一種具有電大諧振特性的圓極化微帶貼片天線的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種具有電大諧振特性的圓極化微帶貼片天線，包括從下到上層疊設置的饋電微帶、下層介質基片、金屬層、上層介質基片以及微帶貼片層。本實用新型所述的微帶貼片天線中，金屬層內設有L形縫隙，從而激勵起相互正交的等幅相差90°的分量，以實現對天線的圓極化激勵。在傳統的微帶貼片天線的基礎上，本實用新型同時將微帶貼片層分割為若干微帶貼片，微帶貼片周期排列且相互之間留有縫隙。這樣的設計使得微帶貼片產生左右手諧振特性，從而使天線能夠在更高頻率產生諧振，使微帶貼片具有電大諧振特性，降低了毫米波天線對設計精度的依賴。實用新型所述的微帶貼片天線同時具有電大諧振特性和圓極化特性。
【專利說明】
一種具有電大諧振特性的圓極化微帶貼片天線
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種圓極化微帶天線，尤其是一種具有電大諧振特性的圓極化微帶天線。
【背景技術】
[0002]隨著無線通信技術的快速發展，個人通信、無線局域網等系統對無線終端設備的功能提出了更高的要求。天線作為系統終端必不可少的組成部分，會直接影響系統的性能，被賦予重任。計算機技術、半導體技術和單片微波集成電路技術等電子技術的發展使得人們對數據傳輸速率以及帶寬提出了更高的要求。傳統的低頻段頻譜資源越來越緊張，也使得開發和利用高頻段的頻譜資源成為通信行業的新發展點。毫米波由于其特殊的大氣傳輸特性、寬頻帶等特點，在通信、雷達、制導、遙感技術和射電天文等領域有著廣泛的應用前景。然而在毫米波和亞毫米波頻段，由于傳統的工藝已經很難滿足如此精細的加工需求，小型化已經不是射頻器件的優勢，反而成為了一大缺陷。以衛星通信中的Ka波段微帶天線為例，半波長的微帶諧振天線的單元尺寸為毫米級、制作精度需要達到微米級，很難采用傳統的工藝進行加工。因此在毫米波段/亞毫米波段，電大尺寸天線已經成為新的研究熱點。
[0003]圓極化波的旋轉特性使得圓極化雷達具有抑制雨霧干擾的能力；圓極化天線可以接收任意極化的電磁波，其輻射的波也可以被任意極化的天線接收，因此電子偵察和干擾等應用中普遍采用圓極化波工作;此外，圓極化天線具有極化正交性，在通信、雷達的極化分集工作和電子對抗等應用得到廣泛利用。而傳統的毫米波和亞毫米波段的圓極化天線由于尺寸過小，加工難度很大，無法適應現有的加工技術。因此急需提供一種具有電大諧振特性的圓極化微帶天線，以適應目前毫米波、亞毫米波通信的需求，應用前景良好。

【發明內容】

[0004]為解決現有技術中微帶貼片天線尺寸不適應加工技術的問題，本實用新型提供一種具有電大諧振特性的圓極化微帶貼片天線，在保證天線尺寸適應加工技術的前提下，同時實現了圓極化，具體設計如下。
[0005]技術方案:
[0006]—種具有電大諧振特性的圓極化微帶貼片天線，包括從下到上層疊設置的饋電微帶、下層介質基片、金屬層、上層介質基片以及微帶貼片層，其特征在于，金屬層內設有L形縫隙，上層介質基片上的微帶貼片層由微帶貼片陣列構成，微帶貼片陣列中包含兩個以上完全相同的微帶貼片，微帶貼片之間留有寬度相同的間隙，下層介質基片的厚度不超過1/4工作波長，保證微帶饋電正常工作。
