基于ebg结构的低剖面超宽带圆极化天线的制作方法
【专利摘要】本发明提出了一种基于EBG结构的低剖面超宽带圆极化天线，用于解决现有基于EBG结构的低剖面宽带圆极化天线存在的工作频带相对较窄的技术问题，包括EBG结构(1)、交叉偶极子天线(2)和功分移相器(3),交叉偶极子天线(2)的馈电单元采用倒L型耦合馈电方式，且馈电单元垂直插入EBG结构中；功分移相器(3)包括威尔金森功分器和90°移相器，且该功分移相器(3)与EBG结构(1)共地，并与馈电单元的馈线相接；本发明的剖面低，且工作频带宽，可用于射频识别、雷达及无线通信在宽频带内圆极化电磁波的接收和发射。
【专利说明】
基于EBG结构的低剖面超宽带圆极化天线
技术领域
[0001]本发明属于天线技术领域，涉及一种低剖面超宽带圆极化天线，具体涉及一种基于EBG结构的低剖面超宽带圆极化天线，可用于射频识别、雷达及无线通信在宽频带内圆极化电磁波的接收和发射。
【背景技术】
[0002]天线按照极化特性可分为线极化、圆极化和椭圆极化三种，其带宽是指天线在能满足设计指标要求的频率范围内的主要性能参数，如输入阻抗、方向图、增益、主瓣宽度和副瓣电平等，一般情况下，天线性能参数是随频率而变化的，因而天线带宽就取决于各项性能参数的频率特性。对于圆极化天线，其极化特性往往是限制工作带宽的主要因素。
[0003]圆极化天线可以接收任意极化方向的线极化波，同时它发射的信号也可以由任意极化方向的线极化天线接收，并且具有旋向正交性，尤其是在航天飞行器、无线通信和雷达的极化分集、全球定位等无线电领域中得到广泛应用领域。
[0004]近年来，超宽带通信技术受到广泛的关注，由于其可以大幅度地提高通信速率并且具有功耗低、安全性高等优点，使得超宽带通信技术越来越显示出其独特的优势。一般认为，绝对带宽超过0.5GHz (中心频率大于2.5GHz)或相对带宽大于20% (中心频率小于
2.5GHz)的天线为超宽带天线。
[0005]实际应用中的天线多依附于金属导体或者类似金属导体的载体之上，与自由空间中天线的辐射特性相比有很大的不同，这类型的天线剖面接近于工作频率的四分之一波长。考虑到实际应用中机械问题、空气动力学特性等一系列的因素，天线的剖面过大不易于天线与载体共形，并且增加了天线在移动过程中受到的阻力。因此低剖面天线以其轮廓低、风阻小、结构牢固、重量轻以及易于实现与载体共形等特性受到了天线研究者的广泛关注。
[0006]低剖面天线的设计中，微带天线因其剖面低，成本低，易于制造而备受青睐。然而，常规的微带天线一般阻抗带宽较窄(小于5% )，有时不能满足某些现代无线系统的带宽要求。国内外研究者提出了许多带宽增强技术，比如U型槽贴片天线，共面耦合馈电等，虽然通过采用这些技术，可以保证低剖面的同时增加带宽，但是通常在整个工作频率范围内，这些微带天线具有强大的背面辐射，影响了天线的性能。随着国内外学者对新材料越来越多的研究，一种人工电磁带隙结构一 EBG被应用于低剖面天线的结构中JBG结构(Electromagnetic band gap)是一种人造周期性结构，具有表面波带隙特性和同向反射带隙特性，它具有多种类型，一般是由金属和介质混合组成。EBG结构的同向反射带隙特性能用来设计低剖面天线。传统方法使用金属地板作为天线的反射器，该方法要求天线离金属地板的距离约为天线工作频率波长的1/4，这是因为电磁波入射到金属地板后，反射电磁波的相位与原入射电磁波相位相差了 180°。当天线距离地板1/4波长时，经地板反射后的相位与原相位同相，天线的辐射效率最高。而EBG结构的表面能使反射电磁波的相位随频率增加从180°到-180°变化，在某个频段内反射相位和入射相位是同相的。根据EBG结构的这个原理，能设计出低剖面天线，降低天线的高度。
