一种齿轮圆环缝隙双频圆极化天线的制作方法

本发明涉及无线通信天线技术领域，具体涉及一种齿轮圆环缝隙双频圆极化天线，适用于wimax、wlan频段小型双频圆极化无线通信系统。

背景技术

天线是无线通信系统中的核心部件，它能够将馈线中的导行电波与空间中的无限电波自由转换，天线的工作性能对整个系统性能是否能得到充分发挥起到关键的作用。在多数应用实例中都对无线信号提出覆盖较大的空间范围的需求。能够同时收发两个正交极化电磁波的天线被称为双极化天线，而圆极化天线收发天线的方位敏感性较低，可以接收任意极化方向的电磁波，它发射的辐射波也可以被任意极化方式的天线所接收，能够缓解多径效应，在射频识别、无线网络、卫星通信系统中具有明显的优势。多频天线工作频段覆盖多个频段，能够将多个天线的功能集成在一起，为不同频段的通信系统提供服务，从而减小天线的尺寸和数量，便于无线通信系统的小型化和集成化设计。因此，研究多频带圆极化天线已经成为当前极具挑战的难题。圆极化天线的设计需要关注极化旋向、阻抗带宽、轴比带宽和波束宽度等性能指标，而在高速运行的通信设备上对天线的小型化、共形、稳定性、低剖面也提出了较高的需求。微带天线是当前无线通信设备上的一种主要形式，具有易共形、低剖面、容易实现多频带、圆极化特性等诸多优点，它促使天线技术与微波集成电路技术得到完美的融合，但微带天线本身也存在带宽窄、极化纯度低、增益较低等缺点，如何克服上述缺点并提高天线的性能是当前研究设计的重点与难点。多频天线的设计方法主要包括引入谐振结构，如增加谐振枝节，采用结构新颖的单极子，如l形、g形等，改进天线的设计结构，如缝隙加载技术。微带天线展宽阻抗带宽的方法主要有增加介质基板介电常数或者厚度，引入寄生谐振单元，在辐射单元或者地板上加载缝隙，利用电容贴片耦合馈电，加载匹配单元等。微带天线能够产生何种模式主要由激励模型和贴片形状决定，微带天线圆极化的实现方法主要包括引入缝隙加载、谐振枝节、切角处理、不对称结构等几何微扰，产生两个正交的简并模同时向外辐射产生圆极化波，设计的关键在于馈电点位置的选择、简并模尺寸和位置的选择等。非专利文献1公开了一种单端口馈电的多频带多极化天线，上层为圆形辐射贴片，圆形辐射贴片开有弧形缝隙和l形缝隙，右下角连接一个小枝节，小枝节和l形槽的引入是为了调节构成圆极化的相位差、两个正交模式和电尺寸长度，弧形缝隙的引入一个等效电磁流，引起了高频段产生谐振，但该天线整体尺寸较大。非专利文献2公开了一种基于h形缝隙耦合的宽带圆极化微带天线，天线由三层组成，顶层为矩形金属贴片，中间层刻有两个大小一致且正交放置的h形槽，底层为分工馈电网络，通过分工馈电网络对h形缝隙馈电，能量通过缝隙耦合到矩形金属贴片，形成幅度相等、相位差90度的两种主模，从而形成圆极化特性，但该天线为单频带天线，且结构较为复杂。无线通信系统的多功能一体化对多极化、圆极化天线的需求骤增，多极化、圆极化微带天线已经成为无线通信系统中最重要的组成部分，研究宽频带、小型化、易共形、剖面低的多频带圆极化天线已经成为当前研究中亟待解决的问题。

引用文献列表

非专利文献1：陈建玲，多频带多极化微带贴片天线研究，北京交通大学博士学位论文，2016:73-83.

非专利文献2：蔡得水，微带缝隙天线的研究与设计，西安电子科技大学硕士学位论文，2012:41-45.

