CN109755730A - 一种基于超材料的高性能小型化圆极天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超材料的高性能小型化圆极天线,包括地板、馈电接口、设置在地板中部的支撑柱、连接在支撑柱上的同轴式多级天线片；所述同轴式多级天线片其中的一级天线片贴近地板，并用连接组件与地板固定，其余每级天线片逐渐远离地板并依次减小；所述馈电接口固定在地板上，且馈电接口的内芯穿过地板并连接到一级天线片。本发明通过同轴式多级贴片，产生电磁辐射并有效提高天线带宽和辐射方向性，进而提高增益，并且减小天线体积。

Description

一种基于超材料的高性能小型化圆极天线

技术领域

本发明涉及通信天线领域，具体而言，涉及一种基于超材料的高性能小型化圆极天线。

背景技术

天线在雷达、通信等系统中，起发射或接收电磁波的作用，对系统总体性能有很大影响。圆极化天线能收发圆极化波，具有极化偏转损失小、抗多径干扰等优点。因此在雷达、遥感、通信等多个方面获得了广泛的应用。

目前常用的圆极化天线，主要有正交偶极子对圆极化天线、微带圆极化天线、螺旋天线、偶极子类行波圆极化天线等。

正交偶极子对圆极化天线，将两个偶极子天线正交放置，产生两个正交的电场分量。利用馈电网络产生90°馈电相差，形成圆极化；或者利用自相移的思路，通过调整偶极子的输入阻抗，产生±45°相移，从而实现圆极化天线设计。

微带圆极化天线，实现圆极化的方式有单馈法、双馈法和多馈法。单馈法，通过对贴片开槽、倒角以及添加枝节等，产生微扰使得正交的简并模分离，再利用馈电实现自相移的±45°，从而实现圆极化；双馈法，利用馈电网络，对微带贴片正交方向进行0°和90°馈电，实现圆极化；多馈法与双馈法类似，通过使用多个馈电点并提供合适的相移，来实现圆极化。

螺旋天线，利用轴向工作模式，形成正交的电场分量，通过电流绕轴向旋转来产生圆极化。

偶极子类行波圆极化天线，在偶极子天线的基础上，将天线臂构形为“S”形或“环形”，天线的阻抗将在天线末端匹配到空气，表面电流实现近似行波的状态，并且电流沿着天线环流，形成了类似螺旋天线轴向工作的模式，从而实现圆极化辐射。

正交偶极子对圆极化天线的辐射本身是全向的，为实现定向辐射，通常需要在四分之一波长距离放置反射地板。该类天线受限于偶极子结构和反射地板的放置，存在天线体积较大，难以小型化等缺点。

就目前常用的微带圆极化天线而言，由于微带天线结构和辐射原理上的限制，存在天线带宽窄等缺点；对于使用高介电常数介质进行小型化设计的微带贴片天线，带宽往往更窄，同时引入的介质损耗会降低天线增益；对于双馈和多馈点的微带圆极化方案，需要搭建馈电网络，存在尺寸较大等缺点。

就目前常用的螺旋天线而言，螺旋天线受限于圆极化实现的机理，存在体积较大等缺点；同时结构上不易精确加工。

就目前已发表的偶极子类行波圆极化天线而言，该天线是在偶极子天线和螺旋天线基础上设计的，并且为了定向辐射同样需要在四分之一波长处设置较大的金属地板，因此存在天线尺寸大，难以小型化等缺点。

综上所述，目前常用的正交偶极子对天线受限于自身性能和圆极化实现原理，存在物理尺寸大，小型化困难等缺点；微带圆极化天线受限于微带天线辐射原理，存在天线工作带宽较窄，小型化设计后性能急剧下降等缺点；螺旋天线，依赖于轴向工作模式，存在体积较大，不易加工等缺点；偶极子类行波圆极化天线，受限于工作原理的限制，同样存在难以小型化等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于超材料的高性能小型化圆极天线，基于电磁超材料(Composite Right/Left Handed Transmission Line,CRLH-TL)、微带贴片和贴片背馈法等技术上设计而成。在传统的微带贴片天线上实现复合左右手传输线(CRLH-TL)结构，在贴片中心进行缝隙设计，利用金属螺钉将贴片和地板相连接，最后利用法兰盘SMA在45°方向上对贴片进行馈电，整体实现小型化。