[0007]将EBG结构应用到低剖面超宽带圆极化天线中，目前已有学者对其做了一些研究，例如Kush Agarwal，Nasimuddin和Arokiaswami Alphones于20 13年3 月在IEEETransact1ns On Antennas And Propagat1n上发表的论文 “Wideband CircularlyPolarized AMC Reflector Backed Aperture Antenna” 中，将EBG结构作为其设计的超宽带圆极化孔径天线的反射板，天线的剖面高度降低到了0.19λ，天线的阻抗带宽为36.2%(5.04GHz?7.2IGHz)，轴比带宽为33.2 % (5.20GHz?7.19GHz)，为了保证较宽的频带，牺牲了一定的剖面高度；又如Wanchen Yang和KamWeng Tam于2014年在IEEE Transact1ns OnAntennas And Propagat1n上发表的论文“Novel Polarizat1n Rotat1n TechniqueBased On An Artificial Magnetic Conductor And Its Applicat1n In A Low-Profile Circular Polarizat1n Antenna”中将偶极子天线与EBG结构结合，利用EBG结构反射信号的相位特性实现了低剖面的圆极化天线，在工作频段4.75GHz?5.65GHz内，其剖面高度达到了0.05λ，阻抗和轴比带宽为17.3%，虽然天线剖面高度较低，但其带宽相对较窄。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出一种基于EBG结构的低剖面超宽带圆极化天线，用于解决现有基于EBG结构的低剖面宽带圆极化天线存在的工作频带相对较窄的技术问题。
[0009]本发明的技术思路为:使用交叉偶极子天线实现圆极化，利用EBG结构的同向反射带隙特性降低天线剖面高度，并用功分移相器对天线进行馈电。
[0010]根据上述技术思路，实现本发明目的采用的技术方案为:
[0011]—种基于EBG结构的低剖面超宽带圆极化天线，包括天线单元，所述天线单元采用交叉偶极子天线2，用于拓宽频带，该交叉偶极子天线2插入其下方设置的EBG结构I中，用于实现低剖面，所述EBG结构I的下方设置有功分移相器3，用于实现圆极化，所述EBG结构I的下表面与功分移相器3的上表面贴合。
[0012]上述基于EBG结构的低剖面超宽带圆极化天线，所述EBG结构I，包括第一介质板11，其上表面印制有η X η个正方形或圆形金属贴片12，下表面印制有金属地板13，在该EBG结构I的中心位置设置有十字缝，用于插入交叉偶极子天线2。
[0013]上述基于EBG结构的低剖面超宽带圆极化天线，所述交叉偶极子天线2，包括辐射单元21和馈电单元22，所述辐射单元21包括四个水平振子211，所述馈电单元22包括第二介质板223和第三介质板224，该两个介质板223，224垂直交叉，所述四个水平振子211固定在两个介质板223，224的上端。
[0014]上述基于EBG结构的低剖面超宽带圆极化天线，所述第二介质板223，其下端边缘中心位置设置有倒U型槽，该第二介质板223的一面印制有第一馈线221，另一面印制有两个矩形金属片225;所述第三介质板224，其上端边缘中心位置设置有U型槽，该第三介质板224的一面印制有第二馈线222，另一面印制有两个矩形金属片225;所述第一馈线221、第二馈线222和矩形金属片225，分别形成倒L型结构，用于实现耦合馈电;所述第二介质板223的倒U型槽和第三介质板224的U型槽吻合。
[0015]上述基于EBG结构的低剖面超宽带圆极化天线，所述水平振子211，采用对称结构，该水平振子211通过矩形金属片225与金属地板13相连。