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种齿轮圆环缝隙双频圆极化天线，具有双频带、圆极化特性，频带宽、辐射特性好、结构紧凑、增益稳定，能同时满足3.5ghzwimax、5ghzwlan频段对工作带宽的要求。

本发明的技术方案是：一种齿轮圆环缝隙双频圆极化天线，由介质基板(1)、印制在介质基板(1)正面上的风车形开路圆环结构馈源终端(2)、矩形微带馈线(3)，印制在介质基板(1)背面上的齿轮圆环缝隙地板(4)和外接的同轴接头(6)构成，其特征在于：

a.所述的风车形开路圆环结构馈源终端(2)位于介质基板中心位置，风车形开路圆环结构馈源终端(2)中心为一个圆环结构，圆环的圆心位于介质基板(1)中心o1位置，圆环外侧加载倒l形结构叶片，均匀分布在圆环外侧，各个叶片之间的夹角为45度，在圆环右下角开一缝隙形成开路结构，缝隙中轴线与介质基板(1)中轴线的夹角为θ，风车形开路圆环结构馈源终端(2)的倒l形叶片结构可以在多个方向产生电流分量，同时也可以中和矩形微带馈线(3)产生的额外的电抗分量，改善天线阻抗匹配特性，风车形开路圆环结构馈源终端(2)的开路结构能够使多个方向的电流分量在同一模式的一个周期中向同一方向旋转，从而形成圆极化场对介质基板(1)背面的齿轮圆环缝隙(5)产生左旋激励，合理调整结构尺寸可以使相位和幅度满足圆极化要求；

b.所述的矩形微带馈线(3)为一段矩形导带，矩形微带馈线(3)的上端与风车形开路圆环结构馈源终端(2)的下端相连接，矩形微带馈线(3)的下端外接同轴接头(6)；

c.所述的齿轮圆环缝隙地板(4)在介质基板(1)背面开一圆环缝隙，圆环的圆心位于介质基板(1)中心o1位置，在圆环缝隙外侧圆周上开八个矩形槽，在圆环缝隙内侧圆周上开十二个矩形槽，圆环缝隙外侧圆周和内侧圆周上的矩形槽均以相等角度沿外侧和内侧圆周均匀分布，形成一个齿轮圆环缝隙(5)，齿轮圆环缝隙(5)形成两个尺寸不同的电流路径，齿轮圆环缝隙(5)外侧圆周周长决定天线的低频谐振频率，齿轮圆环缝隙(5)内侧圆周周长决定天线的高频谐振频率，合理的调整齿轮圆环缝隙(5)外侧圆周和内侧圆周的尺寸可以调节风车形开路圆环结构馈源终端(2)与齿轮圆环缝隙(5)之间的耦合能量，从而调节天线低频和高频谐振频率，齿轮圆环缝隙(5)的两种电流路径被风车形开路圆环结构馈源终端(2)形成的圆极化场激励后产生双频带的圆极化特性；

d.所述的同轴接头(6)位于介质基板(1)下端中心轴上，同轴接头(6)分别与矩形微带馈线(3)和齿轮圆环缝隙地板(4)的下边缘相连接。

所述的风车形开路圆环结构馈源终端(2)位于介质基板中心位置，圆环的圆心位于介质基板(1)中心o1位置，圆环的外圆半径r1为4.1mm～4.7mm，圆环的内圆半径r2为3.3mm～4mm，圆环外侧加载的倒l形结构叶片左矩形长度l3为2.6mm～3.4mm，倒l形结构叶片左矩形宽度w2为0.8mm～1.4mm，倒l形结构叶片右矩形长度l2为1mm～1.4mm，倒l形结构叶片右矩形宽度w3为0.7mm～1.1mm，缝隙中轴线与介质基板(1)中轴线的夹角θ为42度～48度。

所述的矩形微带馈线(3)的矩形导带长度l1为13.2mm～13.8mm，宽度w1为2.1mm～2.7mm。

所述的齿轮圆环缝隙地板(4)的圆环缝隙外圆半径r3为8.8mm～9.6mm，圆环缝隙内圆半径r4为3.8mm～4.4mm，圆环缝隙外侧圆周八个矩形槽的长度l4为2.4mm～2.9mm，宽度w5为4.5mm～5.1mm，圆环缝隙内侧圆周十二个矩形槽的长度l5为0.6mm～1.1mm，宽度w6为1.2mm～1.8mm。

