一种具有电大谐振特性的圆极化微带贴片天线的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种具有电大谐振特性的圆极化微带贴片天线，包括从下到上层叠设置的馈电微带、下层介质基片、金属层、上层介质基片以及微带贴片层。本实用新型所述的微带贴片天线中，金属层内设有L形缝隙，从而激励起相互正交的等幅相差90°的分量，以实现对天线的圆极化激励。在传统的微带贴片天线的基础上，本实用新型同时将微带贴片层分割为若干微带贴片，微带贴片周期排列且相互之间留有缝隙。这样的设计使得微带贴片产生左右手谐振特性，从而使天线能够在更高频率产生谐振，使微带贴片具有电大谐振特性，降低了毫米波天线对设计精度的依赖。实用新型所述的微带贴片天线同时具有电大谐振特性和圆极化特性。
【专利说明】
一种具有电大谐振特性的圆极化微带贴片天线
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种圆极化微带天线，尤其是一种具有电大谐振特性的圆极化微带天线。
【背景技术】
[0002]随着无线通信技术的快速发展，个人通信、无线局域网等系统对无线终端设备的功能提出了更高的要求。天线作为系统终端必不可少的组成部分，会直接影响系统的性能，被赋予重任。计算机技术、半导体技术和单片微波集成电路技术等电子技术的发展使得人们对数据传输速率以及带宽提出了更高的要求。传统的低频段频谱资源越来越紧张，也使得开发和利用高频段的频谱资源成为通信行业的新发展点。毫米波由于其特殊的大气传输特性、宽频带等特点，在通信、雷达、制导、遥感技术和射电天文等领域有着广泛的应用前景。然而在毫米波和亚毫米波频段，由于传统的工艺已经很难满足如此精细的加工需求，小型化已经不是射频器件的优势，反而成为了一大缺陷。以卫星通信中的Ka波段微带天线为例，半波长的微带谐振天线的单元尺寸为毫米级、制作精度需要达到微米级，很难采用传统的工艺进行加工。因此在毫米波段/亚毫米波段，电大尺寸天线已经成为新的研究热点。
[0003]圆极化波的旋转特性使得圆极化雷达具有抑制雨雾干扰的能力；圆极化天线可以接收任意极化的电磁波，其辐射的波也可以被任意极化的天线接收，因此电子侦察和干扰等应用中普遍采用圆极化波工作;此外，圆极化天线具有极化正交性，在通信、雷达的极化分集工作和电子对抗等应用得到广泛利用。而传统的毫米波和亚毫米波段的圆极化天线由于尺寸过小，加工难度很大，无法适应现有的加工技术。因此急需提供一种具有电大谐振特性的圆极化微带天线，以适应目前毫米波、亚毫米波通信的需求，应用前景良好。
【发明内容】
[0004]为解决现有技术中微带贴片天线尺寸不适应加工技术的问题，本实用新型提供一种具有电大谐振特性的圆极化微带贴片天线，在保证天线尺寸适应加工技术的前提下，同时实现了圆极化，具体设计如下。
[0005]技术方案:
[0006]—种具有电大谐振特性的圆极化微带贴片天线，包括从下到上层叠设置的馈电微带、下层介质基片、金属层、上层介质基片以及微带贴片层，其特征在于，金属层内设有L形缝隙，上层介质基片上的微带贴片层由微带贴片阵列构成，微带贴片阵列中包含两个以上完全相同的微带贴片，微带贴片之间留有宽度相同的间隙，下层介质基片的厚度不超过1/4工作波长，保证微带馈电正常工作。
[0007]本实用新型在传统的微带贴片天线的基础上，将微带贴片层分割为若干微带贴片，微带贴片周期排列且相互之间留有缝隙。这样的设计使得微带贴片之间的缝隙产生耦合效应，耦合效应产生左手特性。同时，由于上下贴片耦合、贴片的表面电流会产生右手特性。左手特性和右手特性协同作用，使得天线可以在原有谐振模式的基础上产生更高频率的电大谐振模式。本实用新型通过采用L形槽馈电结构实现对天线的圆极化激励。从而使得微带贴片天线具有电大谐振和圆极化特性。
[0008]如上所述的具有电大谐振特性的圆极化微带贴片天线，其中微带贴片为矩形，且周期排列;微带贴片层为矩形。
[0009]矩形微带贴片长38.8mm宽38.8mm，矩形微带贴片之间间隙宽度1mm。
[0010]如上所述的具有电大谐振特性的圆极化微带贴片天线，其中L形缝隙位于金属层的中心位置。
[0011]上述具有电大谐振特性的圆极化微带贴片天线中，L形缝隙长边为17mm，短边为12.5mm，缝隙宽度为1.8mm。
[0012]如上所述的具有电大谐振特性的圆极化微带贴片天线，其中上层介质基片与下层介质基片选用相同的材料，上层介质基片的厚度大于下层介质基片的厚度。