[0016]上述基于EBG结构的低剖面超宽带圆极化天线，所述第一馈线221和第二馈线222，均采用复合微带线结构，该复合微带线结构由宽度分别为D4和D5的两段微带线连接而成，其中，宽度为D5的微带线折成倒U型，且D5>D4。
[0017]上述基于EBG结构的低剖面超宽带圆极化天线，所述功分移相器3，包括第四介质板31，其下表面印制有威尔金森功分器33和90°移相器32;该功分移相器3与金属地板13贴合，形成共地结构;所述90°移相器32，其第一输出端口 321与穿过金属地板13上设置的缝隙的第二馈线222连接，第二输出端口 322与穿过金属地板13上设置的缝隙的第一馈线221连接。
[0018]本发明与现有技术相比，具有如下优点:
[0019]1、本发明由于将天线单元插入其下方设置的EBG结构中，同时功分移相器与EBG结构的金属地板贴合，形成共地结构，实现了低剖面，与现有技术相比，有效的降低了天线整体剖面高度。
[0020]2、本发明由于天线单元采用交叉偶极子天线，且该交叉偶极子天线采用倒L型耦合馈电结构，与现有技术相比，在保证天线低剖面的前提下，有效的拓宽了天线的带宽。[0021 ]仿真结果显示，天线整体剖面高度小于0.U的前提下，阻抗带宽达到了70.6%，轴比带宽达到了65.8%，兼顾了天线的低剖面和超宽带特性。
【附图说明】
[0022]图1为本发明的整体结构示意图；
[0023]图2为发明实施例的俯视图；
[0024]图3为本发明EBG结构单元的侧视图；
[0025]图4为本发明中交叉偶极子天线的结构示意图；
[0026]图5为本发明中交叉偶极子天线的第二介质板的结构示意图；
[0027]图6为本发明中交叉偶极子天线的第三介质板的结构示意图；
[0028]图7为本发明中功分移相器的结构示意图；
[0029]图8为本发明中功分移相器的功分器的结构示意图；
[0030]图9为本发明中功分移相器的90°移相器的结构示意图；
[0031 ]图10为本发明实施例的驻波比仿真结果图；
[0032]图11为本发明实施例的轴比仿真结果图。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步描述:
[0034]参照图1，基于EBG结构的低剖面超宽带圆极化天线，包括:EBG结构1、交叉偶极子天线2以及功分移相器3，为使天线整体剖面高度最低，交叉偶极子天线2插入EBG结构I中，功分移相器3位于EBG结构下表面，与EBG结构共地。交叉偶极子天线2与EBG结构I的上表面垂直，以使反射波与辐射波正向叠加，从而保证天线在宽带内的轴比特性。功分移相器3输出等幅且相位差90°的信号以使天线单元辐射圆极化波。该基于EBG结构的低剖面超宽带圆极化天线的剖面高度为交叉偶极子天线2的高度和功分移相器3的高度之和。
[0035]参照图2，所述EBG结构I的上表面印制有η X η个正方形或圆形金属贴片12，通过改变正方形边长或圆的半径，以及两金属贴片的间距，可以调节EBG结构的同相反射带隙的频段及带宽，EBG结构的同相反射带隙的中心频率与天线工作频带的中心频率相同或接近;本实施例中采用6 X 6个正方形金属贴片，其边长为32.4mm，两相邻金属贴片中心距离M =40.4mm ；交叉偶极子天线2位于EBG结构中心。
[0036]参照图3，所述EBG结构I的第一介质板11下表面印制金属地板13，该第一介质板11中间开缝以便交叉偶极子天线2插入。通过改变第一介质版11的材料及厚度，可以调节EBG结构的同相反射带隙的频段及带宽;本实施例中，介质层12的厚度为9.8mm，为节省成本，采用的材料为FR-4。
[0037]参照图4，所述交叉偶极子天线2，包括辐射单元21和馈电单元22，所述辐射单元21，包括四个水平振子211，水平振子221的中心线长度决定了天线的工作频带，本实施例中水平振子211的尺寸为Dl = 1.63mm，D2 = 14.1mm，D3 = 52mm;馈电单元22包括垂直交叉的第二介质板223和第三介质板224，该两介质版的材料影响了天线的电损耗，调节其厚度可对天线的驻波比进行微调;本实施例中该两介质板采用材料均为FR-4，厚度均为1.63mm。
