一种宽带宽波束圆极化八木-微带天线的制作方法

一种宽带宽波束圆极化八木-微带天线的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于天线技术领域，尤其是涉及一种宽带宽波束圆极化八木-微带天线。
【背景技术】
[0002] 随着卫星导航定位系统的发展，多模卫星导航系统在人类社会的工作生活中起着 越来越重要的作用。目前全球已经发展成熟以及还正在发展的卫星导航定位系统包括北斗 (COMPASS)、GPS、Galileo和GLONASS四大模式。因此，多模卫星导航系统的终端天线需要 覆盖到四大导航的工作频段。而一般的微带天线带宽窄，这限制了其在多模导航天线中的 应用。同时，由于圆极化波具有较弱的多径效应和较强的抗雨雪干扰的特性，在卫星导航定 位系统中，常用的卫星导航信号一般为圆极化波。不仅如此，所需天线对方向图也有特定的 要求。天线在地平面以上空间，需要提供均匀的幅度响应，形成宽波束天线。因此，这对终 端天线提出了新的要求。
[0003] 宽波束天线是通过改变天线方向图，从而实现对波束宽度的改变。现有技术中存 在一种宽波束圆极化天线0,如图1所示，由一个圆形贴片和四个加载单极子组成。其中圆 形贴片为激励单元，四个加载单极子为寄生单元，利用同轴对中间的圆形贴片进行馈电，通 过在圆形贴片上开缝隙来实现圆极化辐射。由于加载单极子与圆形贴片之间的偶和作用， 可以使天线的波束宽度得到展宽。但是，由于加入了加载单极子，该宽波束圆极化天线的剖 面比较高，破坏了微带天线的低剖面特性。另外，寄生的加载单极子使得该天线在实际的生 产加工时比较困难。
[0004] 现有技术中存在另一种宽波束圆极化天线（S.X.Ta，J.J.Han，I.Park. CompactCircularlyPolarizedCompositeCavity-BackedCrossedDipole forGPSApplications[J].JournalofElectromagneticEngineeringand Science，2013, 13(1) :44-49)，如图2所示，由两个印刷交叉偶极子和一个反射腔组成。通 过对两个交叉偶极子进行90°相位差馈电，可以形成圆极化辐射。通过将偶极子弯折和两 段箭头形分布，利用曲流技术来使其尺寸减小。但是，反射腔的尺寸太大，限制了该天线的 应用。
[0005] 现有技术的第三种宽波束圆极化天线（Z.K.Pan,W.X.Lin,Q.X.Chu.Compact Wide-BeamCircularly-PolarizedMicrostripAntennawithaParasiticRing forCNSSApplication[J].IEEETransactionsonAntennasandPropagati on，2014, 62(5) :2847-2850)，如图3所示。该天线利用寄生环来形成双层天线来使其波束 宽度得到展宽。天线由上下两层介质板组成，上层介质板上的寄生环直径为A/4。下层介 质板上的辐射贴片的最大辐射方向为9 =0°方向，即Z轴。上层介质板上的寄生环的最 大辐射方向为9 =90°方向。因此，将辐射贴片与寄生环结合起来，天线的波束宽度将会 在一定程度上展宽。该天线的谐振频率与圆极化性能分别由下层介质板上的圆形贴片大小 和矩形枝节所决定。但是，该天线的圆极化波束宽度并不太理想。

【发明内容】

[0006] 为克服上述缺陷，本发明提供了一种新型的宽波束圆极化天线，S卩八木_微带天 线，该新型天线设计的创新点就是天线在宽带工作的前提下，将八木天线的引向器与微带 贴片相结合，从而使天线的波束宽度得到展宽。
[0007] 本发明具体采用如下技术方案：
[0008] 一种宽带宽波束圆极化八木-微带天线，其结构如图4所示，包括介质基板、方形 辐射贴片、四组结构相同的微带振子组及接地金属板，所述方形辐射贴片与四组微带振子 组均位于所述介质基板上表面，所述接地金属板位于所述介质基板下表面；所述天线采用 双端口同轴正交馈电，所述两个同轴馈电端口在馈电时幅度相等、相位差为90°，从而实现 圆极化辐射；所述四组微带振子组以方形贴片为中心，分别位于所述方形辐射贴片的四条 侧边外侧，每个微带振子组由两条以上由内至外长度逐渐减小的微带振子平行排布而成。
