一种宽轴比波束的低剖面全向圆极化天线的制作方法

本发明属于全向圆极化天线技术领域，特别涉及一种宽轴比波束的低剖面全向圆极化天线。

背景技术：

圆极化天线因其具有降低外界干扰、抑制雨雾、抗多径反射的优点，在卫星通讯系统、电子对抗、导航系统等领域得到广泛应用。全向圆极化天线，在前者基础上进一步扩大天线覆盖范围，减小信号的漏失，可有效消除极化畸变影响，增强了移动设备在不同运动环境中的接发能力，在遥测遥感、天文、电视广播，移动通信等方面应用具有重要意义。

目前，国内外对全向圆极化天线进行了大量研究，提供了很多实现方法。2015年，yifan等人在ieeetransactionsonantennasandpropagation发表了“widebandomnidirectionalcircularlypolarizedantennabasedontilteddipoles”，通过在圆柱体外层包裹刻有四条倾斜偶极子的柔性基板实现宽带全向圆极化。2015年，binzhou等人在ieeeantennaandwirelesspropagationletters发表了“anomnidirectionalcircularlypolarizedslotarrayantennawithhighgaininawidebandwidth”，该文基于同轴圆柱结构，在外围圆柱导体表面加载缝隙阵列实现宽波束全向圆极化。然而，这些天线采用的都是非低剖面结构。2014年，y.m.pan等人在ieeetransactionsonantennasandpropagation发表了“widebandandlow-profileomnidirectionalcircularlypolarizedpatchantenna”，该文通过在圆形贴片边缘引入六条弯曲枝节，加载一组与地相连的短路探针实现低剖面宽带全向圆极化。2016年，yuzhongshi等人在ieeeantennaandwirelesspropagationletters发表了“widebandandlow-profileomnidirectionalcircularlypolarizedantennawithslitsandshorting-vias”该文通过加载短路过孔，并在上层贴片和地引入矩形槽，实现低剖面宽带全向圆极化。然而，这些天线的3db轴比波束较窄，在移动通信应用中受到了限制。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种宽轴比波束的低剖面全向圆极化天线，解决现有圆极化天线3db轴比波束窄、体积大的技术问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种宽轴比波束的低剖面全向圆极化天线，其中：包括介质基板、复合涡旋辐射器和圆形接地板，所述复合涡旋辐射器和圆形接地板分别贴在所述介质基板的上表面和下表面上，且两者的中心位于同一垂直的中心线上；所述复合涡旋辐射器的中心和所述圆形接地板的中心之间贯通并设置有同轴馈电探针。

进一步，所述复合涡旋辐射器包括圆形贴片和六个复合枝节贴片，所述六个复合枝节贴片均匀设在圆形贴片的边缘并与其连接，形成涡旋结构；

所述复合枝节贴片包括涡旋贴片、扇形贴片和圆形焊盘；所述涡旋贴片一端与圆形贴片的边缘连接，所述涡旋贴片另一端与扇形贴片连接，所述圆形焊盘设在扇形贴片两个半径的交点处；

所述涡旋贴片外缘凸弧边缘中部设有涡旋贴片-接地板短路过孔，该涡旋贴片-接地板短路过孔贯通介质基板和圆形接地板并使涡旋贴片与圆形接地板相连；所述圆形焊盘中心设有扇形贴片-接地板短路过孔，该扇形贴片-接地板短路过孔贯通介质基板和圆形接地板并使圆形焊盘与圆形接地板相连；所述涡旋贴片-接地板短路过孔均匀分布且与天线中心的距离相等；所述扇形贴片-接地板短路过孔均匀分布且与天线中心的距离相等。

进一步，所述涡旋贴片內缘凸弧中部设有矩形槽。

工作时，复合涡旋辐射器产生水平极化波涡旋贴片-接地板短路过孔和扇形贴片-接地板短路过孔产生垂直极化波eθ。通过裁剪涡旋贴片的上半部可以在俯仰面宽的波束范围内实现同时，通过改变枝节末端的扇形贴片的面积，可以实现eθ和相位差为90°，实现了在俯仰面内具有宽轴比波束，在方位面位为全向辐射。

与现有圆极化天线相比，本发明所述的一种宽轴比波束的低剖面全向圆极化天线通过引入改进的涡旋枝节结构，显著增大了3db轴比波束宽度，频率为3.1ghz时，在xoz平面和yoz平面的3db轴比波束宽度分别为280°和270°，从而满足了无线通信的发展需求。

