CN114122705B - 一种超宽带圆极化叠层贴片阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明属于天线技术领域，具体为一种超宽带圆极化叠层贴片阵列。本发明天线阵列包含4个具有相同结构的天线子单元，4个天线子单元两两排列，等间距分布，组成2×2天线阵列；4个天线子单元以各自的中心依次旋转90度；每个天线子单元包括五个部分：上层金属薄片、下层金属薄片、上层泡沫层、下层泡沫层和金属背板，两层金属薄片上开有一个非对称的U形槽；同轴馈电探针依次穿过地板内的圆孔、泡沫层、下层金属薄片的圆孔，最后与上层金属薄片直接连接以激励天线。非对称的U形槽和层叠贴片的引入，极大地丰富了天线的谐振模式。通过设计和构造5个彼此正交的模式，以实现超宽带的圆极化，大大拓展层叠贴片天线阵列的圆极化带宽。

Description

一种超宽带圆极化叠层贴片阵列
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种超宽带圆极化叠层贴片阵列。
背景技术
由于圆极化天线能够减少多径干扰，消除电离层法拉第旋转效应，并允许发射天线和接收天线之间的位置灵活摆放，因而广泛用于卫星通信和射频识别技术（RFID）等领域。常见的圆极化天线有贴片天线、螺旋和振子天线，相比于螺旋和振子天线，贴片天线具有低剖面、易于制造、加工精度高、易与载体共形等优点，从而被广泛应用。但是，贴片天线缺点是工作频带窄，限制了其应用范围。
为了适应现代通信系统对圆极化天线小型化和宽带化的要求，现有贴片天线多采用高介电常数并且厚度较厚的介质基板来展宽带宽。但是，厚的介质基板造成了天线剖面较高、重量过重，制造成本增加。此外，高介电常数的介质基板会激起介质表面波，降低天线的辐射效率。除带宽外，圆极化贴片天线的整体性能一般不高。因此，高性能超宽带单馈圆极化贴片天线的研究具有重要的学术意义和工程应用价值。
发明内容
为了解决现有技术的不足或者部分地解决现有技术的不足，本发明提供一种超宽带圆极化叠层贴片阵列，在多层贴片和U形槽的调控下，利用天线的多个正交模式，有效地拓展了贴片天线的圆极化带宽。
本发明提供的超宽带圆极化层叠贴片阵列，包含4个具有相同结构的天线子单元；4个天线子单元两两排列，等间距分布，组成2×2天线阵列；4个天线子单元以各自的中心，依次旋转90度；参见图1所示；其中，每个天线子单元由五部分部件组成；
第一部分为上层金属薄片，是天线的主体辐射部分之一，采用厚度为0.1-0.2毫米（优选0.15毫米）的金属薄片；在薄片内部开有一个非对称的U形槽；
第二部分为下层金属薄片，是天线的主体辐射部分之一，采用厚度为0.1-0.2毫米（优选0.15毫米）的金属薄片；在薄片内部开有一个非对称的U形槽和圆孔，该圆孔用于穿过馈电探针，故该圆孔直径略大于馈电探针直径，使得馈电探针穿过下层金属薄片而不与之接触；
第三部分为上层泡沫层，处于上层和下层金属薄片之间，是上层金属薄片的载体，用于支撑上层金属薄片；该介质层厚度为2-7毫米的长方体；在馈电位置处开一个直径为0.6-1.3毫米的圆柱孔；
第四部分为下层泡沫层，处于下层金属薄片和金属地板之间，是下层金属薄片的载体，用于支撑下层金属薄片；该介质层厚度为2-8毫米的长方体；在馈电位置处开一个直径为0.6-1.3毫米的圆柱孔；
第五部分为下层金属地板，在地板的馈电位置处开有一个直径为3-5毫米的圆柱孔，用于插入馈电探针，地板起反射电磁波的作用；
同轴馈电探针依次穿过地板内的圆孔、泡沫层、下层金属薄片的圆孔，最后与上层金属薄片直接连接，激励天线。
本发明中，所述非对称的U形槽的线宽为1-2毫米，U形槽的两支臂的长度和间距均小金属薄片，具体尺寸根据实际天线所需要的阻抗和轴比带宽确定。
本发明中，天线子单元中，上、下层金属薄片，以及两层介质层和地板的形状为正方形、圆形或长方形，具体形状根据实际天线使用环境约束来选择；优选为正方形。
本发明中，上、下层金属薄片内部的非对称的U形槽，也可以是方形或弧形，具体形状根据实际天线使用环境约束来选择。
本发明中，上、下两层金属薄片上的非对称的U形槽的位置上下对应，形状与方向一致。
本发明中，天线子单元中，上、下层金属薄片的边长或直径为20-32毫米。
本发明中，2×2天线阵列中，相邻两天线子单元的中心间距为36-42毫米。
本发明中，非对称的U形槽和层叠贴片的引入，极大地丰富了天线的谐振模式。通过设计和构造5个彼此正交的模式，以实现超宽带的圆极化，大大拓展层叠贴片天线阵列的圆极化带宽。
附图说明
图1为超宽带圆极化叠层贴片阵列的结构示意图。
图2为超宽带圆极化叠层贴片阵列的有源驻波仿真图。
图3为超宽带圆极化叠层贴片阵列的轴比仿真图。
图4为超宽带圆极化叠层贴片阵列在5 GHz处的xoy平面方向图。
图5为超宽带圆极化叠层贴片阵列在5 GHz处的yoz平面方向图。
图中标号：1为上层金属薄片，2为泡沫板上开的细圆柱孔，3为下层金属薄片开的圆形孔，4为下层金属薄片，5为地板上开的粗圆柱孔，6为上层泡沫板，7为下层泡沫板，8为金属地板。
具体实施方式
天线采用“金属-泡沫-金属-泡沫-金属”五层的结构，先准备两块0.15毫米厚的金属薄片1和4，在两块薄片上都开非对称的U形缝隙，槽的线宽宜在1-2毫米宽，两支臂的长度和间距均小于正方形贴片的边长，具体尺寸则根据实际天线所需要的阻抗和轴比带宽确定，金属薄片4还需额外开直径2mm的圆孔3。并在泡沫板6和7的馈电位置处钻一个直径为0.8毫米的细圆柱孔。接着在泡沫板7下方附上金属地板8，同样在金属地板8的相同馈电位置处在上钻一个直径为4.0毫米的粗圆柱孔，即装配完成天线子单元。再重复上面步骤再做三个天线子单元，四个天线子单元依次旋转90度组合而成天线阵列。使用时，只需将同轴探针插入即可使用。
如图1所示为超宽带圆极化叠层贴片阵列的结构示意图，按按照上面的说明装配即可组装好天线。
如图2所示为超宽带圆极化叠层贴片阵列的有源驻波仿真图。
如图3所示为超宽带圆极化叠层贴片阵列的轴比仿真图。
如图4所示为超宽带圆极化叠层贴片阵列在5 GHz处的xoy平面方向图。
如图5所示为超宽带圆极化叠层贴片阵列在5 GHz处的yoz平面方向图。