本发明的效果在于：本发明设计了风车形开路圆环结构馈源终端，倒l形叶片结构可以在多个方向产生电流分量，同时也可以中和矩形微带馈线产生的额外的电抗分量，改善天线阻抗匹配特性，开路结构能够使多个方向的电流分量在同一模式的一个周期中向同一方向旋转，从而形成圆极化场对介质基板背面的齿轮圆环缝隙产生左旋激励，合理调整结构尺寸可以使相位和幅度满足圆极化要求，齿轮圆环缝隙外侧圆周周长决定天线的低频谐振频率，内侧圆周周长决定天线的高频谐振频率，合理的调整齿轮圆环缝隙外侧圆周和内侧圆周的尺寸可以调节天线低频和高频谐振频率，齿轮圆环缝隙被风车形开路圆环结构馈源终端形成的圆极化场激励后产生双频带的圆极化特性。本发明设计尺寸为36mm×36mm，具有双频圆极化特性，工作频段为3.32ghz～3.73ghz、5.13ghz～5.89ghz，天线结构紧凑，频段内的辐射与增益特性良好，适用于wimax、wlan频段小型双频带圆极化无线通信系统。

附图说明

图1是本发明实施例的正面结构示意图。

图2是本发明实施例的背面结构示意图。

图3是倒l形结构叶片左矩形长度l3和右矩形宽度w3对天线轴比的影响。

图4是圆环缝隙外侧圆周八个矩形槽的长度l4、宽w5对天线反射系数s11的影响。

图5是圆环缝隙内侧圆周十二个矩形槽的长度l5、宽w6对天线反射系数s11的影响。

图6是本发明实施例风车形开路圆环结构馈源终端在t＝0时的电流分布。

图7是本发明实施例风车形开路圆环结构馈源终端在t＝t/4时的电流分布。

图8是本发明实施例风车形开路圆环结构馈源终端在t＝t/2时的电流分布。

图9是本发明实施例风车形开路圆环结构馈源终端在t＝3t/4时的电流分布。

图10是本发明实施例实测反射系数s11曲线与仿真值比较。

图11是本发明实施例实测轴比曲线与仿真值比较。

图12是本发明实施例在频率为3.48ghz时的e面辐射方向图。

图13是本发明实施例在频率为3.48ghz时的h面辐射方向图。

图14是本发明实施例在频率为5.53ghz时的e面辐射方向图。

图15是本发明实施例在频率为5.53ghz时的h面辐射方向图。

具体实施方式

本发明的具体实施方式是：如图1所示，一种齿轮圆环缝隙双频圆极化天线，由介质基板(1)、印制在介质基板(1)正面上的风车形开路圆环结构馈源终端(2)、矩形微带馈线(3)，印制在介质基板(1)背面上的齿轮圆环缝隙地板(4)和外接的同轴接头(6)构成，其特征在于：所述的风车形开路圆环结构馈源终端(2)位于介质基板中心位置，风车形开路圆环结构馈源终端(2)中心为一个圆环结构，圆环的圆心位于介质基板(1)中心o1位置，圆环外侧加载倒l形结构叶片，均匀分布在圆环外侧，各个叶片之间的夹角为45度，在圆环右