[0038]参照图5，所述第二介质板223，在本实施例中，其长度S2= 39.1mm，高度SI =18.4mm，为使其与第三介质版224构成垂直交叉结构，在其下端边缘中心位置设置有倒U型槽，槽的宽度S4 = 1.63mm，深度L6= 13.6mm，该第二介质板223—面印制有第一馈线221，另一面印制有两个矩形金属片225，第一馈线221与矩形金属片225构成了 L型耦合馈电结构。在第一馈线221中，通过适当的调节第一馈线221中两段微带线的宽度及长度，可改善天线的驻波比和轴比特性。在本实施例中，05 = 1.3_1，04 = 0.7111111，宽度为05的微带线竖直部分垂直于金属地板13，水平部分平行于第二介质板223的长边，宽度为D4的微带线垂直穿过金属地板13，金属地板13开缝以避免与馈线接触。矩形金属片225的长度与第二介质板223的高度相等，宽度D6 = 13mm。本实施例中第二介质板223的其它相关尺寸如下:LI = 6.4mm，L2=33.4mm，L3 = 23.5mm ,14 = 2.4mm，S3 = 0.8mm。
[0039]参照图6，所述第三介质板224的长度和高度均与第二介质板223相等，在其上端边缘中心位置设置有U型槽，该U型槽可与第二介质版223下端边缘中心位置设置的倒U型槽吻合，从而使第二介质板223与第三介质板224通过U型槽构成垂直交叉结构，且上表面齐平，本实施例中，两U型槽深度之和为第二介质板223的高度。该第三介质板224的一面印制有第二馈线222，另一面印制有两个矩形金属片225，两矩形金属片225的印制位置与其在第二介质板223上印制的位置相同。通过适当的调节第二馈线222中两段微带线的宽度及长度，亦可改善天线的驻波比和轴比特性，本实施例中，L5 = 30.9mm，其微带线的宽度应与第一馈线221同步调节。
[0040]参照图7，所述功分移相器3，其作用在于输出相位差为90°的信号，使天线单元辐射圆极化波，其工作频带(输出相位差在90° ±5°以内)的中心频率与天线单元工作频带的中心频率相同或接近。所述第四介质板31，其材料的介电常数对其工作频带影响不大，本实施例中为使天线的电损耗降低，采用材料为Rogers 4350B，其厚度对功分移相器的工作频带有一定影响，本实施例中其厚度为0.8mm，为方便两馈线221与222穿过，在馈线穿过位置开缝。所述功分移相器3由威尔金森功分器33和90°移相器32相连而成，在该功分移相器3中，输入端口331输入信号，第一输出端口321与第二馈线222相连，第二输出端口322与第一馈线221相连。
[0041]参照图8，所述威尔金森功分器33中，两输出端口输出等幅同相的信号。在本实施例中，隔离电阻Rl = 565 Ω ,R2 = 63 Ω，其各段微带线尺寸如下D12 = 1.6mm，D13 = lmm，D14 =1.5mm，LI 2 = 25mm，LI 3 = 24mmο
[0042]参照图9，所述90°移相器32由左侧的对比电路和右侧的移相电路组成，威尔金森功分器33输出的等幅同相的信号分别经过对比电路和移相电路后，输出幅度相等，相位差为90°的信号。本实施例中，其各段微带线尺寸如下:D7 = 1.6mm，L7 = 116mm，D8 = l.6mm，L8= 17mm，D9 = 2.8mm，L9 = 25.2mm，D10 = l.1mm，L10 = 27.3mm，Dl I = 5mm，LI I = 25.5mm0
[0043]本发明的效果可结合仿真结果作进一步说明:
[0044]1、仿真内容
[0045]1.1利用商业仿真软件HFSS_13.0对上述实施例的驻波比进行仿真计算，结果如图1O所示。
