CN115863975B - 低剖面宽带圆极化天线及其阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低剖面宽带圆极化天线及其阵列，涉及通信天线技术领域。所述天线包括第一介质层，所述第一介质层的下表面形成有金属接地层，所述第一介质层的上表面形成有辐射贴片，所述第一介质层的下侧设置有同轴连接器，所述同轴连接器的同轴外壳与所述金属接地层连接，所述同轴连接器的同轴内导体与所述辐射贴片连接，且所述同轴连接器偏离所述天线的中轴线设置，所述辐射贴片的上表面设置有第二介质层，所述第二介质层的上表面形成有超表面，采用同轴偏馈的形式进行馈电，超表面产生表面波激励，激发天线的多个谐振点。所述天线兼具宽频阻抗匹配及宽频圆极化等优点。

Description

低剖面宽带圆极化天线及其阵列

技术领域

本发明涉及通信用天线技术领域，尤其涉及一种低剖面宽带圆极化天线及其阵列。

背景技术

圆极化天线在卫星和许多无线通信应用中被广泛采用，它可以实现稳定可靠的信号发射和接收。在许多现代应用中为了提高系统的精度和灵活性，需要大带宽、高增益、低剖面和轻量化的圆极化天线。近年来，微带贴片天线因其剖面低、易于制造和易于集成等优点，在紧凑型轻量化圆极化天线的研究和开发中占据重要地位。然而，微带贴片天线的带宽是限制其应用的主要因素。

为了改善微带贴片天线的带宽，目前国内外已有较多的报道，例如文献“ABroadbandCircularlyPolarizedFabry-PerotResonantAntennaUsingASingle-LayeredPRSfor5GMIMOApplications,IEEEAccess,2019”中报道了一种利用法布里-珀罗腔结构扩展圆极化微带天线带宽的方法，但是该天线的剖面较高，这将导致其较差的机械强度，同时，该结构只能在一定程度上增大天线的阻抗带宽，而天线的轴比带宽仍然较窄。据该文献报道，相应天线的阻抗带宽达到27.6%，而轴比带宽仅17%。

文献“Low-ProfileBroadbandCircularlyPolarizedPatchAntennaUsingMetasurface,IEEETransactionsonAntennas&Propagation,2015”中报道了一种加载超表面结构的圆极化微带天线，基于超表面结构的表面波谐振特性有效提高了天线的阻抗带宽。相比上述法布里-珀罗腔结构，采用超表面结构可以有效控制天线的剖面高度。然而该文献所报道的天线，其阻抗带宽虽然达到45.6%，但是其轴比带宽仍然较小，仅为23.4%。

现有技术可以有效提高微带天线的阻抗带宽，但大多情况下的轴比带宽仍然有限。因此，研究兼具宽频阻抗匹配及宽频圆极化特点的微带天线具有十分重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种在具备宽频阻抗匹配的同时还兼具宽频圆极化特点的天线。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种低剖面宽带圆极化天线，其特征在于：包括第一介质层，所述第一介质层的下表面形成有金属接地层，所述第一介质层的上表面形成有辐射贴片，所述第一介质层的下侧设置有同轴连接器，所述同轴连接器的同轴外壳与所述金属接地层连接，所述同轴连接器的同轴内导体与所述辐射贴片连接，且所述同轴连接器偏离所述天线的中轴线设置，所述辐射贴片的上表面设置有第二介质层，所述第二介质层的上表面形成有超表面，所述天线采用同轴偏馈的形式进行馈电，超表面产生表面波激励，激发天线的多个谐振点。

进一步的技术方案在于：所述同轴连接器包括同轴外壳和同轴内导体，所述同轴外壳与所述同轴内导体之间设置有介质材料，所述介质材料用于将所述同轴外壳与所述同轴内导体分开。

进一步的技术方案在于：所述金属接地层与所述介质材料相对应的位置形成有介质材料插入孔，所述介质材料插入到所述介质材料插入孔内，所述同轴外壳与所述金属接地层焊接到一起。

进一步的技术方案在于：所述第一介质层与所述同轴内导体相对应的位置形成有通孔，所述同轴内导体穿过所述通孔后与所述辐射贴片连接。

进一步的技术方案在于：所述辐射贴片的主体结构为六边形辐射贴片，所述六边形辐射贴片的直径为半个介质波长，所述六边形辐射贴片的外侧一个侧边上设置有馈线，所述馈线偏离所述六边形辐射贴片的中轴线设置，所述同轴连接器的同轴内导体与所述馈线连接，所述六边形辐射贴片内形成有十字缝，所述十字缝包括横缝和纵缝，所述六边形辐射贴片外侧的每条侧边上还设置有一条枝节，通过调节所述十字缝的大小以及枝节的尺寸来调节所述天线的圆极化特性。

