天线单元及天线阵列的制作方法

本发明涉及天线领域，尤其涉及一种天线单元及天线阵列。

背景技术：

随着科技的发展和需求的增加，圆极化天线因为环境适应性强，抗干扰性能好的优点，得到了越来越广泛的应用。

目前，圆极化天线的实现有多种方法，例如单馈电法和多馈点法等。其中，多馈点法是通过两个馈电点进行激励，且通过馈电网络的设置，使两个馈电点的激励幅度相等，且相位相差90°角，从而获得天线的圆极化场。为了提高圆极化性能，通常采用方形天线边馈，并对方形天线切角的天线形式。

然而，现有技术中圆极化天线的圆极化性能有限，方向图具有一定畸变，且天线的副瓣较大。

技术实现要素：

本发明提供一种天线单元及天线阵列，能够实现较好的辐射性能和阻抗性能。

本发明实施例提供一种天线单元，包括间隔设置的上层基板和下层基板，所述上层基板上设置有至少一个寄生贴片，所述下层基板上设置有辐射片和馈电网络，所述馈电网络通过两个馈电点和所述辐射片的两个角部连接。

可选的，两个馈电点之间具有90°相位差。

可选的，所述寄生贴片在所述下层基板上的投影与所述辐射片至少具有部分重叠。

可选的，所述寄生贴片在所述下层基板上的投影覆盖所述辐射片的辐射边。

可选的，所述上层基板和所述下层基板之间为空气层。

可选的，所述辐射片相对于两个所述馈电点之间的中线对称。

可选的，馈电网络包括两条分别与所述馈电点连接的微带线，每条所述微带线均连接在所述馈电点以及所述馈电网络的馈电位置之间。

可选的，所述寄生贴片贴设在所述上层基板的下表面。

本发明还提供一种天线阵列，包括至少两个如上所述的天线单元。

可选的，天线阵列包括四个所述天线单元，四个所述天线单元围绕成环状，且各所述天线单元均相对于相邻所述天线单元旋转90°；所述天线单元的馈电相位依次相差90°。

本发明的天线单元包括间隔设置的上层基板和下层基板，上层基板上设置有至少一个寄生贴片，下层基板上设置有辐射片和馈电网络，馈电网络通过两个馈电点和辐射片的两个角部连接。这样天线单元能够实现较好的带宽、增益和圆极化轴比特性等，从而达到优异的辐射性能和阻抗性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的天线单元的结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的天线单元的侧视图；

图3是本发明实施例一提供的天线单元中下层基板的结构示意图；

图4是本发明实施例一提供的天线单元的匹配特性示意图；

图5是本发明实施例一提供的天线单元的方向图；

图6是本发明实施例一提供的天线单元的轴比方向图；

图7是本发明实施例一提供的辐射贴片的不同形状示意图；

图8是本发明实施例二提供的天线阵列的结构示意图；

图9是本发明实施例二提供的天线阵列的侧视图；

图10是本发明实施例二提供的天线阵列在不包括上层基板时的结构示意图；

图11是本发明实施例二提供的天线阵列的带宽阻抗特性示意图；

图12是本发明实施例二提供的天线阵列的e面方向图；

图13是本发明实施例二提供的天线阵列的h面方向图；

图14是本发明实施例二提供的天线阵列的e面轴比方向图；

图15是本发明实施例二提供的天线阵列的h面轴比方向图；

图16是本发明实施例二提供的天线阵列在不同频率的轴比图；

图17是本发明实施例三提供的天线单元的结构示意图；

图18是本发明实施例三提供的天线单元的侧视图；

图19是本发明实施例三提供的天线单元的下层基板的结构示意图；

图20是本发明实施例三提供的天线单元的匹配特性示意图；

图21是本发明实施例三提供的天线单元的方向图；

图22是本发明实施例三提供的天线单元的轴比方向图；

图23是本发明实施例四提供的天线阵列的结构示意图；

图24是本发明实施例四提供的天线阵列的侧视图；

图25是本发明实施例四提供的天线阵列的不包括上层基板的结构示意图；

图26是本发明实施例四提供的天线阵列的带宽驻波比示意图；

图27是本发明实施例四提供的天线阵列的e面方向图；

图28是本发明实施例四提供的天线阵列的h面方向图。

附图标记说明：

1-上层基板；2-下层基板；11-寄生贴片；21-辐射片；22-馈电网络；211-辐射边；221-馈电点；10-天线单元；100-天线阵列。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明实施例一提供的天线单元的结构示意图。图2是本发明实施例一提供的天线单元的侧视图。图3是本发明实施例一提供的天线单元中下层基板的结构示意图。如图1至图3所示，本实施例提供的天线单元，包括间隔设置的上层基板1和下层基板2，上层基板1上设置有至少一个寄生贴片11，下层基板2上设置有辐射片21和馈电网络22，馈电网络22通过两个馈电点221和辐射片21的两个角部连接。

