CN209860136U - 一种基于工字形结构加载的电大圆极化微带贴片天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于工字形结构加载的电大圆极化微带贴片天线。该天线包括从下到上层叠设置的馈电微带、第一层介质基片、金属层、第二层介质基片、第三层工字形金属谐振结构介质层、第四层介质基片和微带贴片层，金属层中心位置设有矩形缝隙；馈电微带输入的能量由矩形缝隙耦合，经过第三层工字形金属谐振结构介质层，最后激励到微带贴片层；第三层工字形金属谐振结构介质层由三维工字形金属谐振结构周期排列组成，每个三维工字形金属谐振结构包括1个金属圆柱，以及分别位于第三层工字形金属谐振结构介质层上、下表面的2个矩形金属贴片。本实用新型保证了天线的增益及工作带宽，能够实现圆极化辐射，并具有电大尺寸，降低了加工难度。

Description

一种基于工字形结构加载的电大圆极化微带贴片天线

技术领域

本实用新型涉及微带天线技术领域，特别是一种基于工字形结构加载的具有电大谐振特性的圆极化微带贴片天线。

背景技术

目前，个人通信、无线局域网等无线通信系统对终端设备的功能提出了更高的数据传输速率以及带宽要求，作为系统终端必不可少的天线也被赋予了新的重任。传统的微波频段频谱资源越来越紧张，因此对毫米波和亚毫米波等高频段频谱资源的开发利用得到了越来越多的关注，成为行业的新发展点，在通信、雷达、制导、遥感技术和射电天文等领域有着广泛的应用前景。然而在毫米波和亚毫米波频段，频率高，波长短，受半波长谐振尺寸限制，天线面临尺寸过小、容差率不高、制造成本昂贵等问题。为了有效解决上述高频天线面临的问题，平面电大尺寸天线得以提出。在保证传统低剖面优势的前提下，天线的电尺寸能够突破传统的半波长谐振尺寸限制，使得谐振尺寸变大。相比于低频天线，小型化能够降低加工成本，便于安装测试，在毫米波、亚毫米波高频段，将天线做大才能够满足目前通信加工、安装、测试和成本的需求。可见，电大天线已成为新的研究热点。

在现代通信系统中，圆极化天线相比于线极化天线具有独特的优势。一方面，圆极化波的旋转特性使得其具有抑制雨雾干扰的能力，这在雷达探测中具有潜在的价值；另一方面，在电子侦察和干扰等应用中普遍采用圆极化天线工作，是因为圆极化接收天线可以接收任意极化的电磁波，其辐射的波也可以被任意极化的天线接收。此外，圆极化波的极化正交性使得圆极化天线在极化分集和电子对抗等系统中应用广泛。目前有基于PCB工艺的具有电大谐振特性平面天线的相关最新报道，其中有的可以适用毫米波频段，然而只是实现了线极化的电大谐振特性，尚未实现电大谐振天线的圆极化辐射特性，限制了电大谐振天线的应用范围。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于工字形结构加载的电大圆极化微带贴片天线，保证天线的增益及工作带宽，并具有电大尺寸、加工难度低。

实现本实用新型目的的技术解决方案为：一种基于工字形结构加载的电大圆极化微带贴片天线，包括从下到上层叠设置的馈电微带、第一层介质基片、金属层、第二层介质基片、第三层工字形金属谐振结构介质层、第四层介质基片和微带贴片层；

所述金属层中心位置设有矩形缝隙；馈电微带输入的能量由矩形缝隙耦合，然后经过第三层工字形金属谐振结构介质层，最后激励到微带贴片层，产生有效辐射。

进一步地，所述第三层工字形金属谐振结构介质层由三维工字形金属谐振结构周期排列组成，每个三维工字形金属谐振结构包括1个金属圆柱和2个大小相同的第一矩形金属贴片、第二矩形金属贴片，所述第一矩形金属贴片位于第三层工字形金属谐振结构介质层的下表面，第二矩形金属贴片位于第三层工字形金属谐振结构介质层的上表面。

进一步地，所述第三层工字形金属谐振结构介质层中周期性排列的三维工字形金属谐振结构，基于第三层工字形金属谐振结构介质层中心旋转45°，即每行、每列三维工字形金属谐振结构所在直线与第三层工字形金属谐振结构介质层的边线呈45°夹角。

