电路板1的顶部，其中金属反射平面6为a、b两组圆极化微带天线共同提供反射面。
46.垂直馈电柱a4的顶端与微带辐射金属面a5电连接，其底端与分支线耦合环电路a3的环内馈电端口电连接；垂直馈电柱b4的顶端与微带辐射金属面b5电连接，其底端与分支线耦合环电路b3的环内馈电端口电连接，本实施例中，微带辐射贴片a2层叠于微带辐射贴片b2的上方，垂直馈电柱a4同时还需要穿过微带辐射贴片b2,以及附着于微带辐射贴片b2上方的微带辐射金属面b5，同理为避免短路，在穿过微带辐射金属面b5交汇处，且位于微带辐射金属面b5上，开设相对应的安全孔a7(如图7所示)。
47.馈电电路板1可采用但不限于常规的四层pcb板层压结构，至上而下分别放置金属反射平面6、分支线耦合环电路b3、用于分隔b3和a3的金属隔离层、分支线耦合环电路a3，在本实施例的电路结构中，分支线耦合环电路b3呈现了带状线的电路形式，而分支线耦合环电路a3呈现微带电路形式。分支线耦合环电路a3、b3以主环电路圆心为基准，进行镜像对称放置，巧妙避免了垂直馈电柱a4、b4的结构位置冲突，同时均匀分配了a、b两组环外馈电端口的延伸方向，以便天线馈电端口或匹配负载的放置。
48.采用上述电路方式，设计本实施例的天线馈电电路，充分利用了分支线耦合环电路a3与b3在结构上的对称互补特点，以及多层pcb板的分层作用，高效放置了两组不同工作频率的馈电匹配电路，且占用面积也被控制到与辐射贴片的面积相当，在实际工程应用中极为便捷有利。
49.实施例2
50.基于上述的圆极化微带天线，为实现四振元抗干扰阵列天线，其具体实施如下：
51.参阅图10-12，其中，包括在一个微带辐射贴片2上附着的四个微带辐射金属面5，微带辐射金属面5采用八边形边界，并且中心加载十字形缝隙的图案形状，以及与微带辐射贴片2相适配的馈电电路板1与金属反射平面6，金属反射平面6附着于馈电电路板1顶端，馈电电路板1的底端设有四个分支线耦合环电路3，在微带辐射贴片2、馈电电路板1、金属反射平面6上均设有容纳射频接口的孔，且射频接口设有四组；
52.其中通过垂直馈电柱4，贯穿馈电电路板1与金属反射平面6、微带辐射贴片2，垂直馈电柱4的顶端与微带辐射金属面5相连，其底端与分支线耦合环电路3相连；且垂直馈电柱4设有四组；
53.具体配置情况如下：
54.其中，一个微带辐射金属面5、一个分支线耦合环电路3和一组垂直馈电柱4，按照上述的安装方式可搭配共用的馈电电路板1、微带辐射贴片2与金属反射平面6形成一组独立的圆极化微带天线，同理的，依照上述整体配置情况，共可形成四组独立的圆极化微带天线(参阅图10及图11)；
55.作为阵列天线的振元，上述四组独立的圆极化微带天线，均满足旋转复制的阵列特征，在本实施例中，其旋转复制的参考基准点是微带辐射贴片2的几何中心。
56.需要说明的是，馈电电路板1采用常规四层pcb板层压结构，其金属铜箔从上至下分别为金属反射平面6、分支线耦合环电路3、金属隔离层、金属保护层；且四个分支线耦合环电路3之间相互独立，并呈现带状线的工作模式；
57.本发明中，进一步说明上述技术方法在圆极化微带天线阵列设计和应用中所呈现的优越性(占用面积小、天线性能优良，适合微带阵列天线的小型化需要)和实用性(采用常用材料与工艺即可实现)。
58.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改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。