基于AMC的低剖面圆极化交叉偶极子天线及通信设备的制作方法

基于amc的低剖面圆极化交叉偶极子天线及通信设备
技术领域
[0001]
本实用新型涉及天线技术领域，具体涉及一种基于amc的低剖面圆极化交叉偶极子天线及通信设备。


背景技术：

[0002]
天线作为无线通信系统的终端，它的主要作用就是将空间中辐射的电磁波转换为导线中的电流或者将导线中的电流转换成空间辐射的电磁波，它是无线通信系统的重要组成部分，且和通信系统的工作性能紧密相关。而在实际情况下，无线通信系统的使用环境往往是复杂多样的，系统经常会受到来自外部环境的干扰，如果都采用线极化天线作为通信系统的接收和发射终端，有时就会发生多路径效应导致的信号衰落与失真，而圆极化天线就可以克服这一缺点。另外，相比较于一般线极化天线，圆极化天线对天线收发的方向没有严格的要求并可以减小极化失配所带来的影响，尤其在空间系统与地球站群建立通信连接时它还能够有效地消除法拉第旋转效应。由于这些优势，圆极化天线被广泛应用于卫星通信系统(satellite communication)、无线局域网(wireless local area networks,wlan)、射频识别系统(radio frequency identification,rfid)等多种无线通信设备中。目前对于圆极化天线的研究主要聚焦于三个方向：高增益、宽频带以及小型化。在卫星导航通讯领域，能同时覆盖多个工作频段的宽频带天线不仅可以兼容不同的通信系统，还能使整个系统的结构更加简单、紧凑，有利于缩小设备的尺寸和提高集成度，因此研究宽频带的小型化圆极化天线具有非常重要的意义。