进一步地，所述的第一层介质基片、第二层介质基片、第三层工字形金属谐振结构介质层和第四层介质基片采用相同的材料，所述第一层介质基片、第二层介质基片和第四层介质基片的厚度相等，所述第三层工字形金属谐振结构介质层的厚度大于第一层介质基片、第二层介质基片和第四层介质基片。

进一步地，所述的微带贴片层为10mm宽10mm的正方形。

进一步地，所述的第一层介质基片、金属层、第二层介质基片、第三层工字形金属谐振结构介质层和第四层介质基片均为长15mm、宽15mm的正方形。

进一步地，所述的矩形缝隙长度为3.5mm，宽度为0.2mm。

进一步地，所述金属圆柱半径为0.25mm；所述第一矩形金属贴片和第二矩形金属贴片长为1.6mm，宽为1.4mm。

进一步地，所述第一层介质基片、第二层介质基片和第四层介质基片的厚度为0.5mm，第三层工字形金属谐振结构介质层的厚度为2mm。

本实用新型与现有技术相比，其显著优点为：(1)在传统微带贴片天线的基础上，通过在微带贴片辐射层和馈电层中间加载人工电磁结构，使得等效电磁参数满足电大谐振条件，将原有的低频基模谐振模式搬移到高频谐振，使传统微带天线具有电大谐振的特性，具有电大尺寸，降低了加工、安装和测试难度；(2)通过旋转工字形加载谐振结构的位置，并控制工字形谐振结构上下金属贴片的尺寸，使得耦合缝隙能够激励起相互正交的等幅相差90°的分量，在保证天线电大谐振的同时，实现圆极化波的辐射，具有移动性、抗雨雾干扰、抗多径反射的优点；(3)通过将矩形缝隙耦合馈电设置于金属层的中心位置，确保了边射辐射的最大化，保证了天线的增益及工作带宽。

附图说明

图1为本实用新型基于工字形结构加载的电大圆极化微带贴片天线的结构示意图。

图2为本实用新型的侧视图。

图3为本实用新型中的工字形单元三维结构图。

图4为本实用新型实施例中的反射曲线图。

图5为本实用新型实施例中的增益曲线图。

图6为本实用新型实施例中的轴比曲线图。

图7为本实用新型实施例中的XOZ面辐射方向图。

图8为本实用新型实施例中的YOZ面辐射方向图。

图中标号：1、馈电微带；2、第一层介质基片；3、金属层；4、矩形耦合缝隙；5、第二层介质基片；6、第三层金属工字形谐振结构介质层；7、第四层介质基片；8、矩形微带贴片；9、第一矩形金属贴片；10、金属圆柱；11、第二矩形金属贴片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

结合图1、图2、图3，本实用新型一种基于工字形结构加载的电大圆极化微带贴片天线，包括从下到上层叠设置的馈电微带1、第一层介质基片2、金属层3、第二层介质基片5、第三层工字形金属谐振结构介质层6、第四层介质基片7和微带贴片层8；

所述金属层3中心位置设有矩形缝隙4；馈电微带1输入的能量由矩形缝隙4耦合，然后经过第三层工字形金属谐振结构介质层6，最后激励到微带贴片层8，产生有效辐射。

进一步地，所述第三层工字形金属谐振结构介质层6由三维工字形金属谐振结构周期排列组成，每个三维工字形金属谐振结构包括1个金属圆柱10和2个大小相同的第一矩形金属贴片9、第二矩形金属贴片11，所述第一矩形金属贴片9位于第三层工字形金属谐振结构介质层6的下表面，第二矩形金属贴片11位于第三层工字形金属谐振结构介质层6的上表面。

进一步地，所述第三层工字形金属谐振结构介质层6中周期性排列的三维工字形金属谐振结构，基于第三层工字形金属谐振结构介质层6中心旋转45°，即每行、每列三维工字形金属谐振结构所在直线与第三层工字形金属谐振结构介质层6的边线呈45°夹角。

进一步地，所述的第一层介质基片2、第二层介质基片5、第三层工字形金属谐振结构介质层6和第四层介质基片7采用相同的材料，所述第一层介质基片2、第二层介质基片5和第四层介质基片7的厚度相等，所述第三层工字形金属谐振结构介质层6的厚度大于第一层介质基片2、第二层介质基片5和第四层介质基片7。

作为一种优选实施方式，所述的微带贴片层8为10mm宽10mm的正方形，所述的第一层介质基片2、金属层3、第二层介质基片5、第三层工字形金属谐振结构介质层6和第四层介质基片7为长15mm宽15mm的正方形。

