一种基于共享贴片结构的宽带圆极化阵列天线

本发明属于无线通信，特别涉及一种基于共享贴片结构的宽带圆极化阵列天线。

背景技术：

1、圆极化贴片阵列天线的带宽包括阻抗匹配带宽、轴比带宽和3db增益带宽，三种带宽重合的部分才是圆极化贴片阵列天线的工作带宽，因此一般来说圆极化贴片阵列天线的工作带宽都比较窄，难以满足宽带无线通信系统需求；而带宽宽的圆极化贴片阵列天线也面临着尺寸较大，剖面较高的问题。目前许多已公开的圆极化阵列天线专利在工作带宽，馈电网络，增益，尺寸，剖面等多方面还存在着一些问题，例如高增益的阵列天线普遍存在着尺寸大，剖面高的缺点，轴比带宽宽的天线阵列往往对馈电网络的设计要求也比较高，贴片天线有剖面低，加工易的优点，但是阻抗带宽一般较窄。以下对一些已公开的专利和期刊论文分别做介绍：

2、中国专利公开号为cn110797650a的发明专利申请公开了一种具有顺序旋转馈电网络的圆极化天线阵列。该天线通过工作在不同频段的天线单元并与顺序旋转馈电网络相连接组成阵列天线，只需单层印制便于加工，但该天线的轴比相对带宽仅为10%，且工作带宽内增益不够平坦。

3、中国专利公开号为cn214672987u的发明专利申请公开了一种低轴比的微带圆极化阵列天线。该天线通过对矩形环双馈电以实现圆极化，并用一分四功分器连接四个天线单元以组成阵列天线，结构简单，便于加工，但该阵列天线的馈电结构较复杂，且轴比带宽只有300mhz。

4、中国专利公开号为cn214898852u的发明专利申请公开了一种紧凑型超宽带圆极化阵列天线。该天线通过使相邻的交叉偶极子单元的第一偶极子位于第二基板的不同侧且至少部分重叠的设置方式缩短了阵列天线中交叉偶极子单元之间的距离，从而减小阵列天线的总体尺寸，但该阵列天线的剖面高度接近23mm，难以应用在需要低剖面的小型移动设备上。

5、中国专利公开号为cn217158656u的发明专利申请公开了一种宽带圆极化环形天线。该天线为采用双面平行带线馈电网络设计的圆极化2×2阵列天线,结构简单,性能易优化,但为了提高天线的定向性,在基板的下方20mm处安装了一个作为反射器的金属板,并且最大辐射增益只有9.5dbic。

6、中国专利公开号为cn210838104u的发明专利申请公开了一种四振元圆极化微带平面阵列天线。该天线的馈电网络通过电长度依次递增的引线分别与各个矩形单元的馈电点相连接，形成不同的馈入方向以达到圆极化天线的馈电要求，降低了天线布局的复杂度。但该天线同样在基板的下方安装了一个金属反射板，这使得整体剖面升高。

7、中国专利公开号为cn112768882a的发明专利申请公开了一种基于双贴片加载的双波束圆极化阵列天线。该天线由四个相同的双波束圆极化阵列天线单元和一个一分四微带功率分配器组成,能够在两个俯仰面同时辐射出右旋圆极化电磁波,但该天线的-10db阻抗带宽只有100mhz，轴比带宽只有250mhz，最大辐射增益只有6.4dbi。

8、中国专利公开号为cn210006906u的发明专利申请公开了一种宽带圆极化阵列天线。该天线馈电网络中的枝条状贴片通过采用梯形正交结构，从而扩展了天线阻抗带宽和轴比带宽，相互垂直的结构也可以确保圆极化的产生。但这种馈电结构由于不连续性，辐射损耗较大。

9、以下对一些已发表的期刊论文做介绍，此处的λ0是指阻抗匹配带宽最低频率的自由空间波长。

10、doi号为10.1109/tap.2016.2560940的期刊论文low-profile circularlypolarized cavity-backed antennas using siw techniques发表了一种2×2圆极化阵列，它的尺寸大小为2.99λ0× 2.99λ0× 0.04λ0，阻抗匹配带宽为23.3%，轴比带宽为7.7%，最高增益为10.8 dbic。

11、doi号为10.1109/tap.2017.2689073的期刊论文35-ghz wideband circularlypolarized patch array on ltcc发表了一种2×2圆极化阵列，它的尺寸大小为1.52λ0×2.8λ0× 0.13λ0，阻抗匹配带宽为29.6%，轴比带宽为26%，最高增益为9.3 dbi。