为达到上述技术目的，本发明采用的技术方案具体如下：

一种基于超材料的高性能小型化圆极天线，其特征在于：包括地板腔体、介质基板、馈电接口和多个短路螺钉；所述介质基板设置在地板腔体表面，并在介质基板上设置有天线贴片；多个短路螺钉分别连接在天线贴片和地板腔体的底面之间；并在天线贴片中部留有缝隙。

缝隙的作用是提供构造复合左右手传输线所需的左手电容，同时正交的缝隙产生了分离开来的正交电场分量。

进一步地，所述地板腔体由金属铝质板材弯折加工而成。

进一步地，所述馈电接口为SMA接口，设置在地板腔体内，并与其中一根短路螺钉连接。

进一步地，所述短路螺钉优选设置在贴片的外角下方，其中一个短路螺钉与馈电接口接通，其余短路螺钉均匀分布在地板腔体内。

短路螺钉作用是作为天线结构的支撑，同时提供构造复合左右手传输线所需的左手电感。

进一步地，所述天线贴片由多块金属贴片两两依次连接拼接成一个整体。

进一步地，所述金属贴片分别设置有对接卡凸或对接凹槽。

本发明的有益效果在于：本发明区别于现有技术，本发明采用了复合左右手传输线的超材料结构和贴片背馈法的方式，使得天线的结构小型化。利用负阶谐振天线的特性，使得天线谐振频率在一定范围内由复合左右手传输线的等效电路决定，不仅实现了天线的小型化设计，同时提供了灵活的天线谐振频率控制方法。相比于传统的微带天线(贴片有半波长的要求)，该天线不再严格受限于尺寸限制，具有小型化特性，因此该天线在现代通信系统中具有良好的应用前景。

并在在常规的微带贴片上实现了复合左右手传输线构造，在负一阶进行圆极化设计实现，使得天线具有和常规微带贴片天线同样的辐射和阻抗性能。即在小型化的同时，仍保持了相似的辐射性能。利用缝隙的电容效应和金属螺钉的电感效应，构造出复合左右手传输线，并采用了近似空气基板的结构，降低了以往负阶天线的高损耗现象。同时利用弯折缝隙线的调整，谐振点的分离，拓宽了天线的工作带宽，改善了以往负阶天线的窄带现象。

采用了薄基板和金属螺钉作为天线支撑以及弯折反射地板腔体，不仅降低了传统设计中使用基板带来的介质损耗，还提高了天线的方向性，使得天线拥有较大的增益。仅需要利用普通PCB板加工、机械切割金属薄板和馈电焊接等工艺，降低了加工难度和制作成本。

附图说明

图1是本发明提供的基于超材料的高性能小型化圆极天线结构示意图；

附图标记：

1为地板腔体、2为介质基板、3为天线贴片、4为短路螺钉、5为馈电接口、6为缝隙。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

图1所示，一种基于超材料的高性能小型化圆极天线，包括地板腔体1、介质基板2、馈电接口5和多个短路螺钉4；所述地板腔体1由金属铝质板材弯折加工而成。

所述介质基板2设置在地板腔体1表面，并在介质基板2上设置有天线贴片3；多个短路螺钉4分别连接在天线贴片3和地板腔体1的底面之间；并在天线贴片3中部留有缝隙6。所述天线贴片3由多块金属贴片两两依次连接拼接成一个整体。所述金属贴片分别设置有对接卡凸或对接凹槽。