[0009] 所述微带振子相当于八木天线中的引向器，其作用就是可以将中间方形的辐射贴 片所激励起的电磁波，向四周水平方形所展宽。
[0010] 进一步的，为了使正方形贴片小型化，在其中心进行了十字形开槽处理，所述十字 形槽的两边分别与方形辐射贴片的两条对角线重合。
[0011] 进一步的，由于同轴馈电结构的探针部分具有感性电抗，这会影响到天线整体的 输入阻抗从而对匹配造成困难，为了使探针带来的感性电抗所产生的影响尽量减小，在辐 射贴片上的每个馈点外分别设置有一个环形槽，馈点位于相应的环形槽内，通过这两个圆 环形槽所带来的容性电抗，可以减小探针的感性电抗，使天线更容易进行阻抗匹配，达到谐 振状态，从而展宽阻抗带宽。
[0012] 本发明的有益效果是：
[0013] 本发明通过方形贴片作为激励贴片，其四条边周围的微带振子作为寄生阵子，寄 生阵子的长度逐渐减小且具有引向作用，可以将中间方形贴片竖直向上的电磁波能量向四 周的水平方向引向，能够实现宽波束特性；本发明的宽波束八木-微带天线尺寸小，带宽 宽，圆极化辐射特性好，并且天线结构易于加工，成本低廉。
【附图说明】
[0014]图1是现有技术中第一种宽波束圆极化天线的结构图，；
[0015] 图2是现有技术中第二种宽波束圆极化天线的结构图；
[0016] 图3是现有技术中第三种宽波束圆极化天线的结构图；
[0017]图4是本发明的宽波束圆极化八木-微带天线的结构示意图；
[0018]图5是本发明实施例的宽波束圆极化八木-微带天线的馈电网络结构示意图；
[0019]图6是本发明的八木-微带天线的宽频带谐振特性图；
[0020]图7是本发明的八木-微带天线的宽频带圆极化3dB轴比图；
[0021] 图8是本发明的八木-微带天线工作在GPS系统的L1频段的3dB轴比圆极化波 束宽度；
[0022] 图9是本发明的八木-微带天线工作在GPS系统的L1频段的半功率波束宽度；
[0023] 图10是本发明的八木-微带天线工作在GPS系统的L1频段的交叉极化情况；
[0024]其中，1和2为介质基板，3为方形辐射贴片，4、5、6为微带振子，7和8为方形贴片 的馈电点，9为馈电网络，10为馈电网络的输入端，11和12为馈电网络的输出端。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细描述。
[0026] 实施例
[0027] 本实施例提供的宽波束圆极化微带-八木天线，其结构如图4、图5所示，包括介质 基板1、介质基板2、接地板、方形辐射贴片3、微带振子组及馈电网络，接地板位于介质基板 1与介质基板2之间，接地板与馈电端口外导体接触；辐射贴片3位于介质基片1的上表面， 微带振子组包括微带振子4、5、6 ;方形贴片3位于所述介质基片1上表面的中心处，在其每 条边的外侧平行设置有一个微带振子组，所述微带振子组为三个相互平行且长度由内至外 逐渐减小的微带振子；方形贴片3具有两个馈电端口，方形贴片3作为激励贴片，微带振子 4、5、6作为寄生阵子；每个微带振子组中微带振子的中中垂线与相应的方形贴片边长的中 垂线重合，且相邻微带振子之间的距离及最长微带振子与方形贴片边缘的距离均相等。
[0028]通过方形贴片3作为激励贴片，十二个对称环绕在方形贴片3四周的微带振子作 为寄生阵子，寄生阵子的长度逐渐减小，类似于八木天线中的引向器，本实施例的八木-微 带天线尺寸小，并且所能够实现的方向图波束宽度宽。
[0029] 进一步的，方形贴片3的两条对角线方向上分别有一条矩形的槽，两个槽互相垂 直，从而结合形成十字形的槽。
[0030] 进一步的，方形贴片3具有两个馈电端口，方形贴片3作为激励贴片，而十二个微 带振子没有馈电端口，其作为寄生阵子。激励贴片的馈电点7、8互相垂直，两个馈电点处分 另IJ与介质基板2下表面的馈电网络9相连通。馈电点7与8之间激励的相位差为90°，激 励幅度相等。在馈电点7与8的外侧，分别有一个圆环形的槽，两个圆环的内、外径分别相 等。
[0031] 本实施例提供的宽波束圆极化八木-微带天线的馈电网络位于所述介质基板2的 下表面，其结构如图5所示；该馈电网络采用传统的Wilkinson功分器结构，其两个输出端 11、12分别通过一个贯穿介质基板1、2的金属柱与所述方形辐射贴片的两个馈点7、8连接。