[0007]本實用新型在傳統的微帶貼片天線的基礎上，將微帶貼片層分割為若干微帶貼片，微帶貼片周期排列且相互之間留有縫隙。這樣的設計使得微帶貼片之間的縫隙產生耦合效應，耦合效應產生左手特性。同時，由于上下貼片耦合、貼片的表面電流會產生右手特性。左手特性和右手特性協同作用，使得天線可以在原有諧振模式的基礎上產生更高頻率的電大諧振模式。本實用新型通過采用L形槽饋電結構實現對天線的圓極化激勵。從而使得微帶貼片天線具有電大諧振和圓極化特性。
[0008]如上所述的具有電大諧振特性的圓極化微帶貼片天線，其中微帶貼片為矩形，且周期排列;微帶貼片層為矩形。
[0009]矩形微帶貼片長38.8mm寬38.8mm，矩形微帶貼片之間間隙寬度1mm。
[0010]如上所述的具有電大諧振特性的圓極化微帶貼片天線，其中L形縫隙位于金屬層的中心位置。
[0011]上述具有電大諧振特性的圓極化微帶貼片天線中，L形縫隙長邊為17mm，短邊為12.5mm，縫隙寬度為1.8mm。
[0012]如上所述的具有電大諧振特性的圓極化微帶貼片天線，其中上層介質基片與下層介質基片選用相同的材料，上層介質基片的厚度大于下層介質基片的厚度。
[0013]上述具有電大諧振特性的圓極化微帶貼片天線中，上層介質基片厚度3mm下層介質基片的厚度0.5mm。
[0014]天線工作時，能量由饋電微帶輸入，經過位于金屬層的中心位置的L形縫隙耦合到微帶貼片層，產生有效輻射。位于兩層介質基片之間的金屬層構成饋電微帶線以及微帶貼片層的公共地。傳統的微帶貼片經過周期性的縫隙分割后，可以被看成是一種具有左右手諧振特性的復合結構，因而通過調節貼片以及分割縫隙的尺寸，能夠在更高頻率上產生新的諧振模式，使微帶天線具有電大諧振的新穎特性。具體而言，微帶貼片層上各微帶貼片之間的間隙越寬，天線就適用的諧振頻率就越高。設計時還需要調整饋電微帶寬度，使其滿足在工作頻率下具有50歐姆的輸入阻抗特性;饋電微帶的長度需要根據天線的工作頻段進行匹配。
[0015]本申請所述的天線需要通過構成L形縫隙的相互垂直的長槽和短槽實現圓極化。具體而言，這一對相互垂直的長槽和短槽能夠激勵起兩個相互正交的等幅相差90°的分量，從而實現圓極化波的輻射。所述的位于公共金屬地上的L形耦合縫隙，需位于公共金屬地的中心位置，以確保邊射輻射的最大化，保證天線的增益。縫隙的長度和寬度需要根據天線在不同模式、不同頻率下的諧振特性進行調整以滿足在設計頻率下的軸比性能要求。
[0016]所述的下層介質基片與上層介質基片具有相同的材料屬性，但兩者厚度不同。較薄的下層介質基片負責實現饋電微帶與L形縫隙之間的有效耦合。較厚的上層介質基片保證天線整體具有較寬的工作帶寬。
[0017]本實用新型與現有的天線相比具有如下的有益效果:
[0018]本申請在傳統微帶貼片天線的基礎上，通過微帶貼片中上各微帶貼片之間的間隙，使得貼片天線具有左右手復合材料的特性，在原有的諧振模式基礎上引入高頻諧振模式，使傳統微帶天線具有電大諧振的特性，在一定程度上克服了高頻系統對于高設計精度的依賴。同時，金屬層的L形縫隙通過耦合的方式饋電，激勵起相互正交的等幅相差90°的分量，在保證天線電大諧振的同時，實現圓極化波的輻射。這樣的設計使得本實用新型在保證天線的移動性、抗雨霧干擾、抗多徑反射等優勢之外，具有電大尺寸，降低了加工難度，使得本申請所述的貼片天線更具應用前景。
[0019]進一步的，本申請所述的具有電大諧振特性的圓極化微帶貼片天線通過將L形縫隙設置于金屬層的中心位置，確保了邊射輻射的最大化，保證了天線的增益。設計中，本天線采用較薄的下層介質基片以實現饋電微帶與L形縫隙之間的有效耦合，保證了天線的增益。而較厚的上層介質基片使得本天線在增益不受影響的情況下擴展了天線的工作帶寬。
