空氣耦合低剖面圓極化介質透鏡天線的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種空氣耦合的低剖面圓極化介質透鏡天線，由三層介質板構成，頂層介質板的上表面設置有方形金屬層，且方形金屬層上還開有周期性的菱形縫隙；中間層介質板的下表面設置有等邊三角形的金屬貼片，該金屬貼片的中心與中間層介質板的中心重疊；底層介質板的下表面設置有一條沿底層介質板一邊向中心延伸的用于饋電的微帶線；上表面布滿金屬層作為接地板，該接地板的中心位置開有一個十字縫隙。本發明大大提高了此介質透鏡天線的阻抗帶寬，增益帶寬，圓極化帶寬。另外部分反射表面的設計降低了部分反射表面在天線工作頻段的反射相位，從而降低了天線的高度，實現了天線的低剖面。
【專利說明】
空氣耦合低剖面圓極化介質透鏡天線
技術領域
[0001] 本發明涉及一種空氣耦合的低剖面圓極化介質透鏡天線，屬于微波技術領域。
【背景技術】
[0002] 隨著現代無線通信技術的快速發展，對小型化平面化天線的要求越來越高，而且 對其增益要求也越來越高。很多時候還需要天線能夠產生圓極化波來應對不同的天氣條 件。于是提出了通過在天線輻射方向添加部分輻射表面來以提高天線的增益的方法。
[0003] 傳統的介質透鏡天線在設計時存在下述兩個問題： 1、 傳統的圓極化透鏡天線，阻抗帶寬、圓極化帶寬都相對較窄，只能在很小的頻段上工 作； 2、 傳統的圓極化透鏡天線的部分反射表面在天線工作頻段反射相位較高使得天線剖 面高度較高。又因為部分反射表面的反射系數幅度和相位隨頻率變化較大，天線的3dB增益 帶寬受到了限制。
[0004]
【發明內容】
[0005] 為了提高天線的阻抗帶寬，圓極化帶寬，3dB增益帶寬，本發明提出了一種空氣耦 合的圓極化介質天線，有效地提高了三個帶寬，且降低了剖面的高度。
[0006] 本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案： 本發明提供一種空氣耦合低剖面圓極化介質透鏡天線，包括頂層介質板、中間層介質 板、底層介質板，頂層介質板、中間層介質板、底層介質板均為正方形介質板，其中，頂層介 質板和底層介質板的邊長相等，中間層介質板的邊長小于底層介質板的邊長;頂層介質板 堆疊在中間層介質板的上表面，中間層介質板堆疊在底層介質板的上方，中間層介質板和 底層介質板之間有一層空氣層;頂層介質板的上表面設置有方形金屬層，且方形金屬層上 還開有周期性的菱形縫隙；中間層介質板的下表面設置有等邊三角形的金屬貼片，該金屬 貼片的中心與中間層介質板的中心重疊;底層介質板的下表面設置有一條沿底層介質板一 邊向中心延伸的用于饋電的微帶線;上表面布滿金屬層作為接地板，該接地板的中心位置 開有一個十字縫隙。
[0007] 作為本發明的進一步優化方案，頂層介質板上表面的方形金屬層未布滿介質板表 面，方形金屬層的四周預留一圈介質條帶。
[0008] 作為本發明的進一步優化方案，微帶線的長度大于底層介質板邊長的一半。
[0009] 作為本發明的進一步優化方案，十字縫隙由兩個垂直的矩形縫隙構成，且兩個矩 形縫隙的長度不同。
[0010] 作為本發明的進一步優化方案，兩個矩形縫隙的中心均與底層介質板的中心重 合。
[0011] 本發明采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果： 1、 本發明中，三角形輻射貼片所在的中間層介質板與底層介質板之間有一層空氣層， 即底層板與中層板之間沒有直接相接觸，通過空氣層，將十字縫隙從微帶線所饋得的能量 耦合到等邊三角形金屬貼片上，形成天線輻射，這種方式大大提高了天線的阻抗帶寬，提高 了天線的輻射效率，而十字縫隙與三角形金屬貼片所產生的圓極化波帶寬因為空氣耦合層 的存在，也可以得到提尚； 2、 本發明中，通過部分反射表面周期性結構的設計，降低天線工作頻段上部分反射表 面的反射相位變化的斜率和大小，從而提高了天線3dB增益帶寬，以及降低上層板與底層板 之間的距離，實現天線的低剖面。
【附圖說明】
[0012]圖1是本發明的三維結構圖。
[0013]圖2是本發明的俯視圖和側視圖，其中，（a)是俯視圖，（b)是側視圖。
[0014]其中，1-方形金屬層;2-菱形縫隙；3-中層介質板;4-微帶線；5-三角形金屬貼片； 6_十字縫隙。
[0015]圖3是頂層介質板的俯視圖。
[0016] 圖4是中間層介質板的仰視圖。
[0017] 圖5是底層介質板俯視圖。
[0018]圖6是底層介質板仰視圖。
[0019] 圖7是天線的S參數圖。
[0020] 圖8是天線的增益隨頻率變化圖。
[0021 ]圖9是天線的軸比隨頻率變化圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明： 本發明提供一種由三層介質板構成的空氣耦合低剖面圓極化介質透鏡天線，如圖1至 圖6所示。頂層介質板的上表面敷有一層方形金屬層，該方形金屬層上開有周期性的菱形縫 隙結構。且方形金屬層并未敷滿整個頂層介質板的上表面，周圍留有部分未敷金屬，用于后 期打孔固定。菱形縫隙的形狀和大小會影響其反射系數的幅度和相位，從而影響天線的增 益性能。周期性的菱形縫隙的寬度邊長決定了天線能夠提高增益的工作頻段，以及決定了 天線頂層板與底層板之間的距離，即天線的剖面高度。
