一种柔性透光宽带低交叉极化全向天线的制作方法

1.本技术涉及天线技术领域，尤其是涉及一种柔性透光宽带低交叉极化全向天线。


背景技术：

2.近年来，可以360
°
覆盖的全向天线被大量运用在车联网，卫星通信等领域。随着5g的发展，人们对天线的性能提出了越来越高的要求，如高增益、高相对带宽、小型化及高辐射效率等。
3.现有的可参考公告号为cn114336028a的中国专利，其公开了一种基于新复合陶瓷材料的卫星定位导航天线，是由主辐射贴片、寄生贴片、寄生贴片相配合形成四点轴向均匀馈电结构，虽然能够改善天线的相位中心稳定性，但贴片天线的辐射效率和相对带宽都较差，且经过阻抗匹配后的贴片天线的相对带宽较窄、增益较低，在实际应用中受到很大的限制。


技术实现要素：

4.本技术提供一种柔性透光宽带低交叉极化全向天线，能够有效地提升全向天线的相对带宽。
5.采用如下技术方案，一种柔性透光宽带低交叉极化全向天线，包括：透明柔性介质层，具有上表面及与上表面相背的下表面；辐射层，设置于所述透明柔性介质层的上表面，所述辐射层包括中心图案和外围图案，多个所述外围图案均环绕所述中心图案，所述中心图案和外围图案分别是网格形状，且所述中心图案及外围图案均是通过喷印导电材料形成；地板层，设置于所述透明柔性介质层的下表面；以及同轴sma馈电接头,所述同轴sma馈电接头穿过所述辐射层与所述透明柔性介质层的轴线与所述地板层连接，以对所述辐射层馈电。
6.通过采用上述技术方案，在透明柔性介质层上喷印导电材料形成的网格，同时设置多个环绕中心图案的外围图案，通过调整环绕中心图案的外围图案的数量以使阻抗归一化值与特性阻抗数值接近，即降低天线的驻波比使得天线尽量实现阻抗匹配状态，不仅优化了天线的回波损耗参数，使天线的传输效率和辐射功率增高，也能提升天线的相对工作带宽和增益。
7.可选的，多个所述外围图案大小相等且等间距排列。
8.通过采用上述技术方案，多个外围图案大小相等且等间距排列，即可使全向天线相位中心稳定，辐射频率在全方向上一致分布。
9.可选的，所述外围图案的数量为n，n为偶数，且4≤n≤16。
10.通过采用上述技术方案，在天线的辐射层添加多个外围图案，可以选取不同外围图案数量来改变辐射层的阻抗归一化值与特性阻抗数值以对天线驻波比的调整，而且外围
图案数量越多天线的波束覆盖范围越大，从而减少通信盲区。同时当外围图案少于4个时，天线的驻波比过大导致反射波过多使得天线辐射功率达不到需求，而外围图案多于16个时，外围图案超过天线容纳范围。
11.可选的，所述外围图案和所述中心图案均由马蹄形构成的重复单元、u形图形构成的重复单元或者马蹄形与u形的结合体构成的重复单元。
12.通过采用上述技术方案，外围图案和中心图案均由马蹄形构成的重复单元、u形图形构成的重复单元或者马蹄形与u形图形的结合体构成的重复单元，弯曲的网格既能在天线弯曲时减小应力使得天线导电网格不易断裂，同时也能减小导电线在导电网格中占据的面积，从而有效提升天线的透光率。
13.可选的，所述外围图案和所述中心图案均至少包括一个由马蹄形构成的重复单元，每个重复单元具有一个由马蹄形首尾相连构成的封闭区域。
14.通过采用上述技术方案，在外围图案和中心图案均喷涂有以马蹄形首尾相连构成的封闭区域并且各个封闭区域大小相同，通过调节重复单元大小控制辐射层的面电阻，进而调节天线的辐射功率，以此获取较高的增益。
15.可选的，所述每个外围图案所占的圆形区域的面积与所述中心图案所占的圆形区域的面积之比介于10：1至20：1。
16.通过采用上述技术方案，调整外围图案与中心图案面积之比能够有效调节全向天线辐射层的面电阻，进而调节全向天线阻抗匹配情况，使得全向天线能够输出最佳工作频率。
17.可选的，所述马蹄形的开口角度为160度到180度。
18.通过采用上述技术方案，控制喷印出马蹄形的开口角度，以控制马蹄形喷印的疏密程度，进而调控辐射层的面电阻，以达到调控天线辐射功率的效果。
19.可选的，所述地板层为网格形状，且所述地板层是通过喷印导电材料形成。