具体的，天线单元主要应用在设备的无线通信上，其通常位于收发信机和电磁波传播空间之间，并在这两者之间通过电磁波实现有效的能量传递以及信息的传输，因而可以视为射频信号和电磁波之间相互转换的传感器。为了进行正常的通信，本实施例的天线单元一般主要包括上层基板1和下层基板2等部分。其中，下层基板2作为天线单元的主要信号发生部分，具体包括有馈电网络22以及和馈电网络22耦合的辐射片21。辐射片21一般由导电介质制成，并具有特定的结构，能够将接收到的电信号以电磁波的形式辐射至外部空间，或者接收来自外部空间的电磁波。而馈电网络22和辐射片21之间耦合，以实现辐射片21和信号收发机之间的连接以及能量传输，从而让天线单元能够在收发信机与外界空间之间进行信号的传输。一般的，辐射片通常为方形结构。

为了实现馈电网络22对辐射片21的馈电，天线单元可以具有多种馈电形式。其中，为了实现更好的天线性能，通常馈电网络22可以采用角馈的方式实现对天线单元的馈电。相比于一般的底馈等馈电方式，馈电点221位于辐射体贴片边角位置的角馈技术可以让天线具有更低的剖面，并由于角馈方式能够让馈电网络22与辐射片21位于同一层介质板上，其成本更低。具体的，本实施例中，馈电网络22通过两个馈电点221分别和辐射片21的两个角部连接，从而实现天线单元的角馈馈电。其中，辐射片21的和两个馈电点221相连的角部既可以是两个相邻的角部，也可以是两个不相邻的角部，本实施例中以馈电点221连接在辐射片21的两个相邻角部为例进行说明。

此时，为了提高天线的增益和带宽等性能，天线单元的下层基板2的上方还设置有上层基板1，上层基板1和下层基板2之间具有一定间隔，且上层基板1上设置有寄生贴片11。寄生贴片11一般同样为导电介质构成，这样寄生贴片11靠近辐射片21设置，但和辐射片21之间并不接触。当寄生贴片11接收到来自辐射片21的辐射能量后，即可产生感应电流，并根据感应电流而产生向外辐射的电场，从而与下层基板2上的辐射片21之间耦合，并形成新的谐振，强化辐射片21的辐射能力，以此有效的扩展天线单元的带宽以及增加天线单元的增益。

一般的，天线单元的上层基板1可以为玻璃纤维环氧树脂覆铜板，例如fr4覆铜板等，这样上层基板1可以保证良好的电气绝缘性能，使寄生贴片11与天线单元的下层部分之间形成良好的谐振回路。而下层基板2也可以采用类似的介质材料制成。

具体的，天线单元向外部空间辐射电磁波时，电磁波中电场矢量端点的空间方向，也就是天线的极化方向可以具有多种不同形式。例如线极化和圆极化等。

通常的，当天线单元应用在小型的无人飞行器等设备的通信上时，因为天线的角度的安装方向较为固定，而在某些场合下电磁波传输的多径效应较为明显，可能造成信号的干扰。当无线电波的极化面与大地法线面之间的夹角呈0～360度角的周期性变化，即电场大小不变，方向随时间变化时，天线单元所产生的电场矢量末端的轨迹在垂直于传播方向的平面上的投影为一个圆，称为圆极化。圆极化天线能够辐射出圆极化波，圆极化波能够分解成在空间和时间上均正交的等幅线极化波，即两个线极化波的振幅相等，而相位相差90度。圆极化波在入射到平面、球面等对称目标上时，其反射波的极化会产生相反的旋向，从而与入射波正交，从而产生隔离效应，因而具有抑制雨雾干扰以及其它多径效应的能力。当圆极化波照射在雨、雾中的水滴上时，由于水滴近似圆形，所以会反射反旋向的圆极化波，并被设备滤去，而不对称的障碍物或者飞行目标的反射波具有同旋向的圆极化波成分，能够被顺利探测到，这样可以有效降低多径效应的干扰，提高探测和通信的可靠性。