作为一种优选实施方式，所述的矩形缝隙4位于金属层3的中心位置，矩形缝隙4长度为3.5mm，宽度为0.2mm。

作为一种优选实施方式，所述的第一层介质基片2、第二层介质基片5、第三层工字形金属谐振结构介质层6和第四层介质基片7的介质基片选用相同的材料，第一层介质基片2、第二层介质基片5和第四层介质基片7的介质基片厚度为0.5mm，第三层工字形金属谐振结构介质层6的介质基片厚度为2mm。

作为一种优选实施方式，第三层工字形金属谐振结构介质层6由6×6共36个三维工字形金属谐振结构周期排列组成，每个三维工字形金属谐振结构由1个金属圆柱10和2个大小相同的第一矩形金属贴片9、第二矩形金属贴片11组成，所述第一矩形金属贴片9位于第三层工字形金属谐振结构介质层6的下表面，第二矩形金属贴片11位于第三层工字形金属谐振结构介质层6的上表面。

作为一种优选实施方式，所述金属圆柱10半径为0.25mm；所述第一矩形金属贴片9和第二矩形金属贴片11长为1.6mm，宽为1.4mm。

作为一种优选实施方式，所述第三层工字形金属谐振结构介质层6中的三维工字形金属谐振周期结构，基于第三层工字形金属谐振结构介质层6中心旋转45°。通过旋转工字形加载谐振结构的位置，并控制工字形谐振结构上下金属贴片的尺寸，使得耦合缝隙能够激励起相互正交的等幅相差90°的分量。

本发明具有电大谐振特性的圆极化微带贴片天线，工作过程如下：

天线的能量由馈电微带1馈入，在馈电微带1和矩形缝隙4的交叉位置发生能量耦合，能量由第一层介质基片2耦合到第二层介质基片5、第三层工字形金属谐振结构介质层6和第四层介质基片7中，而后通过微带贴片8辐射出去。由于第三层工字形金属谐振结构介质层6，使得等效电磁参数满足电大谐振条件，将原有的低频基模谐振模式搬移到高频谐振，使传统微带天线具有电大谐振的特性。调节第三层工字形金属谐振结构介质层6的工字形周期单元的结构参数，就能够改变媒质的等效电磁参数，进而改变单元之间的耦合效应，也就可以调整高阶模式的谐振频率。

调节矩形缝隙4中缝隙的长度以及缝隙的宽度，即可调节天线的馈电性能，实现宽带匹配效果，从而实现电磁波的辐射。将矩形缝隙4设置在金属层3的中间位置，可以确保天线的边射辐射的最大化，明显改善天线的增益。

通过旋转工字形金属谐振结构的位置，并控制工字形金属谐振结构中第一矩形金属贴片9、第二矩形金属贴片11的尺寸，使得耦合缝隙4能够激励起相互正交的等幅相差90°的分量，在保证天线电大谐振的同时，实现圆极化波的辐射。

调整馈电微带1的宽度，使其满足在工作频率下具有50欧姆的输入阻抗特性；馈电微带1的长度需要根据天线的工作频段进行匹配。

实施例1

结合图1、图2、图3，本实施例提供了一种谐振频率在27.2GHz的具有电大谐振特性的微带贴片天线，包括从下到上层叠设置的馈电微带1、第一层介质基片2、金属层3、第二层介质基片5、第三层工字形金属谐振结构介质层6、第四层介质基片7和微带贴片层8；所述金属层3中心位置设有矩形缝隙4；

进一步地，所述的微带贴片层8为10mm宽10mm的正方形，所述的第一层介质基片2、金属层3、第二层介质基片5、第三层工字形金属谐振结构介质层6和第四层介质基片7为长15mm宽15mm的正方形。

进一步地，所述的矩形缝隙4位于金属层3的中心位置，矩形缝隙4长度为3.5mm，宽度为0.2mm。

进一步地，所述的第一层介质基片2、第二层介质基片5、第三层工字形金属谐振结构介质层6和第四层介质基片7的介质基片选用相同的材料，第一层介质基片2、第二层介质基片5和第四层介质基片7的介质基片厚度为0.5mm，第三层工字形金属谐振结构介质层6的介质基片厚度为2mm。

进一步地，第三层工字形金属谐振结构介质层6由6×6共36个三维工字形金属谐振结构周期排列组成，每个三维工字形金属谐振结构由1个金属圆柱10和2个大小相同的第一矩形金属贴片9、第二矩形金属贴片11组成，所述第一矩形金属贴片9位于第三层工字形金属谐振结构介质层6的下表面，第二矩形金属贴片11位于第三层工字形金属谐振结构介质层6的上表面。