20.通过采用上述技术方案，采用导电材料喷印的网格形状可以在工作波长适合时将导电网格中的空隙部分忽略不计，即可将由导电网格构成的地板层看做一个等效于全部涂布满导电介质的平面，此时地板层即可视为电磁屏蔽层，能够有效避免对辐射层产生干扰，提升天线的抗干扰性能和电磁兼容性能。
21.可选的，所述透明柔性介质层的厚度为3～7mm，损耗正切值小于0.05。
22.通过采用上述技术方案，使用损耗正切值更小和更适合当前工作频率的介电常数的材料，能够有效地降低天线的介质损耗以提升天线工作频率。
23.可选的，所述辐射层的导电线面电阻为0.1～0.5ω/sq，所述辐射层的等效面电阻1～10ω/sq。
24.通过采用上述技术方案，处于导电线面电阻为0.1～0.5ω/sq和导电网格的等效面电阻为1～10ω/sq的范围内，能够使辐射层的驻波比小于2，以满足全向天线的辐射功率，当超出此范围时，天线阻抗不匹配导致天线工作于行驻波状态，最大电压将增大，从而使导电网格更易发生击穿，使得功率容量下降。
25.综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：1. 在透明柔性介质层上喷印导电材料形成的网格，同时设置多个环绕中心图案的外围图案，通过调整环绕中心图案的外围图案的数量以使阻抗归一化值与特性阻抗数值
接近，即降低天线的驻波比使得天线尽量实现阻抗匹配状态，不仅优化了天线的回波损耗参数，使天线的传输效率和辐射功率增高，也能提升天线的相对工作带宽；2.辐射层与地板层选用马蹄形构成的重复单元、u形图形构成的重复单元或者两者结合的重复单元，不仅能够使得导电线在导电网格中占据的面积减小，能够有效提升天线的透光率，由于马蹄形导和u形图形本身的弯曲特点能够有效减少天线弯曲时导电线受到的应力，并且具有较好材质的弯曲性能，提高了透明柔性全向天线的使用范围。
附图说明
26.图1是本技术提供的一种柔性透光宽带低交叉极化全向天线的剖面图；图2是本技术提供的一种柔性透光宽带低交叉极化全向天线的主视图；图3是本技术提供的一种柔性透光宽带低交叉极化全向天线辐射层喷涂马蹄形导电网格的示意图；图4是本技术提供的一种柔性透光宽带低交叉极化全向天线的马蹄形导电网格的示意图；图5是本技术实施例提供的全向天线回波损耗s11与增益曲线；图6是本技术实施例提供的全向天线在三种不同频率下主极化方向图和交叉极化方向图；图7是本技术实施例提供的天线在10ghz时平面与弯曲情况下的水平面归一化方向图。
27.附图标记说明：1、透明柔性介质层；2、辐射层；21、中心图案；22、外围图案；3、地板层；4、同轴sma馈电接头。
具体实施方式
28.以下结合附图1-7对本技术作进一步详细说明。
29.参考图1和图2，本实施例提供一种柔性透光宽带低交叉极化全向天线，包括：透明柔性介质层1、辐射层2、地板层3以及同轴sma馈电接头4。透明柔性介质层1，具有上表面及与上表面相背的下表面。
30.辐射层2，设置于所述透明柔性介质层1的上表面，所述辐射层2包括中心图案21和外围图案22，多个所述外围图案22均环绕所述中心图案21，所述中心图案21和外围图案22分别是网格形状，且所述中心图案21及外围图案22均是通过喷印导电材料形成。通过将传统的贴片替换为导电网格的形式，天线能够在使用过程中具有较高的透光率。
31.地板层3，设置于所述透明柔性介质层1的下表面。地板层3形成电磁屏蔽层，能够有效避免对辐射层2产生干扰，提升天线的抗干扰性能和电磁兼容性能。
32.同轴sma馈电接头4,所述同轴sma馈电接头4穿过所述辐射层2与所述透明柔性介质层1的轴线与所述地板层3连接，以对所述辐射层2馈电。通过电磁耦合馈电的方法实现同轴sma馈电接头4与中心图案21的电磁耦合，进而将场的范围扩大到环绕中心图案21的多个外围图案22。
33.在透明柔性介质层1上喷印导电材料形成的网格，同时设置多个环绕中心图案21的外围图案22，通过调整环绕中心图案21的外围图案22的数量以使阻抗归一化值与特性阻
抗数值接近，即降低天线的驻波比使得天线尽量实现阻抗匹配状态，不仅优化了天线的回波损耗参数，使天线的传输效率和辐射功率增高，也能提升天线的相对工作带宽和增益。
