CN105958196A - 空气耦合低剖面圆极化介质透镜天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空气耦合的低剖面圆极化介质透镜天线，由三层介质板构成，顶层介质板的上表面设置有方形金属层，且方形金属层上还开有周期性的菱形缝隙；中间层介质板的下表面设置有等边三角形的金属贴片，该金属贴片的中心与中间层介质板的中心重叠；底层介质板的下表面设置有一条沿底层介质板一边向中心延伸的用于馈电的微带线；上表面布满金属层作为接地板，该接地板的中心位置开有一个十字缝隙。本发明大大提高了此介质透镜天线的阻抗带宽，增益带宽，圆极化带宽。另外部分反射表面的设计降低了部分反射表面在天线工作频段的反射相位，从而降低了天线的高度，实现了天线的低剖面。

Description

空气耦合低剖面圆极化介质透镜天线
技术领域
本发明涉及一种空气耦合的低剖面圆极化介质透镜天线，属于微波技术领域。
背景技术
随着现代无线通信技术的快速发展，对小型化平面化天线的要求越来越高，而且对其增益要求也越来越高。很多时候还需要天线能够产生圆极化波来应对不同的天气条件。于是提出了通过在天线辐射方向添加部分辐射表面来以提高天线的增益的方法。
传统的介质透镜天线在设计时存在下述两个问题：
1、传统的圆极化透镜天线，阻抗带宽、圆极化带宽都相对较窄，只能在很小的频段上工作；
2、传统的圆极化透镜天线的部分反射表面在天线工作频段反射相位较高使得天线剖面高度较高。又因为部分反射表面的反射系数幅度和相位随频率变化较大，天线的3dB增益带宽受到了限制。
发明内容
为了提高天线的阻抗带宽，圆极化带宽，3dB增益带宽，本发明提出了一种空气耦合的圆极化介质天线，有效地提高了三个带宽，且降低了剖面的高度。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明提供一种空气耦合低剖面圆极化介质透镜天线，包括顶层介质板、中间层介质板、底层介质板，顶层介质板、中间层介质板、底层介质板均为正方形介质板，其中，顶层介质板和底层介质板的边长相等，中间层介质板的边长小于底层介质板的边长；顶层介质板堆叠在中间层介质板的上表面，中间层介质板堆叠在底层介质板的上方，中间层介质板和底层介质板之间有一层空气层；顶层介质板的上表面设置有方形金属层，且方形金属层上还开有周期性的菱形缝隙；中间层介质板的下表面设置有等边三角形的金属贴片，该金属贴片的中心与中间层介质板的中心重叠；底层介质板的下表面设置有一条沿底层介质板一边向中心延伸的用于馈电的微带线；上表面布满金属层作为接地板，该接地板的中心位置开有一个十字缝隙。
作为本发明的进一步优化方案，顶层介质板上表面的方形金属层未布满介质板表面，方形金属层的四周预留一圈介质条带。
作为本发明的进一步优化方案，微带线的长度大于底层介质板边长的一半。
作为本发明的进一步优化方案，十字缝隙由两个垂直的矩形缝隙构成，且两个矩形缝隙的长度不同。
作为本发明的进一步优化方案，两个矩形缝隙的中心均与底层介质板的中心重合。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明中，三角形辐射贴片所在的中间层介质板与底层介质板之间有一层空气层，即底层板与中层板之间没有直接相接触，通过空气层，将十字缝隙从微带线所馈得的能量耦合到等边三角形金属贴片上，形成天线辐射，这种方式大大提高了天线的阻抗带宽，提高了天线的辐射效率，而十字缝隙与三角形金属贴片所产生的圆极化波带宽因为空气耦合层的存在，也可以得到提高；
2、本发明中，通过部分反射表面周期性结构的设计，降低天线工作频段上部分反射表面的反射相位变化的斜率和大小，从而提高了天线3dB增益带宽，以及降低上层板与底层板之间的距离，实现天线的低剖面。
附图说明
图1是本发明的三维结构图。
图2是本发明的俯视图和侧视图，其中，（a）是俯视图，（b）是侧视图。
其中，1-方形金属层；2-菱形缝隙；3-中层介质板；4-微带线；5-三角形金属贴片；6-十字缝隙。
图3是顶层介质板的俯视图。
图4是中间层介质板的仰视图。
图5是底层介质板俯视图。
图6是底层介质板仰视图。
图7是天线的S参数图。
图8是天线的增益随频率变化图。
图9是天线的轴比随频率变化图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明提供一种由三层介质板构成的空气耦合低剖面圆极化介质透镜天线，如图1至图6所示。顶层介质板的上表面敷有一层方形金属层，该方形金属层上开有周期性的菱形缝隙结构。且方形金属层并未敷满整个顶层介质板的上表面，周围留有部分未敷金属，用于后期打孔固定。菱形缝隙的形状和大小会影响其反射系数的幅度和相位，从而影响天线的增益性能。周期性的菱形缝隙的宽度边长决定了天线能够提高增益的工作频段，以及决定了天线顶层板与底层板之间的距离，即天线的剖面高度。
