宽波束圆极化天线和阵列天线的制作方法

本申请涉及通信技术，尤其涉及一种宽波束圆极化天线和阵列天线。

背景技术：

在阵列天线中，阵元最大辐射方向一般在阵列所在平面的法线方向，而偏离最大辐射方向较大角度的阵元的增益明显下降，从而导致整个阵列天线的增益显著降低。如果阵元可产生中心凹陷波束(即马鞍形波束)或者宽角度波束，就可以从根本上解决宽角度阵列天线扫描到小区边缘时增益下降问题。

现有技术中，有一种背腔式自相移天线，其包括自相移天线和背腔两部分，可产生马鞍形波束。在组阵时只要阵元之间的距离小于一个波长，就可以保证阵列天线的栅瓣落在可见区之外，从而不影响马鞍形波束的性能。

但是，上述天线的背腔尺寸本身就大约有一个波长，无法保证阵元之间的距离小于一个波长，进而导致天线尺寸大，而若是天线尺寸大，就会在组成阵列天线后，阵列天线产生栅瓣，劣化阵列天线的波束性能。

技术实现要素：

本申请提供一种宽波束圆极化天线和阵列天线，以更小的宽波束圆极化天线尺寸和简化的天线结构增加天线的波束宽度。

第一方面，本申请提供一种宽波束圆极化天线，包括：位于上方的第一印制线路板(printedcircuitboard，简称：pcb)和位于下方的第二pcb，第一pcb和第二pcb之间的距离范围为0.25λ-0.5λ(优选0.33λ)，λ表示宽波束圆极化天线工作频段对应的波长，第二pcb的边长范围可以为0.25λ-0.5λ(优选0.5λ)，为了更好的产生宽波束辐射，第一pcb的边长可以小于或等于第二pcb的边长。第一pcb上设置有圆极化天线，第二pcb上设置有超材料表面结构，超材料表面结构用于增强圆极化天线11水平方向的电磁场辐射强度。

本申请中，具有超材料表面结构的宽波束圆极化天线可以产生强电磁场分布，保证在天线的垂直方向和水平方向上均有较大的能量聚集，从而以更小的宽波束圆极化天线尺寸和简化的天线结构增加天线的波束宽度。

在一种可能的实现方式中，超材料表面结构包括金属环和金属板，金属环设置于第二pcb的第一面上，金属板设置于第二pcb的第二面上，第一面为第二pcb中朝向第一pcb的一面，第二面为第二pcb中背离第一pcb的一面。金属环可以采用多个尺寸相同的闭合金属环在第二pcb上均匀排列的部署方式，闭合金属环可以为方形或圆形的环状金属介质。

在一种可能的实现方式中，在与第二pcb垂直的方向上，金属板占用的区域覆盖金属环占用的区域。

在一种可能的实现方式中，圆极化天线包括第一偶极子臂和第二偶极子臂，第一偶极子臂设置于第一pcb的第一面上，第二偶极子臂设置于第一pcb的第二面上，第一偶极子臂和第二偶极子臂通过馈线连接；第一偶极子臂和第二偶极子臂均包括第一短截线和第二短截线，第一短截线和第二短截线相互垂直，第一短截线的第一端点和第二短截线的第一端点相互靠近且两个第一端点通过相位延迟线连接；第一偶极子臂的第一短截线和第二偶极子臂的第一短截线的夹角为180度；第一面为第一pcb中背离第二pcb的一面，第二面为第一pcb中朝向第二pcb的一面。

在一种可能的实现方式中，第一短截线的长度范围为0.125λ-0.25λ(优选0.125λ)，第二短截线的长度比第一短截线的长度大3-8毫米(优选5毫米)，相位延迟线的长度范围为0-0.125λ(优选0.125λ)。

第二方面，本申请提供一种阵列天线，包括：多个宽波束圆极化天线，宽波束圆极化天线采用上述第一方面中的任意一种天线；多个宽波束圆极化天线按设定的部署方案排列。

本申请阵列天线采用多个具有超材料表面结构的宽波束圆极化天线可以产生强电磁场分布，保证在天线的垂直方向和水平方向上均有较大的能量聚集，进而以更小的天线尺寸和简化的天线结构组成阵列天线，扩大阵列天线扫描角度。

在一种可能的实现方式中，多个宽波束圆极化天线排列成一排或一列线阵阵列，或者，多个宽波束圆极化天线排列成方阵阵列。每个宽波束圆极化天线中的第一pcb的第一面上设置有金属贴片，金属贴片用于调整对应的宽波束圆极化天线的波束轴比。相邻的两个宽波束圆极化天线之间的距离范围为0.4λ-0.7λ(优选0.5λ)。

附图说明

图1为本申请宽波束圆极化天线实施例一的结构示意图；

图2为本申请宽波束圆极化天线实施例二的结构示意图；

图3为本申请宽波束圆极化天线实施例二的第二pcb的第一面的结构示意图；

图4为本申请宽波束圆极化天线实施例二的第二pcb的第二面的结构示意图；

图5为本申请阵列天线实施例一的结构示意图；

图6为本申请阵列天线实施例二的结构示意图。

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，下面将结合本申请中的附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

