基于PIFA结构的圆极化微带天线论文和设计-郑汉杰

全文摘要

本实用新型提出基于PIFA结构的圆极化微带天线，所述天线包括辐射层和馈电层；所述辐射层包括分布于一正方形区域内的四个辐射振子和四个L型枝节；所述辐射振子呈凸字形；四个辐射振子的规格相同且分布于正方形区域的四边处；所述L型枝节位于正方形区域的中部且环绕正方形区域中央设置；四个L型枝节的直角端朝向正方形区域的四角方向；所述馈电层处设有馈电网络；所述馈电网络与辐射振子相连；本实用新型结构紧凑，可提高天线设计尺寸的利用率。

主设计要求

1.基于PIFA结构的圆极化微带天线，其特征在于：所述天线包括辐射层和馈电层；所述辐射层包括分布于一正方形区域内的四个辐射振子和四个L型枝节；所述辐射振子呈凸字形；四个辐射振子的规格相同且分布于正方形区域的四边处；所述L型枝节位于正方形区域的中部且环绕正方形区域中央设置；四个L型枝节的直角端朝向正方形区域的四角方向；所述馈电层处设有馈电网络；所述馈电网络与辐射振子相连。

设计方案

2.根据权利要求1所述的基于PIFA结构的圆极化微带天线，其特征在于：所述天线的顶面为正方形的第一介质基板，底面为第二介质基板；所述辐射层的辐射振子和L型枝节设于第一介质基板上表面处；所述馈电层的馈电网络设于第二介质基板上表面处。

3.根据权利要求2所述的基于PIFA结构的圆极化微带天线，其特征在于：所述第一介质基板、第二介质基板间设有空气层。

4.根据权利要求3所述的基于PIFA结构的圆极化微带天线，其特征在于：所述馈电网络以连接传输线与辐射振子相连。

5.根据权利要求4所述的基于PIFA结构的圆极化微带天线，其特征在于：所述凸字形辐射振子为以多个L型导体首尾连接而成的一段螺旋形折线；折线的始段与该辐射振子所在基板部位的板边相接；折线的末段与该辐射振子所在基板部位的板边平行且紧邻。

6.根据权利要求5所述的基于PIFA结构的圆极化微带天线，其特征在于：所述馈电网络的俯视向呈矩形分布；矩形分布的馈电网络四角处分设有四个馈电端口，馈电端口经连接传输线连至辐射振子的折线始段；相邻馈电端口间具有90°的馈电相位延迟以使天线辐射右旋圆极化，馈电网络内的各条馈线的线宽相同。

7.根据权利要求6所述的基于PIFA结构的圆极化微带天线，其特征在于：工作状态的天线可在1.561GHz处发生最大谐振。

8.根据权利要求6所述的基于PIFA结构的圆极化微带天线，其特征在于：所述天线的尺寸为50mm*50mm*7.5mm。

9.根据权利要求6所述的基于PIFA结构的圆极化微带天线，其特征在于：所述第一介质基板、第二介质基板的厚度为0.5mm，空气层的高度为6mm；所述辐射振子的长度为48.2，线宽为1.5mm；馈电网络的整体尺寸为31mm*35mm，采用统一的1.25mm线宽，相邻馈电端口通过不同馈线长度实现90°的相位延迟；L型枝节的宽度为1mm，Ｌ型枝节的两段线长度分别是2.8mm和2mm。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及无线通信技术领域，尤其是基于PIFA结构的圆极化微带天线。

背景技术

卫星导航天线实际上是一款圆极化天线，所谓极化是指天线辐射电磁波的电场方向，当电场的大小不随时间改变，但方向随时间改变，合成的电场矢端轨迹为一个圆形时为圆极化，若角速度满足右手螺旋法则即为右旋圆极化。现有技术主要通过一分四的馈电网络使四个端口依次产生90°相位差，从而实现圆极化的效果。天线的辐射振子长度由中心频率决定，当长度为四分之一波长时达到最大谐振状态

现有技术在设计小型化北斗卫星终端天线时通常采用馈电网络加辐射振子的方式。馈电网络由三个Wilkinson功分器组成的，其中两个功分器分别实现彼此90°的相位差，再用第三个功分器实现180°相位差与前两个功分器相连接最终使得四个端口依次产生90°的相位延迟。

原有技术由于采用三个Wilkinson功分器组合的馈电网络，因此占用了大量的尺寸面积，而且由于功分器的相位延迟线彼此间距较小，所以容易发生耦合导致能量集中在天线内部辐射不出去。辐射振子的单一的绕行方式也造成了辐射振子彼此间的耦合影响。

发明内容

本实用新型提出基于PIFA结构的圆极化微带天线，结构紧凑，可提高天线设计尺寸的利用率。

本实用新型采用以下技术方案。

基于PIFA结构的圆极化微带天线，所述天线包括辐射层和馈电层；所述辐射层包括分布于一正方形区域内的四个辐射振子和四个L型枝节；所述辐射振子呈凸字形；四个辐射振子的规格相同且分布于正方形区域的四边处；所述L型枝节位于正方形区域的中部且环绕正方形区域中央设置；四个L型枝节的直角端朝向正方形区域的四角方向；所述馈电层处设有馈电网络；所述馈电网络与辐射振子相连。