[0046]1.2利用商业仿真软件HFSS_13.0对上述实施例的轴比进行仿真计算，结果如图11所示。
[0047]2、仿真结果
[0048]参照图10，以驻波比小于2为标准，天线的阻抗带宽为0.98GHz?2.05GHz，相对带宽为70.6%。
[0049]参照图11，以轴比小于3dB为标准，天线的轴比带宽为1.04GHz?2.06GHz，相对带宽为65.8%。
[0050]本实施例的天线整体剖面高度为19.2mm，相对于中心频率1.52GHz为0.097λ。
[0051]以上仿真结果说明，本发明天线在剖面高度小于0.1λ的前提下具有理想的阻抗带宽和轴比带宽。
【主权项】
1.一种基于EBG结构的低剖面超宽带圆极化天线，包括天线单元，其特征在于:所述天线单元，采用交叉偶极子天线(2)，用于拓宽频带，该交叉偶极子天线(2)插入其下方设置的EBG结构(I)中，用于实现低剖面，所述EBG结构(I)的下方设置有功分移相器(3)，用于实现圆极化，所述EBG结构(I)的下表面与功分移相器(3)的上表面贴合。2.根据权利要求1所述的基于EBG结构的低剖面超宽带圆极化天线，其特征在于:所述EBG结构(I)，包括第一介质板(11)，其上表面印制有nXn个正方形或圆形金属贴片(12)，下表面印制有金属地板(13)，在该EBG结构(I)的中心位置设置有十字缝，用于插入交叉偶极子天线(2)。3.根据权利要求1所述的基于EBG结构的低剖面超宽带圆极化天线，其特征在于:所述交叉偶极子天线(2)，包括辐射单元(21)和馈电单元(22)，所述辐射单元(21)包括四个水平振子(211)，所述馈电单元(22)包括第二介质板(223)和第三介质板(224)，该两个介质板(223，224)垂直交叉，所述四个水平振子(211)固定在两个介质板(223，224)的上端。4.根据权利要求3所述的基于EBG结构的低剖面超宽带圆极化天线，其特征在于:所述第二介质板(223)，其下端边缘中心位置设置有倒U型槽，该第二介质板(223)的一面印制有第一馈线(221)，另一面印制有两个矩形金属片(225);所述第三介质板(224)，其上端边缘中心位置设置有U型槽，该第三介质板(224)的一面印制有第二馈线(222)，另一面印制有两个矩形金属片(225);所述第一馈线(221)、第二馈线(222)和矩形金属片(225)，分别形成倒L型结构，用于实现耦合馈电；所述第二介质板(223)的倒U型槽和第三介质板(224)的U型槽吻合。5.根据权利要求3所述的基于EBG结构的低剖面超宽带圆极化天线，其特征在于:所述水平振子(211)，采用对称结构，该水平振子(211)通过矩形金属片(225)与金属地板(13)相连。6.根据权利要求4所述的基于EBG结构的低剖面超宽带圆极化天线，其特征在于:所述第一馈线(221)和第二馈线(222)，均采用复合微带线结构，该复合微带线结构由宽度分别为D4和D5的两段微带线连接而成，其中，宽度为D5的微带线折成倒U型，且D5>D4。7.根据权利要求1所述的基于EBG结构的低剖面超宽带圆极化天线，其特征在于:所述功分移相器(3)，包括第四介质板(31)，其下表面印制有威尔金森功分器(33)和90°移相器(32);该功分移相器(3)与金属地板(13)贴合，形成共地结构;所述90°移相器(32)，其第一输出端口(321)与穿过金属地板(13)上设置的缝隙的第二馈线(222)连接，第二输出端口(322)与穿过金属地板(13)上设置的缝隙的第一馈线(221)连接。
【文档编号】H01Q3/30GK106025560SQ201610536573
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月8日
【发明人】翟会清, 冯丹, 习磊, 张珂迪
【申请人】西安电子科技大学