下角开一缝隙形成开路结构，缝隙中轴线与介质基板(1)中轴线的夹角为θ，风车形开路圆环结构馈源终端(2)的倒l形叶片结构可以在多个方向产生电流分量，同时也可以中和矩形微带馈线(3)产生的额外的电抗分量，改善天线阻抗匹配特性，风车形开路圆环结构馈源终端(2)的开路结构能够使多个方向的电流分量在同一模式的一个周期中向同一方向旋转，从而形成圆极化场对介质基板(1)背面的齿轮圆环缝隙(5)产生左旋激励，合理调整结构尺寸可以使相位和幅度满足圆极化要求；所述的矩形微带馈线(3)为一段矩形导带，矩形微带馈线(3)的上端与风车形开路圆环结构馈源终端(2)的下端相连接，矩形微带馈线(3)的下端外接同轴接头(6)；所述的齿轮圆环缝隙地板(4)在介质基板(1)背面开一圆环缝隙，圆环的圆心位于介质基板(1)中心o1位置，在圆环缝隙外侧圆周上开八个矩形槽，在圆环缝隙内侧圆周上开十二个矩形槽，圆环缝隙外侧圆周和内侧圆周上的矩形槽均以相等角度沿外侧和内侧圆周均匀分布，形成一个齿轮圆环缝隙(5)，齿轮圆环缝隙(5)形成两个尺寸不同的电流路径，齿轮圆环缝隙(5)外侧圆周周长决定天线的低频谐振频率，齿轮圆环缝隙(5)内侧圆周周长决定天线的高频谐振频率，合理的调整齿轮圆环缝隙(5)外侧圆周和内侧圆周的尺寸可以调节风车形开路圆环结构馈源终端(2)与齿轮圆环缝隙(5)之间的耦合能量，从而调节天线低频和高频谐振频率，齿轮圆环缝隙(5)的两种电流路径被风车形开路圆环结构馈源终端(2)形成的圆极化场激励后产生双频带的圆极化特性；所述的同轴接头(6)位于介质基板(1)下端中心轴上，同轴接头(6)分别与矩形微带馈线(3)和齿轮圆环缝隙地板(4)的下边缘相连接。

所述的风车形开路圆环结构馈源终端(2)位于介质基板中心位置，圆环的圆心位于介质基板(1)中心o1位置，圆环的外圆半径r1为4.1mm～4.7mm，圆环的内圆半径r2为3.3mm～4mm，圆环外侧加载的倒l形结构叶片左矩形长度l3为2.6mm～3.4mm，倒l形结构叶片左矩形宽度w2为0.8mm～1.4mm，倒l形结构叶片右矩形长度l2为1mm～1.4mm，倒l形结构叶片右矩形宽度w3为0.7mm～1.1mm，缝隙中轴线与介质基板(1)中轴线的夹角θ为42度～48度。

所述的矩形微带馈线(3)的矩形导带长度l1为13.2mm～13.8mm，宽度w1为2.1mm～2.7mm。

所述的齿轮圆环缝隙地板(4)的圆环缝隙外圆半径r3为8.8mm～9.6mm，圆环缝隙内圆半径r4为3.8mm～4.4mm，圆环缝隙外侧圆周八个矩形槽的长度l4为2.4mm～2.9mm，宽度w5为4.5mm～5.1mm，圆环缝隙内侧圆周十二个矩形槽的长度l5为0.6mm～1.1mm，宽度w6为1.2mm～1.8mm。

