一种具有带宽拓展特性的低剖面圆极化介质贴片天线的制作方法

本发明涉及天线
技术领域：
，具体涉及一种具有带宽拓展特性的低剖面圆极化介质贴片天线。
背景技术：
：在现代无线通信中，金属贴片天线和介质谐振器天线是被广泛应用的两种天线。金属贴片天线有许多优点，例如，比介质谐振器天线具有更低的剖面高度和更高的增益(由于介质谐振器天线是多面辐射)。目前已经开发了很多技术来实现圆极化金属贴片天线，因为在卫星导航和移动通信系统中，圆极化天线不仅表现出良好的抗多径传播能力，而且很大程度上能够改善收发信号时天线间的极化适配问题。但是随着较低频谱变得拥挤，射频前端的工作频率不断攀升，甚至达到毫米波频段，金属贴片天线的导体损耗严重，这将导致天线辐射效率的降低。在这种情况下，导体损耗接近于零的介质谐振器天线变得更具有吸引力，而圆极化介质谐振器天线也因此成为人们研究的焦点。为了进一步满足未来无线通信中对更高数据速率和更大信息容量的需求，过去的几十年里，已有拓展圆极化介质谐振器天线的轴比带宽的方法解决上述问题。但值得注意的是，上述解决方案都是通过介质谐振器的上表面及侧面进行辐射，这会导致此类天线的增益相较于金属贴片天线而言普遍偏低。同时，随着通信系统向着小型化的发展趋势，在一定程度上，传统介质谐振器天线的应用将受到其较高剖面的限制。技术实现要素：为了克服上述技术缺陷，本发明提供一种具有带宽拓展特性的低剖面圆极化介质贴片天线，在保持所述介质贴片天线的低剖面优势的情况下，通过在所述介质贴片上适当的位置引入空气孔，歧视性地提高介质贴片谐振器的两对简并模式(即tm101和tm011，tm121和tm211)的频率并将它们拉近，从而有效地拓展了天线的带宽。为了实现以上目的，本发明采取的一种技术方案是：一种具有带宽拓展特性的低剖面圆极化介质贴片天线，包括：下介质基板，下表面设置微带馈线；金属地，设置在所述下介质基板的上表面；上介质基板，设置在所述金属地的上表面；以及介质贴片，设置在所述上介质基板的上表面，所述介质贴片上设置空气孔。进一步地，四个所述空气孔相对于所述介质贴片的中心对称设置，所述空气孔贯穿所述介质贴片。进一步地，所述微带馈线包括50ω的传输线以及λ/4阻抗变换线，所述50ω的传输线的一端设置于输入端口处，所述50ω的传输线的另一端与所述λ/4阻抗变换线连接，所述λ/4阻抗变换线远离所述输入端口进一步地，所述50ω的传输线与所述λ/4阻抗变换线同轴线设置，所述50ω的传输线(21)的轴线位于所述介质贴片(5)的垂直中分面上。进一步地，所述金属地上设有交叉耦合缝隙，所述交叉耦合缝隙包括第一矩形缝隙以及第二矩形缝隙，所述第一矩形缝隙的长边与所述第二矩形缝隙的长边相互垂直，所述金属地的中心、所述介质贴片的中心、所述第一矩形缝隙的中心与所述第二矩形缝隙的中心重合。进一步地，所述第一矩形缝隙的长边大于所述第二矩形缝隙的长边，所述第一矩形缝隙的长边与所述50ω的传输线的轴线成45°夹角。进一步地，所述微带馈线以及所述金属地通过刻蚀工艺设置在所述下介质基板的两面。进一步地，所述介质贴片的介电常数εr＝45，损耗角为tanδ＝1.9×10-4。进一步地，所述上介质基板以及所述下介质基板的介电常数εr＝3.55，损耗角为tanδ＝2.7×10-4。本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：本发明的一种具有带宽拓展特性的低剖面圆极化介质贴片天线，所述具有带宽拓展特性的低剖面圆极化介质贴片天线在保持所述介质贴片天线的低剖面优势的情况下，通过在所述介质贴片上适当的位置引入空气孔，歧视性地提高介质贴片谐振器的两对简并模式(即tm101和tm011，tm121和tm211)的频率并将它们拉近，从而有有效地拓展天线的带宽。附图说明下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其有益效果显而易见。