一种圆极化螺旋纹微带天线的制作方法

本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种圆极化螺旋纹微带天线。

背景技术：

21世纪以来，国内外信息产业的发展备受瞩目，无线通信系统的发展势头尤为迅猛。随着卫星通信，移动通信，WLAN和全球定位系统等无线事业的飞速发展，电子产品的功能也越来越强大，这也意味着人们对其各个方面的要求越来越高。天线作为实现两点之间电磁信号传递的桥梁也扮演着重要角色，它的性能直接影响着整个系统的性能，所以，人们便对无线通信系统关键部件的天线提出了小型化、宽频带、高增益、圆极化等要求。

在过去几十年里，人们关于线极化介质谐振器天线做了很多研究，相比之下，圆极化的部分比较少，然而随着遥控、通信和遥测技术的迅猛发展，单一的线极化已经不能满足需要，圆极化介质谐振器天线的应用就显得十分重要。在雷达系统中，使用圆极化天线能够抗雨雾干扰；在电子对抗中，使用圆极化天线可以侦察和干扰敌方各种极化方式的无线电波；如果在飞行器上装置圆极化天线，则可以在任何状态下都能接收信息；在航空、航天通信系统和遥感设备中采用圆极化天线，不但可以减小信号遗漏现象的发生，还能够消除由电离层引起的极化畸变的影响。与线极化天线相比，圆极化天线的优势更加明显。

基于这些优点，圆极化介质谐振器天线被广泛的应用于卫星通信、移动通信、导航系统、雷达系统和全球定位系统中。研究圆极化介质谐振器天线对无线通信事业有深远的意义。

现有的圆极化介质谐振器天线设计中，频率失配往往发生在阻抗带宽和轴比带宽之间，在某一频率范围（工作带宽）内，阻抗带宽和轴比带宽无法同时具有较好的性能，一个较好，另一个就较差，为设计一个圆极化性能很好的天线带来了难度。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提出一种阻抗带宽和轴比带宽同时较好，进而在工作频率设置在12.15GHz时，圆极化性能良好的圆极化螺旋纹微带天线。

本方案中的圆极化螺旋纹微带天线，包括介质基板、接地板、螺旋微带线，所述接地板和所述螺旋微带线分别位于介质基板的正反面；所述接地板与所述介质基板的的一维尺寸完全相同，接地板上开有的十字缝隙，所述十字缝隙的交叉处处于所述接地板的几何中心；还包括依次堆叠在所述接地板上的第一矩形介质块位和第二矩形介质块位，第一矩形介质块也位于接地板的几何中心处；第二矩形介质块位于第一介质块顶面的几何中心处；该圆极化螺旋纹微带天线的工作频率设置在12.15GHz。

本方案的工作原理为：介质谐振器天线的馈电方法是采用十字缝隙耦合馈电，同时利用单螺旋微带线的相位延迟特性，从而得到相位差90°且幅度近似相等的信号，能量通过十字缝隙耦合到介质块，激励两个极化正交的简并模式，从而实现圆极化。缝隙处于接地板的中心，也就是磁场最强的位置，中介质块（辐射体）采用两个矩形堆叠的结构，在一定程度上提高整个天线的带宽。

本方案在已有相关技术的基础上，采用单点馈电法实现了一个简单结构的宽带圆极化介质谐振器，在工作频率设置为12.15GHz时，阻抗带宽和轴比带宽都取得较好的结果。

所述介质基板的相对介电常数为2.2，损耗角的正切值为0.0009，厚度为0.5mm；

所述介质基板的长和宽均为50mm；

所述第一和第二矩形介质块的相对介电常数均为9.6，损耗角正切值为0.02；

所述第一矩形介质块的长宽（W）均为7mm,高（H_dra）为5.4mm；

所述第二矩形介质块的长和宽（W₃）均为5mm，高（H_d）为2mm。

进一步，所述十字缝隙的长度(L_s)为14～18mm。

本发明的近简并共振模式的发生主要是通过调节十字缝隙的双臂长度来控制的，在十字缝隙的长度(L_s)为14～18mm时,本发明的反射系数和轴比特性较优。

进一步，所述十字缝隙的长度(L_s)为16mm。

选择该尺寸时反射系数和轴比特性均较好。

进一步，所述十字缝隙的宽度（W_s）为0.3～0.6mm。

该方案的天线反射系数较优。

进一步，所述十字缝隙的宽度0.455mm。

该方案的天线反射系数和轴比特性均较好。

进一步，所述螺旋微带线的尺寸（W₁）为8.66mm。

采用该方案的圆极化螺旋纹微带天线，其反射系数低于-10dB的频带范围是9.53～12.5GHz，其相对带宽是26.96％；轴比低于3dB的频带范围是9.55～11.05GHz，其相对带宽是14.54％，皆具有较好的表现；该采用该方案的圆极化螺旋纹微带天线在工作频率下，其输入阻抗达到（48.58～j4.95）Ω，由此可知该天线结构已经实现了良好的阻抗匹配；右旋圆极化波增益和总增益近似重合，方向图有良好的对称性，由此可知天线辐射的是右旋圆极化波，该天线的最大增益达到3.85dBi。

