一种低比吸收率的圆极化可共形天线及制作方法与流程

本发明涉及天线技术领域，更具体地，涉及一种低比吸收率的圆极化可共形天线即制作方法。

背景技术：

天线是无线通信设备中发出和接收无线信号的重要器件。随着移动通信的飞速发展，以及可共形设备越来越多的应用在日常生活和军事中，对天线的设计要求也在不断提高。对于可共形设备中的天线，要求其具有较小的尺寸，与人体表面共形时保证一定的工作性能，并且尽量降低对人体的电磁辐射，减小天线的比吸收率。天线的极化一般包括线极化和圆极化，考虑到天线随人体在空间中位置变换不定，采用圆极化天线能够在一定程度上保持设备信号的稳定性。一般通过对馈电端口或是天线结构的设计来使得天线上的电流在正交方向上满足一定的相位关系，从而实现圆极化辐射。超表面或频率选择表面由于具有不同于一般媒质的特殊的电磁特性，常加入到天线的设计中，用以改善天线的某些工作特性。高阻抗表面是其中一种，通常由统一尺寸的单元表面结构组阵构成。通过调节单元结构的尺寸及单元间距可以控制正入射的电磁波的反射相位，从而与全向天线组合可以实现具有低剖面的定向天线。天线设计中加入有特殊电磁特性的复合材料，可以用于减小天线尺寸或增加工作带宽等。将具有较高的介电常数和大于1的磁导率的复合材料用作天线的基板时，根据慢波原理，可以减小天线的尺寸。本发明采用的复合材料在工作频带内相对介电常数为12，相对磁导率为2.7。由于材料具有一定损耗，故放置在天线和人体之间，虽然会降低天线的增益，但是可以在减小整个天线的尺寸的同时，吸收天线辐射向人体的电磁波。

技术实现要素：

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的低比吸收率的圆极化可共形天线及制作方法，通过双正交偶极子实现圆极化，同时加入复合材料和高阻抗表面对天线的辐射特性进行控制，利用复合材料较高的电磁参数来减小天线整体的尺寸，并配合高阻抗表面降低天线的背向辐射，降低比吸收率，同时增加天线的定向辐射。

根据本发明的一个方面，提供一种低比吸收率的圆极化可共形天线，包括用于激励电磁波的天线振子以及与天线振子相贴合的用于反射电磁波的阻抗结构。

作为优选的，所述天线振子为圆极化天线振子，包括两个正交连接的偶极子。

作为优选的，所述每个偶极子包括两个谐振臂，所述谐振臂一侧设有终端加载部，所述每个谐振臂都为弯折结构，所述终端加载部为弧形结构。

作为优选的，所述两个偶极子的连接点处设有馈电点，所述每个偶极子的两个谐振臂连接所述馈电点且在馈电点处呈中心对称。

作为优选的，还包括第一柔性材料层，所述天线振子设于第一柔性材料层一侧表面，所述第一柔性材料层的另一侧接触高阻抗表面的金属单元结构。

作为优选的，所述阻抗结构包括依次层叠的金属单元层、第二柔性材料层、柔性复合材料层和金属底板层，所述金属单元层另一侧层叠第一柔性材料层。

作为优选的，所述第一柔性材料层和第二柔性材料层为柔性PE材料；所述第一柔性材料层、第二柔性材料层和柔性复合材料层厚度均为2mm。

一种低比吸收率的圆极化可共形天线制作方法，包括以下步骤：

S1、制作正交的双偶极子天线；

S2、制作阻抗结构；

S3、将双偶极子天线和阻抗结构贴合。

作为优选的，其特征在于，所述步骤S1具体包括：将两个偶极子正交摆放，调整尺寸参数和工作频段，使两个偶极子上的电流分布相差90°相位，将四个谐振臂连接起来，并在连接点进行馈电。

作为优选的，其特征在于，所述步骤S3还包括：对天线进行调试，微调偶极子谐振臂的长度和终端加载部的宽度，对天线回波损耗和极化特性进行调整。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明通过双正交偶极子实现圆极化，同时加入复合材料和高阻抗表面对天线的辐射特性进行控制。偶极子易于设计和制作加工，并可以通过对偶极子谐振臂的合理弯折来减小天线尺寸。利用结合复合材料较高的电磁参数来减小天线整体的尺寸，并配合高阻抗表面降低天线的背向辐射，降低比吸收率，同时增加天线的定向辐射。

附图说明

图1为本发明实施例中圆极化天线结构框图；

图2为本发明实施例中正交双偶极子天线振子结构框图；

图3位本发明实施例中制作方法流程图；

图4为本发明实施例中阻抗结构的金属单元对正入射波的反射相位和工作频率变化示意图；

图5位本发明实施例中回波损耗和工作频率变化示意图；

图6为本发明实施例中轴比和工作频率变化示意图；

图7为本发明实施例中天线在三个相互正交的坐标平面上的辐射方向示意图；

图8位本发明实施例中天线贴附在半径为40mm的圆柱面上的天线的回波损耗图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1示出了一种低比吸收率的圆极化可共形天线，包括用于激励电磁波的天线振子1以及与天线振子连接用于反射电磁波的阻抗结构，所述阻抗结构厚度小，可作为表面结构贴合在天线振子上，通过高阻抗的表面结构，降低天线的背向辐射，降低比吸收率，同时增加天线的定向辐射。

