CN115133281B - 耦合馈电缝隙与枝节加载的小型化圆极化天线及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耦合馈电缝隙与枝节加载的小型化圆极化天线及设计方法。本发明的耦合馈电缝隙与枝节加载的小型化圆极化天线中，馈电针与上层介质基板连接，馈电针与下层介质基板连接，馈电针底端与接地贴片电气绝缘；上层辐射贴片设于上层介质基板的顶面；下层辐射贴片设于下层介质基板的顶面；接地贴片设于下层介质基板的底面；上层辐射贴片和/或下层辐射贴片上设有电容贴片；馈电针与电容贴片电性连接；金属枝节设于上层介质基板、下层介质基板；金属枝节与接地贴片电性连接和/或金属枝节与下层辐射贴片电性连接。本发明具有小型化、增益带宽大、双频辐射、水平全向性能好、相位中心误差小、成本低的效果。

Description

耦合馈电缝隙与枝节加载的小型化圆极化天线及设计方法

技术领域

本发明属于天线的技术领域，具体涉及一种耦合馈电缝隙与枝节加载的小型化圆极化天线及设计方法。

背景技术

目前，公知的全球卫星导航系统的双频贴片天线一般采用层叠式设计，在给天线馈电时，为了获得良好的圆极化性能，对两层贴片分别采用四根馈电针馈电，这样整个天线就需要八根馈电针，这样增加了既天线的复杂度，八根馈电针又提高了馈电电路的设计难度与加工成本。

另一方面，现有的全球卫星导航系统的双频贴片天线也存在采用单馈电针实现圆极化的馈电形式来减少馈电针数目的结构，但这样往往难以获得良好的圆极化性能，而且调试起来难度较高。同时，现有的全球卫星导航系统的双频贴片天线，往往仅在个别频点的增益较高，带宽较窄，难以覆盖全球现有四大卫星导航系统所需要的全频段。

发明内容

为了克服现有技术存在的一个或者多个缺陷与不足，本发明的第一目的在于提供一种耦合馈电缝隙与枝节加载的小型化圆极化天线，本发明的第二目的在于提供一种耦合馈电缝隙与枝节加载的小型化圆极化天线设计方法，具有频带宽、增益高、馈电点少的优点，能简化天线结构、馈电电路的复杂性和降低成本。

为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种耦合馈电缝隙与枝节加载的小型化圆极化天线，包括上层介质基板、上层辐射贴片、下层介质基板、下层辐射贴片、馈电针、金属枝节、接地贴片；

馈电针的数量为偶数根，每根馈电针均围绕一个中轴线在竖直方向上对称排列；馈电针的上半部分与上层介质基板连接，馈电针的下半部分与下层介质基板连接，馈电针底端与接地贴片电气绝缘；

上层介质基板的底面与下层介质基板的顶面连接；上层辐射贴片设于上层介质基板的顶面；下层辐射贴片设于下层介质基板的顶面；接地贴片设于下层介质基板的底面；

上层辐射贴片和/或下层辐射贴片上设有电容贴片，电容贴片与上层辐射贴片和/或下层辐射贴片之间设有环绕电容贴片的缝隙；馈电针的顶端与电容贴片电性连接和/或馈电针的中间位置与电容贴片电性连接；

金属枝节设有多个，分别设于上层介质基板、下层介质基板；设于下层介质基板的金属枝节，上半部分设于下层介质基板侧面，下半部分与接地贴片电性连接；设于上层介质基板的金属枝节，上半部分设于上层介质基板侧面，下半部分设于上层介质基板底面且与下层辐射贴片电性连接；

上层辐射贴片、下层辐射贴片、接地贴片、电容贴片均为金属材料。

优选地，上层介质基板的宽度小于或等于下层辐射贴片的宽度。

优选地，上层介质基板、下层介质基板均分别为以馈电针所围绕的中轴线立体对称的形状；

金属枝节在上层介质基板和/或下层介质基板绕中轴线对称排列。

优选地，金属枝节为金属铜材料，通过电镀依附于上层介质基板和下层介质基板。

优选地，耦合馈电缝隙与枝节加载的小型化圆极化天线还设有金属针；

金属针设于馈电针所围绕的中轴线上；金属针上半部分与上层介质基板连接，金属针下半部分与下层介质基板连接；

金属针分别与上层辐射贴片、下层辐射贴片、接地贴片电性连接。

优选地，馈电针设有四根；四根馈电针分别用于传输四路功率相等、相位依次相差为90°的馈电信号；

或者馈电针设有两根；两根馈电针分别用于传输两路功率相等、相位差为90°的馈电信号。

进一步地，还设有馈电电路；

馈电电路与馈电针电性连接，用于输出馈电信号；

馈电电路印刷于馈电板上；

馈电板与下层介质基板底面连接。

更进一步地，馈电电路用于将输入信号进行功率一分四，并形成四路功率相等、相位依次相差为90°的馈电信号，然后电性连接到四根馈电针上；

或者馈电电路用于将输入信号进行功率一分二，并形成两路功率相等、相位差为90°的馈电信号，然后电性连接到两根馈电针上。

一种耦合馈电缝隙与枝节加载的小型化圆极化天线设计方法，包括步骤如下：

选取下层介质基板和上层基板，并分别在下层介质基板和上层基板设置安装馈电针、金属针的通孔；

在下层介质基板设置金属铜材料形成贴片和金属枝节；若下层辐射贴片上需设置电容贴片，则在馈电针中央位置与下层介质基板的顶面连接处外围设置电容贴片与馈电针连接，在下层介质基板的顶面设置下层辐射贴片，并使下层辐射贴片与电容贴片之间留有缝隙；若下层辐射贴片上无需设置电容贴片，则在下层介质基板的顶面设置下层辐射贴片，并在馈电针与下层辐射贴片之间留有缝隙；在下层介质基板的底面设置接地贴片、侧面设置下层的金属枝节，并设置接地贴片与下层的金属枝节连接、接地贴片与馈电针电气绝缘；

