CN102570016A - 小型化双频圆极化异向介质微带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种小型化双频圆极化异向介质微带天线，包括有三层金属层，三层金属层之间夹有两层介质基板，上表面金属层为正方形金属贴片，正方形金属贴片的两个对称的角切去相同尺寸的等腰直角三角形区域；下表面金属层为正方形金属铜贴片，下表面金属层接地；中间金属层的整体轮廓为正方形，正方形的中心位置有垂直交叉的十字交指金属结构，正方形的四角位置分别有90度折线型交指金属结构，90度折线型交指金属结构延顺时针方向的末端分别有一个穿过下层介质基板通往下表面金属层的金属化过孔，中间金属层的中心位置偏一侧设有馈电端口。本发明具有较低的剖面，基板总厚度小于3mm，减小了天线的体积，同时便于与载体实现共形，降低了天线系统的复杂度和设计难度。

Description

小型化双频圆极化异向介质微带天线
技术领域：
本发明属微带天线技术领域，特别涉及到异向介质结构以及利用异向介质结构设计的小型化双频圆极化微带天线。
背景技术：
微带天线具有体积小、重量轻、低剖面和易于与载体共形等特点，通常用作平面天线阵列的基本单元，被广泛应用于移动通信、卫星导航、军事侦察等领域。
异向介质结构具有负介电常数和负磁导率，将其应用于微带天线设计，可以实现较小的天线尺寸和多个谐振频率，同时降低损耗，缩减天线RCS，对提高天线性能具有十分重要的意义。
2001年，由R. Garg等人编写，美国波士顿（Boston London）技工出版社（Artech House）出版的《微带天线设计手册》（R. Garg, P. Bhartia, I. Bahl, A. Ittipiboon, Microstrip Antenna Design Handbook，Boston London: 2001, Page(s): 269-275）介绍了传统微带天线单元特性及其设计方法。基于腔模法理论分析，传统微带天线的主要工作模式为基模或高次模式中的一种。当天线谐振频率一定时，工作于基模的微带天线具有最小的尺寸，其尺寸通常为半个导波波长。其主要缺点是：当应用于较低频段（L/C频段）时，传统的半波长微带天线尺寸仍然较大；而且带宽较窄，不利于实现双频工作。
2006年8月，C. Lee等人在美国电子电气工程师协会主办的天线与传播学报发表了“射频集成模块中基于混合左右手传输线的小型谐振天线”的论文（C. Lee, K. Leong, T. Itoh, “Composite right/left-handed transmission line based compact resonant antennas for RF module integration”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 54, No. 8, pp. 2283-291, August 2006.）。文章中利用异向介质传输线结构实现了小型化异向介质微带天线。该文章中提出的线极化异向介质微带天线可以多频工作，但不能实现在工作频点处的圆极化辐射。文章中提出的圆极化异向介质微带天线只能工作于单一频点，无法实现双频工作；且采用了双端口馈电结构，需要另外设计一个双端口等幅输出，相位相差90度的馈电网络，增大了天线系统的复杂度和设计难度。
2007年，F. J. Herraiz-Martinez等人在欧洲天线与传播会议上发表了“一种基于左手结构的双频圆极化微带贴片天线”的论文（“A dual band circularly polarized antenna based on a microstrip patch filled with left-handed structures”, European Conference on Antenna and Propagation, 2007.）。文章中利用异向介质结构实现了双频圆极化异向介质微带天线。该天线尺寸小于传统半波长微带天线，可以在1.795GHz和2.11GHz双频工作，且可以实现工作频点处的圆极化辐射。其缺点是：采用了双端口馈电结构，需要另外设计一个双端口等幅输出，相位相差90度的馈电网络，增大了天线系统的复杂度和设计难度；天线基板厚度较厚（h=10mm），增大了天线体积，不利于实现与载体共形。
