双极化天线的制作方法

本申请涉及天线技术领域，具体涉及一种双极化天线。

背景技术：

近年来，随着无线通信技术的迅速发展，用户数量与日俱增，频谱资源也越来越被充分利用，呈现紧张的趋势。在目前的通信系统中，采用双极化天线可实现在同一带宽内发射两种不同极化信号，使频带利用率提高一倍，从而使通信容量增加一倍。

但是，常见的双极化天线在机载或车载动中通应用中，由于外部环境，例如空间和体积的限制，导致天线增益比较有限，无法满足某些高增益场景下的增益需求，进而影响通信质量。

技术实现要素：

本申请实施例提供了一种双极化天线，能够提高天线增益。

第一方面，本申请实施例提供了一种双极化天线，包括：多个第一超表单元、第一基板、至少一个第一辐射单元、介质填充层、至少一个第二辐射单元、第二基板、第一金属地、第三基板、馈线和天线馈电点；

所述第一超表单元分布在所述第一基板的第一表面，所述第一辐射单元分布在所述第一基板的第二表面；

所述第二辐射单元分布在所述第二基板的第一表面，所述第二辐射单元和所述第一辐射单元的数量相同，且所述第二辐射单元的中点与对应的所述第一辐射单元的中点相对，所述第二辐射单元和所述第一辐射单元之间由所述介质填充层填充，所述第一金属地的第一表面与所述第二基板的第二表面贴合，所述第一金属地的第二表面与所述第三基板的第一表面贴合，所述馈线附着在所述第三基板的第二表面，每个所述第一辐射单元通过金属过孔与所述馈线连接，所述馈线和所述天线馈电点连接。

本实施例中，通过各第一辐射单元和第二辐射单元的中点一一相对能够形成谐振腔相比单个辐射单元进行辐射时，在保证天线高增益的前提下，所需要的基板的厚度大大降低，因此天线的总厚度大大降低，实现天线的轻量化，应用场景更丰富。同时，由于上述第一超表单元设置在第一基板的第一表面，实现了超表单元和辐射单元的结合，采用这样的超表单元和辐射单元相结合的结构形成频率选择表面，能够有效抑制旁瓣，增强了天线的方向性，从而实现波束汇聚，提高了特定方向的天线增益。

可选地，所述天线还包括：多个第二超表单元，所述多个第二超表单元分布在所述第一基板的第二表面并分布在所述第一辐射单元的周围，所述第二超表单元的中点与对应的所述第一超表单元的中点相对。

上述第二超表单元分布在第一辐射单元的周围能够进一步抑制旁瓣，进一步增强天线的方向性，加强了波束汇聚，进一步提高了特定方向的天线增益。

可选地，所述天线馈电点设置在所述第二基板的第一表面，所述天线馈电点通过金属过孔与所述馈线连接，能够避免收到外界的其他信号的干扰，保证了信号的传输性能。

可选地，还包括：第四基板和第二金属地，所述第四基板的第一表面与所述馈线贴合，所述第四基板的第二表面与所述第二金属地的第一表面贴合。通过在馈线的另外一面增加第四基板和第二金属地的设置，能够将馈线包裹在天线的内部，形成带状线，采用带状线进行传输，相比传输表面裸露在空气中微带线来说，减少了传输损耗，第二金属地能够保护馈线传输信号时不会受到外部其他信号的干扰，提高了信号传输的质量。

可选地，所述天线馈电点分布在所述第四基板的第二表面，且通过金属过孔与所述馈线连接，能够将信号引出至天线的外表面，便于在天线馈电点安装连接器或者其他模块。

可选地，所述第一超表单元为x型结构。

可选地，所述第二超表单元为开设口字型缝隙的结构单元。

可选地，所述第二辐射单元为切角结构单元或者为开设十字型缝隙的结构单元。

可选地，所述第一基板、第二基板、第三基板和第四基板采用柔性材料。

本实施例中，采用柔性材料做基板能够使得天线附着在大曲率结构的表面，实现天线和所附着的结构共形设计，因此使用场景更灵活。

可选地，所述介质填充层的填充物为空气。

本实施例采用空气填充辐射单元之间的谐振腔，能够降低成本的同时，进一步减少谐振腔的厚度，进而减小天线的整体厚度，使得天线具有超薄结构，易于小型化和轻量化，降低了对使用环境的要求。