在上层介质基板设置金属铜材料形成贴片和金属枝节；若上层辐射贴片上需设置电容贴片，则在馈电针顶端与上层介质基板的顶面连接处外围设置电容贴片与馈电针连接，在上层介质基板的顶面设置上层辐射贴片，并使上层辐射贴片与电容贴片之间留有缝隙；若上层辐射贴片上无需设置电容贴片，则在上层介质基板的顶面设置上层辐射贴片，并在上层辐射贴片与馈电针之间留有缝隙；在上层介质基板的侧面设置上层的金属枝节的上半部分，在上层介质基板的底面设置金属枝节的下半部分；

在下层介质基板上插入金属针的下半部分使下层介质基板与金属针连接；再插入馈电针的下半部分，使下层介质基板与馈电针连接；将上层介质基板插入馈电针和金属针的上半部分，使上层介质基板的底面与下层介质基板的顶面连接，并使上层金属枝节的下半部分与下层辐射贴片紧贴进行电性连接；金属针的顶端与上层辐射贴片点心连接、中间位置与下层辐射贴片电性连接、底端与接地贴片电性连接。

优选地，耦合馈电缝隙与枝节加载的小型化圆极化天线设计方法还包括设置馈电板的步骤，过程如下：

将馈电板的底面印刷上馈电电路；将馈电电路设为将输入信号进行功率一分四，并形成四路功率相等、相位依次相差为90°的馈电信号；或者将馈电电路设为将输入信号进行功率一分二，并形成两路功率相等、相位差为90°的馈电信号；

将馈电板中部打上用于插入馈电针的通孔，并将馈电板底面的通孔处设为与馈电针电性连接的接入位置敷设金属铜材料；

将馈电板通过通孔插入馈电针的底端，使馈电板的顶面与下层介质基板的底面连接，接着将馈电针底端与馈电板底面的通孔处进行电焊将馈电针与馈电电路进行连接，使馈电电路能够向馈电针输出馈电信号。

本发明技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明的天线可以工作在双频模式，采用耦合馈电的方式结合金属枝节拓展了工作带宽；辐射贴片中使用缝隙加载再结合金属枝节延长了电流路径，实现结构简单、成本低的优点，从而将天线小型化；相比传统的双层四馈电针贴片天线，本发明的天线仅需要传统天线一半数量的馈电针（两根或四根），同时馈电电路仅需要实现功率一分二或一分四的功能，简化了天线和馈电电路结构，使本发明的方法能进一步降低加工成本和工艺复杂程度；馈电针结合金属针实现了相位中心稳定，水平全向性能的一致性良好、相位中心稳定。

附图说明

图1为本发明其中一种耦合馈电缝隙与枝节加载的小型化圆极化天线的立体结构示意图；

图2为图1的横轴方向进行纵切后的结构示意图；

图3为图1中第一下层介质基板的立体结构示意图；

图4为图1中第一上层介质基板的底面仰视图；

图5为图3第一下层介质基板的底面仰视图；

图6为图1其中一种馈电电路的电路结构原理图；

图7为图1另一种馈电电路的电路结构原理图；

图8为图1的天顶角增益随频率变化的曲线示意图；

图9为图1的二维方向曲线示意图；

图10为图1的轴比随角度变化的曲线示意图；

图11为本发明第二种耦合馈电缝隙与枝节加载的小型化圆极化天线的立体结构示意图；

图12为图11的横轴方向进行纵切后的结构示意图；

图13为图11中第二下层介质基板的立体结构示意图；

图14为图11中第二下层介质基板的底面仰视图；

图15为本发明第三种耦合馈电缝隙与枝节加载的小型化圆极化天线的立体结构示意图；

图16为图15中第三下层介质基板的立体结构示意图；

图17为图16的底面仰视图；

图18为本发明耦合馈电缝隙与枝节加载的小型化圆极化天线设计方法的简要流程示意图；

图中：1-第一上层介质基板，2-第一上层辐射贴片，3-第一馈电针，4-第一上层电容贴片，5-第一上层缝隙，6-第一金属针，7-第一上层金属枝节，8-第一下层介质基板，9-第一下层辐射贴片，10-第一下层金属枝节，11-馈电板，12-第一下层缝隙，13-第一接地贴片，14-第一接地贴片绝缘环，15-第二上层介质基板，16-第二上层辐射贴片，17-第二馈电针，18-第二上层电容贴片，19-第二上层缝隙，20-第二上层金属枝节，21-第二金属针，22-第二下层介质基板，23-第二下层辐射贴片，24-第二下层金属枝节，25-第二下层缝隙，26-第二接地贴片，27-第二接地贴片绝缘环；28-第三上层介质基板，29-第三上层辐射贴片，30-第三馈电针，31-第三上层电容贴片，32-第三上层缝隙，33-第三金属针，34-第三上层金属枝节，35-第三下层介质基板，36-第三下层辐射贴片，37-第三下层金属枝节，38-下层电容贴片，39-第三下层缝隙，40-第三接地贴片，41-第三接地贴片绝缘环。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及其优点更加清楚明白，以下结合附图及其实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1至图8所示，本实施例的一种耦合馈电缝隙与枝节加载的小型化圆极化天线，包括第一上层介质基板1、第一馈电针3、第一下层介质基板8、第一金属针6、馈电板11。第一上层介质基板1上设有第一上层辐射贴片2、第一上层金属枝节7。第一上层辐射贴片2设有第一上层电容贴片4、第一上层缝隙5。第一下层介质基板8上设有第一下层辐射贴片9、第一下层金属枝节10、第一接地贴片13。第一下层辐射贴片9上设有第一下层缝隙12，第一接地贴片13上设有第一接地贴片绝缘环14。馈电板11为PCB板，基础材料优选采用FR4，馈电板11的底面上印刷有馈电电路，馈电板11的顶面与第一下层介质基板8的底面连接紧贴在一起，馈电电路与第一馈电针3电性连接。

