一种四叶草形宽带圆极化平面天线的制作方法

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种Ku波段移动通信天线。

背景技术：

现有的Ku波段移动通信天线有背腔螺旋天线、单点馈电的微带圆极化天线以及带移相网络的双馈或四馈圆极化贴片天线。

其中背腔螺旋天线的优点是带宽较宽，但是其剖面较高，结构复杂，金属背腔重。

单点馈电的微带圆极化天线剖面低，但是带宽极窄。

带移相网络的双馈或四馈圆极化贴片天线剖面较低，但是馈电结构的机械可靠性不高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种机械可靠性高、加工精度高、成本低廉的宽带圆极化平面天线。

本发明采用的技术方案如下：包括上层介质基片、介质支撑板以及下层介质基片；介质支撑板粘接于上层介质基片与下层介质基片之间；还包括：

移相馈电网络，设置于下层介质基片的下表面上；

四叶草形辐射贴片，包括四个金属贴片，其中位于一条直线上的两个金属贴片设置于上层介质基片的上表面，位于另一条直线上的两个金属贴片设置于上层介质基片的下表面，且同表面上的两个金属贴片不相交；

两个耦合臂，其中一个耦合臂位于上层介质基片的上表面，且该耦合臂在上层介质基片下表面的投影与上层介质基片下表面的两个金属贴片的根部重叠；另一个耦合臂位于上层介质基片的下表面，且所述另一个耦合臂在上层介质基片上表面的投影与上层介质基片上表面的两个金属贴片的根部重叠；每个耦合臂位于同表面上的两个金属贴片的叶根之间且与两叶根均具有耦合缝隙；

金属地板，位于介质支撑板与下层介质基片之间；

六个短路通孔，其中四个短路通孔分别电气连通四个金属贴片与金属地板；另外两个短路通孔分别电气连通两个耦合臂与移相馈电网络的两个输出端。

进一步，所述金属贴片的形状为叶尖宽、叶根窄的草叶形，且金属贴片的叶尖均朝外且均匀排布在同一圆周上。

进一步，位于上层介质基片上表面的耦合臂的布设方向与下表面的两个金属贴片所在直线平行，位于上层介质基片下表面的耦合臂的布设方向与上表面的两个金属贴片所在直线平行。

进一步，所述介质支撑板为单层板或多层板，其厚度为1mm~3mm。

进一步，所述介质支撑板的材料介电常数小于3。

进一步，所述另外两个短路通孔中的一个穿过下层介质基片、金属地板、介质支撑板电气连通位于上层介质基片下表面的耦合臂与移相馈电网络的一个输出端；另一个穿过下层介质基片、金属地板、介质支撑板、上层介质基片电气连通位于上层介质基片上表面的耦合臂与移相馈电网络的另一个输出端；所述另外两个短路通孔与金属地板均不接触。

进一步，所述耦合臂长2mm~6mm，宽0.2mm~1mm。

进一步，所述耦合缝隙为0.1mm~0.8mm。

进一步，四个金属贴片按照90°、180°、270°、360°的相对角度布设。

进一步，所述移相馈电网络包括功分器及移相器；功分器用于将输入的信号等分为两路，其中一路信号传输至移相馈电网络的一个输出端，另一路信号传输至移相器，移相器用于将所述另一路信号的相位延迟90°并传输至移相馈电网络的另一个输出端。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明仅由三层介质板构成，具有剖面低、重量轻的优点；可利用成熟的印刷电路工艺进行加工，这使得本发明具有机械强度高、加工精度高、成本低的优点。本发明具有宽带的优点，同时满足反射系数小于-10dB，轴比小于3dB，增益起伏小于2.5dB的相对带宽为40%，适用Ku波段的通信需求。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的移相馈电网络结构示意图。

图3为本发明的介质支撑板的结构示意图。

图4为本发明的四叶草形辐射贴片的结构示意图（透视）。

图5为本发明的耦合臂局部示意图。

图6为本发明上层介质基片上表面结构示意图。

图7为本发明的仿真回波损耗。

图8为本发明的仿真轴比。

图9为本发明的仿真增益。

图10为本发明的phi=0°切面(垂直于介质支撑板且平行于上层介质基片上表面耦合臂所在直线的平面)的左旋极化增益方向图。

图11为本发明的phi=90°切面(垂直于介质支撑板且平行于上层介质基片下表面耦合臂所在直线的平面)的左旋极化增益方向图。

图中标记：1 上层介质基片；2 介质支撑板；3 下层介质基片；4 移相馈电网络；5、6、12~15 短路通孔；9 功分器；10 移相器；11 金属地板；16~19 金属贴片；20、21 耦合臂。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

图1为本发明的整体结构示意图。天线由三层介质片粘接压合而成，分别为：上层介质基片1，介质支撑板2，下层介质基片3。介质支撑板2粘接于上层介质基片1与下层介质基片3之间。

移相馈电网络4设置于下层介质基片3的下表面。在介质支撑板2与下层介质基片3之间还设置有金属地板11。设置金属地板11的目的在于下层屏蔽移相馈电网络4对上层辐射贴片的干扰，并作为移相馈电网络和辐射贴片的公用地面。

