一种新型宽轴比波束的圆极化微带天线

1.本实用新型属于圆极化天线技术领域，更具体地，本实用新型涉及一种新型宽轴比波束的圆极化微带天线。


背景技术：

2.随着卫星导航的快速发展，卫星导航定位系统由于其具有覆盖范围广且定位及精度高等特点，圆极化天线又因具有抗多径干扰效应和抑制雨雾干扰的特性而被广泛的应用于卫星导航中。在全球定位系统(gps)和北斗卫星导航系统中，圆极化天线通常需要3db轴比波束宽度大于120
°
，3db轴比波束宽度对于圆极化天线来说是一项非常重要的指标参数，为了使天线需要在比较宽的角度范围内接收信号，需要具有较宽的轴比波束宽度。对于全球导航以及区域导航，提高圆极化天线的宽轴比波束特性是当下圆极化天线研究的一个重要方向之一。
3.关于实现圆极化的方式多种多样，各个天线的结构之间也有很大的不同之处。两点正交馈电和多元馈电的天线由于添加了额外的馈电网络，使天线的结构变得更加复杂，在一定程度上也增加了天线的剖面高度，不符合当下微带贴片天线易于集成的发展趋势。一般将轴比小于3db的极化波定义为圆极化波，圆极化是椭圆极化的一种特殊表示形式，在实际的测量中一般不存在标准的圆极化波，极化波电场矢量端点的轨迹为椭圆形状。现有的单馈天线3db轴比波束宽度并不理想，故还有一定的优化空间。且现有的多馈天线由于采用了额外的馈电网络和双层介质来实现圆极化以及扩展阻抗带宽，在一定程度上增加了天线的剖面高度和整体结构的复杂程度，不利于集成。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种新型宽轴比波束的圆极化微带天线，该微带贴片天线具有宽轴比波束宽度、较低剖面、低轴比、较宽的阻抗带宽、结构简单等特点，该天线适用于船舶定位以及需要精确导航的终端设备上。
5.为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：
6.一种新型宽轴比波束的圆极化微带天线，包括介质基板，所述介质基板的上表面和下表面分别敷有辐射贴片和金属接地板，所述介质基板为正方形，所述辐射贴片为正方形且对边上两两对应的刻蚀有4个条形缝隙，所述辐射贴片中心处刻蚀带通道的圆形缝隙与正方形缝隙，所述带通道的圆形缝隙与正方形缝隙相互套接且同心，所述带通道的正方形缝隙位于圆形缝隙内。
7.进一步地，所述圆形缝隙与正方形缝隙的通道均与辐射贴片的同一条对角线重合，所述通道未经刻蚀。
8.进一步地，所述通道与竖直方向呈45
°
夹角。
9.进一步地，所述4个条形缝隙两两分布在辐射贴片的两侧边上，且靠近直角处。
10.进一步地，所述辐射贴片的面积小于介质基板的面积，所述辐射贴片与介质基板
的对角线重合。
11.进一步地，所述金属接地板与介质基板重合，所述金属接地板的四个角上刻蚀有以正方形直角为圆心的扇形豁口。
12.进一步地，所述扇形豁口的半径为为7mm。
13.进一步地，所述金属接地板和介质基板上设置有用于馈电探针穿过的圆孔，所述馈电探针与辐射贴片直接连接，且用于给天线馈电，所述馈电探针由特征阻抗为50ω的同轴线构成。
14.进一步地，所述条形缝隙的长度为5mm,宽度为1mm。
15.进一步地，所述带通道的圆形缝隙的缝隙宽度为0.5mm，所述带通道的正方形缝隙的缝隙宽度为1mm。
16.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
17.1.与现有的宽轴比波束天线相比，本实用新型天线采用了单点同轴馈电的方法来实现右旋圆极化，避免使用体积相对庞大的馈电网络，以降低天线整体的剖面，有着与通信设备共形设计的优势。
18.2.与现有的宽轴比波束天线相比，本实用新型天线通过在金属贴片上刻蚀条形缝隙、留有通道且相互套接、同心的圆形缝隙与正方形缝隙，提供了一种新型结构实现贴片天线的圆极化，使天线能辐射右旋圆极化波，使天线具有较宽的3db轴比波束宽度和阻抗带宽，且是单层介质天线，相比于已有的卫星导航天线，具有更低的剖面，易于集成。在中心频率为1.575ghz时，该微带天线在xoz平面的3db轴比波束宽度为198
°
，在yoz平面的3db轴比波束宽度为204
°
，相对阻抗带宽为6.3％。
19.3.与现有的宽轴比波束天线相比，本实用新型天线的介质基板采用的是环氧玻璃树脂(fr4)介质板，其相对介电常数为4.4，损耗角正切值为0.002，使用该介质材料可以节省天线的制作成本。
20.本实用新型中，通过以下参照附图对本实用新型的示例性实施例的详细描述，本实用新型的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
21.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，与说明书一起用于解释本实用新型的原理。
22.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本实用新型天线的侧视结构图；
24.图2为本实用新型天线的俯视结构图；
25.图3为本实用新型天线的仰视结构图；
26.图4为本实用新型天线的立体结构图；
27.图5为本实用新型天线的s11仿真示意图；
28.图6为本实用新型天线的轴比仿真示意图；
29.图7为本实用新型天线在1.575ghz时的e面辐射方向图；
30.图8为本实用新型天线在1.575ghz时的h面辐射方向图；
31.图9为本实用新型天线轴比波束宽度示意图；
32.其中：1、介质基板；2、辐射贴片；3、金属接地板；4、半圆形豁口a；5、半圆形豁口b；6、馈电探针。