[0013]上述具有电大谐振特性的圆极化微带贴片天线中，上层介质基片厚度3mm下层介质基片的厚度0.5mm。
[0014]天线工作时，能量由馈电微带输入，经过位于金属层的中心位置的L形缝隙耦合到微带贴片层，产生有效辐射。位于两层介质基片之间的金属层构成馈电微带线以及微带贴片层的公共地。传统的微带贴片经过周期性的缝隙分割后，可以被看成是一种具有左右手谐振特性的复合结构，因而通过调节贴片以及分割缝隙的尺寸，能够在更高频率上产生新的谐振模式，使微带天线具有电大谐振的新颖特性。具体而言，微带贴片层上各微带贴片之间的间隙越宽，天线就适用的谐振频率就越高。设计时还需要调整馈电微带宽度，使其满足在工作频率下具有50欧姆的输入阻抗特性;馈电微带的长度需要根据天线的工作频段进行匹配。
[0015]本申请所述的天线需要通过构成L形缝隙的相互垂直的长槽和短槽实现圆极化。具体而言，这一对相互垂直的长槽和短槽能够激励起两个相互正交的等幅相差90°的分量，从而实现圆极化波的辐射。所述的位于公共金属地上的L形耦合缝隙，需位于公共金属地的中心位置，以确保边射辐射的最大化，保证天线的增益。缝隙的长度和宽度需要根据天线在不同模式、不同频率下的谐振特性进行调整以满足在设计频率下的轴比性能要求。
[0016]所述的下层介质基片与上层介质基片具有相同的材料属性，但两者厚度不同。较薄的下层介质基片负责实现馈电微带与L形缝隙之间的有效耦合。较厚的上层介质基片保证天线整体具有较宽的工作带宽。
[0017]本实用新型与现有的天线相比具有如下的有益效果:
[0018]本申请在传统微带贴片天线的基础上，通过微带贴片中上各微带贴片之间的间隙，使得贴片天线具有左右手复合材料的特性，在原有的谐振模式基础上引入高频谐振模式，使传统微带天线具有电大谐振的特性，在一定程度上克服了高频系统对于高设计精度的依赖。同时，金属层的L形缝隙通过耦合的方式馈电，激励起相互正交的等幅相差90°的分量，在保证天线电大谐振的同时，实现圆极化波的辐射。这样的设计使得本实用新型在保证天线的移动性、抗雨雾干扰、抗多径反射等优势之外，具有电大尺寸，降低了加工难度，使得本申请所述的贴片天线更具应用前景。
[0019]进一步的，本申请所述的具有电大谐振特性的圆极化微带贴片天线通过将L形缝隙设置于金属层的中心位置，确保了边射辐射的最大化，保证了天线的增益。设计中，本天线采用较薄的下层介质基片以实现馈电微带与L形缝隙之间的有效耦合，保证了天线的增益。而较厚的上层介质基片使得本天线在增益不受影响的情况下扩展了天线的工作带宽。
【附图说明】
[0020]图1为具有电大谐振特性的圆极化微带贴片天线的三维整体结构图。
[0021]图2为具有电大谐振特性的圆极化微带贴片天线的侧视图。
[0022]图3为具有电大谐振特性的圆极化微带贴片天线的回波损耗曲线图。
[0023]图4为具有电大谐振特性的圆极化微带贴片天线的增益曲线图。
[0024]图5为具有电大谐振特性的圆极化微带贴片天线的轴比曲线图。
[0025]图6为具有电大谐振特性的圆极化微带贴片天线的E面辐射方向图。
[0026]图7为具有电大谐振特性的圆极化微带贴片天线的H面辐射方向图。
[0027]标号说明:I表示馈电微带、2表示下层介质基片、3表示金属层、4表示L形耦合缝隙、5表示上层介质基片，6表示微带贴片层、7表示矩形微带贴片之间周期性分布的间隙。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图和实施例子对本实用新型作进一步说明。
[0029]本实用新型所采用的实施方案是一种具有电大谐振特性的圆极化微带贴片天线，包括从下到上层叠设置的馈电微带1、下层介质基片2、金属层3、上层介质基片5以及微带贴片层6，其特征在于，金属层3内设有L形缝隙4，上层介质基片5上的微带贴片层6由微带贴片阵列构成，微带贴片阵列中包含两个以上完全相同的微带贴片，微带贴片之间留有宽度相同的间隙7，下层介质基片的厚度不超过1/4工作波长。
[0030]相较于传统的微带贴片天线，本申请通过微带贴片中上各微带贴片之间的间隙，使得贴片天线具有左右手复合材料的特性，在原有的谐振模式基础上引入高频谐振模式，使传统微带天线具有电大谐振的特性，在一定程度上克服了高频系统对于高设计精度的依赖。同时，金属层的L形缝隙通过耦合的方式馈电，激励起相互正交的等幅相差90°的分量，在保证天线电大谐振的同时，实现圆极化波的辐射。
