小型化寬帶高增益圓極化微帶天線的制作方法
【專利摘要】本發明公開一種小型化寬帶高增益圓極化微帶天線，包括自上而下呈間隔設置的寄生層、輻射層、饋電層和金屬反射層；且寄生層、輻射層、饋電層和金屬反射層的中心位于同一條垂線上；饋電層由饋電介質基板、微帶饋線和金屬地板所構成，金屬地板上開設有雙Y型縫隙；輻射層由輻射介質基板和輻射金屬貼片所構成；寄生層由寄生介質基板和寄生金屬貼片所構成；輻射金屬貼片和寄生金屬貼片上開有矩形槽；金屬反射層由金屬反射板所構成。本天線的體積較小，結構簡單、易于加工，適用于寬帶通信、衛星通信等領域。
【專利說明】
小型化寬帶高増益圓極化微帶天線
技術領域
[0001]本發明涉及天線技術領域，具體涉及一種小型化寬帶高增益圓極化微帶天線。
【背景技術】
[0002]隨著無線通信技術發展，小型化寬帶高增益圓極化天線越來越受到關注。因為圓極化微帶天線有其獨特的優勢而被廣泛的應用在這些通信領域中，能滿足在衛星通信、雷達、電子對抗等各方面更嚴格和更精密的要求。然而，圓極化微帶天線3dB軸比帶寬一般只有2%左右，且單元增益一般為4_6dBi左右，則需組成陣列以獲得高增益，不利于微帶天線與載體的共形設計以及小型化的發展需求，更是使得天線結構復雜或者無法實現圓極化。
[0003]近幾年來，有很多關于小型化與擴展圓極化微帶天線帶寬技術的研究。如公告號為CN104993227A的中國發明專利申請公開的“小尺寸寬帶圓極化貼片天線”，該天線開多個槽可以實現圓極化天線的小型化，但軸比帶寬僅為3.8%，駐波帶寬僅為6.8%，遠未達到寬帶通信的需要。而公告號為CN104112898A的中國發明專利申請公開的“新型小型化超寬帶圓極化天線”，采用平面等角螺旋與球面螺旋結構，可以實現I?20GHz的超寬帶，但天線帶內增益在6dB左右，達不到高增益的需要。
【發明內容】
[0004]本發明所要解決的技術問題是現有天線存在阻抗帶寬與軸比帶寬窄、尺寸大和增益低等的問題，提供一種小型化寬帶高增益圓極化微帶天線。
[0005]為解決上述問題，本發明是通過以下技術方案實現的:
[0006]小型化寬帶高增益圓極化微帶天線，包括自上而下呈間隔設置的寄生層、輻射層、饋電層和金屬反射層;且寄生層、輻射層、饋電層和金屬反射層的中心位于同一條垂線上；上述饋電層由饋電介質基板、微帶饋線和金屬地板所構成;微帶饋線位于饋電介質基板的下表面的中部;金屬地板為規則的正方形，并覆于饋電介質基板上表面;金屬地板的中部開設有一個呈中心對稱的雙Y形縫隙;上述福射層由福射介質基板和福射金屬貼片所構成;福射金屬貼片為一組對角為切角的正方形，并覆于輻射介質基板的上表面;輻射金屬貼片的中央開設有一個輻射貼片矩形槽，該矩形槽的延伸方向與微帶饋線的延伸方向相垂直;上述寄生層由寄生介質基板和寄生金屬貼片所構成;寄生金屬貼片為一組對角為切角的正方形，并覆于寄生介質基板的下表面;寄生金屬貼片的中央開設有一個寄生貼片矩形槽，該矩形槽的延伸方向與微帶饋線的延伸方向相平行;上述金屬反射層由金屬反射板所構成;該金屬反射板與寄生介質基板、福射介質基板和饋電介質基板的表面形狀和表面尺寸均一致。
[0007]上述方案中，金屬反射板、寄生介質基板、福射介質基板和饋電介質基板的表面形狀均為規則的正方形。
[0008]上述方案中，輻射金屬貼片的邊長大于寄生金屬貼片的邊長。
[0009]上述方案中，輻射金屬貼片的切角即寄生貼片切角與寄生金屬貼片的切角即輻射貼片切角方向相一致。
[0010]上述方案中，輻射貼片矩形槽與寄生貼片矩形槽的寬度相等，輻射貼片矩形槽的長度大于寄生貼片矩形槽的長度。