可选地，所述馈线采用功分馈电网络的形式。

本实施例中，采用功分馈电网络进行信号传输能够通过调整不同位置的馈线的尺寸来调整每路信号的信号强度，便于调整信号的传输性能。

附图说明

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

图1是本申请一实施例提供的双极化天线的纵向剖面结构示意图；

图2是本申请一实施例提供的第一辐射单元和第一超表单元在第一基板第一表面的垂直方向的透视图；

图3是本申请一实施例提供的双极化天线的纵向剖面结构示意图；

图4是本申请一实施例提供的天线馈电点和馈线在同一层的剖面示意图；

图5是本申请一实施例提供的第一辐射单元和第二超表单元在第一基板的第二表面的位置分布示意图；

图6是本申请一实施例提供的第一辐射单元和第二超表单元在第一基板的第二表面的位置分布示意图；

图7是本申请一实施例提供的双极化天线的纵向剖面结构示意图；

图8是本申请一实施例提供的双极化天线的纵向剖面结构示意图；

图9是本申请一实施例提供的第一超标单元的结构和分布形式的示意图；

图10是本申请一实施例提供的第二超标单元的结构和分布形式的示意图；

图11是本申请一实施例提供的2乘2阵列的第二辐射单元的结构示意图；

图12是本申请一实施例提供的第二辐射单元的结构示意图；

图13是本申请又一实施例提供的第二辐射单元的结构示意图；

图14是本申请一实施例提供的2乘2阵列的辐射单元所采用的功分馈电网络的示意图；

图15是本申请一实施例提供的双极化天线的透视图；

图16是本申请一实施例提供的双极化天线的透视图；

图17是本申请一实施例提供的电压驻波比的曲线图；

图18是本申请一实施例提供的天线增益的曲线图；

图19是本申请一实施例提供的天线效率的曲线图；

图20是本申请一实施例提供的一个方向的天线方向图；

图21是本申请一实施例提供的另一个方向的天线方向图；

图22是本申请一实施例提供的天线增益的曲线图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。

应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

在一个实施例中，提供了一种双极化天线，该双极化天线的纵向剖面图可以如图1所示，包括：多个第一超表单元111、第一基板121、至少一个第一辐射单元131、介质填充层140、至少一个第二辐射单元132、第二基板122、第一金属地151、第三基板123、馈线161和天线馈电点162。

具体的，可以参见图1所示的天线的剖面示意图，该图1仅用于对天线各个层之间的相对位置关系的示意，并不用于限制各功能单元在基板上的具体位置。如图1所示，第一超表单元111分布在第一基板121的第一表面。第一辐射单元131分布在第一基板121的第二表面，当第一辐射单元131的数量为一个时，即辐射单元为1乘1的结构，可以参见图2所示，图2为第一辐射单元131和第一超表单元111在第一基板第一表面的垂直方向的透视图，由图2可以看出，第一辐射单元131分布在第一基板121的第一表面，并在垂直于第一基板121的第一表面的方向上扩大覆盖第一辐射单元131所分布的区域。在图2中，第一辐射单元131和第一超表单元111以正方形的金属贴片的形态为例示出，且第一辐射单元131和第一超表单元111的边与第一基板121的边界呈四十五度的夹角。可选地，第一辐射单元131和第一超表单元111还可以是其他的形状，例如椭圆形、圆形或长方形等，本申请实施例对此不做限定。