34.在一种示例中，透明柔性介质层1的材料为介电常数在1至6之间的绝缘材料，绝缘材料可以是聚二甲基硅氧烷（pdms）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（pet）或者pvc。通过使用绝缘材料以便于透明柔性介质层1阻碍外部产生的场影响辐射层的功率输出。
35.其中，聚二甲基硅氧烷（pdms）的介电常数为2.75-2.85；聚对苯二甲酸乙二醇酯（pet）的介电常数为3.0～3.8；聚氯乙烯（pvc）的介电常数为4.0～6.0。上述三种材料均为半透明状，有较好的柔韧性。在选取pdms作为天线基底的单层马蹄形结构金属网格的理论光学透过率为80.8％。
36.在本实施例中，多个所述外围图案22大小相等且等间距排列。多个外围图案22大小相等且等间距排列，即可使全向天线相位中心稳定，辐射频率在全方向上一致分布。
37.在本实施例中，所述外围图案22的数量为n，n为偶数，且4≤n≤16。在天线的辐射层添加多个外围图案22，可以选取不同外围图案22数量来改变辐射层2的阻抗归一化值与特性阻抗数值以对天线驻波比的调整，而且外围图案22数量越多天线的波束覆盖范围越大，从而减少通信盲区，同时当外围图案22少于4个时，天线的驻波比过大导致反射波过多使得天线辐射功率达不到需求，而外围图案22多于16个时，外围图案22超过天线容纳范围。
38.在一种示例中，可分别选取辐射层2中外围图案22的数量为4、6、8直到16个，选取16个外围图案22为最佳，因为随着外围图案22数量的增加此时马蹄形导电网格的导电线面电阻与等效面电阻均随之增大，使得马蹄形导电网格的阻抗增加从而天线的工作频率增加。因为实际制备的天线面积有限，最大只能容纳16个外围图案22，如若使用更大面积的天线则可实际根据天线面积来设定外围图案22个数。
39.在本实施例中，所述外围图案22和所述中心图案21均由马蹄形构成的重复单元、u形图形构成的重复单元或者马蹄形与u形的结合体构成的重复单元。外围图案22和中心图案21均由马蹄形构成的重复单元、u形图形构成的重复单元或者马蹄形与u形图形的结合体构成的重复单元，弯曲的网格既能在天线弯曲时减小应力使得天线导电网格不易断裂，同时也能减小导电线在导电网格中占据的面积，从而有效提升天线的透光率。
40.在一种示例中，如图3所示，马蹄形或u形导电网格可以根据不同的重复方式或重复周期实现导电网格的排布（重复周期可以指重复单元的最小重复再现周期尺度，可以指对称轴的长度，也可以指边的长度，实际中视选择的视角或者标尺所在的重复方向轴为依据进行设定）。也可以采用其它形状或者形式的重复的网格单元时，也可以采用类似的理解，在选定的方向轴上，最小重复周期尺度即为重复周期。如图4中还展示了马蹄形网格单元的重复形式。
41.在本实施例中，所述外围图案22和所述中心图案21均至少包括一个由马蹄形构成的重复单元，每个重复单元具有一个由马蹄形首位相连构成的封闭区域。在外围图案22和中心图案21均喷涂有以马蹄形首尾相连构成的封闭区域并且各个封闭区域大小相同，通过调节重复单元大小控制辐射层2的面电阻，进而调节天线的辐射功率，以此获取较高的增益。
42.在一种示例中，在外围图案22和中心图案21中的重复单元还可以是首尾相连的u形构成的封闭区域，也可以是马蹄形与u形的结合体构成的封闭区域，也可以是其他形状的
变种，以上就不再一一赘述了。
43.在本实施例中，所述每个外围图案22所占的圆形区域的面积与所述中心图案21所占的圆形区域的面积之比介于10：1至20：1。调整外围图案22与中心图案21面积之比能够有效调节全向天线辐射层2的面电阻，进而调节全向天线阻抗匹配情况，使得全向天线能够输出最佳工作频率。
44.具体地，参考图2，本实施例提供一种辐射层2由一个中心图案21与16个外围图案22组成全向天线。全向天线的半径r5为0.635mm，全向天线圆心到外围图案22的圆心距离r4为16.5mm,全向天线圆心到外围图案22的距离r3为13.5mm,中心图案21的半径r2为13mm，同轴sma馈电接头4的半径r1为0.635mm，透明柔性介质层1的厚度h为4.5mm。此时全向天线的每个外围图案22所占的圆形区域的面积与中心图案21所占的圆形区域的面积之比为18.8:1。