[0011]上述方案中，所述雙Y形縫隙由I條傾斜枝節、2條相互平行的縱向枝節、以及2條相互平行的橫向枝節組成；I條縱向枝節的端點與I條橫向枝節的端點垂直相交于傾斜枝節的I個端點，另I條縱向枝節的端點與另I條橫向枝節的端點垂直相交于傾斜枝節的另I個端點。
[0012]上述方案中，傾斜枝節、縱向枝節和橫向枝節的寬度相等，縱向枝節的長度長于橫向枝節的長度。
[0013]上述方案中，所述微帶饋線的中線與饋電介質基板中線重合。
[0014]上述方案中，微帶饋線的一端與饋電介質基板的邊緣平齊，微帶饋線的另一端延伸地連接有一條微帶匹配線，微帶匹配線的寬度與微帶饋線相同。
[0015]上述方案中，饋電介質基板的下表面與金屬反射板的上表面之間距離為λο/4，其中λο為天線中心頻率波長。
[0016]與現有技術相比，本發明通過開有雙Y型縫隙的金屬接地板進行耦合饋電。通過調節傾斜的雙Y型縫隙兩枝節的長度，即依靠兩分叉枝節長度的差異激勵起正交簡并模，形成右旋圓極化(RHCP)輻射。金屬反射板可以使天線實現定向輻射，提高天線增益。通過增加寄生貼片的層疊結構，擴展天線的阻抗帶寬，對兩貼片切角，進一步增加天線的3dB軸比帶寬。再對兩貼片開矩形槽，使得兩貼片的表面電流繞槽邊迂回流過，電流流過的路徑變長，等效增加了貼片的尺寸，實現天線的小型化。該天線工作于4.1?5.7GHz，天線在整個頻段內VSWR<2，帶內增益在9.5dB左右，在4.4?5.4GHz頻帶范圍內，AR〈3，且天線的體積較小，結構簡單、易于加工，適用于寬帶通信、衛星通信等領域。
【附圖說明】
[0017]圖1為小型化寬帶高增益圓極化微帶天線的結構展開示意圖。
[0018]圖2為小型化寬帶高增益圓極化微帶天線的饋電層的結構示意圖。
[0019]圖3為小型化寬帶高增益圓極化微帶天線的輻射層的結構示意圖。
[0020]圖4為小型化寬帶高增益圓極化微帶天線的寄生層的結構示意圖。
[0021]圖5為小型化寬帶高增益圓極化微帶天線的Sll曲線。
[0022]圖6為小型化寬帶高增益圓極化微帶天線的軸比(AR)曲線。
[0023]圖7為小型化寬帶高增益圓極化微帶天線的增益(Gain)曲線。
[0024]圖8為小型化寬帶高增益圓極化微帶天線在中心頻率處仿真的輻射方向圖。
[0025]圖中標號:
[0026]1、寄生層；1-1、寄生介質基板；1-2、寄生金屬貼片；1-2-1、寄生貼片矩形槽；1-2-2、寄生貼片切角；
[0027]2、輻射層;2-1、輻射介質基板;2-2、輻射金屬貼片；2-2-1、輻射貼片矩形槽;2-2-
2、輻射貼片切角；
[0028]3、饋電層;3-1、饋電介質基板;3-2、金屬地板;3_2_1、雙Y形縫隙；3_2_1_1、傾斜枝節;3-2-1-2、縱向枝節;3-2-1-3、橫向枝節;3-3、微帶饋線;3-4、微帶匹配線；
[0029]4、金屬反射層。
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖及【具體實施方式】對本發明進行詳細說明，本實施例在以發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0031]小型化寬帶高增益圓極化微帶天線，如圖1所示，包括自上而下呈間隔設置的寄生層1、輻射層2、饋電層3和金屬反射層4。且寄生層1、輻射層2、饋電層3和金屬反射層4的中心位于同一條垂線上。