[0023]中間層介質板下表面有個等邊三角形的金屬貼片，該金屬貼片的邊長決定了天線 的工作頻段。之所以選擇三角形貼片主要是為了產生圓極化波。三角形金屬貼片的邊長決 定了天線的工作頻段。
[0024]底層介質板的下表面有一條用于饋電的微帶線，饋線的長度和寬度影響天線的輸 入阻抗。底層介質板的上表面全部敷金屬層，作為接地板(GND)。在接地板的中心位置開有 一個十字縫隙，十字縫隙的作用主要是耦合微帶線傳遞的能量，再通過中間層介質板和底 層介質板之間的空氣層耦合到三角形金屬貼片產生輻射。十字縫隙與三角形金屬貼片的結 合，產生兩個幅度相同，相位相差90度的線極化波，從而形成圓極化波。其中，十字縫隙由兩 個垂直的矩形縫隙構成，且兩個矩形縫隙的長度不同，兩個矩形縫隙的中心均與底層介質 板的中心重合。可以通過調整矩形縫隙的寬度和長度，以及旋轉的角度（30°)，來調整天線 圓極化波的性能。
[0025]本發明中，由微帶線饋電到底層介質板上表面的接地板(GND)，而在接地板(GND) 開有十字縫隙，使得微帶線傳輸的能量能夠向上層傳遞。中間層介質板上的等邊三角形金 屬貼片，此貼片通過中間板與底層板之間的空氣層耦合十字縫隙所輻射的能量到達金屬貼 片，實現貼片的輻射。三角形貼片與十字縫隙的耦合，能夠產生兩個相位相差90°的線極化 波，從而形成了圓極化波。頂層介質板是一個由介質和周期性菱形金屬縫隙所組成部分反 射表面，利用該周期表面結構在不同頻段下反射幅度和反射相位的不同，再結合諧振腔理 論，確定頂層介質板和底層介質板之間的高度，可大大提高天線的增益。本發明通過縫隙耦 合圓極化天線與部分反射表面(PRS)的結合，實現了高增益的圓極化天線，且大大提高了此 介質透鏡天線的阻抗帶寬，增益帶寬，圓極化帶寬。另外部分反射表面的設計降低了部分反 射表面在天線工作頻段的反射相位，從而降低了天線的高度，實現了天線的低剖面。
[0026]本發明的實施例中，空氣耦合低剖面圓極化介質透鏡天線的底層介質板和中間層 介質板的厚度均為〇. 508mm，相對介電常數為2.2。頂層介質板的厚度為1.524mm，其相對介 電常數3.38。
[0027 ]菱形縫隙的邊長為6 ? 2mm，周期為8mm;等邊三角形金屬貼片的邊長為10.5mm;十字 縫隙兩條邊的長度分別為4.1mm、3.3mm，且其寬度為0.45mm;微帶線的寬度為1.9mm，長度為 52.8mm。利用三維電磁仿真軟件仿真的該天線(工作頻率14.1GHz)，如圖7所示。天線的回波 損耗在工作頻段內達到了-10dB以下，且相對帶寬得到了大大提高。天線在工作頻段3dB增 益帶寬如圖8所示，通過該設計得到了明顯提高。此設計中的天線在工作頻段上3dB軸比帶 寬也比普通貼片天線所激勵的透鏡天線有了明顯提高，如圖9所示。由此可見，此設計具有 良好的寬帶性能。
[0028] 本發明是將空氣耦合的圓極化天線技術與透鏡天線技術相結合，利用空氣耦合技 術寬帶的優點提高了透鏡圓極化天線的性能。雖然有三層板，但是整體結構并不復雜，易于 加工實現，具有一定的應用前景。
[0029] 以上所述，僅為本發明中的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任 何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術范圍內，可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在 本發明的包含范圍之內，因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
【主權項】
1. 空氣耦合低剖面圓極化介質透鏡天線，其特征在于，包括頂層介質板、中間層介質 板、底層介質板，頂層介質板、中間層介質板、底層介質板均為正方形介質板，其中，頂層介 質板和底層介質板的邊長相等，中間層介質板的邊長小于底層介質板的邊長;頂層介質板 堆疊在中間層介質板的上表面，中間層介質板堆疊在底層介質板的上方，中間層介質板和 底層介質板之間有一層空氣層； 頂層介質板的上表面設置有方形金屬層，且方形金屬層上還開有周期性的菱形縫隙； 中間層介質板的下表面設置有等邊三角形的金屬貼片，該金屬貼片的中心與中間層介 質板的中心重疊； 底層介質板的下表面設置有一條沿底層介質板一邊向中心延伸的用于饋電的微帶線； 上表面布滿金屬層作為接地板，該接地板的中心位置開有一個十字縫隙。2. 根據權利要求1所述的空氣耦合低剖面圓極化介質透鏡天線，其特征在于，頂層介質 板上表面的方形金屬層未布滿介質板表面，方形金屬層的四周預留一圈介質條帶。3. 根據權利要求1所述的空氣耦合低剖面圓極化介質透鏡天線，其特征在于，微帶線的 長度大于底層介質板邊長的一半。4. 根據權利要求1所述的空氣耦合低剖面圓極化介質透鏡天線，其特征在于，十字縫隙 由兩個垂直的矩形縫隙構成，且兩個矩形縫隙的長度不同。5. 根據權利要求4所述的空氣耦合低剖面圓極化介質透鏡天線，其特征在于，兩個矩形 縫隙的中心均與底層介質板的中心重合。
【文檔編號】H01Q1/50GK105958196SQ201610427583
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月16日
【發明人】許鋒, 曹奎根
【申請人】南京郵電大學