第一上层介质基板1、第一下层介质基板8均分别为不同尺寸大小的短圆柱，两个短圆柱的中轴线均以第一金属针6为基准。第一上层辐射贴片2、第一下层辐射贴片9、第一接地贴片13均分别为通过金属铜材料电镀依附在介质基板上形成的圆形且厚度很薄的金属贴片，第一上层金属枝节7、第一下层金属枝节10均分别为通过金属铜材料电镀依附在介质基板上形成的厚度很薄的金属贴片。第一上层介质基板1与第一下层介质基板8相互连接。本实施例优选第一上层介质基板1、第一下层介质基板8采用不同介质材料，且第一上层介质基板1、第一下层介质基板8的介电常数不相同。

以第一金属针6作为本实例的中轴线所在位置，第一馈电针3设有四根，四根第一馈电针在竖直方向上的立体空间绕第一金属针6等间隔对称排列，每两根相邻的第一馈电针与第一金属针6的连线呈90°夹角。本实施例其中的一个优选中，在四根第一馈电针中，将其中两根与第一金属针6的连线呈90°夹角的第一馈电针用于接收馈电信号，且两根第一馈电针所接收到的馈电信号相位差为90°。本实例的另一个优选中，将四根第一馈电针全部用于接收馈电信号，且相邻的两根第一馈电针所接收到的馈电信号相位依次相差90°。第一馈电针3的上半部分插入连接第一上层介质基板1，下半部分插入连接第一下层介质基板8。

第一金属针6的上半部分插入连接第一上层介质基板1内的中央位置，下半部分插入连接第一下层介质基板8内的中央位置。由于中点位置的电场强度微弱到可以忽略，所以第一金属针6的引入不仅不会导致性能恶化，还反而固定了第一上层介质基板1与第一下层介质基板8，稳定了四根第一馈电针所接收到所要发射的信号的相位中心。第一上层介质基板1的底面，通过第一金属针6与第一下层介质基板8上的第一下层辐射贴片9相互紧贴连接，且第一上层介质基板1的底面半径小于第一下层辐射贴片9的半径。第一金属针6的下半部分穿过第一下层介质基板8的底面与第一接地贴片13电性连接。

设于第一上层介质基板1顶面的第一上层辐射贴片2，第一上层辐射贴片2型转为主体圆形且对应四根第一馈电针的位置均向外凸出一块区域，其主体的圆心位置与第一金属针6的顶端电性连接，第一上层辐射贴片2用于辐射信号。第一上层辐射贴片2的最大直径小于第一上层介质基板1顶面直径。第一馈电针3的顶端与第一上层电容贴片4电性连接，第一上层电容贴片4与第一上层辐射贴片2的主体之间设有第一上层缝隙5。第一上层电容贴片4同样为电镀的金属铜材料，第一上层缝隙5为没有覆盖金属铜材料环绕第一上层电容贴片4的区域。第一上层电容贴片、第一上层缝隙的数量与第一馈电针的数量保持一致，且结构上也保持对称。第一上层电容贴片4的形状为圆形，第一上层缝隙5为圆环形。第一馈电针3通过电性连接第一上层电容贴片4，进而利用第一上层缝隙5与第一上层辐射贴片2的主体之间形成电容耦合结构，使第一上层电容贴片4起到等效电容加载的作用，实现对第一上层辐射贴片2的馈电，使得电容加载小型化，简化了天线的结构。第一上层介质基板1的底面与第一下层辐射贴片9相互紧贴连接，第一下层辐射贴片9的半径大于第一上层介质基板1的底面半径。

第一上层金属枝节7的上半部分设于第一上层介质基板1侧面，第一上层金属枝节7的下半部分设于第一上层介质基板1底面。在第一上层介质基板1底面紧贴第一下层介质基板8顶面后，第一上层金属枝节7的下半部分金属铜材料与第一下层辐射贴片9也紧贴在一起，从而使第一上层金属枝节7与第一下层辐射贴片9相互进行电性连接。多个第一上层金属枝节在第一上层介质基板1的侧面上等间隔排列，第一上层金属枝节7的具体形状为一个横置的“L”型，本实施例优选在此处设有八个第一上层金属枝节。将第一上层辐射贴片2设计为尺寸较小的形式，用来实现高频段信号的辐射，设置第一上层金属枝节7方便调节频偏，同时结合第一上层缝隙5，用来调节阻抗匹配，拓展天线工作带宽，另一方面等效拓展了电流路径，从而进一步实现天线的小型化。

设于第一下层介质基板8顶面的第一下层辐射贴片9，其圆心位置在第一金属针6的中间位置上，第一下层辐射贴片9用于辐射信号。第一下层辐射贴片9半径小于第一下层介质基板8顶面半径。第一下层辐射贴片9与第一金属针6的中间位置电性连接。第一下层辐射贴片9在邻近每根第一馈电针的位置上均设有同为矩形的第一下层缝隙12，四个第一下层缝隙之间结构中心对称，第一下层缝隙12为没有覆盖金属铜的区域。第一下层辐射贴片9设计为尺寸相对较大的形式，用于辐射低频段信号。第一馈电针3通过接合第一下层缝隙12与第一下层辐射贴片9的主体之间形成耦合结构，实现对第一下层辐射贴片9的耦合馈电。第一馈电针3的下半部分穿过第一下层介质基板8后，再与馈电板11连接。在其他实施方式中，第一馈电针3与第一下层辐射贴片9之间还可以采用与前述第一上层电容贴片4、第一上层缝隙5相同的电容耦合结构。

第一下层介质基板8的底面设有第一接地贴片13，第一接地贴片13用作整个天线的地平面。第一接地贴片13为圆形，在四根第一电馈针的区域周围内没有覆盖金属铜材料，以此形成第一接地贴片绝缘环14，实现第一接地贴片13与四根第一电馈针之间相互电气绝缘。