进一步的技术方案在于：所述馈线为外端大，内端小的梯形渐变结构。

进一步的技术方案在于：所述枝节为L型，且所述枝节连接在所述六边形辐射贴片的顶点处。

进一步的技术方案在于：所述超表面包括若干个六边形贴片单元和若干个三角形贴片单元，所述六边形贴片单元与所述三角形贴片单元进行排列组合后构成六边形的超表面。

本发明还公开了一种低剖面宽带圆极化天线阵列，包括若干个所述圆极化天线，其特征在于：所述天线阵列同一行中相邻的两个所述圆极化天线通过一个顶点连接到一起，所述天线阵列同一列中相邻的两个所述圆极化天线通过一条侧边连接到一起。

本发明还公开了一种低剖面宽带圆极化天线阵列，包括若干个所述圆极化天线，其特征在于：所述天线阵列中相邻的两个所述圆极化天线通过一条以上的侧边连接到一起。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述圆极化天线的主体部分为一种加载十字缝隙及L形枝节的六边形贴片天线，采用同轴偏馈的形式进行馈电，在贴片天线的上方还加载了一层混合超表面，该超表面由六边形贴片单元及三角形贴片单元两种结构嵌套所构成。网格状的超表面可以产生表面波激励，激发天线的多个谐振点。由于谐振点相互靠近，且都存在于整个工作频段内，因此可以利用谐振点来拓宽带宽，达到宽频带天线的效果。该天线的-10dB阻抗带宽覆盖5.4GHz-11.3GHz，相对阻抗带宽达到70.7%，而3dB轴比带宽覆盖5.4GHz-7.9GHz，相对轴比带宽达到37.6%。相关指标优于现有技术所报道的圆极化微带天线。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例一所述圆极化天线三维结构爆炸图；

图2为本发明实施例一所述圆极化天线的一二层结构侧视图；

图3为本发明实施例一所述圆极化天线的一二层结构俯视图；

图4为本发明实施例一所述圆极化天线的三四层结构侧视图；

图5为本发明实施例一所述圆极化天线的三四层结构俯视图；

图6为本发明实施例一所述圆极化天线的五六层结构侧视图；

图7为本发明实施例一所述圆极化天线的五六层结构俯视图；

图8为本发明实施例一所述圆极化天线的设计迭代示意图；

图9为本发明实施例一所述圆极化天线的S11特性曲线；

图10为本发明实施例一所述圆极化天线的轴比特性曲线；

图11为本发明实施例二所述天线阵列的结构示意图；

图12为本发明实施例三所述天线阵列的结构示意图；

其中：1、同轴连接器，101、介质材料，102、同轴内导体，103、同轴外壳，2、金属接地层，201、介质材料插入孔，3、第一介质层，301、通孔，4、辐射贴片，401、梯形渐变结构，402、馈线，403、六边形辐射贴片，404、横缝，405、竖缝，406、枝节，5、第二介质层，6、超表面，601、六边形贴片单元，602、三角形贴片单元。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例一

如图1所述，本发明实施例公开了一种低剖面宽带圆极化天线，包括第一介质层3，所述第一介质层3的下表面形成有金属接地层2，所述第一介质层3的上表面形成有辐射贴片4，所述第一介质层3的下侧设置有同轴连接器1，所述同轴连接器1的同轴外壳103与所述金属接地层2连接，所述同轴连接器1的同轴内导体102与所述辐射贴片4连接，且所述同轴连接器1偏离所述天线的中轴线设置，所述辐射贴片4的上表面设置有第二介质层5，所述第二介质层5的上表面形成有超表面6。

图2为本发明带圆极化天线的一二层侧视结构图，其中，所述同轴连接器1包括同轴外壳103和同轴内导体102；所述同轴外壳103与所述同轴内导体102之间设置有介质材料101，所述介质材料101用于将所述同轴外壳103与所述同轴内导体102分开。

图3为本发明实施例一所述低剖面宽带圆极化天线的一二层结构俯视图，其中同轴连接器1处在偏离中轴线的位置，该设计是为了配合上方六边形贴片所采用的偏馈。进一步的，如图3所示，所述金属接地层1与所述介质材料101相对应的位置形成有介质材料插入孔201，所述介质材料101插入到所述介质材料插入孔201内，同轴外壳103与金属接地层2焊接在一起，介质材料插入孔201的直径与介质材料101的直径相等，同轴内导体102穿过金属接地层2上的介质材料插入孔201向上方传输电磁信号。