具体实施方式
33.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本实用新型相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与所附权利要求书中所详述的、本实用新型的一些方面相一致的装置的例子。
34.为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步详细描述。
35.如图1-4所示，本实用新型实施例提供了一种新型宽轴比波束的圆极化微带天线，一种新型宽轴比波束的圆极化微带天线，包括介质基板1，介质基板1的上表面和下表面分别敷有辐射贴片2和金属接地板3，介质基板1为正方形，辐射贴片2为正方形且对边上两两对应的刻蚀有4个条形缝隙4，辐射贴片2中心处刻蚀带通道的圆形缝隙与正方形缝隙，带通道的圆形缝隙与正方形缝隙相互套接且同心，所述带通道的正方形缝隙位于圆形缝隙内。圆形缝隙与正方形缝隙的通道均与辐射贴片2的同一条对角线重合，通道未经刻蚀，通道与竖直方向呈45
°
夹角，4个条形缝隙4两两分布在辐射贴片2的两侧边上，且靠近直角处。这样的天线结构的设置实现了天线的右旋圆极化辐射，同时可实现天线较宽的轴比波束宽度。
36.具体地，介质基板1的边长及高度分别为：85mm、3.3mm，辐射贴片2的边长为41.4mm。条形缝隙4的长度为5mm,宽度为1mm，带通道的圆形缝隙的缝隙宽度为0.5mm，带通道的圆形缝隙的外圆周到圆心的距离为8.5mm，带通道的正方形缝隙的缝隙宽度为1mm。介质基板2采用的是成本较为低廉的环氧玻璃树脂(fr4)板材，其相对介电常数为4.4，损耗角正切值为0.002。
37.辐射贴片2的面积小于介质基板1的面积，辐射贴片2与介质基板1的对角线重合。金属接地板3与介质基板1重合，金属接地板3的四个角上刻蚀有以正方形直角为圆心的扇形豁口5，扇形豁口5的半径为为7mm。
38.金属接地板3和介质基板1上设置有用于馈电探针6穿过的圆孔，馈电探针6与辐射贴片2直接连接，且用于给天线馈电，所述馈电探针由特征阻抗为50ω的同轴线构成，馈电探针距离介质基板1中心点的长度为11mm。
39.图5是本实施例上述宽轴比波束天线的s11仿真结果，从图中可以看出，该实施例的-10db带宽覆盖了1.53ghz～1.63ghz，其阻抗带宽达到了100mhz,相对阻抗带宽为6.3％，完全覆盖了gps l1频段，传统的微带贴片天线相对带宽只有1％～2％，解决了传统微带贴片天线相对带宽过窄的问题，且在1.575ghz处有超过25db的回波损耗，表示天线匹配较好。
40.图6为本实施例上述宽轴比波束天线的轴比特性曲线图，从图中可以看出，该实施例的新型宽轴比波束的圆极化天线在gps l1频段内有着不错的圆极化性能，其3db轴比带宽为30mhz，在1.575ghz处的相对轴比带宽为1.9％。
41.图7和图8分别为本实施例上述宽轴比波束天线在1.575ghz时的e面辐射方向图和
h面辐射方向图，天线在1.575ghz处主极化(rhcp)最大增益方向的增益为4.03dbic，该天线主极化为右旋圆极化，天线在1.575ghz处交叉极化(lhcp)最大增益方向的增益为-38.0dbic,可以看出该天线对交叉极化有着一定的抑制能力，该天线交叉极化为左旋圆极化。右旋圆极化增益比左旋圆极化增益大40dbi左右，表明天线具有良好的右旋圆极化特性。
42.图9为本实施例上述gps l1频段宽轴比波束微带天线在xoz平面和yoz平面轴比波束宽度示意图，在xoz平面上，轴比小于3db的宽角范围为-94.8
°
～103.2
°
，3db轴比波束宽度为198
°
。在yoz平面上，轴比小于3db的宽角范围为-100.5
°
～103.2
°
，3db轴比波束宽度为204
°
，该微带天线最低主向轴比为0.14db。综合图9的结果来看，本实用新型天线在gps l1频段实现了宽轴比波束宽度，而且有较低剖面、低轴比和较宽的阻抗带宽等特性，易于共形，值得推广。信号的发射和接收轴比需要满足较大的宽角范围，该微带天线有着较宽的轴比波束宽度，很好的满足了此要求。
43.本实用新型天线采用了单点同轴馈电的方法来实现圆极化，避免采用了结构复杂的馈电网络。与现有的宽轴比波束天线相比，本实用新型天线通过在金属贴片上刻蚀条形缝隙、留有通道且相互套接、同心的圆形缝隙与正方形缝隙，提供了一种新型天线结构，可激发出两个相位相差90
°
的正交模式，实现天线的右旋圆极化辐射，并有效的扩展天线的3db轴比波束宽度(arbw)和阻抗带宽，采用较低成本的介质基板可节约天线的制造成本，且是单层介质天线，相比于已有的卫星导航天线，具有更低的剖面，易于集成。当中心频率为1.575ghz时，该微带天线在xoz平面的3db轴比波束宽度为198
°
，在yoz平面的3db轴比波束宽度为204
°
，相对阻抗带宽为6.3％。该圆极化微带天线具有宽轴比波束宽度、较低剖面、低轴比、较宽的阻抗带宽、结构简单、成本低等特点，该天线适用于船舶定位以及需要精确导航的终端设备上。
44.以上所述仅是本实用新型的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。
45.应当理解的是，本实用新型并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本实用新型的范围仅由所附的权利要求来限制。