中间层介质板下表面有个等边三角形的金属贴片，该金属贴片的边长决定了天线的工作频段。之所以选择三角形贴片主要是为了产生圆极化波。三角形金属贴片的边长决定了天线的工作频段。
底层介质板的下表面有一条用于馈电的微带线，馈线的长度和宽度影响天线的输入阻抗。底层介质板的上表面全部敷金属层，作为接地板（GND）。在接地板的中心位置开有一个十字缝隙，十字缝隙的作用主要是耦合微带线传递的能量，再通过中间层介质板和底层介质板之间的空气层耦合到三角形金属贴片产生辐射。十字缝隙与三角形金属贴片的结合，产生两个幅度相同，相位相差90度的线极化波，从而形成圆极化波。其中，十字缝隙由两个垂直的矩形缝隙构成，且两个矩形缝隙的长度不同，两个矩形缝隙的中心均与底层介质板的中心重合。可以通过调整矩形缝隙的宽度和长度，以及旋转的角度（30°），来调整天线圆极化波的性能。
本发明中，由微带线馈电到底层介质板上表面的接地板（GND），而在接地板（GND）开有十字缝隙，使得微带线传输的能量能够向上层传递。中间层介质板上的等边三角形金属贴片，此贴片通过中间板与底层板之间的空气层耦合十字缝隙所辐射的能量到达金属贴片，实现贴片的辐射。三角形贴片与十字缝隙的耦合，能够产生两个相位相差的线极化波，从而形成了圆极化波。顶层介质板是一个由介质和周期性菱形金属缝隙所组成部分反射表面，利用该周期表面结构在不同频段下反射幅度和反射相位的不同，再结合谐振腔理论，确定顶层介质板和底层介质板之间的高度，可大大提高天线的增益。本发明通过缝隙耦合圆极化天线与部分反射表面(PRS)的结合，实现了高增益的圆极化天线，且大大提高了此介质透镜天线的阻抗带宽，增益带宽，圆极化带宽。另外部分反射表面的设计降低了部分反射表面在天线工作频段的反射相位，从而降低了天线的高度，实现了天线的低剖面。
本发明的实施例中，空气耦合低剖面圆极化介质透镜天线的底层介质板和中间层介质板的厚度均为0.508mm，相对介电常数为2.2。顶层介质板的厚度为1.524mm，其相对介电常数3.38。
菱形缝隙的边长为6.2mm，周期为8mm；等边三角形金属贴片的边长为10.5mm；十字缝隙两条边的长度分别为4.1mm、3.3mm，且其宽度为0.45mm；微带线的宽度为1.9mm，长度为52.8mm。利用三维电磁仿真软件仿真的该天线（工作频率14.1GHz），如图7所示。天线的回波损耗在工作频段内达到了-10dB以下，且相对带宽得到了大大提高。天线在工作频段3dB增益带宽如图8所示，通过该设计得到了明显提高。此设计中的天线在工作频段上3dB轴比带宽也比普通贴片天线所激励的透镜天线有了明显提高，如图9所示。由此可见，此设计具有良好的宽带性能。
本发明是将空气耦合的圆极化天线技术与透镜天线技术相结合，利用空气耦合技术宽带的优点提高了透镜圆极化天线的性能。虽然有三层板，但是整体结构并不复杂，易于加工实现，具有一定的应用前景。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.空气耦合低剖面圆极化介质透镜天线，其特征在于，包括顶层介质板、中间层介质板、底层介质板，顶层介质板、中间层介质板、底层介质板均为正方形介质板，其中，顶层介质板和底层介质板的边长相等，中间层介质板的边长小于底层介质板的边长；顶层介质板堆叠在中间层介质板的上表面，中间层介质板堆叠在底层介质板的上方，中间层介质板和底层介质板之间有一层空气层；
顶层介质板的上表面设置有方形金属层，且方形金属层上还开有周期性的菱形缝隙；
中间层介质板的下表面设置有等边三角形的金属贴片，该金属贴片的中心与中间层介质板的中心重叠；
底层介质板的下表面设置有一条沿底层介质板一边向中心延伸的用于馈电的微带线；上表面布满金属层作为接地板，该接地板的中心位置开有一个十字缝隙。
2.根据权利要求1所述的空气耦合低剖面圆极化介质透镜天线，其特征在于，顶层介质板上表面的方形金属层未布满介质板表面，方形金属层的四周预留一圈介质条带。
3.根据权利要求1所述的空气耦合低剖面圆极化介质透镜天线，其特征在于，微带线的长度大于底层介质板边长的一半。
4.根据权利要求1所述的空气耦合低剖面圆极化介质透镜天线，其特征在于，十字缝隙由两个垂直的矩形缝隙构成，且两个矩形缝隙的长度不同。
5.根据权利要求4所述的空气耦合低剖面圆极化介质透镜天线，其特征在于，两个矩形缝隙的中心均与底层介质板的中心重合。
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