技术实现要素：

[0003]
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本实用新型首要目的是提供一种基于amc的低剖面圆极化交叉偶极子天线，本实用新型具有剖面低、增益高以及圆极化带宽较宽等优点。
[0004]
本实用新型的次要目的是提供一种通信设备。
[0005]
本实用新型的首要目的采用如下技术方案：
[0006]
一种基于amc的低剖面圆极化交叉偶极子天线，包括上层介质基板、下层介质基板、主辐射单元、寄生单元、amc超表面及反射地板；
[0007]
所述上层介质基板及下层介质基板间隔一定距离且平行设置，主辐射单元及寄生单元设置在上层介质基板，所述下层介质基板的上表面设置amc超表面，其下表面设置反射地板；
[0008]
所述主辐射单元包括两对偶极子，两对偶极子呈十字形交叉结构，交叉点位于上层介质基板的中心点。
[0009]
所述两对偶极子是两对尺寸结构完全相同的三角蝶形贴片，三角蝶形贴片包括两部分，一部分位于上层介质基板的上表面，另一部分位于下上层介质基板的下表面，两对偶极子中的相邻部分通过相位延迟线连接。
[0010]
所述寄生单元包括四个矩形金属贴片，四个矩形金属贴片分别位于三角蝶形贴片的末端，并与三角蝶形贴片保持距离。
[0011]
所述amc超表面包括6
×
6个超表面单元，每个超表面单元为圆形金属贴片，且印制在下层介质基板的下表面。
[0012]
所述相位延迟线是一段印刷开口环，其长度为1/4λ
0-1/16λ0<l<1/4λ0+1/10λ0，λ0为天线中心频率对应的微带线中的波长。
[0013]
优选的，还包括馈电单元，所述馈电单元包括同轴线，同轴线的内芯与上层介质基板上表面的相位延迟线连接，同轴线的外导体与上层介质基板下表面的相位延迟线及反射地板连接。
[0014]
所述上层介质基板及下层介质基板均为方形，上层介质基板的边长小于下层介质基板的边长。
[0015]
所述四个矩形金属贴片呈中心对称。
[0016]
本实用新型的次要目的采用如下技术方案：
[0017]
一种通信设备，包括基于amc的低剖面圆极化交叉偶极子天线。
[0018]
本实用新型所述的一种基于amc的低剖面圆极化交叉偶极子天线，交叉偶极子辐射体采用蝶形贴片的形式并与四分之一波长的相位延迟线相连，因此每个偶极子臂可以产生90
°
的相位差进而产生圆极化辐射；而寄生单元的引入产生额外的轴比通带来拓宽圆极化带宽；加载amc结构既能有效的抑制表面波以及削减后向辐射还能够大大的降低天线的剖面高度和提高设计天线的增益。
[0019]
本实用新型的有益效果：
[0020]
(1)天线采用蝶形的偶极子臂增大了其辐射面积是的该天线的圆极化带宽能够很好的展宽；
[0021]
(2)天线将矩形寄生贴片放置在蝶形偶极子臂的周围，由于强耦合作用使天线产生额外的圆极化模式，通过与原始的圆极化模式相结合可以很好的展宽所设计天线的圆极化带宽；
[0022]
(3)天线加载6
×
6个圆形贴片单元的amc结构能够将传统交叉偶极子天线的高度降低一倍以上，并且采用amc结构发现天线的增益值得到很好的提高。
[0023]
(4)所述基于amc的低剖面圆极化交叉偶极子天线具有剖面低、增益高的特点。天线的体积是1.16λ0×
1.16λ0×
0.13λ0，-10db阻抗带宽达到55.6％，3-db轴比带宽达到38％，工作频段内天线平均增益为8.2dbi，峰值增益为9.3dbi。
附图说明
[0024]
图1是本实用新型的立体结构示意图；
[0025]
图2是图1的俯视图；
[0026]
图3是图1的侧视图；
[0027]
图4是本实用新型反射系数仿真与实测对比图；
[0028]
图5是本实用新型轴比仿真与实测对比图；
[0029]
图6是本实用新型增益仿真与实测对比图；
[0030]
图7(a)及图7(b)是本实用新型的圆极化交叉偶极子天线在4.8ghz处的仿真与实
测的归一化辐射方向图；
[0031]
图8(a)及图8(b)是本实用新型圆极化交叉偶极子天线在6.0ghz处的仿真与实测的归一化辐射方向图。
具体实施方式
[0032]
下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
[0033]
实施例1
[0034]
如图1-图3所示，一种基于amc的低剖面圆极化交叉偶极子天线，包括上层介质基板1、下层介质基板2、主辐射单元、寄生单元5、amc超表面6及反射地板7。
[0035]
所述上层介质基板及下层介质基板平行设置，且间隔一定距离，上层介质基板及下层介质基板均为方形，且中心点在同一条直线上。本实施例中，上层介质基板1尺寸为28mm
×
28mm和下层介质基板2的尺寸为63mm
×
63mm，它们之间的距离为2.4mm。
[0036]
