CN110416716B - 低剖面共形全向圆极化天线及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低剖面共形全向圆极化天线，包括天线单元、AMC人工磁导体、SMA连接器、第一介质板、第二介质板；天线单元包括圆形贴片、M个弧形分支、M个金属化过孔；AMC人工磁导体包括N个人工磁导体单元，每个人工磁导体单元均包括依次首尾连接呈扇环形的第一弧形部、第一连接部、第二弧形部、第二连接部；SMA连接器沿轴中心线、由下至上依次穿过金属地板、第二介质板、第一介质板，连接至圆形贴片圆心位置。本发明采用零阶谐振天线结构和环状AMC人工磁导体结构，采用微带天线的形式，天线剖面很低，有利于天线的使用，并使天线在保持全向圆极化的辐射性能的基础上，能够与金属地板共形。

Description

低剖面共形全向圆极化天线及其制作方法

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体而言涉及一种低剖面共形全向圆极化天线及其制作方法。

背景技术

天线在整个无线通信系统中的地位至关重要，随着现代化无线通信技术的不断发展，人们对天线性能的要求越来越高。相比于线极化天线，圆极化天线具有避免多径效应、降低极化失配等许多优点；相比于定向天线，全向天线可以在整个水平面内接收和发射电磁波，因此全向圆极化天线在无线电领域中有着重要作用，尤其是高增益、低剖面可共形的全向圆极化天线。零阶谐振天线是近年来研究得比较多的一种天线结构，也是很有应用前景的一种天线形式，因为这种天线具有低剖面，小型化等优点，但是这种天线在圆极化工作状态下难以与金属底板共形，限制了零阶谐振天线在多种天线系统中的应用。

发明内容

本发明目的在于提供一种低剖面共形全向圆极化天线及其制作方法，针对现有的全向圆极化天线存在的剖面高，难共形等问题，提供了一种同时具有小型化、低剖面、可共形的全向圆极化辐射特性的天线结构。

为达成上述目的，结合图1，本发明提出一种低剖面共形全向圆极化天线，所述全向圆极化天线固定在金属地板上，包括天线单元、AMC人工磁导体、SMA连接器、第一介质板、第二介质板；

所述第一介质板、第二介质板平行设置在金属地板上，第一介质板重叠在第二介质板上表面上；

所述天线单元包括：

圆形贴片，水平设置在第一介质板上表面上，其横截面呈圆形，圆形贴片的轴中心线分别与第一介质板、第二介质板、金属地板垂直；

M个弧形分支，水平设置在第一介质板上表面上，均匀分布在圆形贴片外侧，包括相互连接的圆弧部和矩形部，其中，所述圆弧部的圆心与圆形贴片的圆心重叠，圆弧部的其中一个端部通过矩形部连接至圆形贴片侧边，矩形部的延伸线穿过圆形贴片圆心；

M个金属化过孔，均匀设置在圆形贴片边缘区域，竖直穿过圆形贴片、第一介质板、第二介质板；

所述AMC人工磁导体水平设置在第一介质板、第二介质板之间，包括N个位于同一水平面上的人工磁导体单元，N个人工磁导体单元等距环绕在圆形贴片轴中心线周围，每个人工磁导体单元均包括依次首尾连接呈扇环形的第一弧形部、第一连接部、第二弧形部、第二连接部；

所述第一弧形部、第二弧形部的横截面呈圆弧状，两者的圆心重叠且位于圆形贴片的轴中心线上，第一弧形部的半径大于第二弧形部的半径，第二弧形部的半径大于圆形贴片的半径；所述第一连接部、第二连接部的横截面呈矩形，第一连接部、第二连接部的延伸线均穿过第二弧形部的圆心；