如图2所示，所述天线振子为圆极化天线振子，包括两个正交连接的偶极子(图中的11、12),在本实施例中，该天线的工作频率为2.45GHz，3dB圆极化带宽为100MHz。

在本实施例中，所述每个偶极子包括两个谐振臂和连接谐振臂一侧的终端加载部，通过终端加载部使两个偶极子上的电流分布相差90°相位，形成圆极化辐射特性，所述每个谐振臂都为弯折结构，所述终端加载部为弧形结构，谐振臂和终端加载部都设计为弯折结构，减小了天线的整体尺寸，同时，可通过调整谐振臂的长度和终端加载部的宽度，进而进行天线回波损耗，极化特性的调整。

作为优选的，所述两个偶极子的连接点处设有馈电点13，所述每个偶极子的两个谐振臂连接所述馈电点13且在馈电点13处呈中心对称。

在本实施例中，还包括第一柔性材料层2，所述天线振子1刻蚀于第一柔性材料层2一侧表面，天线振子1和下方的第一柔性材料层2共同组成激励电磁波的部分，所述第一柔性材料层2的另一侧接触高阻抗表面的金属单元结构。

在本实施例中，所述阻抗结构包括依次层叠的金属单元层3、第二柔性材料层4、柔性复合材料层5和金属底板层6，所述金属单元层3另一侧层叠第一柔性材料层2。第一层是周期排布的平面金属单元层3结构，第二层是作为缓冲的第二柔性材料层4，避免周期性金属单元层3直接与有一定损耗的复合材料5接触，导致反射电磁波的强度的降低，第三层即为复合材料层5，通过其具有的较高电磁参数来提高天线周围的等效电磁参数，从而可以在一定程度上减小天线的尺寸，而且还可以利用复合材料自身的损耗来吸收天线的后向辐射，第四层为金属底板层6。这四层组合在一起构成阻抗结构，用以产生特定的电磁波反射相位，降低天线的后向辐射。所述第一柔性材料层2和第二柔性材料层4为柔性PE材料；所述第一柔性材料层2、第二柔性材料层4和柔性复合材料5层厚度均为2mm。

将双偶极子所在PE层置于阻抗结构的周期金属单元层3之上，由于反射吸收部分的加入，原来设计好的圆极化天线工作频率肯定会有偏移。在考虑两部分结合的情况下，通过对天线尺寸的微调来让天线整体工作在要求频段内，并满足一定的辐射性能。通过考虑与人体共形的情况来验证天线具有低比吸收率，并且在弯曲的情况下依然能够满足一定的性能要求。

在本实施例中，采用的第一柔性材料层2、第二柔性材料层4和复合材料的厚度均为2mm。

图3示出了一种低比吸收率的圆极化可共形天线制作方法，包括以下步骤：

S1、制作正交的双偶极子天线；

S2、制作阻抗结构；

S3、将双偶极子天线和阻抗结构贴合。

作为优选的，所述步骤S1具体包括：将两个偶极子正交摆放，调整尺寸参数和工作频段，通过终端加载部使两个偶极子上的电流分布相差90°相位，形成圆极化辐射特性，将四个谐振臂连接起来，并在连接点进行馈电。

阻抗结构依次包括表面的金属单元层、第二柔性材料层、复合材料层和底面的金属底板层，对高阻抗表面结合复合材料的单元进行仿真，通过调整天线的尺寸和间隔得到在工作频率2.45GHz附近，反射相位在135°到45°连续变化如图4所示。

作为优选的，所述步骤S3还包括：对天线进行调试，微调偶极子谐振臂的长度和终端加载部的宽度，对天线回波损耗和极化特性进行调整。通过微调谐振臂的长度，和终端处加载部的宽度，可以得到天线回波损耗，极化特性均满足工作要求的天线。并且具有一定的增益特性。天线的回波损耗和轴比分别如图5和图6，可以看出回波损耗小于-10dB，带宽(2300MHz～2800MHz)大于300MHz，轴比小于3dB，带宽(2350MHz～2620MHz)大于100MHz。图7为天线在xoz、yoz和xoy平面方向图(天线与xoy平面平行),从辐射方向图中可以看出天线辐射的能量主要集中在图中所示的正z方向，即背向人体的方向。天线具有较低的后瓣，从而辐射向人体的电磁波较少。在正z方向天线的增益为0.6dBi。图8所示为天线贴附在半径为40mm的圆柱面上的天线的回波损耗图。可以看到在工作频带内依然能够满足小于-10dB的带宽要求。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明通过双正交偶极子实现圆极化，同时加入复合材料和高阻抗表面对天线的辐射特性进行控制。偶极子易于设计和制作加工，并可以通过对偶极子谐振臂的合理弯折来减小天线尺寸。利用结合复合材料较高的电磁参数来减小天线整体的尺寸，并配合高阻抗表面降低天线的背向辐射，降低比吸收率，同时增加天线的定向辐射。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。