第一下层金属枝节10与第一接地贴片13电性连接。多个第一下层金属枝节通过电镀依附于第一下层介质基板8的侧面，且在电镀依附后第一下层金属枝节10的底端金属铜材料与第一接地贴片13连接在一起。第一下层金属枝节10的形状同样为横置的“L”型，且多个第一下层金属枝节在第一下层介质基板8的侧面上等间隔排列，本实施例优选在此处设有八个第一下层金属枝节。

馈电板11的底面用于印刷馈电电路。在另外的实施方式中，还可以选择通过在馈电板11和第一下层介质基板8的边缘处设置螺纹通孔，采用尼龙螺丝连接馈电板11和第一下层介质基板8。第一馈电针3的底端连接到馈电板11的底面，与馈电电路电性连接，连接处优选采用SMA接头焊接，第一馈电针3与第一上层电容贴片4采用直插焊接。

本实施例中，馈电电路的结构，本实施例第一个优选方式，采用两根第一馈电针分别传输两路功率相等，相位差为90°的馈电信号，因此馈电电路需要实现功率一分二且相移功能，馈电电路采取了3dB电桥实现；本实施例第二个优选方式，在第一个优选方式的基础上，进一步采用四根第一馈电针分别传输四路功率相等、相位依次相差90°的馈电信号，因此馈电电路需要实现功率一分四且相移功能，馈电电路采取了3dB电桥与微带线搭建宽带相移器相结合的方式。本是实施例使用的3dB电桥的型号均为Hybrid90。

如图6所示的第一个馈电电路实现方式，将所要发射的信号连接到HYB1的IN脚，HYB1的ISO脚通过电阻R1接地平面。输入信号在经过HYB1处理后，实现功率一分二，且分别在HYB1的0°脚和-90°脚实现与输入信号相位差为90°的两路信号，然后将两路输出信号各自分别连接到选定的两根与第一金属针6的连线呈90°夹角的第一馈电针。最后在两个辐射贴片上发射圆极化波。

如图7所示的第二个馈电电路实现方式，整个天线将所要发射的信号连接到HYB1的IN脚，HYB1的ISO脚通过电阻R1接地平面。输入信号在经过HYB1处理后，实现功率一分二，且分别在HYB1的0°脚和-90°脚实现与输入信号相位差为90°的两路信号。HYB1的0°脚分别连接MLIN1、MLIN3、MLIN5的一端。MLIN3的另一端接地平面。MLIN5的另一端分别接MLIN2、MLIN4，MLIN4的另一端接地平面。HYB1的90°脚连接MLIN6的一端。MLIN1-MLIN6组成了90°移相的电路结构，使上下两路信号形成了180°相位差。MLIN6的另一端连接HYB3的IN脚，HYB3的ISO脚通过电阻R3接地平面。下面一路的信号在经过HYB3后继续功率一分二，且分别在HYB3的0°脚和-90°脚分别与输入信号形成-180°和-270°相位差的两路输出信号，两路输出信号各自分别连接到相邻的两根第一馈电针。MLIN5的另一端还与HYB2的IN脚连接。HYB2的ISO脚通过电阻R2接地平面。上面一路的信号在经过HYB2后继续功率一分二，且分别在HYB2的0°脚和-90°脚分别与输入信号形成0°和-90°相位差的两路输出信号，两路输出信号各自分别连接到另外两根相邻的第一馈电针。最后在两个辐射贴片上发射圆极化波。

如图8所示，整个天线的天顶角增益，涵盖了L2、L1频段的多个频点，且增益均大于4dB，由此可见本实施例具有良好的增益性能。如图9所示，本实施例在L1与L2两个频段内，方向图在地平面以上规则对称，且后瓣的极化增益小于-20dB，说明本实施例能够很好地接收地平面以上各个方向的信号，同时抑制后向辐射功率。如图10所示，本实施例在L1与L2两个频段内，角度在±60°之间的轴比均小于3dB，说明本实施例在相当宽的波束范围内圆极化性能良好。

在本实施例中，金属枝节、第一馈电针、电容贴片、第一接地贴片、第一金属针之间相互对称的结构，确保了辐射信号的相位中心稳定性，还使得水平面内的各个角度辐射性能接近，与不同的辐射贴片结合形成了双频段宽带高增益的结构。

本实施例的耦合馈电缝隙与枝节加载的小型化圆极化天线与现有技术相比，其有益效果在于：

采用双频段共用两点或四点馈电的方式可以大大简化馈电电路和天线的设计难度，同时极大降低了制造成本；保持天线整体结构的对称性，可以在一定程度上解决不圆度和相位中心性能差的问题，同时还能提高结构的稳固性，优化圆极化性能，保持水平全向性能的一致性；另外，缝隙、金属枝节结合两个辐射贴片耦合馈电的方式，实现双频辐射的同时保持了高增益，拓展了工作带宽；辐射贴片中使用缝隙加载再结合金属枝节延长了电流路径，实现结构简单、成本低的优点，便于天线小型化；相比传统的双层四馈电针贴片天线，本实施例仅需要传统天线一半数量的馈电针，简化了天线和馈电电路结构，进一步降低加工成本。

实施例2

如图11至图14所示，本实施例的一种耦合馈电缝隙与枝节加载的小型化圆极化天线，包括第二上层介质基板15、第二馈电针17、第二金属针21、第二下层介质基板22。第二上层介质基板15上设有第二上层辐射贴片16、第二上层金属枝节20。第二上层辐射贴片16设有第二上层电容贴片18、第二上层缝隙19。第二下层介质基板22上设有第二下层辐射贴片23、第二下层金属枝节24、第二接地贴片26。第二下层辐射贴片23上设有第二下层缝隙25。第二接地贴片26上设有第二接地贴片绝缘环27。第二上层辐射贴片16、第二上层金属枝节20、第二上层电容贴片18、第二下层辐射贴片23、第二下层金属枝节24、第二接地贴片26均为金属铜材料，且均为通过电镀的方式依附到介质基板上的超薄型贴片。