上述同一个基板的第一表面和第二表面为面积最大且相对的两个表面，每个基板的第一表面的朝向均相同，每个基板的第二表面的朝向均相同。

上述，第二辐射单元132分布在第二基板122的第一表面。需要说明的是，第二辐射单元132和第一辐射单元131的数量相同，且每个第二辐射单元132的中点和对应的第一辐射单元131的中点相对，以使第二辐射单元132和第一辐射单元131形成谐振腔，从而提高第二辐射单元的辐射性能。可选地，部分第一超表单元111的中点和对应的第一辐射单元131的中点相对。其中，第二辐射单元132和第一辐射单元131之间由介质填充层填充。第一金属地151的第一表面与第二基板122的第二表面贴合，第一金属地151的第二表面与第三基板123的第一表面贴合，馈线161附着在第三基板123的第二表面，即通过第一金属地151将第二辐射单元132和馈线161隔开，避免信号串扰。其中，每个第一辐射单元131通过金属的过孔171穿过第一金属地151与馈线161连接。其中馈线161和天线馈电点162连接，可选地，当馈线161和天线馈电点162在同一基板的同一表面时，可以直接连接，如果位于不同基板或者不同表面，则可以通过过孔171连接。

上述图1所示的实施例中，通过各第一辐射单元和第二辐射单元的中点一一相对能够形成谐振腔的结构进行辐射，相比单个辐射单元进行辐射的情况，在保证天线高增益的前提下，所需要的基板的厚度大大降低，因此天线的总厚度大大降低，实现天线的轻量化，应用场景更丰富。同时，由于上述第一超表单元设置在第一基板的第一表面，实现了超表单元和辐射单元的结合，采用这样的超表单元和辐射单元相结合的结构形成频率选择表面，能够有效抑制旁瓣，增强了天线的方向性，从而实现波束汇聚，提高了特定方向的天线增益。

可选地，在上述图1所示的实施例的基础上，所述双极化天线还可以包括：多个第二超表单元112，多个第二超表单元112分布在第一基板121的第二表面并分布在第一辐射单元131的周围，如图3所示。图3为天线的剖面示意图，该图3仅用于对天线各个层之间的相对位置关系的示意，并不用于限制各功能单元在基板上的具体位置。图3中，以天线馈电点162位于第二基板122的第一表面为例示出，其中，天线馈电点162通过过孔171和馈线161连接；图4为天线馈电点162和馈线161在同一层的剖面示意图，本实施例对天线馈电点设置的位置不做限定。

需要说明的是，第二超表单元112的数量和分布形式随着第一辐射单元131的数量有所变化，第一辐射单元131的数量可以为一个，即辐射单元为1乘1的结构，可以参见图5所示，图5为第一辐射单元131和第二超表单元112在第一基板121的第二表面的位置分布示意图，在图5中，第二超表单元121分布在第一辐射单元131的周围，图5中以第一辐射单元131和第二超表单元112为正方形的金属贴片为例示出，且第一辐射单元131和第二超表单元112的边与第一基板112的边界呈现四十五度的夹角。

可选地，以辐射单元为2乘2的结构为例，第一辐射单元131和第二超表单元112在第一基板121的第二表面的位置分布可以参见图6所示。图5和图6中以第二超表单元112围绕第一辐射单元131一圈为例示出，可选地，第二超表单元112还可以设置围绕第一辐射单元131两圈或者三圈，本申请实施例并不做限定。

可选地，上述每个第一超表单元111的中心点和对应的第二超表单元112的中点可以对应，以使第二超表单元112和第一超表单元111形成谐振腔。可选地，部分第一超表单元111的中点和对应的第一辐射单元131的中点相对，其他第一超表单元111的中点和对应的第二超表单元112的中点相对。

上述第一超表单元111和第二超表单元112为超材料表面结构单元，能够改变附近辐射单元的辐射特性。上述超材料表面结构单元采用超材料制成，超材料可以采用左手材料、光子晶体等，本申请实施例对此不做限定。