图4为本发明实施例一所述低剖面宽带圆极化天线的三四层结构侧视图，

所述第一介质层3与所述同轴内导体102相对应的位置形成有通孔301，所述同轴内导体102穿过所述通孔301后与所述辐射贴片4连接。

图5为本发明实施例一所述低剖面宽带圆极化天线的三四层结构俯视图，

所述辐射贴片4的主体结构为六边形辐射贴片403，所述六边形辐射贴片403的直径为半个介质波长，所述六边形辐射贴片403的外侧的一个侧边上设置有馈线402，并且馈线402偏离中轴线，这一设计主要是为了打破贴片上的“平衡”状态，便于形成圆极化辐射。同时，所述馈线406的外侧形成有外端大，内端小的梯形渐变结构401，这一渐变结构有利于天线带宽的展宽。所述同轴连接器1的同轴内导体102与所述馈线402连接，所述六边形辐射贴片403内形成有十字缝，所述十字缝包括横缝横缝404和纵缝405，所述六边形辐射贴片403外侧的每条侧边上还设置有一条枝节406，通过调节所述十字缝的大小以及枝节406的尺寸来调节所述天线的圆极化特性。优选的，所述枝节406为L型，且所述枝节406连接在所述六边形辐射贴片403的顶点处。

图6和图7分别为本发明实施例一所述低剖面宽带圆极化天线的五六层结构侧视图及俯视图，所述超表面6包括若干个六边形贴片单元601和若干个三角形贴片单元602，所述六边形贴片单元601与所述三角形贴片单元602进行排列组合后构成六边形的超表面6，该双混超表面的设计可以有效提升天线的阻抗及轴比带宽。

上述内容已经初步介绍了实施例一所提供的一种低剖面宽带圆极化天线的结构。为了更为详细说明该天线的设计原理，图8给出了该低剖面宽带圆极化天线的设计迭代流程。其中天线1为一种加载了L形枝节的采用偏馈形式的六边形贴片天线，该天线可以形成圆极化，但阻抗及轴比带宽有限。天线2为一种加载了十字缝的采用中心馈电形式的六边形贴片天线，该天线也可以形成圆极化，但阻抗及轴比带宽有限。天线3为天线1和天线2的结合，该天线的阻抗及轴比带宽都得到了一定改善。天线4在天线3的基础上加载了一种单一的由六边形贴片单元构成的超表面，该天线的阻抗及轴比带宽得到了进一步的改善。天线5为本发明所提出的一种低剖面宽带圆极化天线，相较于天线4，天线5将超表面换成了由三角形贴片单元及六边形贴片单元嵌套而成的混合超表面，天线5的各项性能指标远超天线1~天线4。

为了说明实施例一所述低剖面宽带圆极化天线即天线5的阻抗带宽优势及相应的带宽展宽原理，图9给出了上述五种天线的S11特性曲线。天线1出现了两个谐振点，分别在7GHz和10GHz，相应的频段为6.2GHz-7.7GHz及9.2GHz-10.4GHz。天线2仅有一个谐振点，大约在7.5GHz附近，相应的频段为6.3GHz-8.3GHz。而天线3作为天线1和天线2的结合体，它出现了三个谐振点，分别在7GHz、8GHz和10.5GHz，其中前两个谐振点融合到6GHz-8.8GHz频段内，后一个谐振点在10.2GHz-10.8GHz频段内。在天线3的基础上，天线4增加了一种单一的由六边形贴片单元构成的超表面，它出现了三个谐振点，并且都包含在5.6GHz-10.3GHz的频段内，整个天线的带宽得到了有效展宽。这主要与超表面所激发出的表面波谐振有关。在天线4的基础上，将单一的由六边形贴片单元构成的超表面换成由三角形贴片单元及六边形贴片单元嵌套而成的混合超表面。混合超表面的采用导致了新的谐振点出现，如图9所示，天线5出现了四个谐振点，并且均包含在5.4GHz-11.3GHz频段内，相对阻抗带宽达到70.7%。

进一步的，图10给出了上述五种天线的轴比特性曲线，与上面S11特性类似，天线5集其他四种天线的圆极化特点于一体，在5.4GHz-7.9GHz频段范围内的轴比均小于3dB，相对轴比带宽达到了37.6%，优于其他四种天线。

实施例一所述的低剖面宽带圆极化天线的整体带宽性能远超目前所报道的圆极化微带天线。

实施例二

在实施例一的基础上，本发明实施例二提供了一种基于矩形栅格布阵的低剖面宽带圆极化天线阵列，如图11所示。并且可以根据实际应用对增益、副瓣等的需求来灵活调整阵列规模。所述阵列中同一行的所述天线中相邻的两个所述极化天线中通过一个顶点连接到一起，同一列的所述天线中相邻的两个所述极化天线中通过一条侧边连接到一起。