本实施例中，天线单元为圆极化天线。为了使天线单元产生圆极化波，可以令天线单元中的两个馈电点221之间具有90°相位差。这样经过馈电网络22的线极化信号会通过馈电点221之间的90°相位差而分配成为幅度相等，相位相差90°的两路信号，这两路信号经馈电点221输入至辐射片21的两个角部后，即可实现圆极化信号。

具体的，本实施例中，当天线单元为圆极化天线时，由于天线单元中的辐射片21采用角馈馈电方式，且通过在上层基板1中设置寄生贴片11，这样能够有效提供天线单元的带宽等各方面性能。图4是本发明实施例一提供的天线单元的匹配特性示意图。图5是本发明实施例一提供的天线单元的方向图。图6是本发明实施例一提供的天线单元的轴比方向图。如图4、图5和图6所示，本实施例提供的天线单元具有18.1％的中心相对带宽比，且增益达到8.2db，3db的波束宽度为70度，而在3db波束宽度内的轴比小于4db，具有较宽的带宽以及较好的方向性增益。

作为一种可选的实施方式，寄生贴片11在下层基板2上的投影与辐射片21至少具有部分重叠。例如是，寄生贴片11与辐射片21完全重叠，此时，寄生贴片11在下层基板2上的投影可以与辐射片21具有相同的形状尺寸和位置，从而让两者上下完全对应设置；或者是寄生贴片11具有比辐射片21更大的面积，使辐射片21完全被寄生贴片11的投影所覆盖等。

或者，寄生贴片11在下层基板2上的投影也可以与辐射片21的一部分具有重叠。此时可以通过调整寄生贴片11与辐射片21的形状或者相对位置，使其具有较好的天线性能。

进一步的，由于天线单元的辐射片21在辐射电磁波时，电磁波主要由辐射片21的某一边缘发出，这样该边缘即为辐射片21的辐射边211。因而为了提高寄生贴片11对辐射片21的增益效果，寄生贴片11在下层基板2上的投影覆盖辐射片21的辐射边211。这样寄生贴片11与辐射片21之间能够形成较强的谐振，从而有效增强天线单元的带宽和增益，保证天线单元具有优良的远距离通信和探测能力。

本实施例中，由于天线单元采取角馈方式进行馈电，因而辐射片21的辐射边211一般包括辐射片21上远离馈电点221的一侧边缘，也就是与馈电点221位置相对的一侧边缘。寄生贴片11的投影覆盖在该边缘上方，即可在辐射片21辐射电磁波时，通过耦合产生较强的谐振电场，提高辐射片21的辐射性能。

可选的，为了保证寄生贴片11与辐射片21之间能够进行耦合和谐振，上层基板1和下层基板2之间一般需要保证较好的绝缘。通常的，上层基板1和下层基板2之间可以为空气层3，即直接利用空气进行隔离。空气作为良好的绝缘体，能够为天线单元中上层基板1上的寄生贴片11和下层基板2上的辐射片21之间提供绝缘，让天线单元中的寄生贴片11能够正常工作，以实现更好的性能，避免因寄生贴片11和辐射片21之间产生接触导通而造成寄生贴片11失效的情况。同时，利用空气作为上层基板1和下层基板2之间的绝缘层，只要上层基板1和下层基板2之间保持有较小的间隙，即可利用空气实现相互绝缘，和在上层基板1和下层基板2之间设置由绝缘材料所构成的绝缘层或者绝缘隔离部件的方式相比，上层基板1和下层基板2之间可以形成非常小的间隙，保证所形成的天线单元具有较小的厚度，即天线单元的剖面较低。这样天线单元设置在飞行器的外表面上时，天线单元凸出于飞行器外表面的高度较低，能够与飞行器之间形成良好的共形。

其中，可选的，天线单元中，上层基板1和下层基板2之间的间隙的宽度，也就是所形成的空气层3的厚度通常可以为0.077λ至0.5λ的范围内。其中，λ为天线单元对应的波长。

作为其中一种优选的实施方式，上层基板1和下层基板2之间的空气层3厚度可以设置的较小，具体可以设定在0.077λ。这样上层基板1和下层基板2的空气层3厚度较小，因而天线单元也会具有较小的整体厚度，从而实现较低的天线剖面。

具体的，辐射片21相对于两个馈电点221之间的中线对称。此时，天线单元中的辐射片21为相对于中线对称的轴对称结构，中线左右两边具有对称且一致的辐射特性。因而可以通过将天线单元简单的进行镜像，即可实现相反的极化形式。

此外，在辐射片21的辐射边211上还可以开设有三角形槽。通常的，三角形槽开设在辐射边211的中央位置，相对于辐射边211未开设三角形槽而言，三角形槽能够提高天线的隔离度，并使得辐射片21的电流流向左右对称，实现良好的圆极化特性。