将第二金属针21作为整个天线的中轴线所在。第二上层介质基板15、第二下层介质基板22均为短圆柱形状，且第二上层介质基板15的底面与第二下层介质基板22相互紧贴连接在一起。第二上层辐射贴片16、第二下层辐射贴片23、第二接地贴片26的主体均分别为圆形，且圆心处于中轴线上，第二上层辐射贴片16在对应四根第二馈电针的位置还均设有向外凸出的形状。第二金属针21的上半部分插入第二上层介质基板15中央位置，下半部分插入第二下层介质基板22中央位置。第二金属针21的顶端与第二上层辐射贴片16电性连接，底端穿过第二下层介质基板22的底面与第二接地贴片26电性连接，中间位置与第二下层辐射贴片23电性连接，且连接点均在第二上层辐射贴片16、第二下层辐射贴片23的圆心位置。第二金属针21起到稳固整个天线和稳定信号相位中心的作用。第二上层介质基板15的底面半径小于第二下层辐射贴片23的半径。

第二馈电针17设有四根。四根第二馈电针在竖直方向上的立体空间绕第二金属针21等间隔对称排列，每两根相邻的第二馈电针与第二金属针21的连线呈90°夹角。本实例优选将四根第二馈电针全部用于接收馈电信号，且相邻的两根第二馈电针所接收到的馈电信号相位依次相差90°。第二馈电针17的上半部分插入连接第二上层介质基板15，第二馈电针17的下半部分插入连接第二下层介质基板22，且第二馈电针17的下半部分穿过第二下层介质基板22的底面。

第二上层辐射贴片16设于第二上层介质基板15的顶面，与第二馈电针17顶端电性连接，连接处为第二上层电容贴片18，用于辐射高频段信号。第二上层电容贴片18为长方形和圆形组合而成的形状。第二上层电容贴片18与第二上层辐射贴片16的主体之间设有长方形和圆形组合而成的第二上层缝隙19。第二上层缝隙19为没有被金属铜材料覆盖环绕第二上层电容贴片18的区域。第二馈电针17顶端通过电性连接第二上层电容贴片18，再结合第二上层缝隙19与第二上层辐射贴片16主体之间形成电容耦合结构。第二上层电容贴片、第二上层缝隙分别设有四个，且跟随四根第二馈电针一样均为对称分布。

第二上层金属枝节20的形状为近似“F”型，设于第二上层介质基板15的侧面，本实施例优选设有八个第二上层金属枝节。第二上层介质基板15的侧面等间隔排列有多个第二上层金属枝节。第二上层金属枝节20的上本部分设于第二上层介质基板15的侧面，下半部分设于第二上层介质基板15的底面，第二上层金属枝节20下半部分与第二上层介质基板15的底面之间的结构和实施例1中相同（如图4的结构形式）。将第二上层介质基板15紧贴安装到第二下层辐射贴片23上时，第二上层金属枝节20的下半部分金属铜材料与第二下层辐射贴片23电性连接在一起。

第二下层辐射贴片23设于第二下层介质基板22的顶面，用于辐射低频段信号。第二下层辐射贴片23在邻近四根第二馈电针的位置上分别设有第二下层缝隙25。第二下层缝隙25为没有被金属铜覆盖的圆环形区域且尺寸较小，第二馈电针通过第二下层缝隙25与第二下层辐射贴片23的主体部分形成电容耦合结构。

第二接地贴片26设于第二下层介质基板22的底面，用作整个天线的地平面。第二接地贴片26在靠近第二馈电针17的周围设置较宽的没覆盖金属铜材料的第二接地贴片绝缘环27，以此实现第二接地贴片26与第二馈电针17之间相互电气绝缘。第二下层金属枝节24的形状近似为弯钩型，多个第二下层金属枝节在第二下层介质基板22的侧面上等间隔排列。第二下层金属枝节24的底端与第二接地贴片26电性连接。

金属枝节与电容耦合结构的结合，方便进行阻抗匹配调节，实现高增益的同时也拓展了工作带宽。两个辐射贴片实现了双频工作的模式。

本实施例优选采用四根馈电针接收馈电信号的形式，所接入的馈电电路结构与实施例1中第二种（图7）馈电电路的结构相同。四根第二馈电针接入馈电信号后，分别将信号传导到第二上层辐射贴片16、第二下层辐射贴片23上辐射圆极化波。

本实施例的耦合馈电缝隙与枝节加载的小型化圆极化天线与现有技术相比，其有益效果在于：

可以工作在双频模式，采用耦合馈电结合金属枝节拓展了工作带宽；辐射贴片中耦合馈电的方式结构简单、成本低，能够将天线小型化；相比传统的双层四馈电针贴片天线，本实施例仅需要传统天线一半数量的馈电针同时馈电电路仅需要实现功率一分四的功能，简化了天线的结构，在设计馈电电路时也更为简单，进一步降低加工成本；馈电针结合金属针实现了相位中心稳定，水平全向性能的一致性良好。

实施例3

如图15、图16、图17所示，本实施例的耦合馈电缝隙与枝节加载的小型化圆极化天线包括第三上层介质基板28、第三上层辐射贴片29、第三馈电针30、第三上层电容贴片31、第三上层缝隙32、第三金属针33、第三上层金属枝节34、第三下层介质基板35、第三下层辐射贴片36、第三下层金属枝节37、第三下层电容贴片38、第三下层缝隙39、第三接地贴片40、第三接地贴片绝缘环41。

包括第三上层介质基板28、第三馈电针30、第三下层介质基板35、第三金属针33、馈电板11。第三上层介质基板28上设有第三上层辐射贴片29、第三上层金属枝节34。第三上层辐射贴片29设有第三上层电容贴片31、第三上层缝隙32。第三下层介质基板35上设有第三下层辐射贴片36、第三下层金属枝节37、第三接地贴片40。第三下层辐射贴片36上设有第三下层电容贴片38、第三下层缝隙39。第三接地贴片40上设有第三接地贴片绝缘环41。