所述SMA连接器沿轴中心线、由下至上依次穿过金属地板、第二介质板、第一介质板，连接至圆形贴片圆心位置；

所述M、N均为大于等于1的正整数。

进一步的实施例中，所述天线单元一体成型；所述AMC人工磁导体一体成型。

进一步的实施例中，所述第一介质板、第二介质板、金属地板的横截面呈圆形，三者圆心的连线三者圆心的连线呈一直线，且该直线与圆形贴片的轴中心线重叠。

进一步的实施例中，所述第一弧形部、第一连接部、第二弧形部、第二连接部的宽度相同。

进一步的实施例中，所述金属地板采用铝材料制成。

进一步的实施例中，所述第一介质板、第二介质板包括Taconic TLY-5介质板。

进一步的实施例中，所述AMC人工磁导体采用铜片制成。

进一步的实施例中，所述M个金属化过孔内一一对应地设置有M个同轴探针，同轴探针依次穿过第一介质板、第二介质板以连接圆形贴片和金属地板。

进一步的实施例中，所述SMA连接器通过螺钉固定在金属地板下表面上。

基于前述低剖面共形全向圆极化天线，本发明还提及一种低剖面共形全向圆极化天线的制作方法，所述制作方法包括：

将第一介质板、第二介质板平行设置在金属地板上，第一介质板重叠在第二介质板上表面；

采用硫水腐蚀工艺加工第一铜片以制作天线单元的圆形贴片和M个弧形分支；其中，圆形贴片的横截面呈圆形，圆形贴片的轴中心线分别与第一介质板、第二介质板、金属地板垂直；M个弧形分支水平设置在第一介质板上表面上，均匀分布在圆形贴片外侧，包括相互连接的圆弧部和矩形部，所述圆弧部的圆心与圆形贴片的圆心重叠，圆弧部的其中一个端部通过矩形部连接至圆形贴片侧边，矩形部的延伸线穿过圆形贴片圆心；

采用打通孔工艺在圆形贴片边缘区域均匀设置M个第一通孔，每个第一通孔均竖直穿过圆形贴片、第一介质板、第二介质板；

采用电镀工艺在M个第一通孔内侧制作导电镀层，以形成M个金属化过孔，连接圆形贴片和金属地板；

采用硫水腐蚀工艺加工第二铜片以制作AMC人工磁导体，所述AMC人工磁导体水平设置在第一介质板、第二介质板之间，包括N个位于同一水平面上的人工磁导体单元，N个人工磁导体单元等距环绕在圆形贴片轴中心线周围，每个人工磁导体单元均包括依次首尾连接呈扇环形的第一弧形部、第一连接部、第二弧形部、第二连接部；所述第一弧形部、第二弧形部的横截面呈圆弧状，两者的圆心重叠且位于圆形贴片的轴中心线上，第一弧形部的半径大于第二弧形部的半径，第二弧形部的半径大于圆形贴片的半径；所述第一连接部、第二连接部的横截面呈矩形，第一连接部、第二连接部的延伸线均穿过第二弧形部的圆心；

采用打通孔工艺开设第二通孔，所述第二通孔沿轴中心线、由下至上依次穿过金属地板、第二介质板、第一介质板，直至圆形贴片圆心位置，将SMA连接器插入通孔以连接金属地板和圆形贴片。

采用螺钉将SMA连接器紧固在金属地板下表面上；

所述M、N均为大于等于1的正整数。

以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于：

1)本发明采用零阶谐振天线结构和环状AMC人工磁导体结构，采用微带天线的形式，天线剖面很低，有利于天线的使用，使本发明所提及的全向圆极化天线在保持全向圆极化的辐射性能的基础上，能够与金属地板共形。

2)本发明通过轴对称结构使得天线的不圆度良好，在水平面内的平均增益大于0dBic。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1为本发明的低剖面共形全向圆极化天线的整体结构图。

图2为本发明的低剖面共形全向圆极化天线的侧视结构图。

图3为本发明低剖面共形全向圆极化天线反射系数和轴比的仿真结果图。

图4为本发明低剖面共形全向圆极化天线在水平面的平均增益的仿真结果图。

图5为本发明低剖面共形全向圆极化天线在中心频率处的仿真的辐射方向图。

其中，1-圆形贴片、2-AMC人工磁导体、31-第一介质板、32-第二介质板、4-金属地板、5-金属化过孔、6-SMA连接器。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

具体实施例一

结合图1，本发明提出一种低剖面共形全向圆极化天线，所述全向圆极化天线固定在金属地板4上，包括天线单元、AMC人工磁导体2、SMA连接器6、第一介质板31、第二介质板32。

所述第一介质板31、第二介质板32平行设置在金属地板4上，第一介质板31重叠在第二介质板32上表面上。优选的，所述第一介质板31、第二介质板32、金属地板4的横截面呈圆形，三者圆心的连线呈一直线，且该直线与金属地板4垂直。

M、N的取值不固定，根据实际需求确定。为了便于描述，以M等于4，N等于8为例。

所述天线单元包括圆形贴片1、四个均匀分布的金属化过孔5以及四个均匀分布的弧形分支，圆形贴片1和弧形分支放置在上层PCB板(第一介质板31)上。

所述弧形分支由呈矩形结构的矩形部和呈一段圆环结构的圆弧部组成，矩形部的一端和圆形贴片1的侧边相连，另一端与圆弧部的一端相连。

优选的，弧形分支与圆形贴片1相连的一端被定义成连接端部，每两个连接端部之间构成一弧形的连接间隙，4个金属化过孔5一一对应地设置在4个连接间隙的中心位置。

即，所述M个金属化过孔5的尺寸相同，所述M个弧形分支的尺寸相同，在本实施例中，当M＝4时，其中三个金属化过孔5和弧形分支的组合可以看做是另外一个金属化过孔5和弧形分支的组合依次旋转90°、180°和270°所得到的，金属化过孔5与弧形分支的夹角为45°，若M取其他值，可以根据取值计算旋转角度，将其中(M-1)个金属化过孔5和弧形分支的组合看作是另外一个金属化过孔5和弧形分支的组合依次旋转360/M度得到。

