基于缝隙和寄生加载的单层单馈多模宽带圆极化微带天线

1.本发明涉及天线的技术领域，尤其是指一种基于缝隙和寄生加载的单层单馈多模宽带圆极化微带天线。


背景技术：

2.圆极化天线可减小多径干扰、法拉第旋转效应，具有收发隔离特点，广泛应用于无线通信系统。微带天线因其低剖面、低成本、易于加工和平面集成等特点受到青睐，但其固有的窄带特性使其应用受到局限。在圆极化微带天线中，通常采用多层结构或多馈以及复杂的馈电网络实现宽带特性，但同时也增加了天线结构的复杂度和加工成本。多模技术是一种有效拓展带宽的方法，特征模理论可以提供天线结构的固有模式特性和物理概念，为多模天线设计提供有益指导。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于缝隙和寄生加载的单层单馈多模宽带圆极化微带天线，该天线通过在圆形贴片上加载u形缝隙，获得三个彼此正交、具有90
°
相位差和边射方向图的特征模式，在单层单馈电条件下实现了较宽的圆极化带宽。在此基础上，通过在加载了u形缝隙的圆形贴片附近加载一对扇形寄生贴片引入寄生模式，实现了宽带圆极化特性，以及稳定的增益。
4.本发明的目的通过下述技术方案实现：基于缝隙和寄生加载的单层单馈多模宽带圆极化微带天线，包括介质基板和馈电探针；所述介质基板的下表面设置有金属地板，上表面设置有辐射体；所述辐射体中间为圆形贴片，在所述圆形贴片上刻蚀一个u形缝隙，用于实现三模宽带圆极化，获得三个彼此正交、具有90
°
相位差和边射方向图的特征模式；在所述圆形贴片两侧各设置有一个扇形寄生贴片，用于在高频拓展轴比带宽和改善增益，所述扇形寄生贴片的圆心与圆形贴片的圆心重合，其中一个扇形寄生贴片朝向u形缝隙的开口，另一个扇形寄生贴片朝向u形缝隙的底部；所述馈电探针接近u形缝隙其中一只侧臂，并依次穿过金属地板和介质基板与圆形贴片相连。
5.优选的，所述u形缝隙的中轴线与圆形贴片的中轴线共线。
6.优选的，所述u形缝隙的两只侧臂长度相等或者不等。
7.优选的，两个扇形寄生贴片关于介质基板中心对称。
8.优选的，两个扇形寄生贴片的长度不等。
9.优选的，所述扇形寄生贴片的中轴线与u形缝隙的中轴线不共线。
10.本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
11.1、本发明天线通过在圆形贴片上加载u形缝隙以及圆形贴片两侧加载一对扇形寄生贴片，在单层单馈条件下实现了宽带圆极化特性，以及稳定的增益。
12.2、本发明天线采用u形缝隙和扇形寄生贴片加载，在单层单馈条件下实现了|s
11
|《-10db的阻抗带宽为34.08％，ar《3的轴比带宽为32.6％，有效重合带宽为31.96％；工作带
宽内增益稳定，在85％的工作频带内的增益波动低于0.5db，最大增益为6.78dbic，得到了良好的宽带左旋圆极化特性。
附图说明
13.图1为本发明实施例的单层单馈多模宽带圆极化微带天线的立体结构示意图。
14.图2为本发明实施例的单层单馈多模宽带圆极化微带天线的俯视结构示意图。
15.图3为本发明实施例的单层单馈多模宽带圆极化微带天线的左视结构示意图。
16.图4为本发明实施例的单层单馈多模宽带圆极化微带天线的仿真s参数图。
17.图5为本发明实施例的单层单馈多模宽带圆极化微带天线的仿真轴比曲线图。
18.图6为本发明实施例的单层单馈多模宽带圆极化微带天线的仿真增益曲线图。
19.图7为本发明实施例的单层单馈多模宽带圆极化微带天线在4.75ghz处xoz平面的辐射场方向图。
20.图8为本发明实施例的单层单馈多模宽带圆极化微带天线在4.75ghz处yoz平面的辐射场方向图。
21.图9为本发明实施例的单层单馈多模宽带圆极化微带天线在5.5ghz处xoz平面的辐射场方向图。
22.图10为本发明实施例的单层单馈多模宽带圆极化微带天线在5.5ghz处yoz平面的辐射场方向图。