[0032]參見圖2，上述饋電層3由饋電介質基板3-1、微帶饋線3-3、微帶匹配線3-4和金屬地板3-2所構成。微帶饋線3-3和微帶匹配線3-4均為帶狀金屬微帶線，并位于饋電介質基板3-1的下表面的中部。微帶饋線3-3的中線與饋電介質基板3-1對邊線重合。微帶饋線3-3和微帶匹配線3-4處于同一條直線上，微帶匹配線3-4的寬度與微帶饋線3-3相同。微帶饋線3-3的一端與饋電介質基板3-1的邊緣平齊，微帶饋線3-3的另一端與微帶匹配線3-4的一端連接，微帶匹配線3-4的另一端開路。為了確保匹配到端口阻抗為50歐姆，經過優化，微帶匹配線3-4的線寬值為2.5mm，微帶匹配線3-4的長度為10mm，使天線各項性能達到要求。金屬地板3-2為規則的正方形，并覆于饋電介質基板3-1上表面。金屬地板3-2的中部開設有一個呈中心對稱的雙Y形縫隙3-2-1。所述雙Y形縫隙3-2-1由I條傾斜枝節3-2-1-1、2條相互平行的縱向枝節3-2-1-2、以及2條相互平行的橫向枝節3-2-1-3組成。I條縱向枝節3-2-1-2的端點與I條橫向枝節3-2-1-3的端點垂直相交于傾斜枝節3-2-1-1的I個端點，另I條縱向枝節3-2-1-2的端點與另I條橫向枝節3-2-1-3的端點垂直相交于傾斜枝節3-2-1-1的另I個端點。縱向枝節3-2-1-2與微帶饋線3-3平行，橫向枝節3-2-1-3與傾斜枝節3-2-1-1的夾角為125°。雙Y形縫隙3-2-1傾斜位于地板上，與微帶饋線3-3存在一定的夾角，此時帶有雙Y形縫隙3-2-1的金屬地板3-2形成一個非對稱結構，有利于實現圓極化。縱向枝節3-2-1-2的長度長于橫向枝節3-2-1-3的長度。在本發明優選實施例中，縱向枝節3-2-1-2的長度與橫向枝節3-2-1-3的長度相差2_，這長度的差異激勵起簡并模，可輻射出右旋圓極化波(RHCP)。同時，為了保證低的后向輻射，傾斜枝節3-2-1-1、縱向枝節3-2-1-2和橫向枝節3-2-1-3的寬度相等，寬度均選擇0.8mm，天線的定向福射最好。
[0033]參見圖3，上述輻射層2由輻射介質基板2-1和輻射金屬貼片2-2所構成。輻射金屬貼片2-2為一組對角為切角的正方形，并覆于輻射介質基板2-1的上表面。在本發明優選實施例中，福射金屬貼片2-2的覆蓋面積小于福射介質基板2-1的表面積。福射金屬貼片2-2的中央開設有一個輻射貼片矩形槽2-2-1，該矩形槽的延伸方向與微帶饋線3-3的延伸方向相垂直。
[0034]參見圖4，上述寄生層I由寄生介質基板1-1和寄生金屬貼片1-2所構成。寄生金屬貼片1-2為一組對角為切角的正方形，并覆于寄生介質基板1-1的下表面。在本發明優選實施例中，寄生金屬貼片1-2的覆蓋面積小于寄生介質基板1-1的表面積。寄生金屬貼片1-2的中央開設有一個寄生貼片矩形槽1-2-1，該矩形槽的延伸方向與微帶饋線3-3的延伸方向相平行。寄生金屬貼片1-2使得天線增加了一個新的諧振頻率，該頻率比輻射層2輻射的頻率要低，適合用來覆蓋為較為低頻的輻射帶寬，當兩層輻射層2的金屬貼片諧振頻率相近時，就可擴展天線的阻抗帶寬。
