本发明涉及一种圆极化天线，尤其是一种用于ku波段高增益移动通信中的微带天线。
背景技术：
随着电磁环境的日益复杂，无线通信系统对作为核心设备的天线工作性能提出了更高的要求。线极化波在传播过程中遇到障碍物反射时会发生极化分极和多径效应，天线接受电平会急剧降低，难以保证通信质量。相比而言，圆极化波能克服极化分极引起的电平衰落，圆极化特殊的极化方式使圆极化天线具有较强的抗干扰能力。微带天线具有尺寸小、重量轻、易于赋形等优点，可以方便的设计各种结构满足圆极化性能需求。然而，微带天线存在固有带宽较窄，增益低的缺陷，要求天线侧馈圆极化辐射，且具有较高(大于7db)的增益，传统的天线技术无法满足需求。一种可行的思路是对圆极化微带天线进行改进设计，以满足高增益需求。
传统的天线通常辐射线极化波，在辐射贴片的两个对角上切去一部分，使贴片原本的tm11变成了两个模式，可以激励出圆极化波。然而该类天线具有较高的q值，阻抗带宽很窄(不超过5％)和较低的增益(不超过5db)。johnd.kraus提出螺旋天线结构，其带有一个较大的金属接地板并采用同轴线进行馈电，在天线的轴向上激发圆极化波，但该天线属于结构天线剖面较高，加工精度不易把握。y.luo采用了正交偶极子的基本形式，通过两个不同宽度的阶梯偶极子实现自相移，进而实现圆极化波辐射。takacs，a.t.idda等人提出通过引入分型结构将天线体积减小了70％，但增加了天线的结构复杂度。pan等人提出了一款全向圆极化介质谐振天线，在谐振介质每个侧壁上都有一个倾斜的槽，在槽中加入寄生枝节展宽带宽。fang等人提出了一款双频双模的介质谐振天线，采用正交馈电方式来激发圆极化波。然而上述天线结构的增益均小于7db，且无法同时兼顾轴比带宽和阻抗带宽，不满足圆极化高增益设计。传统的提高增益的方法最有效的方法就是增加阵元数量，但往往会引入复杂的馈电网络，增加设计难度，提高加工制作的成本，各单元间还会存在互耦的影响，导致天线辐射效率降低。另一个最直接的方式是增加地板面积，然而过大地板会增加天线的体积和加工成本。
技术实现要素：
本发明要解决的问题是：传统的提高增益的方法无法同时兼顾轴比带宽和阻抗带宽，不能满足圆极化高增益设计的问题。
为了解决上述问题，本发明的技术方案是提供了一种圆极化天线，其特征在于：包括sma接头、以及层叠设置的上介质基板和下介质基板，所述上介质基板下表面设有寄生贴片，所述下介质基板上表面设有辐射贴片和威尔金森功分器馈电网络，下表面设有接地板，所述威尔金森功分器馈电网络的分路端口与辐射贴片连接，合路端口与sma接头连接进行侧馈式馈电，实现圆极化波辐射；上介质基板对辐射波的部分投射和反射，使上介质基板外侧波同相叠加。
优选地，所述sma接头和威尔金森功分器馈电网络之间设有起到加固作用的接地外墙，接地外墙连接上介质基板和下介质基板，sma接头穿过接地外墙与威尔金森功分器馈电网络的合路端口连接。
优选地，所述寄生贴片设在辐射贴片的正上方。
优选地，所述辐射贴片为矩形，寄生贴片的形状大小与辐射贴片相同。
优选地，所述上介质基板和下介质基板之间留有空气层。
优选地，所述威尔金森功分器馈电网络的阻抗变换段和分路端口连接处设有用于减少两个分路端口之间能量互耦、增大分路端口隔离度的隔离电阻。
优选地，所述隔离电阻设在威尔金森功分器馈电网络的1/4λ阻抗变换段和分路端口连接处。
优选地，所述接地外墙为金属接地外墙。
优选地，所述上介质基板的板厚为1mm。
优选地，所述辐射贴片的尺寸为0.29λ×0.29λ。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)采用双介质板附加寄生贴片的叠层结构，天线整体高度为0.1λ，剖面低，可通过组阵的方式提高增益和波束扫描；
(2)在ku波段12.25ghz-12.95ghz频带范围内，反射系数均小于-10db，轴比小于-3db，最大增益为8.31db。
(3)天线结构简单，阻抗、增益等性能随结构参数变化不敏感，可容忍一定的加工误差；
(4)采用金属外墙固定上下两侧介质基板以及sma接头，避免了对辐射贴片进行打孔，腐蚀操作，简化了加工程序。与此同时，又能使sma接头保持良好的接地性，使天线信号稳定传输。