图1所示为本发明一实施例的具有带宽拓展特性的低剖面圆极化介质贴片天线爆炸图；图2所示为本发明一实施例的具有带宽拓展特性的低剖面圆极化介质贴片天线的尺寸标注图；图3所示为本发明一实施例的具有带宽拓展特性的低剖面圆极化介质贴片天线的俯视透视图；图4所示为本发明一实施例的具有带宽拓展特性的低剖面圆极化介质贴片天线在不同的空气孔直径和间距下的频率变化曲线；图5所示为本发明一实施例的具有带宽拓展特性的低剖面圆极化介质贴片天线的仿真反射系数、轴比与增益曲线图；图6所示为本发明一实施例的具有带宽拓展特性的低剖面圆极化介质贴片天线的在9.7ghz处xoz-面和yoz-面仿真方向图；图7所示为本发明一实施例的具有带宽拓展特性的低剖面圆极化介质贴片天线的在10.36ghz处xoz-面和yoz-面仿真方向图。图中部件编号如下：1-下介质基板、2-微带馈线、21-50ω的传输线、22-λ/4阻抗变换线、3-金属地、31-第一矩形缝隙、32-第二矩形缝隙、4-上介质基板、5-介质贴片、51-空气孔。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域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，都属于本发明保护的范围。在本实施例中，提供一种具有带宽拓展特性的低剖面圆极化介质贴片天线，如图1所示，包括：下介质基板1、微带馈线2、金属地3、上介质基板4以及介质贴片5。所述微带馈线2设置在所述下介质基板1的下表面。所述微带馈线2通过蚀刻工艺设置在所述下介质基板1的下表面。所述微带馈线2包括50ω的传输线21以及λ/4阻抗变换线22。所述50ω的传输线21的一端设置于输入端口处，所述50ω的传输线21的另一端与所述λ/4阻抗变换线22连接，所述λ/4阻抗变换线22远离所述输入端口。所述50ω的传输线21与所述λ/4阻抗变换线22同轴线设置，所述50ω的传输线21的轴线位于所述介质贴片5的垂直中分面上。所述金属地3设置在所述下介质基板1的上表面。所述金属地3覆盖在所述下介质基板1的上表面。所述金属地3上设有交叉耦合缝隙，所述交叉耦合缝隙包括第一矩形缝隙31以及第二矩形缝隙32，所述第一矩形缝隙31的长边与所述第二矩形缝隙32的长边相互垂直，所述金属地3的中心、所述介质贴片5的中心、所述第一矩形缝隙31的中心与所述第二矩形缝隙32的中心重合。所述第一矩形缝隙31的长边大于所述第二矩形缝隙32的长边，所述第一矩形缝隙31的长边与所述50ω的传输线31的轴线成45°夹角。所述金属地3通过蚀刻工艺设置在所述下介质基板1的上表面。所述上介质基板4设置在所述金属地3的上表面。所述介质贴片5设置在所述上介质基板4的上表面，所述介质贴片5上设置空气孔51。所述介质贴片5为正方形介质贴片，所述介质贴片5的中心与所述上介质基板4的中心重合。优选四个所述空气孔51的大小相同，四个所述空气孔51相对于所述介质贴片5的中心对称设置，所述空气孔51贯穿所述介质贴片5。实现圆极化的基本原理是：激励起一对空间上正交的线极化模式(又称简并模式)，并使二者的振幅相等，相位相差90°。假定传播方向为z轴正方向，x方向的波比y方向的波超前90°则为右旋圆极化波；y方向的波比x方向的波超前90°则为左旋圆极化波。所述介质贴片5和所述上介质基板4堆叠构成天线的谐振器。在本发明中，通过一所述交叉耦合缝隙来激励天线的介质贴片谐振器实现上述圆极化效果，所述交叉耦合缝隙由两个长度不同的矩形缝隙构成。介质贴片谐振器的谐振模式被命名为tmmns，其中下标m、n和s分别表示沿着x、y和z轴的半波数。受益于多模特性，本发明圆极化介质贴片天线选用了正方形介质贴片谐振器的两对简并模式进行宽带设计，这两对简并模式分别是简并的主模(tm101和tm011)、简并的高次模(tm121和tm211)。所述交叉耦合缝隙的作用是激励起这两对简并模式，并在保持二者的振幅相等的情况下，通过调整所述交叉耦合缝隙中两个矩形缝隙的长度来使得两对简并模式中的两个模式的相位相差90°。空气的相对介电常数较低，在所述介质贴片5中添加所述空气孔51，也就是说将一部分高介电常数的介质替换为空气，这样相当于降低了介质贴片谐振器整体的介电常数，这会使得谐振器的谐振模式的频率有所升高。而根据所述空气孔51位置的不同，对特定谐振模式的频率上移的影响程度是不同的。在本发明圆极化介质贴片天线中，根据谐振模式的电场分布，所述介质贴片上的四个所述空气孔51被添加在简并的主模(tm101和tm011)电场分布较强而简并的高次模(tm121和tm211)电场分布较弱的位置，这会使得简并的主模(tm101和tm011的频率比简并的高次模(tm121和tm211)的频率上移得多，从而可以使简并的主模(tm101和tm011)的频率接近简并的高次模(tm121和tm211)的频率，因此有效地拓展了天线的带宽(阻抗带宽和轴比带宽)。