Claims (7)

1.一种超宽带圆极化层叠贴片阵列，其特征在于，包含4个具有相同结构的天线子单元；4个天线子单元两两排列，等间距分布，组成2×2天线阵列；4个天线子单元以各自的中心，依次旋转90度；其中，每个天线子单元由五部分部件组成；
（一）上层金属薄片，是天线的主体辐射部分之一，采用厚度为0.1-0.2毫米的金属薄片；在薄片内部开有一个非对称的U形槽；
（二）下层金属薄片，是天线的主体辐射部分之一，采用厚度为0.1-0.2毫米的金属薄片；在薄片内部开有一个非对称的U形槽和圆孔，该圆孔用于穿过馈电探针，故该圆孔直径略大于馈电探针直径，使得馈电探针穿过下层金属薄片而不与之接触；
（三）上层泡沫层，处于上层金属薄片和下层金属薄片之间，是上层金属薄片的载体，用于支撑上层金属薄片；该上层泡沫层厚度为2-7毫米的长方体；在馈电位置处开一个直径为0.6-1.3毫米的圆柱孔；
（四）下层泡沫层，处于下层金属薄片和金属地板之间，是下层金属薄片的载体，用于支撑下层金属薄片；该下层泡沫层厚度为2-8毫米的长方体；在馈电位置处开一个直径为0.6-1.3毫米的圆柱孔；
（五）下层金属地板，在地板的馈电位置处开有一个直径为3-5毫米的圆柱孔，用于插入馈电探针，地板起反射电磁波的作用；
同轴馈电探针依次穿过地板内的圆孔、下泡沫层、下层金属薄片的圆孔、上泡沫层，最后与上层金属薄片直接连接，激励天线。
2.根据权利要求1所述的超宽带圆极化层叠贴片阵列，其特征在于，所述非对称的U形槽的线宽为1-2毫米。
3.根据权利要求1所述的超宽带圆极化层叠贴片阵列，其特征在于，所述天线子单元中，上、下层金属薄片，以及上、下层泡沫层和地板的形状为正方形、圆形或长方形。
4.根据权利要求3所述的超宽带圆极化层叠贴片阵列，其特征在于，上、下层金属薄片内部的非对称的U形槽的形状是方形或弧形。
5.根据权利要求1所述的超宽带圆极化层叠贴片阵列，其特征在于，所述上层金属薄片和所述下层金属薄片的非对称的U形槽的位置上下对应，形状与方向一致。
6.根据权利要求1所述的超宽带圆极化层叠贴片阵列，其特征在于，所述天线子单元中，上、下层金属薄片的边长或直径为20-32毫米。
7.根据权利要求1所述的超宽带圆极化层叠贴片阵列，其特征在于，2×2天线阵列中，相邻两天线子单元的中心间距为36-42毫米。
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