上述文献表明，利用异向介质结构设计微带天线，在工作频率一定时，可以实现比传统半波长微带天线更小的天线尺寸；可以实现天线多个频点工作；采用双端口等幅、相位相差90度馈电时，可以实现天线工作频点处的圆极化辐射。然而采用双端口馈电结构需要另外设计一个双端口等幅输出，相位相差90度的馈电网络，增大了天线系统的复杂度和设计难度；天线基板厚度较厚，增大了天线体积，不利于实现与载体共形。
目前尚无低剖面（基板厚度小于3mm）、单端口馈电实现双频圆极化异向介质微带天线的报道。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是提出一种小型化双频圆极化异向介质微带天线，以克服传统半波长微带天线存在的尺寸大、散射截面大、基板过厚、需要另外设计馈电网络的缺点。
本发明的技术方案如下：
小型化双频圆极化异向介质微带天线，包括有三层金属层，分别为上表面金属层、中间金属层、下表面金属层，所述三层金属层之间夹有两层介质基板，分别为上层介质基板、下层介质基板，所述上表面金属层为正方形金属贴片，所述正方形金属贴片的两个对称的角切去相同尺寸的等腰直角三角形区域；所述下表面金属层为正方形金属贴片，所述下表面金属层接地；所述中间金属层的整体轮廓为正方形，所述正方形的中心位置有垂直交叉的十字交指金属结构，所述十字交指金属结构内有缝隙为内侧缝隙，所述正方形的四角位置分别有90度折线型交指金属结构，所述90度折线型交指金属结构内有缝隙为外侧缝隙，所述90度折线型交指金属结构延顺时针方向的末端分别有一个穿过下层介质基板通往下表面金属层的金属化过孔，所述中间金属层的中心位置偏一侧设有馈电端口。
所述的小型化双频圆极化异向介质微带天线，其特征在于：所述上层介质基板、下层介质基板的介电常数大于1，厚度为0.5-2mm。
所述的小型化双频圆极化异向介质微带天线，其特征在于：所述馈电端口采用单端口同轴馈电方式。
所述的小型化双频圆极化异向介质微带天线，其特征在于：所述中间金属层中心的十字交指金属结构的长度为18-23mm，宽度为1-2mm；所述内侧缝隙、外侧缝隙的宽度为1-2mm；所述90度折线型交指金属结构的单边长度为9-13mm，宽度为1-2mm；所述金属化过孔的半径为0.2-0.8mm；所述上表面金属层切除的等腰直角三角形直角边长为2-5mm。
本发明的优点是：
本发明的小型化双频圆极化异向介质微带天线与传统半波长微带天线相比，边长减小约30%，面积减小约50%；本发明采用单端口馈电结构，与采用双端口馈电结构的圆极化异向介质微带天线相比，无须另外设计双端口等幅输出相位相差90度的馈电网络，降低了天线系统的复杂度和设计难度；本发明具有较低的剖面，基板总厚度小于3mm，减小了天线的体积，同时便于与载体实现共形。
附图说明：
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明的下层介质基底的结构示意图。
图3为本发明的侧视示意图。
图4为本发明的俯视示意图。
图5为本发明的下层介质基底的俯视示意图。
图6为本发明的实施例的回波损耗图。
图7为本发明的实施例的驻波比图。
图8为本发明的实施例的二维辐射方向图。
图9为本发明的实施例的二维圆极化轴比图。
具体实施方式：
实施例：
如图1-9所示，小型化双频圆极化异向介质微带天线，包括有三层金属层，分别为上表面金属层1、中间金属层3、下表面金属层5，所述三层金属层之间夹有两层介质基板，分别为上层介质基板2、下层介质基板4，所述上表面金属层1为正方形金属贴片，所述正方形金属贴片的两个对称的角切去相同尺寸的等腰直角三角形区域；所述下表面金属层5为正方形金属铜贴片，所述下表面金属层5接地；所述中间金属层3的整体轮廓为正方形，所述正方形的中心位置有垂直交叉的十字交指金属结构6，所述十字交指金属结构6内有缝隙为内侧缝隙7，所述正方形的四角位置分别有90度折线型交指金属结构8，所述90度折线型交指金属结构8内有缝隙为外侧缝隙9，所述90度折线型交指金属结构8延顺时针方向的末端分别有一个穿过下层介质基板4通往下表面金属层5的金属化过孔10，所述中间金属层3的中心位置偏一侧设有馈电端口11。