本实施例中，通过将第二超表单元分布在第一辐射单元的周围设置能够进一步抑制旁瓣，进一步增强天线的方向性，加强了波束汇聚，进一步提高了特定方向的天线增益。

可选地，在上述实施例的基础上，天线馈电点162设置在第二基板122的第一表面，天线馈电点162通过金属的过孔171与馈线161连接。具体可以参见图1所示，将天线馈电点162设置在第二基板122的第一表面，相比设置在整个天线的外表面，能够避免收到外界的其他信号的干扰，保证了信号的传输性能。

可选地，在上述各实施例的基础上，双极化天线还可以包括：第四基板124和第二金属地152，第四基板124的第一表面与馈线161贴合，第四基板124的第二表面与第二金属地152的第一表面贴合。具体可以参见图7所示的天线的剖面示意图，该图7用于对天线各个层之间的相对位置关系的示意，并不用于限制各功能单元在基板上的具体位置的限定。通常，不同层的金属地可以通过过孔连接实现共地。在图7所示的实施例中，通过在馈线的另外一面增加第四基板和第二金属地的设置，能够将馈线包裹在天线的内部，形成带状线。采用带状线进行传输，相比传输表面裸露在空气中的微带线来说，减少了传输过程中的插入损耗。同时，第二金属地能够保护馈线传输信号时不会受到外部其他信号的干扰，提高了信号传输的质量。

可选地，在上述实施例的基础上，天线馈电点162分布在第四基板124的第二表面，且通过金属的过孔171与馈线161连接，例如可以参见图8中天线馈电点162的位置，将天线馈电点设置在第四基板124的第二表面，能够将信号引出至天线的外表面，便于在天线馈电点安装连接器或者其他模块。

可选地，上述第一超表单元111可以为正方形的结构单元，也可以为正方形上开设口字型缝隙的结构单元，也可以是开设其他形状缝隙的结构单元，还可以是将正方形的四角进行倒角的结构单元，本申请实施例对此不做限定。

可选地，上述第二超表单元112可以为正方形的结构单元，也可以为正方形上开设口字型缝隙的结构单元，也可以是开设其他形状缝隙的结构单元，还可以是将正方形的四角进行倒角的结构单元，本申请实施例对此不做限定。

可选地，上述第一超表单元111和第二超表单元112可以是相同的结构单元也可以是不同的结构单元，对此本申请实施例不做限定。

可选地，上述第一超表单元111和第二超表单元112的数量可以相同；可选地，第一超表单元111和第二超表单元112一一对应且间隔第一基板121相对设置，例如任意一个第一超表单元111和相对的第二超表单元112的中点的连线垂直于第一基板121的第一表面。

可选地，上述第一超表单元111和第二超表单元112的数量也可以不相同；可选地，一个第二超表单元112和一个第一超表单元111间隔第一基板121相对设置，例如一个第二超表单元112和相对的第一超表单元111的中点的连线垂直于第一基板的第一表面；同时，每个第一辐射单元131还对应一个第一超表单元111，任意一个第一辐射单元131和对应的第一超表单元111可以间隔第一基板121相对设置，任意一个第一辐射单元131和对应的第一超表单元111的中点的连线垂直于第一基板121的第一表面。

可选地，上述第一超表单元111可以为x型结构。例如可以参见图9所示，图9中以图6为基础，对第一超表单元111的结构和分布形式进行示例。采用x型结构的超表单元能够通过调整尺寸的方式对天线的性能进行调整，来增强天线的极化特性，增强辐射性能。

可选地，第二超表单元112为开设口字型缝隙的结构单元。例如可以参见图10所示，图10中以图6为基础，对第二超表单元112的结构和分布形式进行示例。采用开设口字型缝隙的超表单元能够通过调整口字型缝隙的尺寸对天线的性能进行调整，来增强天线的极化特性，增强辐射性能。