本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有圆极化天线3db轴比波束窄、体积大的问题，适用于无线通信。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中复合枝节贴片和圆形贴片的连接关系示意图；

图3是本发明中复合涡旋辐射器的示意图；

图4是本发明中复合枝节贴片的形成过程示意图；

图5是天线的复合枝节贴片不裁剪且末端不加载扇形贴片和扇形贴片-接地板短路过孔的归一化的|eθ|与辐射方向图；

图6是天线的复合枝节贴片不裁剪且末端加载扇形贴片和扇形贴片-接地板短路过孔的归一化的|eθ|与辐射方向图；

图7是天线的复合枝节贴片进行裁剪且末端加载扇形贴片和扇形贴片-接地板短路过孔的归一化的|eθ|与辐射方向图；

图8是天线的复合枝节贴片末端采用不同尺寸扇形贴片的eθ与相位差的示意图；

图9是本发明的s11示意图；

图10是天线在θ＝90°，和θ＝90°，处的3db轴比示意图；

图11是天线在和俯仰角平面的3db轴比示意图；

图12是频率为3.1ghz时方位面的3db轴比示意图；

图13是频率为3.1ghz时θ＝90°，处的增益示意图；

图14是频率为3.1ghz时本发明在xoz面的方向图；

图15是频率为3.1ghz时本发明在xoy面的方向图。

图中：

1-介质基板，2-复合涡旋辐射器，3-圆形接地板，4-同轴馈电探针，5-圆形贴片，6-复合枝节贴片，7-涡旋贴片，8-扇形贴片和9-圆形焊盘，10-涡旋贴片-接地板短路过孔，11-扇形贴片-接地板短路过孔，12-矩形槽。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

如图1、2和3所示，一种宽轴比波束的低剖面全向圆极化天线，其中：包括介质基板1、复合涡旋辐射器2和圆形接地板3，所述复合涡旋辐射器2和圆形接地板3分别贴在所述介质基板1的上表面和下表面上，且两者的中心位于同一垂直的中心线上；所述复合涡旋辐射器2的中心和所述圆形接地板3的中心之间贯通设置有同轴馈电探针4。

所述复合涡旋辐射器2包括圆形贴片5和六个复合枝节贴片6，所述六个复合枝节贴片6均匀设在圆形贴片5的边缘并与其连接，形成涡旋结构；

所述复合枝节贴片6包括涡旋贴片7、扇形贴片8和圆形焊盘9；所述涡旋贴片7一端与圆形贴片5的边缘连接，所述涡旋贴片7另一端与扇形贴片8连接，所述圆形焊盘9设在扇形贴片8两个半径的交点处；

所述涡旋贴片7外缘凸弧边缘中部设有涡旋贴片-接地板短路过孔10，该涡旋贴片-接地板短路过孔10贯通介质基板1和圆形接地板3并使涡旋贴片7与圆形接地板3相连；所述圆形焊盘9中心设有扇形贴片-接地板短路过孔11，该扇形贴片-接地板短路过孔11贯通介质基板1和圆形接地板3并使圆形焊盘9与圆形接地板3相连；所述涡旋贴片-接地板短路过孔10均匀分布且与天线中心的距离相等；所述扇形贴片-接地板短路过孔11均匀分布且与天线中心的距离相等；

所述圆形接地板3、圆形贴片5、涡旋贴片7、扇形贴片8和圆形焊盘9均由金属制成。

所述涡旋贴片7內缘凸弧中部设有矩形槽12。

图4为复合枝节贴片6的形成示意图。图4①中，复合枝节(即阴影部分)可由两个半圆o1、o2相减而成，两半圆的半径分别为r1、r2，两圆心距离为l12，半圆直径夹角为θ12；图4②中，枝节边缘被圆心为o半径为r11的圆相减；图4③中，枝节凸侧中部进行了裁剪，被裁减面积的高度为l2；图4④中，在复合枝节內缘凹弧中部刻蚀有一矩形槽；在枝节末端加载一扇形贴片，扇形贴片的两半径交点处连接有圆形金属焊盘，最终形成图2中的复合枝节贴片6。

具体的工作原理可以通过图5-图8来说明：

图5表示复合枝节贴片6不进行裁剪且末端不引入扇形贴片8和扇形贴片-接地板短路过孔11的|eθ|和其中，曲线1表示垂直极化波电场幅度曲线2表示水平极化波电场幅度|eθ|，可以看出：天线的工作频率为3.1ghz时|eθ|远比大。