所述天线的顶面为正方形的第一介质基板，底面为第二介质基板；所述辐射层的辐射振子和L型枝节设于第一介质基板上表面处；所述馈电层的馈电网络设于第二介质基板上表面处。

所述第一介质基板、第二介质基板间设有空气层。

所述馈电网络以连接传输线与辐射振子相连。

所述凸字形辐射振子为以多个L型导体首尾连接而成的一段螺旋形折线；折线的始段与该辐射振子所在基板部位的板边相接；折线的末段与该辐射振子所在基板部位的板边平行且紧邻。

所述馈电网络的俯视向呈矩形分布；矩形分布的馈电网络四角处分设有四个馈电端口，馈电端口经连接传输线连至辐射振子的折线始段；相邻馈电端口间具有90°的馈电相位延迟以使天线辐射右旋圆极化，馈电网络内的各条馈线的线宽相同。

工作状态的天线可在1.561GHz处发生最大谐振。

所述天线的尺寸为50mm*50mm*7.5mm。

所述第一介质基板、第二介质基板的厚度为0.5mm，空气层的高度为6mm；所述辐射振子的长度为48.2，线宽为1.5mm；馈电网络的整体尺寸为31mm*35mm，采用统一的1.25mm线宽，相邻馈电端口通过不同馈线长度实现90°的相位延迟；L型枝节的宽度为1mm，Ｌ型枝节的两段线长度分别是2.8mm和2mm。

本实用新型的优点在于：

1.本实用新型中，新型馈电网络实现了紧凑的90°顺序相位的延迟，与现有的Wilkinson馈电网络相比，尺寸更小。与传统采用多段馈线进行阻抗转换的馈电网络相比，本申请中的馈电网络的馈线仅采用单级过渡，使得整个馈电网络的传输线宽度均匀，布局整齐紧凑且大大降低了耦合。

2.本实用新型中，辐射振子采用螺旋弯折的绕行方式，与现有的单一直线的辐射振子相比，提高了面积尺寸的利用率，从而实现了小型化的效果。此外，该辐射振子的绕行方式在尺寸压缩的同时也使之间的耦合影响降低。

3.本实用新型中加入的L型枝节，引入了和辐射振子的耦合，有助于改善圆极化的效果和天线的辐射效率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步详细的说明：

附图1是本实用新型的剖切示意图；

附图2是辐射层的俯视向示意图；

附图3是馈电层的俯视向示意图；

附图4是反射系数仿真结果示意图；

附图5是轴比仿真结果示意图；

附图6是辐射仿真的XOZ面方向示意图；

附图7是辐射仿真的3D方向示意图；

图中：1-第一介质基板；2-第二介质基板；3-连接传输线；4-馈电端口；5-辐射振子；6-馈电网络；7-L型枝节；101-辐射振子的折线始段；102-辐射振子的折线末段。

具体实施方式

如图1-7所示，基于PIFA结构的圆极化微带天线，所述天线包括辐射层和馈电层；所述辐射层包括分布于一正方形区域内的四个辐射振子5和四个L型枝节7；所述辐射振子呈凸字形；四个辐射振子的规格相同且分布于正方形区域的四边处；所述L型枝节位于正方形区域的中部且环绕正方形区域中央设置；四个L型枝节的直角端朝向正方形区域的四角方向；所述馈电层处设有馈电网络6；所述馈电网络与辐射振子相连。

所述天线的顶面为正方形的第一介质基板1，底面为第二介质基板2；所述辐射层的辐射振子和L型枝节设于第一介质基板上表面处；所述馈电层的馈电网络设于第二介质基板上表面处。

所述第一介质基板、第二介质基板间设有空气层。

所述馈电网络以连接传输线3与辐射振子相连。

所述凸字形辐射振子为以多个L型导体首尾连接而成的一段螺旋形折线；折线的始段101与该辐射振子所在基板部位的板边相接；折线的末段102与该辐射振子所在基板部位的板边平行且紧邻。

所述馈电网络的俯视向呈矩形分布；矩形分布的馈电网络四角处分设有四个馈电端口4，馈电端口经连接传输线连至辐射振子的折线始段；相邻馈电端口间具有90°的馈电相位延迟以使天线辐射右旋圆极化，馈电网络内的各条馈线的线宽相同。

工作状态的天线可在1.561GHz处发生最大谐振。

所述天线的尺寸为50mm*50mm*7.5mm。

在本例中，馈电网络设计的关键在于单级过渡的形式，即保证每条馈线的线宽一致，馈电网络的总体尺寸大致是λ_{g<\/sub>\/4*λ_{g<\/sub>\/4,λ_{g<\/sub>是波导长度，若要将带宽进一步扩大，可以加大馈电网络间走线的间距，但尺寸也随之变大。}}}

在本例中，L型枝节与辐射振子之间的耦合距离对于天线辐射轴比的影响很大，通过调整L型枝节的位置、大小可以改善天线辐射的圆极化的效果。

在本例中，辐射振子的绕行方式关系到天线的尺寸和耦合强弱，过窄的间距会使各个端口之间互相干扰，影响圆极化的效果，因此不宜把辐射振子缠绕过密。

设计图

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