第三上层介质基板28、第三下层介质基板35均分别为不同尺寸大小的短圆柱，两个短圆柱的中轴线均以第三金属针33为基准。第三上层辐射贴片29、第三下层辐射贴片36、第三接地贴片40均分别为通过金属铜材料电镀依附在介质基板上形成的圆形且厚度很薄的金属贴片，第三上层金属枝节34、第三下层金属枝节37均分别为通过金属铜材料电镀依附在介质基板上形成的厚度很薄的金属贴片。第三上层介质基板28与第三下层介质基板35相互连接。

以第三金属针33作为本实例的中轴线所在位置，第三馈电针30设有四根，四根第三馈电针在竖直方向上的立体空间绕第三金属针33等间隔对称排列，每两根相邻的第三馈电针与第三金属针33的连线呈90°夹角。

第三金属针33的上半部分插入连接第三上层介质基板28内的中央位置，下半部分插入连接第三下层介质基板35内的中央位置。由于中点位置的电场强度微弱到可以忽略，所以第三金属针33的引入不仅不会导致性能恶化，还反而固定了第三上层介质基板28与第三下层介质基板35，稳定了四根第三馈电针所接收到所要发射的信号的相位中心。第三上层介质基板28的底面，通过第三金属针33与第三下层介质基板35上的第三下层辐射贴片36相互紧贴连接，且第三上层介质基板28的底面半径小于第三下层辐射贴片36的半径。第三金属针33的下半部分穿过第三下层介质基板35的底面与第三接地贴片40电性连接。

设于第三上层介质基板28顶面的第三上层辐射贴片29，第三上层辐射贴片29型转为主体圆形且对应四根第三馈电针的位置均向外凸出一块区域，其主体的圆心位置与第三金属针33的顶端电性连接，第三上层辐射贴片29用于辐射信号。第三上层辐射贴片29的最大直径小于第三上层介质基板28顶面直径。第三馈电针30的顶端与第三上层电容贴片31电性连接，第三上层电容贴片31与第三上层辐射贴片29的主体之间设有第三上层缝隙32。第三上层电容贴片31同样为电镀的金属铜材料，第三上层缝隙32为没有覆盖金属铜材料环绕第三上层电容贴片31的区域。第三上层电容贴片、第三上层缝隙的数量与第三馈电针的数量保持一致，且结构上也保持对称。第三上层电容贴片31的形状为圆形，第三上层缝隙32为圆环形。第三馈电针30通过电性连接第三上层电容贴片31，进而利用第三上层缝隙32与第三上层辐射贴片29的主体之间形成电容耦合结构，使第三上层电容贴片31起到等效电容加载的作用，实现对第三上层辐射贴片29的馈电，使得电容加载小型化，简化了天线的结构。第三上层介质基板28的底面与第三下层辐射贴片36相互紧贴连接，第三下层辐射贴片36的半径大于第三上层介质基板28的底面半径。

第三上层金属枝节34在第三上层介质基板28与第三下层辐射贴片36相互紧贴连接后，第三上层金属枝节34上半部分设于第三上层介质基板28侧面，第三上层金属枝节34下半部分设于第三上层介质基板28底面，第三上层金属枝节34下半部分与第三上层介质基板28底面之间的结构与实施例1中的相同（如图4的结构形式）。且第三上层金属枝节34的下半部分金属铜材料与第三下层辐射贴片36紧贴在一起，从而使第三上层金属枝节34与第三下层辐射贴片36相互进行电性连接。多个第三上层金属枝节在第三上层介质基板28的侧面上等间隔排列，第三上层金属枝节34的具体形状为一个横置的“L”型，本实施例优选在此处设有八个第三上层金属枝节。将第三上层辐射贴片29设计为尺寸较小的形式，用来实现低频段信号的辐射，设置第三上层金属枝节34方便调节频偏，同时结合第三上层缝隙32，用来调节阻抗匹配，拓展天线工作带宽，另一方面等效拓展了电流路径，从而进一步实现天线的小型化。

设于第三下层介质基板35顶面的第三下层辐射贴片36，其圆心位置在第三金属针33的中间位置上，第三下层辐射贴片36用于辐射信号。第三下层辐射贴片36半径小于第三下层介质基板35顶面半径。第三下层辐射贴片36与第三金属针33的中间位置电性连接。第三下层电容贴片38与第三馈电针电性连接，第三下层电容贴片38为圆形。第三下层辐射贴片36在邻近每根第三馈电针周围的四个第三下层电容贴片之间均设有由矩形与圆形组合而成的第三下层缝隙39，四个第三下层缝隙之间结构中心对称，第三下层缝隙39为没有覆盖金属铜材料环绕第三下层电容贴片38的区域。第三下层辐射贴片36设计为尺寸相对较大的形式，用于辐射高频段信号。第三馈电针30通过结合第三下层缝隙39、第三下层电容贴片38与第三下层辐射贴片36的主体之间形成电容耦合结构，第三下层电容贴片38起到等效电容加载的作用，实现对第三下层辐射贴片36的馈电。

第三下层介质基板35的底面设有第三接地贴片40，第三接地贴片40用作整个天线的地平面。第三接地贴片40为圆形，在四根第三电馈针周围没有覆盖金属铜材料形成第三接地贴片绝缘环41，以此实现第三接地贴片40与四根第三电馈针之间相互电气绝缘。

第三下层金属枝节37与第三接地贴片40电性连接。多个第三下层金属枝节通过电镀依附于第三下层介质基板35的侧面，且在电镀依附后第三下层金属枝节37的底端金属铜材料与第三接地贴片40连接在一起。第三下层金属枝节37的形状同样为横置的“L”型，且多个第三下层金属枝节在第三下层介质基板35的侧面上等间隔排列。

本实施例优选采用两根馈电针接收馈电信号的形式，所接入的馈电电路结构与实施例1中第一种（图6）馈电电路的结构相同。两根第二馈电针接入馈电信号后，分别将信号传导到第三上层辐射贴片29、第三下层辐射贴片36上辐射圆极化波。