可选地，上述第二辐射单元132可以为四角导圆角的正方形结构，具体可以参见图11所示，图11中以2乘2阵列的第二辐射单元132为例示出。

可选地，上述第二辐射单元132为切角结构单元，例如可以参见图12所示。本实施例能够通过调整切角的尺寸和角度实现对天线性能的调整。

可选地，上述第二辐射单元132为开设十字型缝隙的结构单元，例如可以参见图13所示。本实施例能够通过调整缝隙尺寸实现对天线性能的调整。

可选地，上述介质填充层140的填充物可以为聚氨酯泡沫、涤纶树脂(polyethyleneterephthalate，pet)或者聚酰亚胺薄膜(polyimidefilm，pi)等介质填充，也可以采用空气填充。采用空气填充辐射单元之间的谐振腔，能够降低成本的同时，进一步减少谐振腔的厚度，进而减小天线的整体厚度，使得天线具有超薄结构，易于小型化和轻量化，降低了对使用环境的要求。

可选地，上述第一基板121、第二基板122、第三基板123和第四基板124采用柔性材料。采用柔性材料做基板能够适用于大曲率的共形结构表面，例如柔性材料作为基板使用在球面结构上，采用柔性材料做基板能够使得天线附着在大曲率结构的表面，实现天线和所附着的结构共形设计。

可选地，馈线161采用功分馈电网络的形式，例如图14所示。图14以图11为基础，基于图11中的2乘2阵列的辐射单元所采用的功分馈电网络进行示意。图14中，两个天线馈电点162可以分别作为信号输入输出点。采用功分馈电网络进行信号传输，能够通过调整不同位置的馈线的尺寸来调整每路信号的信号强度，便于调整信号的传输性能。

可选地，图15为一个实施例提供的双极化天线的透视图，图15中以垂直于第一基板121的第一表面的方向上，双极化天线的第一超表单元111、第二超表单元112、2乘2阵列的第一辐射单元131、2乘2阵列的第二辐射单元132、馈线161以及天线馈电点162的相对位置进行示意。图15以透视图的形式进行相对位置示意，并不表示所示出的结构单元位于同一基板的同一个表面。

可选地，本申请实施例还涉及其他多种辐射单元的阵列形式，例如1乘2阵列、1乘4阵列、1乘8陈列、2乘4阵列、4乘4阵列等等。可选地，图16为辐射单元为1乘8阵列的情况下，第一辐射单元131、第二辐射单元132和馈线161的分布示意图，图16以透视图的形式进行结构单元的相对位置示意，并不表示所示出的结构单元位于同一基板的同一个表面。

对于上述图15所示的双极化天线，对各参数进行了测算。上述双极化天线的电压驻波比(vswr)可以参见图17所示。图17中，vswr(1)为第一端口(其中一个天线馈电点)的电压驻波比的曲线，vswr(2)为第二端口(另外一个天线馈电点)的电压驻波比的曲线，由图17所见，应用在频率为14ghz-17gh之间时，两个端口的电压驻波比较小，例如在15ghz时电压驻波比均能够达到1.4以下，反射信号较少，能量损失较少。图18是双极化天线辐射的增益(gain)的参数图，由图18所见，应用在频率为14ghz-17gh之间时，增益在9dbi以上，例如应用在15ghz时，增益达到大约13dbi，有较大提升。图19为天线效率的参数图，由图19可见，应用在频率为14ghz-17gh之间时，辐射效率在63％以上，例如应用在15ghz时，辐射效率超过75％。关于天线的方向图可以参见图20和图21所示，图20和图21为不同方向的方向图。由图20和图21可以看出，实际增益(realizedgain)在主瓣方向能够达到12.5dbi，旁瓣方向的实际增益较小，例如-10dbi。

对于上述图16所示的双极化天线进行了测算。测算结果如图22所示，应用在频率为13.5ghz-16.5gh之间时，天线的增益可以接近15dbi；实测结果显示，应用在频率为13.5ghz-16.5gh之间时，天线的增益可以达到11dbi以上，增益较高。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。