一种双频圆极化平面天线

摘要

本发明公开了一种双频圆极化平面天线，在介质基板上分别设计结构相同、反对称布置的顶层对跖U形辐射单元和底层对跖U形辐射单元，连接顶层对跖U形辐射单元和底层对跖U形辐射单元构成一个闭合对称方环。然后引入一个非全封闭的谐振腔，在不封闭的一面进行辐射，谐振腔连接顶层对跖U形辐射单元与底层对跖U形辐射单元，和闭合对称方环的轴线相互平行，两者通过长度为八分之三波长的相移线进行连接，实现90°时间相位差，使天线具有双频圆极化辐射特性。本发明实现的双频圆极化平面天线，其相移线的结构布置可以有效地影响3dB轴比带宽，方环辐射单元的不同工作模式决定了天线的双频特性。

权利要求

1.一种双频圆极化平面天线，包括介质基板（1），其特征在于，

介质基板（1）的上表面设置有顶层对跖U形辐射单元（3）、顶层相位转换带线（5）；介质基板（1）的下表面设置有底层对跖U形辐射单元（4）、底层相位转换带线（6）；其中顶层对跖U形辐射单元（3）与底层对跖U形辐射单元（4）具有相同的结构和尺寸，且相对于介质基板（1）的中心横轴反对称排布，顶层对跖U形辐射单元（3）与底层对跖U形辐射单元（4）通过方环连接结构（7，8）连接构成闭合方环；顶层相位转换带线（5）与底层相位转换带线（6）具有相同的结构与尺寸，且相对于介质基板（1）的中心横轴反对称排布；

介质基板的上下表面之间形成一个一面非封闭的长方体谐振腔（2），该谐振腔（2）的非封闭面垂直于介质基板（1）的表面，该谐振腔（2）的非封闭面的上端和下端分别通过渐变结构与顶层相位转换带线（5）、底层相位转换带线（6）连接；

顶层对跖U形辐射单元（3）、顶层相位转换带线（5）、底层对跖U形辐射单元（4）、底层相位转换带线（6）之间均不相连，其中，顶层对跖U形辐射单元（3）的投影位置与底层相位转换带线（6）的位置重叠；顶层相位转换带线（5）的投影位置与底层对跖U形辐射单元（4）的位置重叠；

顶层相位转换带线（5）与底层相位转换带线（6）的长度均为四分之一波长到八分之三波长，以实现90°的时间相位差。

2.根据权利要求1所述的一种双频圆极化平面天线，其特征在于，顶层对跖U形辐射单元（3）和底层对跖U形辐射单元（4）均是由电基本振子构成的U形结构，且相邻电基本振子之间相互垂直。

3.根据权利要求2所述的一种双频圆极化平面天线，其特征在于，电基本振子宽度的范围为0.6毫米到1.2毫米。

4.根据权利要求1所述的一种双频圆极化平面天线，其特征在于，顶层对跖U形辐射单元（3）、底层对跖U形辐射单元（4）构成的闭合方环在介质基板（1）的投影关于介质基板（1）的中心横轴对称，谐振腔（2）关于介质基板（1）的中心横轴对称。

5.根据权利要求1所述的一种双频圆极化平面天线，其特征在于，谐振腔（2）、顶层对跖U形辐射单元(3)与底层对跖U形辐射单元(4)采用同轴线进行激发，其中，谐振腔（2）的上表面（10）与同轴线的内导体（12）相连，谐振腔（2）的下表面（11）与同轴线外导体（13）相连。

6.根据权利要求1所述的一种双频圆极化平面天线，其特征在于，谐振腔（2）与顶层相位转换带线（5）、底层相位转换带线（6）之间连接的渐变结构具有下倾角（9），其范围为：50°到90°。

7.根据权利要求1所述的一种双频圆极化平面天线，其特征在于，介质基板（1）的介电常数为2至20。

说明书

一种双频圆极化平面天线

技术领域

[0001] 本发明涉及一种双频圆极化平面天线，属于微波技术领域。

背景技术

[0002] 自从上世纪九十年代至今，双频天线得到了深入的研究和迅速的发展，特别是自上世纪末移动通信蓬勃发展以来，已有的频段显得日益拥挤，为了增加信道数量，常常要求采用新的频段，而考虑到兼容性又常常要求采用一套设备就可以工作于双频或者多频，旺盛的需求不断推动双频/多频天线的设计研发，例如全球移动通信系统（GSM）就拥有GSM900和GSM1800两个常用工作频段，GPS等卫星定位系统通常也使用了多个频率工作。同样，近年来WLAN（2.4GHz/5GHz）等通信系统的广泛应用更使得双频/多频天线的设计成为热点，产生了各式各样低剖面、低成本、小尺寸并具有简单结构的双频/多频天线 。