实施例：具体制作过程如实施方式所述。选择fr4环氧树脂介质基板，介电常数εr＝4.4，厚度h＝1.6mm，金属层厚度为0.04mm，同轴接头采用标准sma接头。介质基板长l＝36mm、宽w＝36mm。风车形开路圆环结构馈源终端(2)位于介质基板中心位置，风车形开路圆环结构馈源终端(2)中心为一个圆环结构，圆环的圆心位于介质基板(1)中心o1位置，圆环的外圆半径r1为4.4mm，圆环的内圆半径r2为3.7mm。圆环外侧加载倒l形结构叶片，均匀分布在圆环外侧，各个叶片之间的夹角为45度，在圆环右下角开一缝隙形成开路结构，缝隙中轴线与介质基板(1)中轴线的夹角为θ，圆环外侧加载的倒l形结构叶片左矩形长度l3为3mm，倒l形结构叶片左矩形宽度w2为1.2mm，倒l形结构叶片右矩形长度l2为1.2mm，倒l形结构叶片右矩形宽度w3为0.9mm，缝隙中轴线与介质基板(1)中轴线的夹角θ为45度。风车形开路圆环结构馈源终端(2)的倒l形叶片结构可以在多个方向产生电流分量，同时也可以中和矩形微带馈线(3)产生的额外的电抗分量，改善天线阻抗匹配特性，风车形开路圆环结构馈源终端(2)的开路结构能够使多个方向的电流分量在同一模式的一个周期中向同一方向旋转，从而形成圆极化场对介质基板(1)背面的齿轮圆环缝隙(5)产生左旋激励，合理调整结构尺寸可以使相位和幅度满足圆极化要求。矩形微带馈线(3)的矩形导带长度l1为13.6mm，宽度w1为2.3mm。齿轮圆环缝隙地板(4)在介质基板(1)背面开一圆环缝隙，圆环的圆心位于介质基板(1)中心o1位置，圆环缝隙外圆半径r3为9.2mm，圆环缝隙内圆半径r4为4.2mm。在圆环缝隙外侧圆周上开八个矩形槽，八个矩形槽的长度l4为2.7mm，宽度w5为4.8mm，在圆环缝隙内侧圆周上开十二个矩形槽，十二个矩形槽的长度l5为0.8mm，宽度w6为1.6mm，圆环缝隙外侧圆周和内侧圆周上的矩形槽均以相等角度沿外侧和内侧圆周均匀分布，形成一个齿轮圆环缝隙(5)。齿轮圆环缝隙(5)形成两个尺寸不同的电流路径，齿轮圆环缝隙(5)外侧圆周周长决定天线的低频谐振频率，齿轮圆环缝隙(5)内侧圆周周长决定天线的高频谐振频率，合理的调整齿轮圆环缝隙(5)外侧圆周和内侧圆周的尺寸可以调节风车形开路圆环结构馈源终端(2)与齿轮圆环缝隙(5)之间的耦合能量，从而调节天线低频和高频谐振频率，齿轮圆环缝隙(5)的两种电流路径被风车形开路圆环结构馈源终端(2)形成的圆极化场激励后产生双频带的圆极化特性。

利用hfss软件对天线模型进行分析，对主要参数倒l形结构叶片左矩形长度l3、右矩形宽度w3、圆环缝隙外侧圆周八个矩形槽的长度l4、宽w5、圆环缝隙内侧圆周十二个矩形槽的长度l5、宽w6进行分析，通过调节这六个参数来调节各频段轴比和阻抗带宽，改善圆极化和阻抗匹配特性。

由于l3与w3之和为l形叶片结构的总体长度，所以选取倒l形结构叶片左矩形长度l3、右矩形宽度w3分析对天线轴比的影响，如图3所示，分别选取l3＝2.6mm、w3＝0.7mm、l3＝3mm、w3＝0.9mm和l3＝3.4mm、w3＝1.1mm这三种情况对天线轴比进行分析，从图3中可以看出，调整l形叶片结构的总体长度对天线的轴比影响较大，使多个方向的电流分量在同一模式的一个周期中向同一方向旋转，改变了风车形开路圆环结构馈源终端与齿轮圆环缝隙之间的电场，对齿轮圆环缝隙产生左旋激励，轴比最小值随l形叶片结构总体尺寸的增加先减小后增加，主要是l形叶片结构总体尺寸的改变引起了电流分量方向的改变，导致对齿轮圆环缝隙的激励也发生了变化，当l3＝3mm、w3＝0.9mm时，天线在3.5ghz和5.5ghz频带范围内的圆极化性能达到最佳。

由于外侧圆周八个矩形槽的长度l4、宽w5对齿轮圆环缝隙外侧尺寸影响较大，所以选择圆环缝隙外侧圆周八个矩形槽的长度l4、宽w5分析对天线反射系数s11的影响，如图4所示，分别选取l4＝2.5mm、w5＝4.5mm、l4＝2.7mm、w5＝4.8mm和l4＝2.9mm、w5＝5.1mm这三种情况对天线反射系数进行分析，从图4中可以看出，随齿轮圆环缝隙外侧尺寸的增加，低频段谐振点向高频方向偏移，谐振程度加深，对高频段谐振程度和带宽影响较小，原因是齿轮圆环缝隙外侧尺寸的增加使3.5ghz频段对应的电流路径增加，在低频段天线表面电流主要集中在齿轮圆环缝隙外侧边缘，引起低频段谐振点和谐振程度发生变化。当l4＝2.7mm、w5＝4.8mm时，天线在低频段的带宽和阻抗匹配良好。