具体的，辐射片21的角部中，没有和馈电点221连接的顶角角部可以具有切角。这样将辐射片21的没有和馈电点221连接的顶角切去一部分，可以改善天线单元的驻波，保证天线单元内部各部件之间的匹配。

具体的，天线单元中辐射贴片也可以具有多种不同的形状，例如辐射贴片可以为方形、圆形、环形以及正方形切角等形状。图7是本发明实施例一提供的辐射贴片的不同形状示意图。如图7所示，(a)中辐射贴片的形状为方形，(b)中辐射贴片为圆形，(c)中辐射贴片为环形，而(d)中辐射贴片的形状为方形，且角部被切去的切角形状。此外，辐射贴片还可以为其它不同的形状，本实施例中不再赘述。

一般的，寄生贴片11在上层基板1上也具有多种不同的设置位置。例如寄生贴片11可以位于上层基板1的上表面或者下表面等。

作为其中一种可选的实施方式，为了提高寄生贴片11与辐射片21之间的耦合电场，寄生贴片11贴设在上层基板1的下表面。此时，寄生贴片11与辐射片21之间的距离较近，能够形成较强的耦合电场，有效提高天线单元的带宽和天线单元的增益。

为了和辐射片21之间实现射频信号的传输，馈电网络22具体可包括两条分别与馈电点221连接的微带线，每条微带线均连接在馈电点221以及馈电网络22的馈电位置之间。微带线是由支在介质基片上的单一导体带构成的微波传输线。适合制作微波集成电路的平面结构传输线。与金属波导相比，具有体积小、重量轻、使用频带宽、可靠性高和制造成本低等优点。微带线可以为金属或者其它导体材料制成。

本实施例中，天线单元包括间隔设置的上层基板和下层基板，上层基板上设置有至少一个寄生贴片，下层基板上设置有辐射片和馈电网络，馈电网络通过两个馈电点和辐射片的两个角部连接。这样天线单元能够实现较好的带宽、增益和圆极化轴比特性等，从而达到优异的辐射性能和阻抗性能。

实施例二

在上述实施例一的天线单元的基础上，本发明还提供一种天线阵列，能够利用前述实施例一的天线单元的优良的带宽和增益特性实现较好的天线性能。图8是本发明实施例二提供的天线阵列的结构示意图。图9是本发明实施例二提供的天线阵列的侧视图。图10是本发明实施例二提供的天线阵列在不包括上层基板时的结构示意图。如图8、图9和图10所示，本实施例提供的天线阵列100，包括至少两个如前述实施例一中所述的天线单元10，其中，天线单元10的结构和工作原理在前述实施例一中进行了详细说明，此处不再赘述。

这样，天线单元10组成天线阵列100后，由于天线阵列100中具有多个天线单元10，所以天线单元10可以分别对应设置在不同的方向，以提高天线阵列的全向性和可靠度。

其中，天线阵列100可以包括四个天线单元10，四个天线单元10围绕成环状，且各天线单元10均相对于相邻天线单元旋转90°；天线单元10的馈电相位依次相差90°。

具体的，如图8所示，天线阵列100中，相邻的天线单元10之间相互垂直，且从左下角的天线单元开始，天线单元10的馈电相位依次滞后0度、90度、180度和270度，这样四个天线单元10组成了天线旋转组阵，能够在各个方向上均实现良好的天线特性。

可选的，在该天线阵列100中，为了避免相邻天线单元之间的干扰，同时保证天线阵列100的整体天线性能，相邻两个天线单元10之间的间距一般保持在0.5λ至0.8λ之间，其中λ为天线单元10的波长。合适的阵列间距能够改善天线单元10的信号，确保天线阵列100正常工作。其中，相邻两个天线单元10之间的间距可以保持为0.61λ。

图11是本发明实施例二提供的天线阵列的带宽阻抗特性示意图。图12是本发明实施例二提供的天线阵列的e面方向图。如图11和图12所示，本实施例中的天线阵列100，其增益达到12dbi，3db波束宽度为42度，天线的主副瓣比大于15db，前后比大于11db。

图13是本发明实施例二提供的天线阵列的h面方向图。其具有和图12类似的特性。

图14是本发明实施例二提供的天线阵列的e面轴比方向图。图15是本发明实施例二提供的天线阵列的h面轴比方向图。如图14和图15所示，可以看出天线阵列中，轴比的3db波束宽度大于天线主瓣的3db波束宽度。

