CN206685531U - 双频低剖面介质透镜天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种双频低剖面介质透镜天线，是一种能够在两个频段同时谐振工作的低剖面介质透镜天线，属于微波技术领域。在本实用新型中天线由两层介质板所构成，下层介质板的下表面为金属接地面，上表面印刷有高阻抗形式的方形贴片周期结构。金属辐射贴片通过单同轴进行馈电，产生两个不同工作频率的线极化波。上层介质板作为部分反射表面，它的上下两个面都印刷有周期性的金属表面结构。通过高阻抗面以及部分反射表面的设计，辐射贴片的两个线极化波能够同时高增益谐振工作并且天线谐振腔的剖面高度也降到了六分之一个工作波长，从而实现了双频低剖面的工作特性。整个天线的加工复杂度低，具备了一定的应用前景。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种双频低剖面介质透镜天线，属于微波技术领域。
背景技术
随着现代无线通信技术的快速发展，对小型化平面化天线的要求越来越高，而且对其增益要求也越来越高。于是提出了通过在天线辐射方向添加部分辐射表面来以提高天线的增益的方法。物联网时代的到来，很多场合我们需要天线能够同时工作在多个频段。
传统的介质透镜天线在设计时存在下述两个问题：
1、传统的介质透镜天线，因为谐振条件的制约，以及腔体固定的剖面高度，天线只能谐振工作于一个频段，无法满足多频工作的需求；
2、传统的介质透镜天线由于只能控制部分反射表面的反射相位，使得天线剖面高度较高，而小型化又是今后天线发展的一个必然趋势。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是如何使得谐振腔在腔体剖面高度一定的前提下在两个频段都满足谐振条件以提高馈源的辐射增益及如何改变相位以降低天线的剖面高度。为了使得天线双频谐振工作，降低天线的剖面高度，本实用新型提供一种双频低剖面介质透镜天线，能够有效使得天线在剖面高度一定的前提下在两个频段同时谐振工作，且降低了剖面的高度。
本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本实用新型提供一种双频低剖面介质透镜天线，包括顶层介质板和底层介质板，其中：底层介质板的上表面的中心处设置有一个矩形金属贴片，该矩形金属贴片的四周设置有周期性的方形金属贴片；底层介质板的下表面布满金属层作为接地板，该接地板上开有圆孔，用以焊接同轴接口进行馈电，该圆孔在底层介质板上表面的投影在矩形金属贴片上，但不与矩形金属贴片的中心重合；顶层介质板的上表面设置有方形金属层，且方形金属层上还开有周期性的菱形缝隙；顶层介质板的下表面设置有周期性的方形金属贴片；顶层介质板与底层介质板之间有一层空气层。
作为本实用新型的进一步优化方案，所述矩形金属贴片关于底层介质板的中心线对称。
作为本实用新型的进一步优化方案，所述顶层介质板的上下表面的周期性结构均未布满介质板表面，在介质板的四周预留一圈介质条带。
作为本实用新型的进一步优化方案，顶层介质板与底层介质板的厚度相同。
作为本实用新型的进一步优化方案，顶层介质板和底层介质板均为正方形。
作为本实用新型的进一步优化方案，顶层介质板的上下表面的周期性结构的周期相同。
本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、在底层介质板的中心位置印刷一块矩形的辐射贴片，并在底层用单同轴对其进行馈电，通过矩形贴片尺寸以及馈电点位置的选取，使得矩形辐射贴片能够在8.5GHz以及11.5GHZ连个频段同时工作，以此作为双频天线的馈源；
2、通过新型部分反射表面上下层周期性结构的设计，以及底层介质板上表面周期结构的选取，使得天线谐振腔上下两个面的反射相位在腔体高度一定的前提下，能够同时在馈源天线工作的两个频段实现谐振工作，以此提高天线的增益，另外，通过周期结构的选取也大大降低了天线的剖面高度。
附图说明
图1是本实用新型的三维结构图。
图2是本实用新型的俯视图和侧视图，其中，（a）是俯视图，（b）是侧视图。
图3是底层介质板俯视图。
图4是底层介质板仰视图。
图5是部分反射表面俯视图。
图6是部分反射表面仰视图。
图7是天线的S参数图。
图8是天线在第一个工作频段增益随频率变化图。
图9是天线在第二个工作频段增益随频率变化图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：
本实用新型提供一种由两层介质板构成的双频低剖面介质透镜天线，如图1和图2中（a）、（b）所示，两层介质板之间有一层空气层。
如图3所示，底层介质板的上表面的中心处设置有一个矩形金属贴片，该矩形金属贴片的四周设置有周期性的方形金属贴片，矩形金属贴片的边长决定了天线的可以工作的频段。周期性的方形金属贴片的中心位置处空出6个周期单元，用于印刷辐射贴片（即矩形金属贴片）。在辐射贴片与方形贴片周期结构之间空出了一部分介质，这样降低了辐射贴片四周的周期结构对于辐射贴片的影响。本发明中，方形贴片周期结构并未敷满整个上表面，在方形贴片周期结构的周围留有部分未敷金属，以便用于后期打孔固定。