23.图11为本发明实施例的单层单馈多模宽带圆极化微带天线在6.25ghz处xoz平面的辐射场方向图。
24.图12为本发明实施例的单层单馈多模宽带圆极化微带天线在6.25ghz处yoz平面的辐射场方向图。
25.图13为本发明实施例的单层单馈多模宽带圆极化微带天线的俯视尺寸结构图。
26.其中，1-介质基板，2-圆形贴片，3-u形缝隙，4-扇形寄生贴片，5-馈电探针。
具体实施方式
27.下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
28.利用pcb技术加工的微带天线，具有体积小，重量轻，成本低，易于平面集成等特点；圆极化天线在卫星、移动通信和传感系统中具有广泛的应用前景，与线极化天线相比，圆极化天线具有对天线轴向旋转不敏感、延迟传播小、抗多径干扰和法拉第旋转等优点。此外，宽带天线可以工作在较宽的频率范围内，以适应不同的工作场景；宽带增益稳定的天线则可以使天线在宽频带内实现稳定的无线通信。而单层单馈则使天线结构简单，机械稳定性好。因此，本实施例提供了一种基于缝隙和寄生加载的单层单馈多模宽带圆极化微带天线。
29.如图1-图3所示，本实施例所提供的基于缝隙和寄生加载的单层单馈多模宽带圆极化微带天线，包括介质基板1和馈电探针5；所述介质基板1采用rogers ad250c，其介电常数为2.5，损耗角正切为0.0013，厚度为6.3mm；所述介质基板1的下表面设置有金属地板，上表面设置有辐射体；所述辐射体中间为圆形贴片2，在所述圆形贴片2上刻蚀一个u形缝隙3，
用于实现三模宽带圆极化，获得三个彼此正交、具有90
°
相位差和边射方向图的特征模式；所述u形缝隙3的两只侧臂长度默认相等，若有需要，也可以不相等；在所述圆形贴片2两侧各设置有一个扇形寄生贴片4，用于在高频拓展轴比带宽和改善增益，所述扇形寄生贴片4的圆心与圆形贴片2的圆心重合，其中一个扇形寄生贴片4朝向u形缝隙3的开口，另一个扇形寄生贴片4朝向u形缝隙3的底部；两个扇形寄生贴片4关于介质基板1中心对称，两个扇形寄生贴片4的长度默认相等，若有需要，也可以不相等；所述馈电探针5接近u形缝隙3其中一只侧臂，并依次穿过金属地板和介质基板1与圆形贴片2相连。
30.具体地，在本实施例中，所述u形缝隙3的中轴线与圆形贴片2的中轴线共线；所述扇形寄生贴片4的中轴线与u形缝隙3的中轴线不共线。
31.图4为本实施例上述单层单馈多模宽带圆极化微带天线的s参数仿真曲线图，从图中可以看到天线|s
11
|《-10db的带宽约为34.08％(4.6-6.49ghz)，应用于c波段。
32.图5为本实施例上述单层单馈多模宽带圆极化微带天线在z轴正方向的轴比仿真曲线图，从图中可以看到天线ar《3db的带宽约为32.6％(4.57-6.35ghz)；天线同时满足|s
11
|《-10db和ar《3db的带宽约为31.96％(4.6-6.35ghz)，实现了宽频带的圆极化特性。
33.图6为本实施例上述单层单馈多模宽带圆极化微带天线在z轴正方向的增益仿真曲线图，从图中可以看到天线在工作带宽内增益稳定，在85％的工作带宽内增益波动低于0.5db；天线的最高增益为6.78dbic，最低增益为4.41dbic。
34.图7和图8为本实施例上述单层单馈多模宽带圆极化微带天线在4.75ghz处的xoz平面和yoz平面的辐射场方向图，从图中可以看到在该频点处天线的主极化为左旋圆极化，具有良好的定向圆极化辐射特性，交叉极化小于-10db。
35.图9和图10为本实施例上述单层单馈多模宽带圆极化微带天线在5.5ghz处的xoz平面和yoz平面的辐射场方向图，从图中可以看到在该频点处天线的主极化为左旋圆极化，具有良好的定向圆极化辐射特性，交叉极化小于-10db。
