一種低比吸收率的圓極化可共形天線及制作方法與流程

本發明涉及天線技術領域，更具體地，涉及一種低比吸收率的圓極化可共形天線即制作方法。

背景技術：

天線是無線通信設備中發出和接收無線信號的重要器件。隨著移動通信的飛速發展，以及可共形設備越來越多的應用在日常生活和軍事中，對天線的設計要求也在不斷提高。對于可共形設備中的天線，要求其具有較小的尺寸，與人體表面共形時保證一定的工作性能，并且盡量降低對人體的電磁輻射，減小天線的比吸收率。天線的極化一般包括線極化和圓極化，考慮到天線隨人體在空間中位置變換不定，采用圓極化天線能夠在一定程度上保持設備信號的穩定性。一般通過對饋電端口或是天線結構的設計來使得天線上的電流在正交方向上滿足一定的相位關系，從而實現圓極化輻射。超表面或頻率選擇表面由于具有不同于一般媒質的特殊的電磁特性，常加入到天線的設計中，用以改善天線的某些工作特性。高阻抗表面是其中一種，通常由統一尺寸的單元表面結構組陣構成。通過調節單元結構的尺寸及單元間距可以控制正入射的電磁波的反射相位，從而與全向天線組合可以實現具有低剖面的定向天線。天線設計中加入有特殊電磁特性的復合材料，可以用于減小天線尺寸或增加工作帶寬等。將具有較高的介電常數和大于1的磁導率的復合材料用作天線的基板時，根據慢波原理，可以減小天線的尺寸。本發明采用的復合材料在工作頻帶內相對介電常數為12，相對磁導率為2.7。由于材料具有一定損耗，故放置在天線和人體之間，雖然會降低天線的增益，但是可以在減小整個天線的尺寸的同時，吸收天線輻射向人體的電磁波。

技術實現要素：

本發明提供一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的低比吸收率的圓極化可共形天線及制作方法，通過雙正交偶極子實現圓極化，同時加入復合材料和高阻抗表面對天線的輻射特性進行控制，利用復合材料較高的電磁參數來減小天線整體的尺寸，并配合高阻抗表面降低天線的背向輻射，降低比吸收率，同時增加天線的定向輻射。

根據本發明的一個方面，提供一種低比吸收率的圓極化可共形天線，包括用于激勵電磁波的天線振子以及與天線振子相貼合的用于反射電磁波的阻抗結構。

作為優選的，所述天線振子為圓極化天線振子，包括兩個正交連接的偶極子。

作為優選的，所述每個偶極子包括兩個諧振臂，所述諧振臂一側設有終端加載部，所述每個諧振臂都為彎折結構，所述終端加載部為弧形結構。

作為優選的，所述兩個偶極子的連接點處設有饋電點，所述每個偶極子的兩個諧振臂連接所述饋電點且在饋電點處呈中心對稱。

作為優選的，還包括第一柔性材料層，所述天線振子設于第一柔性材料層一側表面，所述第一柔性材料層的另一側接觸高阻抗表面的金屬單元結構。

作為優選的，所述阻抗結構包括依次層疊的金屬單元層、第二柔性材料層、柔性復合材料層和金屬底板層，所述金屬單元層另一側層疊第一柔性材料層。

作為優選的，所述第一柔性材料層和第二柔性材料層為柔性PE材料；所述第一柔性材料層、第二柔性材料層和柔性復合材料層厚度均為2mm。

一種低比吸收率的圓極化可共形天線制作方法，包括以下步驟：

S1、制作正交的雙偶極子天線；

S2、制作阻抗結構；

S3、將雙偶極子天線和阻抗結構貼合。

作為優選的，其特征在于，所述步驟S1具體包括：將兩個偶極子正交擺放，調整尺寸參數和工作頻段，使兩個偶極子上的電流分布相差90°相位，將四個諧振臂連接起來，并在連接點進行饋電。

作為優選的，其特征在于，所述步驟S3還包括：對天線進行調試，微調偶極子諧振臂的長度和終端加載部的寬度，對天線回波損耗和極化特性進行調整。

與現有技術相比，本發明的有益效果在于：本發明通過雙正交偶極子實現圓極化，同時加入復合材料和高阻抗表面對天線的輻射特性進行控制。偶極子易于設計和制作加工，并可以通過對偶極子諧振臂的合理彎折來減小天線尺寸。利用結合復合材料較高的電磁參數來減小天線整體的尺寸，并配合高阻抗表面降低天線的背向輻射，降低比吸收率，同時增加天線的定向輻射。

附圖說明

圖1為本發明實施例中圓極化天線結構框圖；

圖2為本發明實施例中正交雙偶極子天線振子結構框圖；

圖3位本發明實施例中制作方法流程圖；

圖4為本發明實施例中阻抗結構的金屬單元對正入射波的反射相位和工作頻率變化示意圖；

圖5位本發明實施例中回波損耗和工作頻率變化示意圖；

圖6為本發明實施例中軸比和工作頻率變化示意圖；

圖7為本發明實施例中天線在三個相互正交的坐標平面上的輻射方向示意圖；

圖8位本發明實施例中天線貼附在半徑為40mm的圓柱面上的天線的回波損耗圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。