[0003] 圆极化天线是近年来天线学界的研究热点之一。这是因为圆极化天线可以接受任意极化的来波；反之，其辐射的圆极化波也能够被任意极化的天线接受到。此外圆极化波所具有的抗干扰、防雨雾、抗多径效应等优点使得圆极化天线在卫星通信和卫星定位等领域得到广泛应用。随着科技的进步，对通信质量要求的提高也使得圆极化天线不断得到推广和发展，特别是在卫星通信系统中，圆极化天线的应用非常普遍。美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统、欧洲伽利略卫星定位系统以及我国的北斗卫星导航系统均无一例外地采用了圆极化天线。

[0004] 将圆极化与双频/多频特性相结合形成双频/多频圆极化天线，有利于应对大容量和多功能化通信的需求，使得无线通信系统能够工作在多个频段。普通的双频圆极化天线的设计思想一般是利用谐振交叠技术将两个不同频率的圆极化谐振单元组合成双频圆极化天线，比如在传统微带贴片天线的设计中通常会再添加一层谐振贴片在另一频率的贴片上构成双层贴片微带天线，或者将微带贴片与缝隙相结合也是双频圆极化微带天线的常见实现形式，但以上的实现方法制作难度较大，不利于集成。为了克服上述难题,减小天线在制作过程中的复杂性，和提高集成度，必须寻求一种有效的具有双频圆极化特性的平面天线设计方法。

发明内容

[0005] 针对上述问题，本发明提供一种双频圆极化平面天线，该天线可以很好地工作在两个频段，且通过合理的结构设计与变化，可以实现其辐射在平行于天线方向和垂直于天线方向上都具有良好的圆极化性能。本发明结构简单、体积小、剖面尺寸低且便于制作实现。

[0006] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

[0007] 本发明提供一种双频圆极化平面天线，包括介质基板；介质基板的上表面设置有顶层对跖U形辐射单元、顶层相位转换带线；介质基板的下表面设置有底层对跖U形辐射单元、底层相位转换带线；其中顶层对跖U形辐射单元与底层对跖U形辐射单元具有相同的结构和尺寸，且相对于介质基板的中心横轴反对称排布，顶层对跖U形辐射单元与底层对跖U形辐射单元通过方环连接结构连接构成闭合方环；顶层相位转换带线与底层相位转换带线具有相同的结构与尺寸，且相对于介质基板的中心横轴反对称排布；介质基板的上下表面之间形成一个一面非封闭的长方体谐振腔，该谐振腔的非封闭面垂直于介质基板的表面，该谐振腔的非封闭面的上端和下端分别通过渐变结构与顶层相位转换带线、底层相位转换带线连接。

[0008] 作为本发明的进一步优化方案，顶层对跖U形辐射单元和底层对跖U形辐射单元均是由电基本振子构成的U形结构，且相邻电基本振子之间相互垂直。

[0009] 作为本发明的进一步优化方案，电基本振子宽度的范围为0.6毫米到1.2毫米。

[0010] 作为本发明的进一步优化方案，顶层对跖U形辐射单元、底层对跖U形辐射单元构成的闭合方环在介质基板的投影关于介质基板的中心横轴对称，谐振腔关于介质基板的中心横轴对称。

[0011] 作为本发明的进一步优化方案，顶层对跖U形辐射单元、顶层相位转换带线、底层对跖U形辐射单元、底层相位转换带线之间均不相连，其中，顶层对跖U形辐射单元的投影位置与底层相位转换带线的位置重叠；顶层相位转换带线的投影位置与底层对跖U形辐射单元的位置重叠。

[0012] 作为本发明的进一步优化方案，顶层相位转换带线与底层相位转换带线的长度均为四分之一波长到八分之三波长，以实现90°的时间相位差。

[0013] 作为本发明的进一步优化方案，谐振腔、顶层对跖U形辐射单元与底层对跖U形辐射单元采用同轴线进行激发，其中，谐振腔的上表面与同轴线的内导体相连，谐振腔的下表面（11）与同轴线外导体相连。

[0014] 作为本发明的进一步优化方案，谐振腔与顶层相位转换带线、底层相位转换带线之间连接的渐变结构具有下倾角，其范围为：50°到90°。

[0015] 作为本发明的进一步优化方案，介质基板的介电常数为2至20。

[0016] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明一种双频圆极化平面天线，采用平面结构实现双频圆极化特性，通过合理的结构设计，圆极化辐射方向可以平行于天线平面也可以垂直于天线平面。本发明制作工艺简单，无需附加其他馈电器件，是一种成本低廉且集成度高的双频圆极化平面天线。

附图说明

[0017] 图1 是天线的正面结构与参考坐标示意图。

[0018] 图2是天线的三维立体示意图与参考坐标示意图。

[0019] 其中，1是介质基板，2是谐振腔，3是顶层对跖U形辐射单元，4是底层对跖U形辐射单元，5是顶层相位转换带线，6是底层相位转换带线，7、8是方环连接结构，9是下倾角，10是谐振腔的上表面，11是谐振腔的下表面，12是同轴线内导体，13是同轴线外导体。