[0035]輻射金屬貼片2-2和寄生金屬貼片1-2的形狀相同，即輻射金屬貼片2-2和寄生金屬貼片1-2均是由一個規則的正方形切掉一組對角而成，其中所形成的切角寄生貼片切角1-2-2和輻射貼片切角2-2-2均為45°。輻射金屬貼片2-2和寄生金屬貼片1-2的切角面積根據公式I AS/S|Qo = 0.5來確定，其中AS其中為切角面積，S為貼片面積，Qo為天線的品質因數。此外，輻射金屬貼片2-2的切角與寄生金屬貼片1-2的切角方向也相一致。引入切角結構，進一步增大圓極化性能。其中，上層貼片切角寬度為6mm，輻射貼片切角2-2-2寬度為5mm。福射金屬貼片2-2和寄生金屬貼片1-2的尺寸不同，福射金屬貼片2_2的邊長大于寄生金屬貼片1-2的邊長，上述輻射金屬貼片2-2和寄生金屬貼片1-2的邊長指的是沒有切掉對角時的規則正方形的邊長。在本發明優選實施例中，輻射金屬貼片2-2的邊長為:L = c/[2f0^1/2]-2 AL，其中c是真空中光束，^是介質板材料等效介電常數，AL是等效貼片長度伸長，fo為中心頻率;而寄生金屬貼片1-2的邊長比輻射金屬貼片2-2小1mm。此外，輻射貼片矩形槽2-2-1與寄生貼片矩形槽1-2-1的寬度相等，輻射貼片矩形槽2-2-1的長度大于寄生貼片矩形槽1-2-1的長度。在本發明優選實施例中，寄生金屬貼片1-2和輻射金屬貼片2-2的耦合間距為3mm。矩形槽使得兩貼片的表面電流繞槽邊迂回流過，電流流過的路徑變長，等效增加了貼片的尺寸，使貼片小型化。其中寄生金屬貼片1-2矩形槽的長為7mm，寬為Imm，福射金屬貼片2-2的矩形槽的長為1mm，寬為1_。
[0036]在本發明優選實施例中，寄生介質基板1-1、輻射介質基板2-1和饋電介質基板3-1的形狀相同，均為規則的正方形，長寬均為35mm。寄生介質基板1-1、輻射介質基板2-1和饋電介質基板3-1的尺寸(包括表面尺寸和厚度)也相同。寄生介質基板1-1、輻射介質基板2-1和饋電介質基板3-1三者均采用的材料是F4B-2聚四氟乙烯板，其相對介電常數^為2.65，厚度h為1mm，損耗角正切為0.009。
[0037]上述金屬反射層4由金屬反射板所構成。該金屬反射板與寄生介質基板1-1、福射介質基板2-1和饋電介質基板3-1的表面形狀相一致，即金屬反射板為規則的正方形。金屬反射板與寄生介質基板1-1、輻射介質基板2-1和饋電介質基板3-1的表面尺寸即邊長相同。此外，金屬反射板與寄生介質基板1-1、輻射介質基板2-1和饋電介質基板3-1的厚度可以相同也可以不同，在本發明優選實施例中，金屬反射板、寄生介質基板1-1、輻射介質基板2-1和饋電介質基板3-1的厚度相同。饋電介質基板3-1的下表面與金屬反射板的上表面之間距離為λο/4，其中λο為天線中心頻率波長。金屬反射板可以使天線實現定向輻射，提高天線增益。
[0038]圖5-7分別是本發明的阻抗帶寬、軸比帶寬和增益特性圖。天線的其中心頻率為4.9GHz。本發明可實現的阻抗帶寬為32.7% (4.1-5.7GHZ)，3dB軸比帶寬達20.8% (4.4-5.4GHZ)，帶內增益約為9.5dBi。且天線貼片面積縮減42.5%。該天線具有小型化以及良好的寬帶高增益性能和圓極化輻射特性。圖8為本發明的輻射方向圖。天線定向性好，3dB波束寬度達75°，交叉極化電平小于_25dBi。
【主權項】
1.小型化寬帶高增益圓極化微帶天線，其特征在于:包括自上而下呈間隔設置的寄生層(I)、輻射層(2)、饋電層(3)和金屬反射層(4);且寄生層(I)、輻射層(2)、饋電層(3)和金屬反射層(4)的中心位于同一條垂線上； 上述饋電層(3)由饋電介質基板(3-1)、微帶饋線(3-3)和金屬地板(3-2)所構成;微帶饋線(3-3)位于饋電介質基板(3-1)的下表面的中部;金屬地板(3-2)為規則的正方形，并覆于饋電介質基板(3-1)上表面;金屬地板(3-2)的中部開設有一個呈中心對稱的雙Y形縫隙(3-2-1)； 