所述AMC人工磁导体2水平设置在第一介质板31、第二介质板32之间，包括N个位于同一水平面上的人工磁导体单元，N个人工磁导体单元等距环绕在圆形贴片1轴中心线周围，每个人工磁导体单元均包括依次首尾连接呈扇环形的第一弧形部、第一连接部、第二弧形部、第二连接部。

所述第一弧形部、第二弧形部的横截面呈圆弧状，两者的圆心重叠且位于圆形贴片1的轴中心线上，第一弧形部的半径大于第二弧形部的半径，第二弧形部的半径大于圆形贴片1的半径；所述第一连接部、第二连接部的横截面呈矩形，第一连接部、第二连接部的延伸线均穿过第二弧形部的圆心。

所述AMC人工磁导体2由8个人工磁导体单元组成，人工磁导体单元与人工磁导体单元之间有一定的间隔。所述人工磁导体单元整体呈扇环状结构，其内半径略大于天线单元的圆形贴片1的半径；其中，平行于圆形贴片1的半径方向为呈矩形结构的第一连接部和第二连接部，垂直于圆形贴片1的半径方向为呈环形结构的第一弧形部和第二弧形部，优选的，第一弧形部、第一连接部、第二弧形部、第二连接部的宽度保持一致。

所述的天线单元的圆形贴片1、弧形分支，以及AMC人工磁导体2均制作在PCB板上，均采用铜材料制成。

所述天线单元的金属化过孔5，采用先打通孔，然后进行电镀的方法制成，可以达到较高的制作精度。

结合图2，由于两个介质板是分别加工的，为了保证金属化过孔5连接性更好，可以采用金属探针连接两个PCB板。

由于天线单元的弧形分支成对称结构，每一个弧形分支负责90°范围内的水平极化，四个弧形分支组合起来形成全向的水平极化分量。

在一些例子中，通过调整圆形贴片1的半径、金属化过孔5的半径以及弧形分支的长度以调整全向圆极化天线的辐射参数。

由前述结构可知，天线单元的圆形贴片1和弧形分支相互连接，为了确保连接性和导电性、以及制作的便利性，优选的，所述天线单元一体成型。

所述天线单元的圆形贴片1和弧形分支放置在第一介质板31上，AMC人工磁导体2部分放置在第一介质板31和第二介质板32之间。

所述天线单元的金属化过孔5穿过两层介质板，从圆形贴片1连接到金属地板4。

所述介质板采用Taconic TLY-5介质板，金属地板4采用铝材料制作。

所述天线单元和AMC人工磁导体2分别采用硫水腐蚀工艺进行加工，加工精度较高。

具体实施例二

结合图1，本发明提供了一种低剖面共形全向圆极化天线，该天线为圆形结构，其整体尺寸为28.3mm×28.3mm×5.16mm。

所述天线设置在金属地板4上，从下往上依次为金属地板4、第二介质板32、AMC结构、第一介质板31、辐射贴片。辐射贴片包括圆形贴片1和弧形分支，以及连接弧形分支和圆形贴片1的矩形片；同轴探针和金属化过孔5穿过两层介质板连接金属地板4和圆形贴片1。

结合图2，由于两个介质板是分别加工的，为了保证金属化过孔5连接性更好，因此使用金属探针连接两个PCB板。

SMA连接器6内导体穿过金属地板4和两层介质板连接圆形贴片1，在金属地板4开孔，用螺钉固定SMA连接器6。

上述结构的天线和天线阵列可工作在与卫星通信的S波段，如附图3所示，天线单元在2.895GHz附近反射系数小于-10dB；天线单元在2.895GHz附近，phi＝0°，Theta＝70°-90°时水平面内轴比小于3dB。

如附图4所示，天线在水平面内的平均增益0dBic。

如附图5所示，在中心频率处的水平面方向图和垂直面方向图可以看出天线的不圆度良好，全向性能优异。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种低剖面共形全向圆极化天线，其特征在于，所述全向圆极化天线包括天线单元、AMC人工磁导体、SMA连接器、第一介质板、第二介质板、金属地板；

所述第一介质板、第二介质板平行设置在金属地板上，第一介质板重叠在第二介质板上表面上；

所述天线单元包括：

圆形贴片，水平设置在第一介质板上表面上，其横截面呈圆形，圆形贴片的轴中心线分别与第一介质板、第二介质板、金属地板垂直；

M个弧形分支，水平设置在第一介质板上表面上，均匀分布在圆形贴片外侧，包括相互连接的圆弧部和矩形部，其中，所述圆弧部的圆心与圆形贴片的圆心重叠，圆弧部的其中一个端部通过矩形部连接至圆形贴片侧边，矩形部的延伸线穿过圆形贴片圆心；