所述主辐射单元包括相互垂直的两对偶极子4，垂直交叉点位于上层介质基板的中心点，两对偶极子的结构尺寸均相同，具体是三角蝶形贴片，所述三角蝶形贴片包括两个相互连接的三角形，一个三角形位于上层介质基板的上表面，另一个三角形位于上层介质基板的下表面，相邻两个三角形通过相位延迟线3连接。本实施例中，位于左侧及上方的三角形位于上层介质基板的上表面，下方及右侧的三角形位于上层介质的下表面。
[0037]
所述相位延迟线是一段印刷开口环，其长度为1/4λ
0-1/16λ0<l<1/4λ0+1/10λ0，λ0为所述天线中心频率对应的微带线中的波长，一般我们取1/4λ0。因此，所述相位延迟线的长度为四分之一波长。
[0038]
本实用新型采用三角蝶形是为了增大辐射面积，其底边长为14mm，高为10mm，顶角角度为70
°
。
[0039]
所述寄生单元包括四个矩形金属贴片，所述四个矩形金属贴片的长宽分别为14mm和2mm；四个矩形金属贴片分别位于三角形的末端，即三角形的底边附近，并且与底边保持一定距离，没有连接关系。
[0040]
如图2所示，四个矩形金属贴片中，两个竖直放置，关于上层介质基板中心对称，另外两个水平放置，关于上层介质基板中心对称。
[0041]
所述amc超表面设置在下层介质基板的上表面，由6
×
6个超表面单元组成，每个超表面单元具体为印制在下层介质基板上表面的圆形金属贴片，amc超表面使用的是介电常数为2.2，损耗正切角为0.0009，尺寸为1.16λ0
×
1.16λ0
×
0.07λ0(λ0为中心频率处所对应的波长)的rogers ro5880介质基板。
[0042]
所述两个交叉偶极子均是由自相移结构的相位延迟线与两个相同的蝶形贴片构成相连接构成，交叉偶极子通过相位延迟线馈电可以产生90
°
相位差。
[0043]
本实施例还包括馈电单元，所述馈电单元包括同轴线8，包括内芯跟外导体，同轴馈线内芯与第一介质基板上表面四分之一印刷开口环相连，外导体与上层介质基板下表面四分之一印刷开口环和下层介质基板下表面反射地板相连，从而交叉偶极子的四个臂产生0
°
、90
°
、180
°
、270
°
的相位差，实现了圆极化辐射。通过寄生单元的引入可以与主辐射单元产生强耦合作用产生额外的轴比通带进而大大拓宽该天线的圆极化带宽。
[0044]
本实用新型蝶形贴片与四分之一波长的相位延迟线相连，其中相位延迟线可以产生90
°
的相位差进而形成圆极化辐射。天线引入了amc超表面结构，将天线的剖面降低至0.13λ0并有效的抑制了表面波和消除天线的后向辐射，通过加载矩形寄生单元能够产生另外的轴比通带从而来拓宽天线的3-db轴比带宽，因此所设计的天线能在0.13个波长的剖面下达到39％的轴比带宽。
[0045]
图4是本实用新型所设计的低剖面圆极化交叉偶极子天线的仿真与实测的反射系数曲线，从图中可以看出，仿真结果表明s
11
<-10db的工作频带为3.9-6.9ghz，相对带宽为55.6％，实测结果显示s
11
<-10db的工作频带为3.9-7.15ghz，相对带宽为58.8％，仿真和实测结果较为吻合。
[0046]
图5是本实用新型所设计的低剖面圆极化交叉偶极子天线的仿真与实测的轴比性能曲线，从图中可以看出，仿真结果表明3-db轴比带宽为38％(4.47-6.6ghz)，实测结果表明3-db轴比带宽为39％(4.5-6.68ghz)，带内在4.8ghz和6.4ghz处取得最小轴比大约为1.5db。
[0047]
图6是本实用新型所设计的低剖面圆极化交叉偶极子天线仿真与实测的增益曲线，仿真和实测的增益曲线趋势基本一致，测试数据中沿着z轴正方向最大圆极化增益在5.8ghz处取得，最大增益值为9.3dbi。因此得出结论，在天线整个工作频段内，天线的峰值增益为9.3dbi，在4-6ghz增益均稳定在8.2dbi左右，3-db增益带宽为49.4％(3.9-6.46ghz)。
[0048]
图7(a)及图7(b)和图8(a)及图8(b)分别是本实用新型所设计的低剖面圆极化交叉偶极子天线在4.8ghz与6.0ghz处两个主平面上的归一化圆极化辐射方向图，从中可以看出，在低频段的频率点4.8ghz处，天线的增益值与前后比分别为8.9dbi和26.7dbi，在高频的频率点6.0ghz处，天线的增益与前后比分别为8.1dbi和17.1db。主极化电平一直比交叉极化电平高20db，充分证明了本章节所提出的天线是一款很好的低剖面高增益右旋圆极化天线。
[0049]
实施例2
[0050]
一种通信设备，包括基于amc的低剖面圆极化交叉偶极子天线，该天线包括上层介质基板、下层介质基板、主辐射单元、寄生单元、amc超表面及反射地板；
[0051]
所述上层介质基板及下层介质基板间隔一定距离且平行设置，主辐射单元及寄生单元设置在上层介质基板，所述下层介质基板的上表面设置amc超表面，其下表面设置反射地板；
[0052]
所述主辐射单元包括两对偶极子，两对偶极子呈十字形交叉结构，交叉点位于上层介质基板的中心点。
[0053]
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。