[发明专利]一种紧凑型平面双频全向圆极化天线

说明书

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种紧凑型平面双频全向圆极化天线。

背景技术

天线作为无线通信系统的前端设备，对通信质量的好坏起着极其重要的作用。在现代无线通信系统中，单纯的线极化天线已很难满足人们的需求，全向圆极化天线的应用越来越广泛。在很多系统中都要求使用全向圆极化天线来实现圆极化无线电波信号的全方位覆盖或者接收任意方向任意极化的来波。此外，方向性图的全向性，使其被广泛应用于遥感遥测、通信、雷达、电子侦察与电子干扰、广播电视等多个领域：在遥感遥测和航空航天通信设备中，采用全向圆极化天线，可以减小信号的漏失，还能有效的消除由电离层法拉第旋转效应引起的极化畸变影响；在高速运动甚至剧烈摆动或滚动的物体上，如航天器、飞机、舰船、汽车等，使用全向圆极化天线，可以在任何运动状态下都能够接收到无线电信号；在广播电视系统中采用全向圆极化天线，能够有效地扩大信号覆盖范围，并且能够在一定程度上克服重影重音等问题。由此可见，全向圆极化天线应用前景广阔。

目前，无线通信系统中所采用的全向圆极化天线都是将多个定向圆极化天线或全向线极化天线进行排列组合而成。这样的话，需要设计复杂的馈电系统，使天线体积增大，并引入了较大的插入损耗，从而天线的性能无法达到最佳。因此，设计全向圆极化天线并不是简单地将定向圆极化天线排成一圈，或是简单地对全向线极化天线进行极化分离再移相合成。在此过程中，涉及很多需要关注的因素，例如各单元天线输入功率的一致性以及输入相位的准确性。近年来，有学者提出了平面结构的全向圆极化天线，但是天线的输入匹配较差，阻抗带宽较窄，且仅限于单频设计。随着WLAN和GSM等技术的发展，越来越多的系统需要双频甚至多频工作，并且随着无线通信的发展，通信终端越来越小，使得结构紧凑的小型化天线的研究越来越受到关注。

有鉴于此，确有必要提出一种紧凑型平面双频全向圆极化天线，以满足现代无线通信的发展需求。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制出一种紧凑型平面双频全向圆极化天线，尤其是指一种双频比可控的紧凑型平面双频全向圆极化天线。本发明采用的技术原理为：

在零阶谐振器原理基础之上，我们提出了一种结构新颖的紧凑型平面双频全向圆极化天线。天线基于周期性结构，所采用的零阶谐振器包括一个圆形辐射贴片、一个地板以及连接圆形辐射贴片和地板的中心短路柱。圆形辐射贴片上的电流为径向电流，径向电流的辐射实现了电偶极子的功能，即全向垂直极化辐射。此外，在圆形辐射贴片四周加载圆弧形振子，该振子上的电流为环形电流，环流电流的辐射实现了磁偶极子的功能，即全向水平极化辐射。电偶极子和磁偶极子有相同的相位中心，即天线的几何中心，但是它们的初始相位不同。如果电偶极子和磁偶极子辐射波的幅度相等，相位相差90度，那么就实现了圆极化工作。环形电流的大小是由圆弧形振子的尺寸所决定的，径向电流和环流电流的初始相位是由圆形辐射贴片边缘和圆弧形振子的距离所决定的，从而改变圆弧形振子的尺寸和辐射贴片边缘与圆弧形振子的距离就可实现良好的圆极化辐射。

为了展宽带宽，在圆形辐射贴片与介质基板Ⅱ之间引入了空气层，空气层越厚，所能获得的带宽越宽。但是空气层越厚，馈电探针越长，馈电探针所引起的输入电抗也会越大，这将使天线输入电压驻波比性能变差。经折中处理，空气厚度确定为2.5mm。此外，馈电探针所引起的输入电抗可以由电容贴片与辐射贴片之间形成的分布电容进行补偿。通过改变电容贴片的大小，可实现良好的输入匹配。

为了实现双频比可控，采用不同的振子长度。当圆形主辐射贴片尺寸一定，通过改变加载在圆形辐射贴片四周的圆弧形振子的长度，就可以改变天线的工作频率。圆弧形振子越长，工作频率越低。六条圆弧形振子，分为三组相同结构的辐射单元，每组辐射单元由两条不同长度的圆弧形振子组成，实现双频工作，且每组辐射单元占据水平面120度。通过调节每组辐射单元中圆弧形振子长度的比例，就可以改变天线的两个工作频率，实现可控的双频比。由于工作频率不同，每组辐射单元中的两条圆弧形振子与圆形主辐射贴片的距离不等。在每组辐射单元的一条圆弧形振子的末端加载一段与另一条圆弧形振子平行的微带线，以延长该振子的长度，扩大双频工作频率比。此外，在每条圆弧形振子的中间加载一段调谐带条，通过调节该带条尺寸，可使天线的输入阻抗匹配频率与圆极化工作频率一致，并且还可使天线结构更紧凑，实现小型化功能。

本发明采用的技术手段如下：

一种紧凑型平面双频全向圆极化天线，其特征在于包括：平面辐射天线、中心短路柱、输入连接器和馈电探针；