45.在本实施例中，所述马蹄形导电网格的开口角度为160度到180度。控制喷印出马蹄形的开口角度，以控制马蹄形喷印的疏密程度，进而调控辐射层2的面电阻，以达到调控天线工作频率的效果。
46.如图2所示，选定的马蹄形导电网格外径rb为0.26mm，内径ra为0.24mm，开口角度θ1为170
°
，此时等效面电阻为5ω/sq，并且透明柔性介质层1选用pdms材料。
47.在本实施例中，所述地板层3为网格形状，且所述地板层3是通过喷印导电材料形成。采用导电材料喷印的网格形状可以在工作波长适合时将导电网格中的空隙部分忽略不计，即可将由导电网格构成的地板层3看做一个等效于全部涂布满导电介质的平面，此时地板层3即可视为电磁屏蔽层，能够有效避免对辐射层2产生干扰，提升天线的抗干扰性能和电磁兼容性能。
48.在一种示例中，喷印的导电材料材料为纳米银、石墨烯或者pedot，以便于辐射层2实现与同轴sma馈电接头4的电磁耦合馈电，同时地板层3达到电磁屏蔽的效果。
49.在本实施例中，所述透明柔性介质层1的厚度为3～7mm，损耗正切值小于0.05。使用损耗正切值更小和更适合当前工作频率的介电常数的材料，能够有效地降低天线的介质损耗以提升天线工作频率。
50.在本实施例中，所述辐射层2的导电线面电阻为0.1～0.5ω/sq，所述辐射层2的等效面电阻1～10ω/sq。处于导电线面电阻为0.1～0.5ω/sq和导电网格的等效面电阻为1～10ω/sq的范围内，能够使辐射层2的驻波比小于2，以满足全向天线的辐射功率，当超出此范围时，天线阻抗不匹配导致天线工作于行驻波状态，最大电压将增大，从而使导电网格更易发生击穿，使得功率容量下降。其中，导电线面电阻是线本身的导电特性，即是马蹄形结构里单根线的面电阻，等效面电阻是马蹄形结构周期排布后等效到整个面的面电阻，即是外围图案22和中心图案21等效下来的面电阻。
51.在一种示例中，同样可以通过调整马蹄形导电网格的外径、内径以及马蹄形导电网格的重复形式来实现对导电线面电阻和等效面电阻的调整。
52.参考图5，本实施例中采用介电常数为2.75，损耗角为0.02的透明柔性介质层1，全向天线回波损耗大于10db的仿真阻抗带宽为5.1-13ghz，测量带宽为5ghz～12.7ghz，相对带宽87％，测量结果与仿真结果相吻合。测试工作频段内增益为-2.5～4.1dbi，略小于仿真的0.13～5.6dbi。
53.请参阅图6，图6中(a)分别示出了该柔性透光宽带低交叉极化全向天线的yoz平面和xoz平面在6ghz频率下的仿真/测量的主极化方向图和仿真/测量交叉极化方向图。图6中(b)分别示出了该柔性透光宽带低交叉极化全向天线的yoz平面和xoz平面在10ghz频率下的仿真/测量主极化方向图和仿真/测量交叉极化方向图。图6中(c)分别示出了该柔性透光宽带低交叉极化全向天线的yoz平面和xoz平面在12ghz频率下的仿真/测量主极化方向图和仿真/测量交叉极化方向图。
54.从图6中可以得出xoz平面上三个频率下的主极化的最小增益到最大增益的变化范围不超过6dbi，即不圆度小于6dbi，且交叉极化也均低于
−
10db以下，控制在了理想的范围内。综上，该柔性透光宽带低交叉极化全向天线在整个目标频段内上呈现了xoz面不圆度小(小于6dbi)，交叉极化低(-10dbi以下)，具有较好的全向辐射性能。
55.如图7所示，将天线样品固定在曲率半径50mm的泡沫圆柱侧面，10ghz时平面与弯曲情况下的水平面(θ=30
°
)归一化方向图，结果显示弯曲后天线仍保持了较好的全向性。
56.本具体实施方式的实施例均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，故：凡依本技术的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本技术的保护范围之内。