在本实施例的其他替代实施方式中，可以直接将四根第三馈电针的顶端直接连接第三上层辐射贴片29，而无需设置四个第三上层电容贴片。第三下层辐射贴片36也可做同样的设置。

本实施例的耦合馈电缝隙与枝节加载的小型化圆极化天线与现有技术相比，其有益效果在于：

可以工作在双频模式，采用耦合馈电结合金属枝节拓展了工作带宽；辐射贴片中耦合馈电的方式结构简单、成本低，能够将天线小型化；相比传统的双层四馈电针贴片天线，本实施例仅需要传统天线一半数量的馈电针同时馈电电路仅需要实现功率一分二的功能，简化了天线的结构，在设计馈电电路时也更为简单，进一步降低加工成本；馈电针结合金属针实现了相位中心稳定，水平全向性能的一致性良好。

实施例4

如图18所示，本实施例的耦合馈电缝隙与枝节加载的小型化圆极化天线设计方法，包括步骤如下：

S1、选取短圆柱体的下层介质基板和上层介质基板，分别在下层介质基板和上层介质基板设置用于插入馈电针和金属针的通孔；设置上层介质基板的直径小于或等于下层辐射贴片的直径；

S2、对下层介质基板的侧面和底面采用金属铜材料进行电镀形成下层金属枝节和接地贴片；在下层介质基板的侧面等间隔电镀上设定形状的多个下层金属枝节，在下层介质基板的底面电镀上设定形状的接地贴片，并设置多个下层金属枝节与接地贴片相互电性连接在一起，同时设置接地贴片与四根馈电针的下半部分之间有足够的距离没有覆盖金属铜材料从而形成电气绝缘；

S3、对下层介质基板的顶面采用金属铜材料进行电镀形成圆形的下层辐射贴片，设置金属针的中间位置与下层辐射贴片电性连接；

确定是否需要在下层介质基板的顶面设置下层电容贴片；若需要设置下层电容贴片，则在电镀时分别于四根馈电针的中间位置周围敷设四个下层电容贴片，并在四个下层电容贴片与下层辐射贴片之间均设置没有被金属铜材料覆盖且分别环绕下层电容贴片的下层缝隙；若无需设置下层电容贴片，则直接在下层辐射贴片与四根馈电针之间设置没有被金属铜材料覆盖且分别环绕四根馈电针的下层缝隙形成耦合馈电结构；

S4、对上层介质基板采用金属铜材料进行电镀形成上层金属枝节；在上层介质基板的侧面等间隔电镀上设定形状的多个上层金属枝节的上半部分，且设置多个上层金属枝节的下半部分设于上层介质基板的底面；

S5、对上层介质基板的顶面采用金属铜材料进行电镀形成上层辐射贴片，设置金属针的顶端与上层辐射贴片电性连接；

确定是否需要在上层介质基板的顶面设置上层电容贴片；若需要设置上层电容贴片，则在电镀时分别于四根馈电针的顶端周围敷设四个上层电容贴片，并在四个上层电容贴片与上层辐射贴片之间均设置没有被金属铜材料覆盖且分别环绕上层电容贴片的上层缝隙；若无需设置上层电容贴片，则直接设置四根馈电针的顶端分别与上层辐射贴片之间留有没覆盖金属铜材料且分别环绕四根馈电针的上层缝隙形成耦合馈电结构；

S6、将一根金属针的下半部分插入下层介质基板中轴线位置，且金属针的底端穿过下层介质基板的底面，然后将四根馈电针围绕金属针以等间隔90°的空间排列，将四根馈电针的下半部分均插入下层介质基板，且四根馈电针的底端均分别穿过下层介质基板的底面；将金属针、四根馈电针的上半部分插入上层介质基板，并设置上层介质基板的底面与下层介质基板的顶面紧贴连接在一起，上层金属枝节的下半部分从而与下层辐射贴片进行电性连接；同时设置金属针、四根馈电针的顶端均到达上层介质基板的顶面；实现金属针的顶端与上层辐射贴片电性连接、中间位置与上层辐射贴片电性连接、底端与接地贴片电性连接；

S7、选取短圆柱形状的馈电板，在馈电板的底面印刷上馈电电路；将馈电电路设为将输入信号进行功率一分四，并形成四路功率相等、相位依次相差为90°的馈电信号；或者将馈电电路设为将输入信号进行功率一分二，并形成两路功率相等、相位差为90°的馈电信号；将馈电板中部打上用于插入四根馈电针的通孔，并在馈电板底面的通孔处与四根馈电针分别电性连接的接入位置印刷上金属铜材料作为馈电信号的输出端口；

S8、将馈电板通过通孔插入馈电针的底端，使馈电板的顶面与下层介质基板的底面紧贴连接在一起，接着将四根馈电针的底端均分别与馈电板底面的通孔处进行电焊，将四根馈电针分别与馈电电路进行连接，使馈电电路能够向馈电针输出馈电信号。

本实施例的耦合馈电缝隙与枝节加载的小型化圆极化天线设计方法与现有技术相比，其有益效果在于：

采用耦合馈电结合金属枝节拓展了工作带宽；辐射贴片中耦合馈电的方式结构简单、成本低，能够将天线小型化；相比传统的双层四馈电针贴片天线，本实施例仅需要传统天线一半数量的馈电针同时馈电电路仅需要实现功率一分二或一分四的功能，简化了天线的结构，进一步降低加工成本。

在其他实施方式中，上层介质基板、下层介质基板、金属枝节、电容耦合结构、辐射贴片、接地贴片等的具体形状均可以做出相应的改变，只需在空间结构上保持对称即可。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种耦合馈电缝隙与枝节加载的小型化圆极化天线，其特征在于，包括上层介质基板、上层辐射贴片、下层介质基板、下层辐射贴片、馈电针、金属枝节、接地贴片；

所述馈电针的数量为偶数根，每根馈电针均围绕一个中轴线在竖直方向上对称排列；馈电针的上半部分与上层介质基板连接，馈电针的下半部分与下层介质基板连接，馈电针底端与接地贴片电气绝缘；