[0031]天线的能量由馈电微带I馈入，在馈电微带I和L形耦合缝隙4的交叉位置发生能量耦合，能量由下层介质基片2耦合到上层介质基片5中，而后通过微带贴片辐射出去。由于微带贴片层6的各微带贴片之间留有周期性的间隙7，使得为微带贴片层的各子单元之间产生耦合电容，表现为左手谐振特性。同时，由于微带贴片层6与金属层3之间的耦合电容以及微带贴片的表面电流，该天线结构同时具有右手谐振特性。因此整个天线结构具有左右手复合结构的特性，能够在更高的频点上产生更多的谐振模式。调节各微带贴片之间留有的周期性的间隙7的间距就能够改变微带贴片各子单元之间的耦合效应，也就可以调整高阶模式的谐振频率。设计时，还需调节L形耦合缝隙4中相互垂直的长缝和短缝的长度以及缝隙的宽度，以控制天线辐射波的水平分量和垂直分量的幅度和相位，使得两个分量能够满足等幅相差90°的条件，从而实现圆极化波的辐射。设计时，如果将L形耦合缝隙4设置在金属层的中间位置，可以确保天线的边射辐射的最大化，明显改善天线的增益。
[0032]微带贴片阵列中包含两个以上完全相同的微带贴片，微带贴片之间留有宽度相同的间隙，微带贴片通常为矩形，微带贴片周期排列构成的微带贴片阵列也通常为矩形阵列。[0033 ]结合图3、图4、图5、图6以及图7，本实用新型提供了一种谐振频率在7.6GHz的具有电大谐振特性的微带贴片天线。相对于传统的微带贴片天线的2.28GHz谐振频率，本申请中谐振频率提高了约3.3倍。同时实施例所述天线的最大右旋圆极化增益能够达到8.SdBi，3dB轴比带宽达到1.35GHz，具有明显的边射辐射特性，且交叉极化水平非常低。
[0034]天线具体设计如下:
[0035]具有电大谐振特性的圆极化微带贴片天线，包括从下到上层叠设置的馈电微带、下层介质基片、金属层、上层介质基片以及微带贴片层。
[0036]其中，金属层内设有L形缝隙，L形缝隙位于金属层的中心位置，所述的L形缝隙长边为17mm，短边为12.5mm，缝隙宽度为1.8mm。
[0037]天线的上层介质基片上的微带贴片层是由若干周期排列的相互之间留有相同宽度的间隙的完全相同的矩形微带贴片组成的矩形结构。矩形微带贴片长38.8mm宽38.8mm,矩形微带贴片之间间隙宽度均保持为1mm。微带贴片阵列由4*4个矩形微带贴片组成。
[0038]天线的上层介质基片与下层介质基片选用相同的材料，上层介质基片的厚度大于下层介质基片的厚度。上层介质基片厚度3mm下层介质基片的厚度0.5mm，不超过1/4工作波长。
[0039]根据以上所述，便可实现本实用新型。
[0040]本领域普通技术人员可以理解:以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种具有电大谐振特性的圆极化微带贴片天线，包括从下到上层叠设置的馈电微带(I)、下层介质基片(2)、金属层(3)、上层介质基片(5)以及微带贴片层(6)，其特征在于，金属层(3)内设有L形缝隙(4)，上层介质基片(5)上的微带贴片层(6)由微带贴片阵列构成，微带贴片阵列中包含两个以上完全相同的微带贴片，微带贴片之间留有宽度相同的间隙(7)，下层介质基片的厚度不超过1/4工作波长。2.如权利要求1所述的具有电大谐振特性的圆极化微带贴片天线，其特征在于，所述的微带贴片为矩形，且周期排列;微带贴片层为矩形。3.如权利要求2所述的具有电大谐振特性的圆极化微带贴片天线，其特征在于，所述的矩形微带贴片长38.8mm、宽38.8mm，矩形微带贴片之间间隙宽度1mm。4.如权利要求1所述的具有电大谐振特性的圆极化微带贴片天线，其特征在于，所述的L形缝隙位于金属层的中心位置。5.如权利要求4所述的具有电大谐振特性的圆极化微带贴片天线，其特征在于，所述的L形缝隙长边为17_，短边为12.5_，缝隙宽度为1.8_。6.如权利要求1至5任一所述的具有电大谐振特性的圆极化微带贴片天线，其特征在于，所述的上层介质基片与下层介质基片选用相同的材料，上层介质基片的厚度大于下层介质基片的厚度，下层介质基片的厚度不超过1/4工作波长。7.如权利要求6所述的具有电大谐振特性的圆极化微带贴片天线，其特征在于，所述的上层介质基片厚度3mm，下层介质基片的厚度0.5mm。
【文档编号】H01Q1/38GK205723942SQ201620409909
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年5月9日
【发明人】曹文权, 蔡洋, 石树杰, 王茜茜, 林家栋
【申请人】中国人民解放军理工大学