[0020] 图3是采用HFSS软件计算的天线反射系数特性。

[0021] 图4是采用HFSS软件计算的天线方向图特性，其中，（a）是5.8GHz的方向图，（b）是9.3GHz的方向图。

[0022] 图5是采用HFSS软件计算的天线轴比示意图。

具体实施方式

[0023] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

[0024] 对照附图1、图2，本发明一种双频圆极化平面天线的结构是：包括介质基板1；介质基板1的上表面设置有顶层对跖U形辐射单元3、顶层相位转换带线5；介质基板1的下表面设置有底层对跖U形辐射单元4、底层相位转换带线6；其中顶层对跖U形辐射单元3与底层对跖U形辐射单元4具有相同的结构和尺寸，且相对于介质基板1的中心横轴反对称排布；顶层相位转换带线5与底层相位转换带线6具有相同的结构与尺寸，且相对于介质基板1的中心横轴反对称排布；顶层对跖U形辐射单元3与底层对跖U形辐射单元4通过方环连接结构7、8连接构成闭合方环，方环的中心横轴与介质基板1的中心横轴重合。U形辐射单元与相位转换带线均不连接。其中，顶层对跖U形辐射单元3投影位置与底层相位转换带线6的位置重叠；顶层相位转换带线5的投影位置与底层对跖U形辐射单元4的位置重叠；顶层对跖U形辐射单元3和底层对跖U形辐射单元4均是由电基本振子构成的U形结构，相邻电基本振子之间互相垂直。介质基板的上下表面之间形成一个一面非封闭的长方体谐振腔2，该谐振腔2的非封闭面垂直于介质基板1的表面，该谐振腔2的非封闭面的上端和下端分别通过渐变结构与顶层相位转换带线5、底层相位转换带线6连接。

[0025] 谐振腔2产生全向、极化垂直于天线平面的辐射电场，对跖U形辐射单元3和4组合成闭合方环在低频产生基模作用的辐射电场，在高频产生三次模作用的辐射电场，均与前者电场极化垂直，满足圆极化天线条件之一；顶层相位转换带线5和底层相位转换带线6长度在四分之一波长到八分之三波长范围时，实现90°时间相位差，满足圆极化天线条件之二，因此谐振腔和方环组合产生的辐射电场可具有双频圆极化特性。

[0026] 顶层对跖U形辐射单元3和底层对跖U形辐射单元4均是由电基本振子构成的U形结构，相邻电基本振子之间互相垂直，且电基本振子宽度的范围为0.6毫米到1.2毫米。本发明中，顶层对跖U形辐射单元3与底层对跖U形辐射单元4构成的闭合方环在介质基板1上的投影位置与谐振腔2的位置不重叠。

[0027] 天线的3dB轴比带宽受控于相位转换带线的结构布置，其长度会有效影响轴比特性，本发明中，相位转换带线的投影超出闭合方环内侧的长度范围为0.5毫米到1.5毫米。谐振腔2与顶层相位转换带线5、底层相位转换带线6之间连接的渐变结构具有下倾角9，其范围为：50°到90°。

[0028] 对照附图3，介质基板1按照相对介电常数为2.65、厚为2毫米，顶层相位转换带线5和底层相位转换带线6按照八分之三波长，宽度按照2毫米，顶层对跖U形辐射单元3和底层对跖U形辐射单元4的长度均按照二分之一波长，宽度按照8毫米，谐振腔2的非封闭面与介质基板的边缘的下倾角按照80°，相位转换带线的投影超出方环内侧按照1毫米，方环的长宽比按照1，利用HFSS软件仿真计算得到的天线反射系数特性。根据仿真结果可见，该天线具有两个工作频段。

[0029] 对照附图4，附图4是采用HFSS软件计算的天线在xoz平面上的方向图特性，其中，图（a）是5.8GHz的方向图，图（b）是9.3GHz的方向图，虚线为左旋增益曲线，实线为右旋增益曲线，根据仿真结果可见，该天线以右旋圆极化为主，并且在低频处呈现基模工作特性，高频处呈现三次模工作特性，与理论分析一致。

[0030] 对照附图5，附图5是采用HFSS软件计算的天线在最大辐射方向上的轴比，闭合方环的长宽比按照1时+x轴方向上的轴比。根据仿真结果可见，在该天线方在+x轴具有两段轴比小于3dB的频段，该频段内天线具有圆极化性能，达到理论研究所期待的双频圆极化效果，并且可以通过合理设置方环长宽之比，控制天线的波束宽度。

[0031] 综上所述，本发明双频圆极化平面天线在平面结构上可以很好地工作在两个频段，且通过合理的结构设计与变化，可以实现其辐射在平行于天线方向上具有良好的圆极化性能。本发明结构简单、体积小、剖面尺寸低且便于制作实现，应用前景非常广泛，在性能优化之后，该天线可以解决例如背景技术提出的诸多难题。

[0032] 以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。