12、doi号为10.1109/tap.2017.2710231的期刊论文a circularly polarized high-gain antenna with low rcs over a wideband using chessboard polarizationconversion metasurfaces发表了一种2×2圆极化阵列，它的尺寸大小为1.82λ0× 1.82λ0× 0.30λ0，阻抗匹配带宽为14.1%，轴比带宽为21%，3db增益带宽为11.1%，最高增益为11.2dbi。

13、doi号为10.1109/lawp.2019.2910657的期刊论文millimeter-wave circularlypolarized array antenna using substrate-integrated gap waveguide sequentiallyrotating phase feed发表了一种2×2圆极化阵列，它的尺寸大小为3.33λ0× 2.96λ0×0.19λ0，阻抗匹配带宽为25.6%，轴比带宽为19%，最高增益为11.5 dbic。

技术实现思路

1、针对背景技术中的问题，本发明的目的是在天线尽可能保持原有阻抗匹配优良特性的同时，通过共享贴片的结构来减少尺寸，从而实现一种尺寸较小且性能优异的宽带圆极化阵列天线，该天线同时具有高增益、宽频带、圆极化、低剖面，结构紧凑的优点。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于共享贴片结构的宽带圆极化阵列天线，包括四端口馈电网络、激励端口、0.8mm厚介质板、金属地板、1.5mm厚介质板、环形馈电结构、驱动贴片和寄生贴片，所述四端口馈电网络设置在0.8mm厚介质板的下表面，激励端口与四端口馈电网络相连，所述金属地板设置在0.8mm厚介质板的上表面，圆形槽蚀刻在金属地板的中间部分，所述环形馈电结构、驱动贴片和寄生贴片设置在1.5mm厚介质板的上表面，按照2x2阵列排列，所述0.8mm厚介质板和1.5mm厚介质板之间通过金属柱贯穿连通，所述金属柱两端分别连接四端口馈电网络和环形馈电结构。

4、优选地，所述驱动贴片的边长比寄生贴片的边长长。

5、进一步地，所述四端口馈电网络通过印制的方式设置在0.8mm厚介质板的下表面；所述金属地板通过印制的方式设置在0.8mm厚介质板的上表面。

6、进一步地，所述环形馈电结构、驱动贴片和寄生贴片通过印制的方式设置在1.5mm厚介质板的上表面。

7、进一步地，所述环形馈电结构包括切角环形和扇形条带，所述扇形条带提供90°相位差，运用电容耦合的方式激励驱动贴片和寄生贴片。

8、进一步地，所述四端口馈电网络带有八个微带线，微带线按宽度从大到小排序为：第一微带线＞第六微带线=第八微带线＞第三微带线＞第二微带线＞第五微带线＞第七微带线＞第四微带线；所述第八微带线与金属柱相连接。

9、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

10、1.本发明的圆极化贴片阵列天线通过使相邻天线单元之间共享贴片的方式来减少尺寸，在不影响辐射性能的前提下，所设计的2×2阵列尺寸可以从1.63λ0× 1.63λ0×0.04λ0减少到1.39λ0× 1.39λ0× 0.04λ0（λ0是指5.22 ghz的自由空间波长），结构更加紧凑，适合应用在小型的通信设备上。

11、2.本发明的圆极化贴片阵列天线阻抗匹配低于-10db的频段范围为5.22-7.49ghz，阻抗匹配相对带宽达到35.7％；轴比低于3db的频段范围为5.49-7.05ghz，轴比相对带宽达到24.9％；3db增益的频段范围为5.36-7.35ghz，3db增益相对带宽达到31.3％，在6.42ghz处达到最大增益12.6dbic。性能各方面表现优异，能满足宽带无线通信系统需求。

12、3.本发明的天线单元结构统一，通过合理布局可以组成比2×2更大的阵列，达到更高的增益和扩展带宽，而且天线类型为贴片，适用于多层印刷电路板（pcb）加工，非常易于大规模生产，因此在宽带无线通信系统中具有很好的应用前景。

13、4.本发明的圆极化贴片阵列基于顺序旋转技术排列分布，具有带宽宽，极化纯度高等优势，所配备四端口馈电网络分别给相邻贴片天线单元提供相同的幅度和90°的相位差。