圖1示出了一種低比吸收率的圓極化可共形天線，包括用于激勵電磁波的天線振子1以及與天線振子連接用于反射電磁波的阻抗結構，所述阻抗結構厚度小，可作為表面結構貼合在天線振子上，通過高阻抗的表面結構，降低天線的背向輻射，降低比吸收率，同時增加天線的定向輻射。

如圖2所示，所述天線振子為圓極化天線振子，包括兩個正交連接的偶極子(圖中的11、12),在本實施例中，該天線的工作頻率為2.45GHz，3dB圓極化帶寬為100MHz。

在本實施例中，所述每個偶極子包括兩個諧振臂和連接諧振臂一側的終端加載部，通過終端加載部使兩個偶極子上的電流分布相差90°相位，形成圓極化輻射特性，所述每個諧振臂都為彎折結構，所述終端加載部為弧形結構，諧振臂和終端加載部都設計為彎折結構，減小了天線的整體尺寸，同時，可通過調整諧振臂的長度和終端加載部的寬度，進而進行天線回波損耗，極化特性的調整。

作為優選的，所述兩個偶極子的連接點處設有饋電點13，所述每個偶極子的兩個諧振臂連接所述饋電點13且在饋電點13處呈中心對稱。

在本實施例中，還包括第一柔性材料層2，所述天線振子1刻蝕于第一柔性材料層2一側表面，天線振子1和下方的第一柔性材料層2共同組成激勵電磁波的部分，所述第一柔性材料層2的另一側接觸高阻抗表面的金屬單元結構。

在本實施例中，所述阻抗結構包括依次層疊的金屬單元層3、第二柔性材料層4、柔性復合材料層5和金屬底板層6，所述金屬單元層3另一側層疊第一柔性材料層2。第一層是周期排布的平面金屬單元層3結構，第二層是作為緩沖的第二柔性材料層4，避免周期性金屬單元層3直接與有一定損耗的復合材料5接觸，導致反射電磁波的強度的降低，第三層即為復合材料層5，通過其具有的較高電磁參數來提高天線周圍的等效電磁參數，從而可以在一定程度上減小天線的尺寸，而且還可以利用復合材料自身的損耗來吸收天線的后向輻射，第四層為金屬底板層6。這四層組合在一起構成阻抗結構，用以產生特定的電磁波反射相位，降低天線的后向輻射。所述第一柔性材料層2和第二柔性材料層4為柔性PE材料；所述第一柔性材料層2、第二柔性材料層4和柔性復合材料5層厚度均為2mm。

將雙偶極子所在PE層置于阻抗結構的周期金屬單元層3之上，由于反射吸收部分的加入，原來設計好的圓極化天線工作頻率肯定會有偏移。在考慮兩部分結合的情況下，通過對天線尺寸的微調來讓天線整體工作在要求頻段內，并滿足一定的輻射性能。通過考慮與人體共形的情況來驗證天線具有低比吸收率，并且在彎曲的情況下依然能夠滿足一定的性能要求。

在本實施例中，采用的第一柔性材料層2、第二柔性材料層4和復合材料的厚度均為2mm。

圖3示出了一種低比吸收率的圓極化可共形天線制作方法，包括以下步驟：

S1、制作正交的雙偶極子天線；

S2、制作阻抗結構；

S3、將雙偶極子天線和阻抗結構貼合。

作為優選的，所述步驟S1具體包括：將兩個偶極子正交擺放，調整尺寸參數和工作頻段，通過終端加載部使兩個偶極子上的電流分布相差90°相位，形成圓極化輻射特性，將四個諧振臂連接起來，并在連接點進行饋電。

阻抗結構依次包括表面的金屬單元層、第二柔性材料層、復合材料層和底面的金屬底板層，對高阻抗表面結合復合材料的單元進行仿真，通過調整天線的尺寸和間隔得到在工作頻率2.45GHz附近，反射相位在135°到45°連續變化如圖4所示。

作為優選的，所述步驟S3還包括：對天線進行調試，微調偶極子諧振臂的長度和終端加載部的寬度，對天線回波損耗和極化特性進行調整。通過微調諧振臂的長度，和終端處加載部的寬度，可以得到天線回波損耗，極化特性均滿足工作要求的天線。并且具有一定的增益特性。天線的回波損耗和軸比分別如圖5和圖6，可以看出回波損耗小于-10dB，帶寬(2300MHz～2800MHz)大于300MHz，軸比小于3dB，帶寬(2350MHz～2620MHz)大于100MHz。圖7為天線在xoz、yoz和xoy平面方向圖(天線與xoy平面平行),從輻射方向圖中可以看出天線輻射的能量主要集中在圖中所示的正z方向，即背向人體的方向。天線具有較低的后瓣，從而輻射向人體的電磁波較少。在正z方向天線的增益為0.6dBi。圖8所示為天線貼附在半徑為40mm的圓柱面上的天線的回波損耗圖。可以看到在工作頻帶內依然能夠滿足小于-10dB的帶寬要求。

與現有技術相比，本發明的有益效果在于：本發明通過雙正交偶極子實現圓極化，同時加入復合材料和高阻抗表面對天線的輻射特性進行控制。偶極子易于設計和制作加工，并可以通過對偶極子諧振臂的合理彎折來減小天線尺寸。利用結合復合材料較高的電磁參數來減小天線整體的尺寸，并配合高阻抗表面降低天線的背向輻射，降低比吸收率，同時增加天線的定向輻射。

最后，本申請的方法僅為較佳的實施方案，并非用于限定本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。