实施例三

在实施例一的基础上，本发明实施例三提供了一种基于三角形栅格布阵的低剖面宽带圆极化天线阵列，如图12所示。所述天线阵列中相邻的两个所述极化天线通过一条以上的侧边连接到一起。

综上，本发明所述低剖面宽带圆极化天线的主体部分为一种加载十字缝隙及L形枝节的六边形贴片天线，采用同轴偏馈的形式进行馈电，在贴片天线的上方还加载了一层混合超表面，该超表面由六边形贴片单元及三角形贴片单元两种结构嵌套所构成。网格状的超表面可以产生表面波激励，激发天线的多个谐振点。由于谐振点相互靠近，且都存在于整个工作频段内，因此可以利用谐振点来拓宽带宽，达到宽频带天线的效果。该天线的-10dB阻抗带宽覆盖5.4GHz-11.3GHz，相对阻抗带宽达到70.7%，而3dB轴比带宽覆盖5.4GHz-7.9GHz，相对轴比带宽达到37.6%。

Claims (9)

1.一种低剖面宽带圆极化天线，其特征在于：包括第一介质层（3），所述第一介质层（3）的下表面形成有金属接地层（2），所述第一介质层（3）的上表面形成有辐射贴片（4），所述第一介质层（3）的下侧设置有同轴连接器（1），所述同轴连接器（1）的同轴外壳（103）与所述金属接地层（2）连接，所述辐射贴片（4）的上表面设置有第二介质层（5），所述第二介质层（5）的上表面形成有超表面（6），所述天线采用同轴偏馈的形式进行馈电，超表面（6）产生表面波激励，激发天线的多个谐振点；

所述辐射贴片（4）的主体结构为六边形辐射贴片（403），所述六边形辐射贴片（403）的直径为半个介质波长，所述六边形辐射贴片（403）的外侧的一个侧边上设置有馈线（402），所述馈线（402）偏离所述六边形辐射贴片（403）的中轴线设置，所述同轴连接器（1）的同轴内导体（102）与所述馈线（402）连接，且所述同轴连接器（1）偏离所述天线的中轴线设置，所述六边形辐射贴片（403）内形成有十字缝，所述十字缝包括横缝（404）和纵缝（405），所述六边形辐射贴片（403）外侧的每条侧边上还设置有一条枝节（406），通过调节所述十字缝的大小以及枝节（406）的尺寸来调节所述天线的圆极化特性。

2.如权利要求1所述的低剖面宽带圆极化天线，其特征在于：所述同轴连接器（1）包括同轴外壳（103）和同轴内导体（102），所述同轴外壳（103）与所述同轴内导体（102）之间设置有介质材料（101），所述介质材料（101）用于将所述同轴外壳（103）与所述同轴内导体（102）分开。

3.如权利要求2所述的低剖面宽带圆极化天线，其特征在于：所述金属接地层（2）与所述介质材料（101）相对应的位置形成有介质材料插入孔（201），所述介质材料（101）插入到所述介质材料插入孔（201）内，所述同轴外壳（103）与所述金属接地层（2）焊接到一起。

4.如权利要求2所述的低剖面宽带圆极化天线，其特征在于：所述第一介质层（3）与所述同轴内导体（102）相对应的位置形成有通孔（301），所述同轴内导体（102）穿过所述通孔（301）后与所述辐射贴片（4）连接。

5.如权利要求1所述的低剖面宽带圆极化天线，其特征在于：所述馈线（402）的外侧形成有外端大，内端小的梯形渐变结构（401）。

6.如权利要求1所述的低剖面宽带圆极化天线，其特征在于：所述枝节（406）为L型，且所述枝节（406）连接在所述六边形辐射贴片（403）的顶点处。

7.如权利要求1所述的低剖面宽带圆极化天线，其特征在于：所述超表面（6）包括若干个六边形贴片单元（601）和若干个三角形贴片单元（602），所述六边形贴片单元（601）与所述三角形贴片单元（602）进行排列组合后构成六边形的超表面（6）。

8.一种低剖面宽带圆极化天线阵列，包括若干个如权利要求1-7中任意一项所述的圆极化天线，其特征在于：所述天线阵列同一行中相邻的两个所述圆极化天线通过一个顶点连接到一起，所述天线阵列同一列中相邻的两个所述圆极化天线通过一条侧边连接到一起。

9.一种低剖面宽带圆极化天线阵列，包括若干个如权利要求1-7中任意一项所述的圆极化天线，其特征在于：所述天线阵列中相邻的两个所述圆极化天线通过一条以上的侧边连接到一起。