【附圖說明】

[0020]圖1為具有電大諧振特性的圓極化微帶貼片天線的三維整體結構圖。
[0021]圖2為具有電大諧振特性的圓極化微帶貼片天線的側視圖。
[0022]圖3為具有電大諧振特性的圓極化微帶貼片天線的回波損耗曲線圖。
[0023]圖4為具有電大諧振特性的圓極化微帶貼片天線的增益曲線圖。
[0024]圖5為具有電大諧振特性的圓極化微帶貼片天線的軸比曲線圖。
[0025]圖6為具有電大諧振特性的圓極化微帶貼片天線的E面輻射方向圖。
[0026]圖7為具有電大諧振特性的圓極化微帶貼片天線的H面輻射方向圖。
[0027]標號說明:I表示饋電微帶、2表示下層介質基片、3表示金屬層、4表示L形耦合縫隙、5表示上層介質基片，6表示微帶貼片層、7表示矩形微帶貼片之間周期性分布的間隙。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖和實施例子對本實用新型作進一步說明。
[0029]本實用新型所采用的實施方案是一種具有電大諧振特性的圓極化微帶貼片天線，包括從下到上層疊設置的饋電微帶1、下層介質基片2、金屬層3、上層介質基片5以及微帶貼片層6，其特征在于，金屬層3內設有L形縫隙4，上層介質基片5上的微帶貼片層6由微帶貼片陣列構成，微帶貼片陣列中包含兩個以上完全相同的微帶貼片，微帶貼片之間留有寬度相同的間隙7，下層介質基片的厚度不超過1/4工作波長。
[0030]相較于傳統的微帶貼片天線，本申請通過微帶貼片中上各微帶貼片之間的間隙，使得貼片天線具有左右手復合材料的特性，在原有的諧振模式基礎上引入高頻諧振模式，使傳統微帶天線具有電大諧振的特性，在一定程度上克服了高頻系統對于高設計精度的依賴。同時，金屬層的L形縫隙通過耦合的方式饋電，激勵起相互正交的等幅相差90°的分量，在保證天線電大諧振的同時，實現圓極化波的輻射。
[0031]天線的能量由饋電微帶I饋入，在饋電微帶I和L形耦合縫隙4的交叉位置發生能量耦合，能量由下層介質基片2耦合到上層介質基片5中，而后通過微帶貼片輻射出去。由于微帶貼片層6的各微帶貼片之間留有周期性的間隙7，使得為微帶貼片層的各子單元之間產生耦合電容，表現為左手諧振特性。同時，由于微帶貼片層6與金屬層3之間的耦合電容以及微帶貼片的表面電流，該天線結構同時具有右手諧振特性。因此整個天線結構具有左右手復合結構的特性，能夠在更高的頻點上產生更多的諧振模式。調節各微帶貼片之間留有的周期性的間隙7的間距就能夠改變微帶貼片各子單元之間的耦合效應，也就可以調整高階模式的諧振頻率。設計時，還需調節L形耦合縫隙4中相互垂直的長縫和短縫的長度以及縫隙的寬度，以控制天線輻射波的水平分量和垂直分量的幅度和相位，使得兩個分量能夠滿足等幅相差90°的條件，從而實現圓極化波的輻射。設計時，如果將L形耦合縫隙4設置在金屬層的中間位置，可以確保天線的邊射輻射的最大化，明顯改善天線的增益。
[0032]微帶貼片陣列中包含兩個以上完全相同的微帶貼片，微帶貼片之間留有寬度相同的間隙，微帶貼片通常為矩形，微帶貼片周期排列構成的微帶貼片陣列也通常為矩形陣列。[0033 ]結合圖3、圖4、圖5、圖6以及圖7，本實用新型提供了一種諧振頻率在7.6GHz的具有電大諧振特性的微帶貼片天線。相對于傳統的微帶貼片天線的2.28GHz諧振頻率，本申請中諧振頻率提高了約3.3倍。同時實施例所述天線的最大右旋圓極化增益能夠達到8.SdBi，3dB軸比帶寬達到1.35GHz，具有明顯的邊射輻射特性，且交叉極化水平非常低。