本发明采用威尔金森馈电网络结构，在矩形辐射贴片上激励起圆极化辐射波，可有效抑制多径干扰，改善了天线的辐射效率，提高了天线增益。在威尔金森功分器馈电网络的1/4λ阻抗变换段和两分路端口的连接处引入100ω的隔离电阻，可以将两分路端口反射的能量消掉，增加分路端口隔离度，减少交叉极化电平，优化圆极化特性。本发明剖面低、加工成本低、易于构造圆极化天线阵，提高天线的增益，通过改变激励电流的幅值和相位实现极化控制和波束赋形，可以在高增益天线和近场聚焦天线等领域广泛应用。
附图说明
图1为本发明天线的剖视图；
图2为本发明天线的俯视图；
图3为本发明天线辐射贴片表面电流分布示意图；
图4为本发明天线反射系数仿真图，其中横坐标为频率(单位：ghz),纵坐标为反射系数(单位：db)；
图5为本发明天线两个主平面仿真方向图，其中横坐标为天线的俯仰角(单位：度)，纵坐标为天线在两个主平面(e面、h面)上的辐射增益(单位：db)；
图6为本发明天线轴比曲线图，其中横坐标为频率(单位：ghz),纵坐标为轴比(单位：db)；
图7为本发明天线反射系数随辐射贴片长度a变化图，其中横坐标为频率(单位：ghz),纵坐标为反射系数(单位：db)；
图8为本发明天线反射系数随隔离电阻位置dd的变化图，其中横坐标为频率(单位：ghz),纵坐标为反射系数(单位：db)；
图9为本发明天线去掉上介质基板后增益曲线，其中横坐标为天线的俯仰角(单位：度)，纵坐标为天线在两个主平面(e面、h面)上的辐射增益(单位：db)；
图10为本发明天线增益随着空气层厚度h变化图，其中横坐标为天线的俯仰角(单位：度)，纵坐标为天线在两个主平面(e面、h面)上的辐射增益(单位：db)；
图11为本发明天线反射系数随空气层厚度h变化图，其中横坐标为频率(单位：ghz),纵坐标为反射系数(单位：db)。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
如图1和2所示，本发明提供了一种圆极化天线，包括上介质基板1、寄生贴片2、下介质基板3、威尔金森功分器馈电网络4、辐射贴片5、隔离电阻6、接地板7、金属接地外墙8和sma接头9。上介质基板1和下介质基板3上下层叠设置，上介质基板1下表面安装寄生贴片2，下介质基板3上表面安装辐射贴片5和威尔金森功分器馈电网络4，下表面安装接地板7，威尔金森功分器馈电网络4的分路端口与辐射贴片5连接，sma接头9穿过金属接地外墙8延伸至威尔金森功分器馈电网络4的合路端口与威尔金森功分器馈电网络4相连，进行侧馈式馈电；金属接地外墙8连接上介质基板1和下介质基板3，对寄生贴片2与辐射贴片5以及sma接头9与威尔金森功分器馈电网络4的相对位置起到固定作用。
辐射贴片5为矩形，尺寸为0.29λ×0.29λ，波长λ为0.24米，接地板7尺寸为1.5λ×1.7λ，上介质基板1和下介质基板3间有空气层高度为0.04λ，寄生贴片2位于辐射贴片5的正上方，其大小尺寸与辐射贴片5一致。采用威尔金森功分器馈电网络4对辐射贴片5进行双馈点馈电，激励起一对极化正交的线极化简并模，利用威尔金森功分器馈电网络4使两个线极化简并模振幅相等，相位相差90°，从而实现圆极化辐射。上层介质板通过对辐射波的部分投射和反射，使介质板外侧同相叠加进而提高天线增益。在威尔金森功分器馈电网络4的1/4λ阻抗变换段和两分路端口的连接处引入100ω的隔离电阻6，尺寸为1mm×2mm，减少两个分路端口之间的能量互耦，增大两个分路端口的隔离度，从而展宽功分器的工作频率，满足圆极化天线馈电需求。但综合考虑引入多个隔离电阻会导致较大的插入损耗，多段微带线会引起较大的辐射损耗，带来较大的反向辐射，对天线方向图有影响，同时考虑设计的复杂度和加工成本，本发明选用引入一个隔离电阻6进行天线设计。
图3为主要工作频点设置在12.5ghz时辐射贴片表面电流分布示意图，可以看出在威尔金森功分器馈电网络4与辐射贴片5直接接触区域内电流密度相对较大，而辐射贴片5中心位置电流密度相对较小，该电流分布使得两相邻侧边的等效磁流等幅相差90度，其辐射的是远场圆极化分量。
图4为天线仿真反射系数图，在ku波段12.25ghz-12.95ghz频带范围内，反射系数均小于-10db，谐振频率为12.8ghz。图5为天线在两个主平面的方向图，可以看出天线为左旋圆极化天线，在天线正上方e面和h面的左旋极化增益均高于右旋极化增益，增益最高为8.38db，且在e面的交叉极化要略好于h面交叉极化。图6为12.25ghz-12.95ghz频带范围内天线的轴比曲线，轴比小于-3db。