在上层介质基片1上还设置有四叶草形辐射贴片及耦合臂。

具体的，四叶草形辐射贴片，包括四个金属贴片16、17、18、19，其中位于一条直线上的金属贴片16、18设置于上层介质基片的上表面，位于另一条直线上的金属贴片17、19设置于上层介质基片的下表面，原则是相邻金属贴片不同面，同表面上的两个金属贴片不相交。图1、图4展示的是透视状态下的金属贴片，目的在于清楚展现的四个金属贴片位置关系。实际产品中的上层介质基片1的上表面参见图6，下表面类似。

在一个优选实施例中，所述金属贴片的形状为叶尖宽、叶根窄的草叶形，且金属贴片的叶尖均朝外且均匀排布在同一圆周上。参见图1、图4及图6，草叶形贴片有助于改善天线的阻抗带宽。所述四叶草形辐射贴片的相对位置为：四个金属贴片16、17、18、19按90°，180°、270°和360°角度排列。

需要说明的是，本发明中采用“四叶草形”仅仅用于限定四个金属贴片的位置关系，并不限定单个金属贴片的外形。例如在其他实施例中，金属贴片的外形也可为近似的多边形或椭圆形。所述贴片轮廓的内部为实心，也可镂空其他图形。

在上层介质基片1的上、下表面上还各设置有一个耦合臂20、21，参见图5，图5也为透视状态，目的在于更清楚的反应耦合臂、金属贴片之间相对位置关系。

其中耦合臂20位于上层介质基片的上表面，且该耦合臂20在上层介质基片下表面的投影与上层介质基片下表面的两个金属贴片17、19的根部重叠；耦合臂21位于上层介质基片的下表面，且所述耦合臂21在上层介质基片上表面的投影与上层介质基片上表面的两个金属贴片16、18的根部重叠。每个耦合臂位于同表面上的两个金属贴片的叶根之间且与两叶根之间具有耦合间隙，耦合间隙隔开耦合臂和金属贴片，形成互不连通的平面电路。参见图6。

在一个优选实施例中，耦合臂为窄微带线，长3mm，也可为2mm~6mm的其他长度。耦合臂宽0.5mm，也可为0.2mm~1mm的其他宽度。所述耦合缝隙为0.3mm，也可以为01.mm~0.8mm之间的其他宽度。

如图2所示，移相馈电网络4由功分器9和移相器10构成。移相馈电网络4印制在下层介质基片3的下表面。本实施例采用的功分器为威尔森功分器。功分器接收天线输入端进来的电信号，并将其等分为两路，其中一路信号传输至移相馈电网络的一个输出端，另一路信号传输至移相器，移相器用于将所述另一路信号的相位延迟90°并传输至移相馈电网络的另一个输出端。

如图3所示，所述介质支撑板3为单层板，也可为多层板。所述介质支撑板3的厚度为1.575mm，也可为1mm~3mm内的其他厚度。为了减小表面波对电性能的影响，介质支撑板3宜采用低介电常数材料，例如选用相对介电常数为2.2的RO5880材料，也可选用介电常数小于3的其他材料。

如图1、图3所示，还包括6个短路通孔。其中短路通孔12、13、14、15用于短接四个金属贴片即金属地板11，具体的短路通孔12、14贯穿上层介质基片1、介质支撑板2，分别使金属贴片16、18与金属地板11电气连通，短路通孔13、15贯穿介质支撑板2，分别使金属贴片17、19与金属地板11电气连通，最终使四个金属贴片与金属地板接通，以便平衡辐射贴片上的电流分布，改善方向图的圆对称性。

短路通孔5、6与耦合臂20、21分别结合形成两个耦合馈电巴伦。短路通孔5贯穿介质支撑板2、金属地板11以及下层介质基片3，将耦合臂20与移相馈电网络的一个输出端电气接通，短接通孔6贯穿上层介质基片1、介质支撑板2、金属地板11以及下层介质基本3，将耦合臂21与移相馈电网络的另一个输出端电气接通。所述金属地板11在通过短接通孔5、6的区域镂空，以便金属地板11与短接通孔5、6不接触，实现电气隔离。

两路电信号从移相馈电网络的两个输出端传递给两个耦合臂，两个耦合臂通过耦合缝隙将电能量强耦合给对应的两个金属贴片，金属贴片辐射出电磁波。通过调整耦合臂、耦合缝隙的尺寸，使两对金属贴片辐射的能量强度相近，从而保证天线的圆极化轴比，耦合馈电的方式保证了天线的宽带特性。

该发明的实施例的具体结果说明如下：

如图7所示，本发明提出的四叶草形宽带圆极化平面天线，其输入端口回波损耗在12GHz至19GHz频段内均在-10dB以下，满足实际通信设备的使用需求。

如图8所示，本发明提出的四叶草形宽带圆极化平面天线，其方向图轴比在12GHz至18GHz频段内均小于3dB，达到圆极化的设计需求。

如图9所示，本发明提出的四叶草形宽带圆极化平面天线，其方向图增益在12GHz至18GHz频段内大于5dB。

如图10和图11所示，本发明提出的四叶草形宽带圆极化平面天线，其左旋圆极化增益方向图在12GHz至18GHz频段内波束宽度大于70度，满足设计要求。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。