所述馈电端口采用单端口同轴馈电方式。
本实施例中，小型化双频圆极化异向介质微带天线是在双层印刷电路板上制作的，印刷电路板为最常见的介质覆导体板，由三层金属层之间夹两层介质基板构成。其上表面金属层1、中间金属层3、下表面金属层5为金属导体铜，厚度为0.018mm。由下表面金属层的金属铜构成天线的地，尺寸为53mm×53mm。上层介质基板2、下层介质基板4为介电常数2.65的正方形F4B-2介质板，尺寸均为53mm×53mm，上层介质基板2厚度为1mm，下层介质基板4厚度为1.5mm。上表面金属层为采用印刷电路工艺制作的正方形金属贴片，尺寸为33mm×33mm；在正方形金属贴片的两个对称的角切去相同尺寸的等腰直角三角形金属区域，等腰直角三角形直角边长为3mm。中间金属层3整体轮廓为正方形，尺寸为33mm×33mm；中心位置制作一幅垂直交叉放置的十字交指金属结构6，十字交指金属结构6的长度为18mm，宽度为1.6mm，内侧缝隙7宽度为0.3mm；四角位置分别制作成90度折线型交指金属结构8，其单边长度为9.3mm，宽度为1.3mm，外侧缝隙9宽度为0.3mm；90度折线型交指金属结构延顺时针方向的末端分别制作一个穿过下层介质基板4通往下层金属层5的金属化过孔10（孔内壁金属化，半径0.3mm，高度1.5mm），孔心距折线型结构末端1.65mm。馈电端口11位于中间金属层3的中心偏一侧位置，距中心11mm，采用单端口同轴馈电方式，同轴内芯接中间金属层，外壁接最下层金属层地板，接口阻抗50Ω。
此实施例在1.99-2.02GHz和2.26-2.29GHz两个频带工作时可以发射和接收右旋圆极化波，中心工作频点分别为2.005GHz和2.29GHz。
图7为此实施例的驻波比图，由图可见，在1.99-2.03GHz和2.26-2.29GHz频率范围内，驻波比VSWR≤3，体现出谐振特性。
图8为此实施例的二维辐射方向图，由图可见，工作于2.005GHz时，天线在天顶方向的增益为4.49dB，增益≥1dB的波束宽度在E面和H面均为108°。工作于2.27GHz时，天线在天顶方向的增益为4.81dB，增益≥1dB的波束宽度在E面和H面均为110°。
图9为此实施例的二维圆极化轴比图，由图可见，工作于2.005GHz时，天线在天顶方向的圆极化轴比为1.47dB，轴比≤3dB的波束宽度在E面为160°，在H面为170°。工作于2.27GHz时，天线在天顶方向的圆极化轴比为0.68dB，轴比≤3dB的波束宽度在E面和H面均为180°。

Claims (4)

1.一种小型化双频圆极化异向介质微带天线，包括有三层金属层，分别为上表面金属层、中间金属层、下表面金属层，所述三层金属层之间夹有两层介质基板，分别为上层介质基板、下层介质基板，其特征在于：所述上表面金属层为正方形金属贴片，所述正方形金属贴片的两个对称的角切去相同尺寸的等腰直角三角形区域；所述下表面金属层为正方形金属贴片，所述下表面金属层接地；所述中间金属层的整体轮廓为正方形，所述正方形的中心位置有垂直交叉的十字交指金属结构，所述十字交指金属结构内有缝隙为内侧缝隙，所述正方形的四角位置分别有90度折线型交指金属结构，所述90度折线型交指金属结构内有缝隙为外侧缝隙，所述90度折线型交指金属结构延顺时针方向的末端分别有一个穿过下层介质基板通往下表面金属层的金属化过孔，所述中间金属层的中心位置偏一侧设有馈电端口。
2.如权利要求1所述的小型化双频圆极化异向介质微带天线，其特征在于：所述上层介质基板、下层介质基板的介电常数大于1，厚度为0.5-2mm。
3.如权利要求1所述的小型化双频圆极化异向介质微带天线，其特征在于：所述馈电端口采用单端口同轴馈电方式。
4.如权利要求1所述的小型化双频圆极化异向介质微带天线，其特征在于：所述中间金属层中心的十字交指金属结构的长度为18-23mm，宽度为1-2mm；所述内侧缝隙、外侧缝隙的宽度为1-2mm；所述90度折线型交指金属结构的单边长度为9-13mm，宽度为1-2mm；所述金属化过孔的半径为0.2-0.8mm；所述上表面金属层切除的等腰直角三角形直角边长为2-5mm。
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