所述上层介质基板的底面与所述下层介质基板的顶面连接；所述上层辐射贴片设于上层介质基板的顶面；所述下层辐射贴片设于下层介质基板的顶面；所述接地贴片设于下层介质基板的底面；

上层辐射贴片和/或下层辐射贴片上设有电容贴片，所述电容贴片与上层辐射贴片和/或下层辐射贴片之间设有环绕电容贴片的缝隙；馈电针的顶端与电容贴片电性连接和/或馈电针的中间位置与电容贴片电性连接；

所述金属枝节设有多个，分别设于上层介质基板、下层介质基板；设于下层介质基板的金属枝节，上半部分设于下层介质基板侧面，下半部分与接地贴片电性连接；设于上层介质基板的金属枝节，上半部分设于上层介质基板侧面，下半部分设于上层介质基板底面且与下层辐射贴片电性连接；

上层辐射贴片、下层辐射贴片、接地贴片、电容贴片均为金属材料。

2.根据权利要求1所述耦合馈电缝隙与枝节加载的小型化圆极化天线，其特征在于，上层介质基板的宽度小于或等于下层辐射贴片的宽度。

3.根据权利要求1所述耦合馈电缝隙与枝节加载的小型化圆极化天线，其特征在于，上层介质基板、下层介质基板均分别为以馈电针所围绕的中轴线立体对称的形状；

金属枝节在上层介质基板和/或下层介质基板绕中轴线对称排列。

4.根据权利要求1所述耦合馈电缝隙与枝节加载的小型化圆极化天线，其特征在于，金属枝节为金属铜材料，通过电镀依附于上层介质基板和下层介质基板。

5.根据权利要求1所述耦合馈电缝隙与枝节加载的小型化圆极化天线，其特征在于，还设有金属针；

金属针设于馈电针所围绕的中轴线上；金属针上半部分与上层介质基板连接，金属针下半部分与下层介质基板连接；

金属针分别与上层辐射贴片、下层辐射贴片、接地贴片电性连接。

6.根据权利要求1所述耦合馈电缝隙与枝节加载的小型化圆极化天线，其特征在于，馈电针设有四根；四根馈电针分别用于传输四路功率相等、相位依次相差为90°的馈电信号；

或者馈电针设有两根；两根馈电针分别用于传输两路功率相等、相位差为90°的馈电信号。

7.根据权利要求6所述耦合馈电缝隙与枝节加载的小型化圆极化天线，其特征在于，还设有馈电电路；

所述馈电电路与馈电针电性连接，用于输出馈电信号；

馈电电路印刷于馈电板上；

所述馈电板与下层介质基板底面连接。

8.根据权利要求7所述耦合馈电缝隙与枝节加载的小型化圆极化天线，其特征在于，馈电电路用于将输入信号进行功率一分四，并形成四路功率相等、相位依次相差为90°的馈电信号，然后电性连接到四根馈电针上；

或者馈电电路用于将输入信号进行功率一分二，并形成两路功率相等、相位差为90°的馈电信号，然后电性连接到两根馈电针上。

9.一种耦合馈电缝隙与枝节加载的小型化圆极化天线设计方法，其特征在于，包括步骤如下：

选取下层介质基板和上层基板，并分别在下层介质基板和上层基板设置安装馈电针、金属针的通孔；

在下层介质基板设置金属铜材料形成贴片和金属枝节；若下层辐射贴片上需设置电容贴片，则在馈电针中央位置与下层介质基板的顶面连接处外围设置电容贴片与馈电针连接，在下层介质基板的顶面设置下层辐射贴片，并使下层辐射贴片与电容贴片之间留有缝隙；若下层辐射贴片上无需设置电容贴片，则在下层介质基板的顶面设置下层辐射贴片，并在馈电针与下层辐射贴片之间留有缝隙；在下层介质基板的底面设置接地贴片、侧面设置下层的金属枝节，并设置接地贴片与下层的金属枝节连接、接地贴片与馈电针电气绝缘；

在上层介质基板设置金属铜材料形成贴片和金属枝节；若上层辐射贴片上需设置电容贴片，则在馈电针顶端与上层介质基板的顶面连接处外围设置电容贴片与馈电针连接，在上层介质基板的顶面设置上层辐射贴片，并使上层辐射贴片与电容贴片之间留有缝隙；若上层辐射贴片上无需设置电容贴片，则在上层介质基板的顶面设置上层辐射贴片，并在上层辐射贴片与馈电针之间留有缝隙；在上层介质基板的侧面设置上层的金属枝节的上半部分，在上层介质基板的底面设置金属枝节的下半部分；

在下层介质基板上插入金属针的下半部分使下层介质基板与金属针连接；再插入馈电针的下半部分，使下层介质基板与馈电针连接；将上层介质基板插入馈电针和金属针的上半部分，使上层介质基板的底面与下层介质基板的顶面连接，并使上层金属枝节的下半部分与下层辐射贴片紧贴进行电性连接；金属针的顶端与上层辐射贴片点心连接、中间位置与下层辐射贴片电性连接、底端与接地贴片电性连接。

10.根据权利要求9所述耦合馈电缝隙与枝节加载的小型化圆极化天线设计方法，其特征在于，还包括设置馈电板的步骤，过程如下：

将馈电板的底面印刷上馈电电路；将馈电电路设为将输入信号进行功率一分四，并形成四路功率相等、相位依次相差为90°的馈电信号；或者将馈电电路设为将输入信号进行功率一分二，并形成两路功率相等、相位差为90°的馈电信号；

将馈电板中部打上用于插入馈电针的通孔，并将馈电板底面的通孔处设为与馈电针电性连接的接入位置敷设金属铜材料；

将馈电板通过通孔插入馈电针的底端，使馈电板的顶面与下层介质基板的底面连接，接着将馈电针底端与馈电板底面的通孔处进行电焊将馈电针与馈电电路进行连接，使馈电电路能够向馈电针输出馈电信号。

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