图7为天线反射系数随辐射贴片的长度a变化图。随着辐射贴片5长度a的增加，天线的谐振频带逐渐变宽，谐振频点缓慢向低频移动，然而反射系数变大，曲线变的更加平坦，说明天线的回波损耗越来越大。因此，辐射贴片5的尺寸直接决定了天线的谐振频率，根据设计需求确定天线的谐振频率约为12.5ghz，根据λ/4～λ/2的谐振原则，可进一步确定辐射贴片5的尺寸大小。
图8为反射系数随隔离电阻位置的变化曲线。隔离电阻6与威尔金森功分器馈电网络4变换处距离为dd，随着dd的减少，天线的反射系数曲线更加平坦，谐振频带始终保持在12.8ghz，天线带宽保持不变，说明该天线特性对隔离电阻6的焊接位置变化不敏感，具有较强的容错性。
图9为天线去掉上介质基板后天线的增益曲线。与图5对比，去掉上介质基板1后天线的整体增益曲线趋势与加入上介质基板1后一致，在辐射贴片5正上方左旋圆极化增益明显占主，但最高增益仅为5.7db。说明引入空气层后，天线容性分量增加，抵消了sma接头9所引入的感性分量，提高了天线的辐射效率，同时通过上介质基板1对辐射波的部分投射和反射，使外侧同向分量叠加进一步提高天线的增益。
图10研究空气层厚度h对增益的影响。其中h分别取1.5mm、2mm、2.5mm三个值，有1mm的误差范围。如图所示，不同h下对应的天线增益非常接近，说明在上层介质板安装时具有较强的容错性。天线增益随着空气层厚度变化非常微小，说明在上介质基板1安装时具有较强的容错性。如图11所示，随着上介质基板1厚度hs的增大，谐振频率缓慢向低频移动，回波损耗降低，然而阻抗带宽逐渐变窄。主要原因是hs的增大导致在馈电网络上消耗了更多的能量，进而使天线的辐射效率降低。同时，hs的增大还使得天线法相增益曲线呈现下降趋势。随着上介质基板1厚度增加，使天线谐振频带整体向低频移动，此特性易于实现天线小型化设计，然而当上介质基板1厚度增加至1.8mm时，s参数曲线变得更差，尤其是在谐振频率附近，且上介质基板1过厚会增加天线的重量，增加天线装配的难度。为了同时满足设计和加工的要求，本发明采用1mm厚的上介质基板1，填充材料为rogersrt/duroid5880(tm)。
1.一种圆极化天线，其特征在于：包括sma接头(9)、以及层叠设置的上介质基板(1)和下介质基板(3)，所述上介质基板(1)下表面设有寄生贴片(2)，所述下介质基板(3)上表面设有辐射贴片(5)和威尔金森功分器馈电网络(4)，下表面设有接地板(7)，所述威尔金森功分器馈电网络(4)的分路端口与辐射贴片(5)连接，合路端口与sma接头(9)连接进行侧馈式馈电，实现圆极化波辐射；上介质基板(1)对辐射波的部分投射和反射，使上介质基板(1)外侧波同相叠加。
2.如权利要求1所述的一种圆极化天线，其特征在于：所述sma接头(9)和威尔金森功分器馈电网络(4)之间设有起到加固作用的接地外墙，接地外墙连接上介质基板(1)和下介质基板(3)，sma接头(9)穿过接地外墙与威尔金森功分器馈电网络(4)的合路端口连接。
3.如权利要求1所述的一种圆极化天线，其特征在于：所述寄生贴片(2)设在辐射贴片(5)的正上方。
4.如权利要求1所述的一种圆极化天线，其特征在于：所述辐射贴片(5)为矩形，寄生贴片(2)的形状大小与辐射贴片(5)相同。
5.如权利要求1所述的一种圆极化天线，其特征在于：所述上介质基板(1)和下介质基板(3)之间留有空气层。
6.如权利要求1所述的一种圆极化天线，其特征在于：所述威尔金森功分器馈电网络(4)的阻抗变换段和分路端口连接处设有用于减少两个分路端口之间能量互耦、增大分路端口隔离度的隔离电阻(6)。
7.如权利要求6所述的一种圆极化天线，其特征在于：所述隔离电阻(6)设在威尔金森功分器馈电网络(4)的1/4λ阻抗变换段和分路端口连接处。
8.如权利要求2所述的一种圆极化天线，其特征在于：所述接地外墙为金属接地外墙(8)。
9.如权利要求1所述的一种圆极化天线，其特征在于：所述上介质基板(1)的板厚为1mm。
10.如权利要求1所述的一种圆极化天线，其特征在于：所述辐射贴片(5)的尺寸为0.29λ×0.29λ。
技术总结