36.图11和图12为本实施例上述单层单馈多模宽带圆极化微带天线在6.25ghz处的xoz平面和yoz平面的辐射场方向图，从图中可以看到在该频点处天线的主极化为左旋圆极化，具有良好的定向圆极化辐射特性，交叉极化小于-10db。
37.图13为本实施例上述单层单馈多模宽带圆极化微带天线的俯视尺寸结构图，天线的具体尺寸为：
38.lg＝wg＝50mm,r0＝8mm,r1＝4mm,r2＝r1+u,u＝1mm,ls1＝ls2＝3.5mm,
39.r3＝r0+g,g＝3.5mm,r4＝r3+wa,wa＝2.4mm,β1＝β2＝58deg,γ＝77deg
40.综上所述，本发明天线通过在圆形贴片上加载u形缝隙，实现三模宽带圆极化特性；接着在圆形贴片两侧加载一对扇形寄生贴片，引入寄生模式调控高频电场远场两正交分量(phi分量和theta分量)的幅值和相位差，拓展了高频处的轴比带宽。该天线在单层介质基板和单探针馈电的条件下，最终实现了阻抗匹配带宽约为34.08％，轴比带宽约为32.6％，二者重合带宽约为31.96％；在重合带宽内，天线增益稳定，在85％的重合带宽内增益波动低于0.5db，最大增益为6.78dbic，实现了单层单馈多模宽带圆极化天线，且带内增益稳定。
41.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，
均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.基于缝隙和寄生加载的单层单馈多模宽带圆极化微带天线，其特征在于，包括介质基板(1)和馈电探针(5)；所述介质基板(1)的下表面设置有金属地板，上表面设置有辐射体；所述辐射体中间为圆形贴片(2)，在所述圆形贴片(2)上刻蚀一个u形缝隙(3)，用于实现三模宽带圆极化，获得三个彼此正交、具有90
°
相位差和边射方向图的特征模式；在所述圆形贴片(2)两侧各设置有一个扇形寄生贴片(4)，用于在高频拓展轴比带宽和改善增益，所述扇形寄生贴片(4)的圆心与圆形贴片(2)的圆心重合，其中一个扇形寄生贴片(4)朝向u形缝隙(3)的开口，另一个扇形寄生贴片(4)朝向u形缝隙(3)的底部；所述馈电探针(5)接近u形缝隙(3)其中一只侧臂，并依次穿过金属地板和介质基板(1)与圆形贴片(2)相连。2.根据权利要求1所述的基于缝隙和寄生加载的单层单馈多模宽带圆极化微带天线，其特征在于，所述u形缝隙(3)的中轴线与圆形贴片(2)的中轴线共线。3.根据权利要求2所述的基于缝隙和寄生加载的单层单馈多模宽带圆极化微带天线，其特征在于，所述u形缝隙(3)的两只侧臂长度相等或者不等。4.根据权利要求3所述的基于缝隙和寄生加载的单层单馈多模宽带圆极化微带天线，其特征在于，两个扇形寄生贴片(4)关于介质基板(1)中心对称。5.根据权利要求3所述的基于缝隙和寄生加载的单层单馈多模宽带圆极化微带天线，其特征在于，两个扇形寄生贴片(4)的长度不等。6.根据权利要求4或5所述的基于缝隙和寄生加载的单层单馈多模宽带圆极化微带天线，其特征在于，所述扇形寄生贴片(4)的中轴线与u形缝隙(3)的中轴线不共线。

技术总结
本发明公开了一种基于缝隙和寄生加载的单层单馈多模宽带圆极化微带天线，包括介质基板和馈电探针；介质基板下表面设有金属地板，上表面设有辐射体；辐射体中间为圆形贴片，圆形贴片上刻蚀一个U形缝隙；圆形贴片两侧各设有一个扇形寄生贴片，扇形寄生贴片圆心与圆形贴片圆心重合，其中一个扇形寄生贴片朝向U形缝隙开口，另一个扇形寄生贴片朝向U形缝隙底部；馈电探针接近U形缝隙其中一只侧臂，并依次穿过金属地板和介质基板与圆形贴片相连。本发明在单层单馈条件下实现了宽带圆极化特性，以及稳定的增益。及稳定的增益。及稳定的增益。


技术研发人员：孔永丹 涂志杰
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2023.05.05
技术公布日：2023/8/13