M个金属化过孔，均匀设置在圆形贴片边缘区域，竖直穿过圆形贴片、第一介质板、第二介质板；

所述AMC人工磁导体水平设置在第一介质板、第二介质板之间，包括N个位于同一水平面上的人工磁导体单元，N个人工磁导体单元等距环绕在圆形贴片轴中心线周围，每个人工磁导体单元均包括依次首尾连接呈扇环形的第一弧形部、第一连接部、第二弧形部、第二连接部；

所述第一弧形部、第二弧形部的横截面呈圆弧状，两者的圆心重叠且位于圆形贴片的轴中心线上，第一弧形部的半径大于第二弧形部的半径，第二弧形部的半径大于圆形贴片的半径；所述第一连接部、第二连接部的横截面呈矩形，第一连接部、第二连接部的延伸线均穿过第二弧形部的圆心；

所述SMA连接器沿轴中心线、由下至上依次穿过金属地板、第二介质板、第一介质板，连接至圆形贴片圆心位置；

所述M、N均为大于等于1的正整数。

2.根据权利要求1所述的低剖面共形全向圆极化天线，其特征在于，所述天线单元一体成型；所述AMC人工磁导体的人工磁导体单元一体成型。

3.根据权利要求1所述的低剖面共形全向圆极化天线，其特征在于，所述第一介质板、第二介质板、金属地板的横截面呈圆形，三者圆心的连线三者圆心的连线呈一直线，且该直线与圆形贴片的轴中心线重叠。

4.根据权利要求1所述的低剖面共形全向圆极化天线，其特征在于，所述第一弧形部、第一连接部、第二弧形部、第二连接部的宽度相同。

5.根据权利要求1所述的低剖面共形全向圆极化天线，其特征在于，所述金属地板采用铝材料制成。

6.根据权利要求1所述的低剖面共形全向圆极化天线，其特征在于，所述第一介质板、第二介质板包括Taconic TLY-5介质板。

7.根据权利要求1所述的低剖面共形全向圆极化天线，其特征在于，所述AMC人工磁导体采用铜片制成。

8.根据权利要求1所述的低剖面共形全向圆极化天线，其特征在于，所述M个金属化过孔内一一对应地设置有M个同轴探针，同轴探针依次穿过第一介质板、第二介质板以连接圆形贴片和金属地板。

9.根据权利要求1所述的低剖面共形全向圆极化天线，其特征在于，所述SMA连接器通过螺钉固定在金属地板下表面上。

10.一种低剖面共形全向圆极化天线的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：

将第一介质板、第二介质板平行设置在金属地板上，第一介质板重叠在第二介质板上表面；

采用硫水腐蚀工艺加工第一铜片以制作天线单元的圆形贴片和M个弧形分支；其中，圆形贴片的横截面呈圆形，圆形贴片的轴中心线分别与第一介质板、第二介质板、金属地板垂直；M个弧形分支水平设置在第一介质板上表面上，均匀分布在圆形贴片外侧，包括相互连接的圆弧部和矩形部，所述圆弧部的圆心与圆形贴片的圆心重叠，圆弧部的其中一个端部通过矩形部连接至圆形贴片侧边，矩形部的延伸线穿过圆形贴片圆心；

采用打通孔工艺在圆形贴片边缘区域均匀设置M个第一通孔，每个第一通孔均竖直穿过圆形贴片、第一介质板、第二介质板；

采用电镀工艺在M个第一通孔内侧制作导电镀层，以形成M个金属化过孔，连接圆形贴片和金属地板；

采用硫水腐蚀工艺加工第二铜片以制作AMC人工磁导体，所述AMC人工磁导体水平设置在第一介质板、第二介质板之间，包括N个位于同一水平面上的人工磁导体单元，N个人工磁导体单元等距环绕在圆形贴片轴中心线周围，每个人工磁导体单元均包括依次首尾连接呈扇环形的第一弧形部、第一连接部、第二弧形部、第二连接部；所述第一弧形部、第二弧形部的横截面呈圆弧状，两者的圆心重叠且位于圆形贴片的轴中心线上，第一弧形部的半径大于第二弧形部的半径，第二弧形部的半径大于圆形贴片的半径；所述第一连接部、第二连接部的横截面呈矩形，第一连接部、第二连接部的延伸线均穿过第二弧形部的圆心；

采用打通孔工艺开设第二通孔，所述第二通孔沿轴中心线、由下至上依次穿过金属地板、第二介质板、第一介质板，直至圆形贴片圆心位置，将SMA连接器插入通孔以连接金属地板和圆形贴片；

采用螺钉将SMA连接器紧固在金属地板下表面上；

所述M、N均为大于等于1的正整数。

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