[0034]天線具體設計如下:
[0035]具有電大諧振特性的圓極化微帶貼片天線，包括從下到上層疊設置的饋電微帶、下層介質基片、金屬層、上層介質基片以及微帶貼片層。
[0036]其中，金屬層內設有L形縫隙，L形縫隙位于金屬層的中心位置，所述的L形縫隙長邊為17mm，短邊為12.5mm，縫隙寬度為1.8mm。
[0037]天線的上層介質基片上的微帶貼片層是由若干周期排列的相互之間留有相同寬度的間隙的完全相同的矩形微帶貼片組成的矩形結構。矩形微帶貼片長38.8mm寬38.8mm,矩形微帶貼片之間間隙寬度均保持為1mm。微帶貼片陣列由4*4個矩形微帶貼片組成。
[0038]天線的上層介質基片與下層介質基片選用相同的材料，上層介質基片的厚度大于下層介質基片的厚度。上層介質基片厚度3mm下層介質基片的厚度0.5mm，不超過1/4工作波長。
[0039]根據以上所述，便可實現本實用新型。
[0040]本領域普通技術人員可以理解:以上所述僅為本實用新型的優選實施例而已，并不用于限制本實用新型，盡管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，對于本領域的技術人員來說，其依然可以對前述各實施例記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換。凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種具有電大諧振特性的圓極化微帶貼片天線，包括從下到上層疊設置的饋電微帶(I)、下層介質基片(2)、金屬層(3)、上層介質基片(5)以及微帶貼片層(6)，其特征在于，金屬層(3)內設有L形縫隙(4)，上層介質基片(5)上的微帶貼片層(6)由微帶貼片陣列構成，微帶貼片陣列中包含兩個以上完全相同的微帶貼片，微帶貼片之間留有寬度相同的間隙(7)，下層介質基片的厚度不超過1/4工作波長。2.如權利要求1所述的具有電大諧振特性的圓極化微帶貼片天線，其特征在于，所述的微帶貼片為矩形，且周期排列;微帶貼片層為矩形。3.如權利要求2所述的具有電大諧振特性的圓極化微帶貼片天線，其特征在于，所述的矩形微帶貼片長38.8mm、寬38.8mm，矩形微帶貼片之間間隙寬度1mm。4.如權利要求1所述的具有電大諧振特性的圓極化微帶貼片天線，其特征在于，所述的L形縫隙位于金屬層的中心位置。5.如權利要求4所述的具有電大諧振特性的圓極化微帶貼片天線，其特征在于，所述的L形縫隙長邊為17_，短邊為12.5_，縫隙寬度為1.8_。6.如權利要求1至5任一所述的具有電大諧振特性的圓極化微帶貼片天線，其特征在于，所述的上層介質基片與下層介質基片選用相同的材料，上層介質基片的厚度大于下層介質基片的厚度，下層介質基片的厚度不超過1/4工作波長。7.如權利要求6所述的具有電大諧振特性的圓極化微帶貼片天線，其特征在于，所述的上層介質基片厚度3mm，下層介質基片的厚度0.5mm。
【文檔編號】H01Q1/38GK205723942SQ201620409909
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年5月9日
【發明人】曹文權, 蔡洋, 石樹杰, 王茜茜, 林家棟
【申請人】中國人民解放軍理工大學