实施例一如图2～图3所示，本发明实施例对天线各部分的尺寸进行优化，具体的，本实施例天线的参数见下表：参数ldhdlshscdlfwflc1lc2wc值(mm)131.1300.50853.630.53.79.81其中，ld为所述介质贴片5的宽度，hd为所述介质贴片5的厚度，ls为所述上介质基板4和所述下介质基板1的宽度，hs为所述上介质基板4和所述下介质基板1的高度，c为所述空气孔51的间距，d为所述空气孔51的直径，lf为所述微带馈线2的开路端到交叉耦合缝隙中心的距离，wf为微带馈线中λ/4阻抗变换线的宽度，lc1为交叉耦合缝隙中所述第二矩形缝隙32的长度，lc2为交叉耦合缝隙中所述第一矩形缝隙31的长度，wc为所述第一矩形缝隙31以及所述第二矩形缝隙32的宽度。所述介质贴片5的介电常数εr＝45，损耗角为tanδ＝1.9×10-4。所述上介质基板4以及所述下介质基板1的介电常数εr＝3.55，损耗角为tanδ＝2.7×10-4。所述第一矩形缝隙31的长度lc2和所述第二矩形缝隙32的长度lc1对两对简并模式的阻抗匹配和频率移动都有很大影响。天线整个工作频带的阻抗匹配会随着所述第一矩形缝隙31的长度lc2的增加而改善。与较低频率的轴比点相比，较高频率的轴比点对所述第一矩形缝隙31的长度lc2的变化更敏感。当所述第二矩形缝隙32的长度lc1从3.2mm增加到4.2mm时，整个天线的工作频带会向高频移动，这是由于不同长度的所述第二矩形缝隙32引起的明显的负载效应。由于所述第二矩形缝隙32仍然会影响激发本发明圆极化介质贴片天线的电场强度，因此天线的轴比会随着所述第二矩形缝隙32的长度lc1而急剧变化。所述微带馈线2的开路端到交叉耦合缝隙中心的距离lf和所述微带馈线2中λ/4阻抗变换线的宽度wf是调节天线阻抗匹配的关键因素，而天线的轴比对这两个参数的敏感度较低。所述微带馈线2的开路端到交叉耦合缝隙中心的距离lf主要用于调节较高频率处的阻抗匹配。随着所述微带馈线2中λ/4阻抗变换线的宽度wf的增加，天线整个工作频带内的阻抗匹配会逐渐改善。如图4所示，可以发现，当所述空气孔51的直径d小于或等于约1.9mm时，tm101模式和tm121模式的频率间隔随着所述空气孔51的直径d的增加而变小，而当所述空气孔51的直径d大于1.9mm时，两种模式的频率间隔几乎保持恒定。因为随着所述空气孔51的直径d的增加，所述空气孔51将逐渐延伸至tm121模式电场分布较强的位置，也就是说，tm121模式的频率移动会越来越受到所述空气孔51的影响。因此，当所述空气孔51的直径d大于1.9mm时，tm121模式的频率上移趋势接近于tm101模式。从图4还可知，tm101模式和tm121模式的频率逐渐分离。因为，随着所述空气孔51的间距c的增加，所述空气孔51逐渐离开tm101模式的电场分布较强的位置，并进入tm121模式的电场分布较强的位置。因此，图4的仿真结果显示出tm101模式频率的上升趋势变缓而tm121模式频率的上升趋势变陡的现象。综上，通过合理选择所述空气孔51的直径d以及间距c，能够有效地使天线简并的主模(tm101和tm011)和简并的高次模(tm121和tm211)的频率靠近。如图5所示，为本实施例圆极化介质贴片天线的仿真反射系数、轴比和增益。反射系数小于-10db的仿真阻抗带宽为14.2％(9.18-10.58ghz)，仿真的3db轴比带宽为10.4％(9.44-10.48ghz)，并且在9.7ghz和10.36ghz两个频率点的仿真增益分别为7.6dbi和7.83dbi。所述低剖面圆极化介质贴片天线在保持低剖面优势的情况下，有效的拓展了天线的阻抗带宽以及轴比带宽。在9.7ghz频率点的仿真xoz-面和yoz-面辐射方向图如图6所示，在10.36ghz频率点的仿真xoz-面和yoz-面辐射方向图如图7所示。以上所述仅为本发明的示例性实施例，并非因此限制本发明专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的
技术领域：
，均同理包括在本发明的专利保护范围内。当前第1页12