所述短路螺钉4可以为奇数或者偶数个，其中一个短路螺钉4与馈电接口5接通，其余短路螺钉4均匀分布在地板腔体1内。短路螺钉4作用是作为天线结构的支撑，同时提供构造复合左右手传输线所需的左手电感。缝隙6的作用是提供构造复合左右手传输线所需的左手电容，同时正交的缝隙6产生了分离开来的正交电场分量。

所述馈电接口5为SMA接口，设置在地板腔体1内，并与其中一根短路螺钉4连接。

在实际使用时，地板腔体1采用材料厚度为1.0mm的铝板弯折而成；作为支撑的介质基板2为F4BM220(介电常数为2.2，损耗角正切为0.007)，厚度为0.5mm；基板上的天线贴片3为0.018mm厚的铜层；作天线贴片3支撑的金属短路螺钉4为直径3mm，长度15mm的公制螺钉；馈电为50欧姆的法兰盘制式SMA(3.5mm)。天线的设计频段为RFID应用频段(902-928MHz)，圆极化旋向左旋。

将复合左右手传输线(CRLH-TL)在传统的微带贴片天线上进行实现，激发出天线的负阶谐振模式，并利用负阶模式(负一阶)进行圆极化天线设计实现。天线贴片3，提供了右手的电感和电容；贴片缝隙6的电容效应，提供了左手电容；连接贴片和地板的金属螺钉的电感效应，提供了左手电感，由此在微带贴片上构造出复合左右手结构。适当的馈电设计，激发出天线的负阶谐振模式，负一阶模式与正一阶模式相比，具有相同的表面电场分布，因此天线的辐射特性和阻抗特性也相似，同时负阶天线具有更小的电尺寸特性，因此可以进行天线小型化设计。本设计主要利用天线的负一阶谐振模式，在贴片上设置两条正交的缝隙6，并且利用弯折线的长度调整，使得天线产生负阶简并模，并使得简并模分离。调整两条缝隙6的尺寸或弯折线长度，即可实现左手电容改变，调整天线的谐振频率。同样适当的调整缝隙6弯折线的长度，可使得分离的简并模输入阻抗相角分别为±45°，再利用45°位置馈电即可实现相移90°的馈电，从而实现天线的圆极化设计。

本发明提供的圆极化天线，拥有小型化特性，有利于通信系统的集成和小型化设计。该天线的的高增益和低剖面特性，有利于在小空间高增益的场景应用，例如作为小基站或发射天线等。天线结构的简单，有助于成本降低，适合大规模生产和应用。该天线将超材料的思想引入小型化设计，并利用正负一阶谐振在性能上的相似性，在一定程度上解决了常规微带天线的贴片半波长尺寸限制问题。同时将复合左右手在微带天线上进行实现，设计出高增益宽带宽的天线，提供了一种新的负阶谐振天线工程化的思路。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于超材料的高性能小型化圆极天线，其特征在于：包括地板腔体、介质基板、馈电接口和多个短路螺钉；所述介质基板设置在地板腔体表面，并在介质基板上设置有天线贴片；多个短路螺钉分别连接在天线贴片和地板腔体的底面之间；并在天线贴片中部留有缝隙。

2.根据权利要求1所述的基于超材料的高性能小型化圆极天线，其特征在于：所述地板腔体由金属铝质板材弯折加工而成。

3.根据权利要求1所述的基于超材料的高性能小型化圆极天线，其特征在于：所述馈电接口为SMA接口，设置在地板腔体内，并与其中一根短路螺钉连接。

4.根据权利要求1所述的基于超材料的高性能小型化圆极天线，其特征在于：所述短路螺钉优选设置在贴片的外角下方，其中一个短路螺钉与馈电接口接通，其余短路螺钉均匀分布在地板腔体内。

5.根据权利要求1所述的基于超材料的高性能小型化圆极天线，其特征在于：所述天线贴片由多块金属贴片两两依次连接拼接成一个整体。

6.根据权利要求5所述的基于超材料的高性能小型化圆极天线，其特征在于：所述金属贴片分别设置有对接卡凸或对接凹槽。