如图4所示，底层介质板的下表面布满金属层作为接地板，该接地板上开有圆孔，用以焊接同轴接口进行馈电，该圆孔在底层介质板上表面的投影在矩形金属贴片上，但不与矩形金属贴片的中心重合。馈电点位置的选取直接决定了该辐射贴片能否在两个频段产生极化波、以及在两个频段的阻抗是否匹配。在图3中的辐射贴片的右上角可以看到同轴馈电点，选择在这个位置进行馈电，可以使得辐射贴片在横向和纵向两个方向上产生线极化波，以此作为双频馈源。
如图5所示，顶层介质板的上表面设置有方形金属层，且方形金属层上还开有周期性的菱形缝隙。如图6所示，顶层介质板的下表面设置有周期性的方形金属贴片。与底层介质板的周期结构相类似的是顶层介质板上下表面的金属周期层也并未敷满整个介质板表面，其周围留有部分未敷金属，用于后期打孔固定。顶层介质板上下表面的周期结构的尺寸决定了天线能够提高增益的工作频段、以及决定了天线顶层板与底层板之间的距离，即天线的剖面高度。
本实用新型中，周期结构的尺寸选取以及介质板材料以及厚度的选择，也决定了该天线能否在辐射贴片工作的两个频段同时满足谐振条件，实现双频工作。
本实用新型中，底层介质板作为谐振腔的腔底，其下底面为GND面全部敷铜，上底面的中心印刷有矩形金属辐射贴片，用以产生辐射极化波。辐射贴片的四周印刷有周期性的方形金属贴片，这与下底面的金属层形成高阻抗面。底层介质板的辐射贴片通过单同轴进行馈电，这样简化了设计。馈电点选择在辐射贴片的右上部分，这样可以在辐射贴片两个方向上形成极化波，即在馈源天线在两个频段产生辐射。
本实用新型中，顶层介质板的上表面印刷有周期菱形缝隙结构，而下表面印刷有周期方形贴片结构。通过这些周期结构尺寸以及结构的选择，上下两层介质板组成的谐振腔在腔体高度一定的情况下能够满足在馈源天线工作的两个频段同时谐振工作，即馈源天线工作的两个频段上天线的增益都大大提高。另外，高阻抗面与上层频率选择表面的结合，也使得谐振腔的剖面高度降到了六分之一个工作波长，该天线实现了低剖面的特性。
本实用新型的实施例中，双频低剖面介质透镜天线的底层辐射介质板以及顶层部分反射介质板的厚度均为1.524mm，其相对介电常数为分别为3.55和2.2。底层辐射介质板上表面的周期单元的周期为6mm，方形贴片的边长为5.4mm，矩形辐射贴片的长、宽分别为8.9mm、6mm；同轴馈电点位置距离矩形辐射贴片上、下边缘的距离分别为0.8mm、2.5mm。顶层部分反射介质板上表面的菱形缝隙周期单元为正菱形，周期为6mm，其对角线的长度为4.8mm；顶层部分反射介质板下表面的周期单元周期为6mm，方形贴片边长为4.5mm。
利用三维电磁仿真软件仿真的该天线（工作频率7-13GHz），如图7所示。天线的回波损耗在8.5GHz以及11.5GHz工作频段内均达到了-10dB以下。天线在两个频段附近增益随频率变化图如图8和图9所示，天线在两个频段内的增益大小都大为提升，实现了双频谐振工作。
本实用新型是对谐振腔的上下两个面都进行设计，使其在腔体高度一定的条件下，腔体能够同时满足两个频段的高增益谐振条件，使得该设计能够同时双频高增益工作。另外，底层周期结构的引人也使得天线的剖面高度降低到了六分之一个工作波长，天线实现了低剖面特性。综上所述，该天线具备了一定的应用前景。
以上所述，仅为本实用新型中的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本实用新型所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本实用新型的包含范围之内，因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (6)
1.双频低剖面介质透镜天线，其特征在于，包括顶层介质板和底层介质板，其中：
底层介质板的上表面的中心处设置有一个矩形金属贴片，该矩形金属贴片的四周设置有周期性的方形金属贴片；
底层介质板的下表面布满金属层作为接地板，该接地板上开有圆孔，用以焊接同轴接口进行馈电，该圆孔在底层介质板上表面的投影在矩形金属贴片上，但不与矩形金属贴片的中心重合；
顶层介质板的上表面设置有方形金属层，且方形金属层上还开有周期性的菱形缝隙；
顶层介质板的下表面设置有周期性的方形金属贴片；
顶层介质板与底层介质板之间有一层空气层。
2.根据权利要求1所述的双频低剖面介质透镜天线，其特征在于，所述矩形金属贴片关于底层介质板的中心线对称。
3.根据权利要求1所述的双频低剖面介质透镜天线，其特征在于，所述顶层介质板的上下表面的周期性结构均未布满介质板表面，在介质板的四周预留一圈介质条带。
4.根据权利要求1所述的双频低剖面介质透镜天线，其特征在于，顶层介质板与底层介质板的厚度相同。
5.根据权利要求1所述的双频低剖面介质透镜天线，其特征在于，顶层介质板和底层介质板均为正方形。
6.根据权利要求1所述的双频低剖面介质透镜天线，其特征在于，顶层介质板的上下表面的周期性结构的周期相同。
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