由于内侧圆周十二个矩形槽的长度l5、宽w6对齿轮圆环缝隙内侧尺寸影响较大，所以选择圆环缝隙内侧圆周十二个矩形槽的长度l5、宽w6分析对天线反射系数s11的影响，如图5所示，分别选取l5＝0.6mm、w6＝1.4mm、l5＝0.8mm、w6＝1.6mm和l5＝1.0mm、w6＝1.8mm这三种情况对天线反射系数进行分析，从图5中可以看出，随齿轮圆环缝隙内侧尺寸的增加，高频段谐振点向低频方向偏移，谐振程度加深，对低频段谐振程度和带宽影响较小，原因是齿轮圆环缝隙内侧尺寸的增加使5.5ghz频段对应的电流路径增加，在高频段天线表面电流主要集中在齿轮圆环缝隙内侧边缘，引起高频段谐振点和谐振程度发生变化。当l5＝0.8mm、w6＝1.6mm时，天线在高频段的带宽和阻抗匹配良好。

风车形开路圆环结构馈源终端一个周期内的电流分布如图6、图7、图8、图9所示，从图中可以看出，能量通过齿轮圆环缝隙耦合到上方的风车形开路圆环结构馈源终端，多个方向的电流分量在同一模式的一个周期中向同一方向旋转，沿顺时针方向相隔的两个l形叶片结构相位相差90度，风车形开路圆环结构馈源终端辐射的是左旋极化波，对齿轮圆环缝隙产生左旋激励。

使用矢量网络分析仪测试天线的反射系数，反射系数s11随频率的变化曲线与仿真结果对比如图10所示，反射系数s11小于-10db的阻抗带宽仿真结果在低频段为3.29ghz～3.87ghz，中心谐振频率为3.50ghz，谐振峰强度分别为-28.8db，在高频段为4.98ghz～5.96ghz，中心谐振频率为5.50ghz，谐振峰强度分别为-38.6db，实测结果在低频段为3.25ghz～3.86ghz，中心谐振频率为3.48ghz，谐振峰强度分别为-32.3db，阻抗带宽覆盖wimax(3.3ghz～3.7ghz)频段，在高频段为5.08ghz～5.92ghz，中心谐振频率为5.53ghz，谐振峰强度分别为-42.4db，阻抗带宽覆盖wlan(5.15ghz～5.825ghz)频段，产生了双频带特性，能够满足天线的工作需求。实测结果与仿真结果虽然存在一定差别，低频段实测与仿真带宽基本保持一致，高频段实测比仿真带宽略窄一些，但两个频段的实测与仿真结果一致性达到了设计要求。

实测轴比曲线与仿真值比较如图11所示，仿真的3db轴比带宽低频段为3.25ghz～3.82ghz，在高频段为5.11ghz～5.84ghz，实测的3db轴比带宽低频段为3.32ghz～3.73ghz，在高频段为5.13ghz～5.89ghz，实测轴比的最小值与仿真轴比最小值相比向高频方向偏移量约为0.07ghz，偏移的原因主要是测试误差和加工误差所导致，实测与仿真的3db轴比带宽的一致性良好，天线在两个频段范围内轴比特性良好。

对天线在3.48ghz、5.53ghz两个频率点处的e面和h面辐射方向图进行测试，检验天线的辐射特性，实测方向图如图12、图13、图14、图15所示。从图中可以看出，方向图显示天线的左旋圆极化特性良好，主要是风车形开路圆环结构馈源终端通过齿轮圆环缝隙耦合较大的能量，形成的圆极化场对齿轮圆环缝隙的激励比较强，天线在两个频段内保持较好的圆极化辐射特性。