进一步地，所述金属圆柱10半径为0.25mm；所述第一矩形金属贴片9和第二矩形金属贴片11长为1.6mm，宽为1.4mm。

进一步地，所述第三层工字形金属谐振结构介质层6中的三维工字形金属谐振周期结构，基于第三层工字形金属谐振结构介质层6中心旋转45°。

结合图4、图5、图6、图7和图8，本实施例中一种谐振频率在27.2GHz的具有电大谐振特性的微带贴片天线，相对于传统的未加载人工电磁结构的微带贴片天线的6.3GHz谐振频率，谐振频率提高了约4.3倍，同时本实施例所述天线的最大增益能够达到10dBic，最低轴比达到0.77dB，具有明显的边射辐射特性，且交叉极化水平良好。

本实用新型实现了基于工字形结构加载的具有电大谐振特性的圆极化平面天线，工作频段接近毫米波30GHz频段，在未来通信系统中有潜在的应用需求和前景。

Claims (9)

1.一种基于工字形结构加载的电大圆极化微带贴片天线，其特征在于，包括从下到上层叠设置的馈电微带(1)、第一层介质基片(2)、金属层(3)、第二层介质基片(5)、第三层工字形金属谐振结构介质层(6)、第四层介质基片(7)和微带贴片层(8)；

所述金属层(3)中心位置设有矩形缝隙(4)；馈电微带(1)输入的能量由矩形缝隙(4)耦合，然后经过第三层工字形金属谐振结构介质层(6)，最后激励到微带贴片层(8)，产生有效辐射。

2.根据权利要求1所述的基于工字形结构加载的电大圆极化微带贴片天线，其特征在于，所述第三层工字形金属谐振结构介质层(6)由三维工字形金属谐振结构周期排列组成，每个三维工字形金属谐振结构包括1个金属圆柱(10)和2个大小相同的第一矩形金属贴片(9)、第二矩形金属贴片(11)，所述第一矩形金属贴片(9)位于第三层工字形金属谐振结构介质层(6)的下表面，第二矩形金属贴片(11)位于第三层工字形金属谐振结构介质层(6)的上表面。

3.根据权利要求1或2所述的基于工字形结构加载的电大圆极化微带贴片天线，其特征在于，所述第三层工字形金属谐振结构介质层(6)中周期性排列的三维工字形金属谐振结构，基于第三层工字形金属谐振结构介质层(6)中心旋转45°，即每行、每列三维工字形金属谐振结构所在直线与第三层工字形金属谐振结构介质层(6)的边线呈45°夹角。

4.根据权利要求1或2所述的基于工字形结构加载的电大圆极化微带贴片天线，其特征在于，所述的第一层介质基片(2)、第二层介质基片(5)、第三层工字形金属谐振结构介质层(6)和第四层介质基片(7)采用相同的材料，所述第一层介质基片(2)、第二层介质基片(5)和第四层介质基片(7)的厚度相等，所述第三层工字形金属谐振结构介质层(6)的厚度大于第一层介质基片(2)、第二层介质基片(5)和第四层介质基片(7)。

5.根据权利要求1或2所述的基于工字形结构加载的电大圆极化微带贴片天线，其特征在于，所述的微带贴片层(8)为10mm宽10mm的正方形。

6.根据权利要求1或2所述的基于工字形结构加载的电大圆极化微带贴片天线，其特征在于，所述的第一层介质基片(2)、金属层(3)、第二层介质基片(5)、第三层工字形金属谐振结构介质层(6)和第四层介质基片(7)均为长15mm、宽15mm的正方形。

7.根据权利要求1或2所述的基于工字形结构加载的电大圆极化微带贴片天线，其特征在于，所述的矩形缝隙(4)长度为3.5mm，宽度为0.2mm。

8.根据权利要求2所述的基于工字形结构加载的电大圆极化微带贴片天线，其特征在于，所述金属圆柱(10)半径为0.25mm；所述第一矩形金属贴片(9)和第二矩形金属贴片(11)长为1.6mm，宽为1.4mm。

9.根据权利要求4所述的基于工字形结构加载的电大圆极化微带贴片天线，其特征在于，所述第一层介质基片(2)、第二层介质基片(5)和第四层介质基片(7)的厚度为0.5mm，第三层工字形金属谐振结构介质层(6)的厚度为2mm。