上述福射層(2)由福射介質基板(2-1)和福射金屬貼片(2-2)所構成;福射金屬貼片(2-2)為一組對角為切角的正方形，并覆于輻射介質基板(2-1)的上表面;輻射金屬貼片(2-2)的中央開設有一個輻射貼片矩形槽(2-2-1)，該矩形槽的延伸方向與微帶饋線(3-3)的延伸方向相垂直； 上述寄生層(I)由寄生介質基板(1-1)和寄生金屬貼片(1-2)所構成;寄生金屬貼片(1-2)為一組對角為切角的正方形，并覆于寄生介質基板(1-1)的下表面;寄生金屬貼片(1-2)的中央開設有一個寄生貼片矩形槽(1-2-1)，該矩形槽的延伸方向與微帶饋線(3-3)的延伸方向相平行； 上述金屬反射層(4)由金屬反射板所構成；該金屬反射板與寄生介質基板(1-1 )、輻射介質基板(2-1)和饋電介質基板(3-1)的表面形狀和表面尺寸均一致。2.根據權利要求1所述的一種小型化寬帶高增益圓極化微帶天線，其特征在于:金屬反射板、寄生介質基板(1-1)、輻射介質基板(2-1)和饋電介質基板(3-1)的表面形狀均為規則的正方形。3.根據權利要求1所述的一種小型化寬帶高增益圓極化微帶天線，其特征在于:輻射金屬貼片(2-2)的邊長大于寄生金屬貼片(1-2)的邊長。4.根據權利要求1所述的一種小型化寬帶高增益圓極化微帶天線，其特征在于:輻射金屬貼片(2-2)的切角即寄生貼片切角(1-2-2)與寄生金屬貼片(1-2)的切角即輻射貼片切角(2-2-2)方向相一致。5.根據權利要求1所述的一種小型化寬帶高增益圓極化微帶天線，其特征在于:輻射貼片矩形槽(2-2-1)與寄生貼片矩形槽(1-2-1)的寬度相等，輻射貼片矩形槽(2-2-1)的長度大于寄生貼片矩形槽(1-2-1)的長度。6.根據權利要求1所述的一種小型化寬帶高增益圓極化微帶天線，其特征在于:所述雙Y形縫隙(3-2-1)由I條傾斜枝節(3-2-1-1)、2條相互平行的縱向枝節(3-2-1-2)、以及2條相互平行的橫向枝節(3-2-1-3)組成；I條縱向枝節(3-2-1-2)的端點與I條橫向枝節(3-2-1-3)的端點垂直相交于傾斜枝節(3-2-1-1)的I個端點，另I條縱向枝節(3-2-1-2)的端點與另I條橫向枝節(3-2-1-3)的端點垂直相交于傾斜枝節(3-2-1-1)的另I個端點。7.根據權利要求6所述的一種小型化寬帶高增益圓極化微帶天線，其特征在于:傾斜枝節(3-2-1-1)、縱向枝節(3-2-1-2)和橫向枝節(3-2-1-3)的寬度相等，縱向枝節(3-2-1-2)的長度長于橫向枝節(3-2-1 -3)的長度。8.根據權利要求1所述的一種小型化寬帶高增益圓極化微帶天線，其特征在于:所述微帶饋線(3-3)的中線與饋電介質基板(3-1)的中線重合。9.根據權利要求1所述的一種小型化寬帶高增益圓極化微帶天線，其特征在于:微帶饋線(3-3)的一端與饋電介質基板(3-1)的邊緣平齊，微帶饋線(3-3)的另一端延伸地連接有一條微帶匹配線(3-4)，微帶匹配線(3-4)的寬度與微帶饋線(3-3)相同。10.根據權利要求1所述的一種小型化寬帶高增益圓極化微帶天線，其特征在于:饋電介質基板(3-1)的下表面與金屬反射板的上表面之間距離為λο/4，其中λο為天線中心頻率波長。
【文檔編號】H01Q1/38GK105896091SQ201610396564
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月7日
【發明人】姜興, 韋佳, 彭麟, 廖欣, 李曉峰, 仇玉杰, 王昆鵬, 康波, 謝繼楊, 郭立偉
【申請人】桂林電子科技大學