附图说明

图1为本发明实施例中圆极化螺旋纹微带天线的主视图；

图2为图1的侧视图；

图3为展示十字缝隙的长度L_s对天线的反射系数的影响的曲线图；

图4为展示十字缝隙的长度L_s对天线的轴比特性的影响的曲线图；

图5为展示十字缝隙的宽度W_s对天线的反射系数的影响的曲线图；

图6为展示十字缝隙的宽度W_s对天线的轴比特性的影响的曲线图；

图7为展示螺旋微带线的尺寸W₁对天线的反射系数的影响的曲线图；

图8为展示螺旋微带线的尺寸W₁对天线的轴比特性的影响的曲线图；

图9为本发明实施例中参数优化的圆极化螺旋纹微带天线的反射系数曲线图；

图10为本发明实施例中参数优化的圆极化螺旋纹微带天线的轴比特性曲线图；

图11为本发明实施例中参数优化的圆极化螺旋纹微带天线的输入阻抗随频率变化的曲线图；

图12为本发明实施例中参数优化的圆极化螺旋纹微带天线的右旋圆极化波增益和总增益方向图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

如附图1所示，是本发明实施例中的圆极化螺旋纹微带天线由堆叠形的第一和第二矩形介质块、接地板上的十字缝隙和一个印制在介质基板底面的螺旋微带线组成，接地板和螺旋微带线分别位于介质基板的正反面，该一种圆极化螺旋纹微带天线的工作频率设置在12.15GHz。接地板和介质基板的一维尺寸都是G×G，介质基板的厚度是H_s，相对介电常数是2.2，设置其损耗角的正切值为0.0009；矩形介质块位于地板的几何中心处，其相对介电常数是9.6，损耗角正切值设为0.02，与接地板直接接触的介质块的长和宽均为W，高为H_dra，另一个介质块的长和宽均为W₃，高为H_d；接地板上所开的十字缝隙的长和宽分别为L_s和W_s 。

螺旋微带线的组成部分较多，相关尺寸标注如附图1所示，螺旋微带线由尾部和螺旋部组成；螺旋微带线的宽度为W_f ，从介质基板一边缘向中部沿着垂直于该边缘的方向延伸，形成长度为W₀的尾部，尾部继续延伸并经三次90弯折形成螺旋部；螺旋部位于介质基板的正中，形状为一个边长为W₁ 但未封闭的正方形，该正方形的四边分别与介质基板的四边平行, 本实施例中皆以这个正方形的边长W₁表征螺旋微带线的尺寸；这个正方形没有闭合的开口处的宽度为W₂。

由于本实施例中近简并共振模式的发生主要是通过调节十字缝隙的双臂长度来控制的，缝隙的尺寸对天线性能的影响较大。

本实施例中选取的十字缝隙的长度L_s对天线的反射系数和轴比特性的影响如附图3和 4所示，L_s的变化范围从14~18mm，利用HFSS软件仿真的结果表明，缝隙的长度L_s对反射系数和轴比均有比较大的影响。图4中，随着L_s的增大，该圆极化螺旋纹微带天线的轴比（图中的纵轴AxialRatio,下同）小于3dB（图中虚线所示，下同）的频率范围随之展宽，即轴比带宽也随之展宽，与此同时，图3中天线的反射系数（图中的纵轴，S11）低于-10dB（图中虚线所示，下同）的频带范围，即阻抗带宽随着L_s的增大却变窄，当频率在11.5GHz左右时，反射系数的值会发生较大的起伏。综合考虑L_s对反射系数和轴比特性的影响，选取16mm为最终的优化结果。

本实施例选取的十字缝隙的宽度W_s对天线的反射系数和轴比的影响如附图5和6所示，从仿真结果图可以看出，缝隙的宽度对天线反射系数的影响不大，但是对轴比特性有比较显著的影响，W_s越小，天线的轴比带宽较小，而且轴比最小值趋近于1，圆极化性能相对来说比较差，但是当W_s增大到某一值时，在图6中轴比小于3dB的频带宽度，会有所下降，综上所述，选取缝隙宽度为0.455mm是最终的优化结果。

由于该圆极化螺旋纹微带天线实现圆极化是利用螺旋微带线的相位延迟特性得到相位差90°的等幅信号，因此螺旋微带线的尺寸也会影响天线的性能参数。螺旋微带线的尺寸W₁对天线的反射系数和轴比的影响如附图7和8所示，从图中可以看出，随着W₁的增大，阻抗带宽逐渐变宽，而轴比带宽则是先展宽后变窄，当螺旋微带线的尺寸为8.6mm时，轴比和反射系数都处于最优状态，所以选其为最终的优化结果。

最终各个参数优化分析后的具体情况如表1所示。

表1优化的各尺寸参数

综上所述，该圆极化螺旋纹微带天线各个参数优化后的仿真结果图如附图9～12所示。通过附图9可以看出，反射系数低于-10dB的频带范围是9.53～12.5GHz，相对带宽是26.96％；根据附图10可得，轴比低于3dB的频带范围是9.55～11.05GHz，相对带宽是14.54％ 。

从附图11可以看出，当频率为12.15GHz时（同中的虚线直线处），天线的输入阻抗（图中纵轴 Z(1,1)，图中实线的曲线表示输入阻抗的实部re，虚线曲线表示输入阻抗的虚部im）是（48.58-j4.95）Ω，由此可知该天线结构已经实现了良好的阻抗匹配；根据附图12可以发现，天线的右旋圆极化波增益(Gain RHCP)和总增益(Gain Total)近似重合，方向图有良好的对称性，表明天线辐射的是右旋圆极化波，该天线的最大增益为3.85dBi。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。