图1为本申请宽波束圆极化天线实施例一的结构示意图，如图1所示，本实施例的天线可以包括：位于上方的第一pcb10和位于下方的第二pcb20，第一pcb10和第二pcb20之间的距离范围为0.25λ-0.5λ(优选0.33λ)，λ表示宽波束圆极化天线工作频段对应的波长，第二pcb20的边长范围可以为0.25λ-0.5λ(优选0.5λ)，为了更好的产生宽波束辐射，例如马鞍形波束，第一pcb10的边长可以小于或等于第二pcb20的边长。第一pcb10上设置有圆极化天线11，圆极化天线11在航空航天中进行卫星通信，第二pcb20上设置有超材料表面结构21，超材料表面结构21用于增强圆极化天线11水平方向的电磁场辐射强度。

本申请中，具有超材料表面结构的宽波束圆极化天线可以产生强电磁场分布，保证在天线的垂直方向和水平方向上均有较大的能量聚集，从而以更小的宽波束圆极化天线尺寸和简化的天线结构增加天线的波束宽度。

图2为本申请宽波束圆极化天线实施例二的结构示意图，图3为本申请宽波束圆极化天线实施例二的第二pcb的第一面的结构示意图，图4为本申请宽波束圆极化天线实施例二的第二pcb的第二面的结构示意图，图2-图4结合来看，圆极化天线包括第一偶极子臂12和第二偶极子臂13，其中第一偶极子臂12包括第一短截线121和第二短截线122，第一短截线121和第二短截线122相互垂直，第一短截线121的第一端点121a和第二短截线122的第一端点122a相互靠近且两个第一端点(121a和122a)通过相位延迟线123连接。第一偶极子臂12设置于第一pcb10的第一面101上，第二偶极子臂13设置于第一pcb10的第二面102上，其位置相当于是第一偶极子臂12以第一端点122a为顶点旋转180度。第一偶极子臂12和第二偶极子臂13通过贯穿旋转顶点(122a)的馈线(未示出)连接。第一面101为第一pcb10中背离第二pcb20的一面，第二面102为第一pcb10中朝向第二pcb20的一面。

超材料表面结构包括金属环22和金属板23，金属环22设置于第二pcb20的第一面201上，金属板23设置于第二pcb20的第二面202上，第一面201为第二pcb20中朝向第一pcb10的一面，第二面202为第二pcb20中背离第一pcb10的一面。在与第二pcb20垂直的方向上，金属板23占用的区域覆盖金属环22占用的区域。本申请中金属环22可以采用多个尺寸相同的闭合金属环在第二pcb20上均匀排列的部署方式。可选的，闭合金属环可以为方形或圆形的环状金属介质。

在一种可能的实现方式中，第一短截线121的长度范围为0.125λ-0.25λ(优选0.125λ)，第二短截线122的长度比第一短截线121的长度大3-8毫米(优选5毫米)，相位延迟线123的长度范围为0-0.125λ(优选0.125λ)，当第一短截线121的第一端点121a和第二短截线122的第一端点122a相互靠近并接触时，在这种情况下第一短截线121和第二短截线122之间不需要相位延迟线，因此其长度为0。

本申请中，具有超材料表面结构的宽波束圆极化天线可以产生强电磁场分布，保证在天线的垂直方向和水平方向上均有较大的能量聚集，从而以更小的宽波束圆极化天线尺寸和简化的天线结构增加天线的波束宽度。

在一种可能的实现方式中，本申请提供一种阵列天线，其可以包括多个宽波束圆极化天线，该宽波束圆极化天线采用图1-图4所示的天线，多个宽波束圆极化天线按设定的部署方案排列。本申请的阵列天线采用多个具有超材料表面结构的宽波束圆极化天线可以产生强电磁场分布，保证在天线的垂直方向和水平方向上均有较大的能量聚集，进而以更小的天线尺寸和简化的天线结构组成阵列天线，扩大阵列天线扫描角度。

图5为本申请阵列天线实施例一的结构示意图，如图5所示，多个宽波束圆极化天线排列成一排或一列线阵阵列。

图6为本申请阵列天线实施例二的结构示意图，如图6所示，多个宽波束圆极化天线排列成方阵阵列。

图5和图6所示的阵列天线是两种示例性的多个宽波束圆极化天线的部署方案，当多个宽波束圆极化天线组成线阵或方阵阵列天线后，相邻的两个宽波束圆极化天线之间的距离范围为0.4λ-0.7λ(优选0.5λ)。由于多个宽波束圆极化天线耦合组阵会影响各自的波束轴比，因此在每个宽波束圆极化天线中的第一pcb的第一面上设置有金属贴片24，金属贴片24可以采用任意多边形形状，例如矩形、方形、六边形等，该金属贴片24用于调整对应的宽波束圆极化天线的波束轴比，本申请中金属贴片24可以位于第一pcb的第一面上的第一短截线和第二短截线之间，也可以设置于对应第一pcb的第二面上的第一短截线和第二短截线之间的位置上，本申请对此不做具体限定。金属贴片24配置不同的长和宽可以调整相应的波束轴比，从而即使阵列天线受到耦合影响，仍然可以保持马鞍形波束实现宽角扫描。需要说明的是，图5和图6中示出的多个宽波束圆极化天线可以分别设置在隔离开的pcb上，即一个宽波束圆极化天线设置于一个pcb上，这样阵列天线的pcb可以有很多个，或者，多个宽波束圆极化天线可以全部设置一个pcb上，这样阵列天线的pcb就只有一个，本申请对此不做具体限定。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。