图16是本发明实施例二提供的天线阵列在不同频率的轴比图。如图16所示，天线阵列具有良好的轴比特性，在15.1％的带宽内，天线的轴比小于1db，其3db的轴比带宽为18.5％。

本实施例中，天线阵列包括至少两个天线单元；其中天线单元包括间隔设置的上层基板和下层基板，上层基板上设置有至少一个寄生贴片，下层基板上设置有辐射片和馈电网络，馈电网络通过两个馈电点和辐射片的两个角部连接。这样天线阵列能够实现较好的带宽、增益和圆极化轴比特性等，从而达到优异的辐射性能和阻抗性能。

实施例三

上述实施例一和实施例二中以天线单元为圆极化天线为例进行说明。而当天线单元为线极化天线时，同样适用于类似的天线单元结构。图17是本发明实施例三提供的天线单元的结构示意图。图18是本发明实施例三提供的天线单元的侧视图。图19是本发明实施例三提供的天线单元的下层基板的结构示意图。如图17至图19所示，本实施例提供的天线单元同样具有和实施例一中类似的天线单元结构，即具体包括间隔设置的上层基板1和下层基板2，上层基板1上设置有至少一个寄生贴片11，下层基板2上设置有辐射片21和馈电网络22，馈电网络22通过两个馈电点221和辐射片21的两个角部连接。

其中，本实施例中提供的天线单元，其具体结构和工作原理均和前述实施例一以及实施例二中的天线单元类似，此处不再赘述，不同之处在于，本实施例提供的天线单元中，馈电网络22在实现馈电时，采用的是两个馈电点221同相馈电的方式，即两个馈电点221之间的相位差为0。这样两个馈电点221采用角馈方式而向辐射片21同向馈电，使天线单元产生线极化波进行探测和信号传输。

其中，图20是本发明实施例三提供的天线单元的匹配特性示意图。图21是本发明实施例三提供的天线单元的方向图。图22是本发明实施例三提供的天线单元的轴比方向图。如图20、图21和图22所示，天线单元的具有15.4％的相对带宽。且天线的增益为8.2dbi，e面的3db波束宽度70度。

本实施例中，天线单元包括间隔设置的上层基板和下层基板，上层基板上设置有至少一个寄生贴片，下层基板上设置有辐射片和馈电网络，馈电网络通过两个馈电点和辐射片的两个角部连接，馈电网络在实现馈电时两个馈电点之间的相位差为0。这样天线单元能够实现较好的带宽、增益和线极化性能，从而达到优异的辐射性能和阻抗性能。

实施例四

在天线单元为线极化天线时，多个天线单元仍然能够组成和实施例二类似的天线阵列结构。图23是本发明实施例四提供的天线阵列的结构示意图。图24是本发明实施例四提供的天线阵列的侧视图。图25是本发明实施例四提供的天线阵列的不包括上层基板的结构示意图。如图23、图24和图25所示，和前述实施例二类似，天线阵列200中同样包括有多个天线单元20。其中，天线单元20的结构和工作原理均和前述实施例三中的天线单元相同，即具体包括间隔设置的上层基板和下层基板，上层基板上设置有至少一个寄生贴片，下层基板上设置有辐射片和馈电网络，馈电网络通过两个馈电点和辐射片的两个角部连接，两个馈电点之间具有90°相位差，且馈电网络在实现馈电时，采用的是两个馈电点同向馈电的方式，即两个馈电点之间的相位差为0。其中，天线单元的具体结构已在前述实施例一至三中进行了详细说明，此处不再赘述。

具体的，本实施例中，天线阵列200的四个天线单元20上下对称拜访，且在空间上是反相的，上面的两个天线单元的馈电相位相对于下面的两个天线单元的馈电相位延迟180度，以保证天线相位的一致性。

图26是本发明实施例四提供的天线阵列的带宽驻波比示意图。图27是本发明实施例四提供的天线阵列的e面方向图。图28是本发明实施例四提供的天线阵列的h面方向图。如图26、图27和图28所示，本实施例中的天线阵列200，其增益达到12.1dbi，天线的主副瓣比大于13db，前后比大于11db。

本实施例中，天线阵列中包括有多个天线单元，天线单元包括间隔设置的上层基板和下层基板，上层基板上设置有至少一个寄生贴片，下层基板上设置有辐射片和馈电网络，馈电网络通过两个馈电点和辐射片的两个角部连接，馈电网络在实现馈电时两个馈电点之间的相位差为0。这样天线阵列能够实现较好的带宽、增益和线极化性能，从而达到优异的辐射性能和阻抗性能。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。