图6表示复合枝节贴片6末端引入扇形贴片8和扇形贴片-接地板短路过孔11但未进行裁剪时的|eθ|和其中，曲线1表示垂直极化波电场幅度曲线2表示水平极化波电场幅度|eθ|，可以看出：天线加载扇形贴片8和扇形贴片-接地板短路过孔11后，|eθ|分别在45°-120°和235°-320°有所提高。

图7表示复合枝节贴片6末端引入扇形贴片8和扇形贴片-接地板短路过孔11且对枝节上半部进行裁剪之后的|eθ|和其中，曲线1表示垂直极化波电场幅度曲线2表示水平极化波电场幅度|eθ|，可以看出：天线的在20°-160°和210°-335°接近于1；

图8是对于不同长度的扇形贴片8的长边时，天线辐射的eθ与在yoz平面相位差的示意图，其中，天线工作在3.1ghz，曲线1、2、3和4分别表示扇形贴片8的长边l＝12mm、13.5mm、15.0mm和16.5mm时eθ与的相位差。可以看出：当扇形贴片8的长边l＝12mm时，eθ与的相位差在45°附近；当扇形贴片8的长边l＝13.5mm时，eθ与的相位差在70°附近；当扇形贴片8的长边l＝15.0mm时，eθ与的相位差在90°附近。当扇形结构长边l＝16.5mm时，垂直极化波eθ与水平极化波的相位差在115°附近。因此，扇形贴片8的长边l＝12mm时可以满足实现圆极化波的90°相位差的要求。

综合图5-8可以看出，本发明通过在复合枝节贴片6末端引入扇形贴片8，通过扇形贴片-接地板短路过孔11将扇形贴片8与圆形接地板3相连，并对复合枝节贴片6进行裁剪，提高了eθ的幅度，从而在宽的θ范围内实现了同时，通过改变扇形贴片8的长边尺寸，使eθ与之间的相位差在相应的θ范围内接近90°，从而在俯仰面宽的θ范围内实现了全向圆极化。

所实现的天线的具体性能见图9-15所示。

图9给出了天线的s11，可以看出：天线的-10db阻抗带宽为3.06-3.15ghz。

图10是天线在θ＝90°，和θ＝90°，处的3db轴比示意图。图中，曲线1表示天线在θ＝90°，处的3db轴比，曲线2表示天线在θ＝90°，处的3db轴比。可以看出：天线在θ＝90°，和θ＝90°，处的3db轴比带宽分别为2.50-3.19ghz和2.50-3.18ghz。

图11是天线在和俯仰面的3db轴比示意图。图中，曲线1表示天线在俯仰面的3db轴比，曲线2表示天线在俯仰面的3db轴比。可以看出：天线在两平面获得宽的3db轴比波束，波束宽度分别为280°和270°。

图12是频率为3.1ghz时方位面的3db轴比示意图。图中，曲线1表示θ＝30°方位面的3db轴比，曲线2表示θ＝60°方位面的3db轴比，曲线3表示θ＝90°方位面的3db轴比。可以看出：天线在三个方位角平面都实现了全向圆极化，轴比范围分别为0.04-1.23db，1.20-2.25db和0.73-1.74db。

图13是天线在θ＝90°，方向上的增益示意图。可以看出：在工作频带内，天线的峰值增益为1.81dbi。

图14是频率为3.1ghz时本发明在xoz面的方向图。曲线1表示天线的xoz面归一化右旋圆极化方向图，曲线2天线的xoz面归一化左旋圆极化方向图。可以看出：天线在俯仰面xoz面的方向图为8字形。主极化(右旋圆极化)与交叉极化(左旋圆极化)在俯仰面xoz上，差值大于19dbi。

图15是频率为3.1ghz时本发明在xoy面的方向图。曲线1表示天线的xoy面归一化右旋圆极化方向图，曲线2表示天线的xoy面归一化左旋圆极化方向图。可以看出：天线辐射稳定的右旋全向圆极化波，主极化(右旋圆极化)与交叉极化(左旋圆极化)在方位面xoy上的差大于21dbi。

本发明能够以多种形式具体实施而不脱离本发明的精神和范围，应当理解，上述实施例不限于前述的细节，而应在权利要求所限定的范围内广泛地解释。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作岀若干改进和等效范围内的变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。