[0032] 通过将馈电同轴的内导体探针与馈电网络9的输入端10相连接，馈电同轴的外导 体与接地板相连接，可以对馈电网络9进行馈电。馈电网络的两个输出端口 11和12分别 与介质基板1上表面中心处的方形贴片3的两个馈电点7和8相连接，从而激励起方形贴 片3的圆极化辐射波。位于方形贴片四条边各个外侧的微带振子通过与方形贴片的耦合作 用，其表面产生感应电流，从而激励起电磁波辐射。方形贴片的最大辐射方向为竖直向上， 微带振子在竖直平面内的方向图为全向方向图，属于其最大辐射方向，通过耦合作用，可以 使方形贴片激励的电磁波向整个竖直平面内辐射，从而使该天线的波束宽度得到展宽。
[0033] 图6给出了该天线的谐振特性，其工作频带为1. 13GHZ-2. 00GHz，阻抗带 宽为55. 6 %。由图7可得到该天线的轴比带宽，其轴比小于3dB时的频带宽度为 1. 17GHz-l. 95GHz，轴比带宽为50. 0%。结合该天线的阻抗带宽与轴比带宽，可以得出，其带 宽范围覆盖了GPS系统的L1频段、Galileo系统的E1与E2频段、GLONASS系统的L1频段 以及Compass系统的B1频段，如表1所示。
[0034] 表1本实施例提供的天线所能够覆盖的工作频段
[0035]
[0036] 在图8中，给出了该八木-微带天线在GPS系统的L1频段的轴比随俯仰角变化 的情况。由图可得，当天线的轴比小于3dB时，其波束宽度在两个主平面内分别为176°和 137°，具有较宽的波束宽度。图9给出了该天线在两个主平面内的波束宽度。由图可观察 出，该天线在两个主平面XOZ面和YOZ面内的波束宽度均达到了 100°，增益为3.37dB。图 10给出了该天线在两个主平面内的交叉极化情况。由图10(a)与图10(b)表明，该天线在 两个主平面内具有良好的交叉极化特性。将该八木-微带天线分别在其余各个工作频段上 进行仿真，得出其在每个频段上具体的工作特性，如表2所示。
[0037] 由以上结果可知，本发明提供的宽波束圆极化八木-微带天线在不同工作频率 下，其波束宽度基本保持不变，圆极化特性良好；与其它宽波束圆极化微带天线相比，它能 够提供更宽的带宽，这一特性使其能够在多模卫星导航系统中得到应用。该天线尺寸小，剖 面低，易于加工，成本低廉。
[0038] 表2本发明提供的天线分别在每个频段上具体的工作特性
[0039]
【主权项】
1. 一种宽带宽波束圆极化八木-微带天线，包括介质基板、方形辐射贴片及接地金属 板，所述方形辐射贴片位于所述介质基板上表面，所述接地金属板位于所述介质基板下表 面；所述天线采用双端口同轴正交馈电，所述两个同轴馈电端口在馈电时幅度相等、相位差 为90°，从而实现圆极化辐射，其特征在于，还包括位于所述介质基板上表面的四组结构相 同的微带振子组，所述四组微带振子组分别位于所述方形辐射贴片的四条侧边外侧，每个 微带振子组由两条以上由内至外长度逐渐减小的微带振子平行排布而成。2. 根据权利要求1所述的宽带宽波束圆极化八木-微带天线，其特征在于，所述方形辐 射贴片的中心位置设置有一个十字形槽，所述十字形槽的两边分别与方形辐射贴片的两条 对角线重合。3. 根据权利要求1所述的宽带宽波束圆极化八木-微带天线，其特征在于，在所述方形 辐射贴片上的每个馈点外分别设置有一个环形槽，馈点位于相应的环形槽内。
【专利摘要】本发明提供了一种宽带宽波束圆极化八木-微带天线，属于天线技术领域。本发明包括介质基板、接地板、方形辐射贴片、微带振子组和馈电网络，其中，微带振子组包括多个微带振子，方形贴片位于所述介质基板上表面，微带振子分布在方形贴片的前、后、左、右四个方向上，所述方形辐射贴片有两个馈电端口，两个馈电端口之间相位差为90°，振幅相等。方形贴片为激励贴片，微带振子为寄生部分。通过方形贴片与引向阵子相结合，可以使天线的波束宽度得到有效展宽，适合在天线技术领域推广应用。
【IPC分类】H01Q1/38, H01Q1/50
【公开号】CN104882672
【申请号】CN201510284153
【发明人】肖绍球, 王毅龙, 袁睿, 朱伟, 王秉中
【申请人】电子科技大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年5月28日