CN218919282U - 低剖面宽带圆极化天线及其阵列 - Google Patents

Abstract

本实用新型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，所述天线采用同轴偏馈的形式进行馈电。所述天线在具备宽频阻抗匹配的同时还兼具宽频圆极化的特点，且天线极化可调，使用方便。

Description

低剖面宽带圆极化天线及其阵列

技术领域

本实用新型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

社会的信息化技术飞速发展，无线通信在生活中的各方面都凸显出越来越重要的作用。通信服务已经从早期的语音和文字信号发展为图像和视频等各种多媒体信号，随着科技水平的不断进步以及各种智能设备的不断升级，人们对无线通信系统的各类需求也越来越高，但是频谱资源却越来越有限。

天线在无线通信系统中扮演者重要的角色，它是发射和接收信号的重要工具，其性能好坏直接影响到整个系统的质量以及通信的效率。天线的种类多种多样，按照天线的结构分类，可分为微带天线、喇叭天线和八木天线等。其中微带天线由于其剖面低并且尺寸小，能够减小空间的占用，在无线通信领域中有着重要的应用。同时微带天线加工简单并且容易集成，这在无线通信系统中有着显著的优势。但是，微带天线存在着一个较大的问题，那就是其带宽比较窄，这也是限制其在宽带场景中应用的主要因素。

提升微带天线的带宽往往可以采用耦合馈电、缝隙加载、寄生贴片、层叠结构、分形设计、互补设计等多种途径。此外，作为一种新兴的人工电磁结构，近些年来超表面在宽带天线的设计中也得到了较为广泛的使用。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。

圆极化微带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。文献“Metasurface Superstrate Antenna With Wideband CircularPolarization for Satellite Communication Application,IEEE Antennas&WirelessPropagation Letters,2016”中报道了一种用于C波段卫星通信的宽带超表面圆极化天线。源天线是倾斜缝隙耦合天线，产生椭圆极化波，而加载4×3矩形超表面贴片单元后，天线阻抗带宽扩展到33.7％，而3dB轴比仅为16.5％。

类似的，文献“Low-Profile Broadband Circularly Polarized Patch AntennaUsing Metasurface,IEEE Transactions on Antennas&Propagation,2015”中也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该天线的阻抗带宽。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％。通过调研，实用新型人发现当前的技术虽然可以有效提高微带天线的阻抗带宽，但大多情况下其轴比带宽仍然有限，这极大限制了天线的使用。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十分必要。

实用新型内容

本实用新型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的特点，且天线极化可调的低剖面宽带圆极化天线及其阵列。

为解决上述技术问题，本实用新型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；

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；

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；

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的一个侧边上设置有一条馈线，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均匀的形成有若干个六边形孔，所述六边形辐射贴片外侧的每条侧边上还设置有一条L型枝节，通过改变L形枝节的尺寸可以有效调节天线的圆极化特性。

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相邻的两个侧边上各设置有一条馈线，所述馈线偏离所述六边形辐射贴片的中轴线设置，两个所述同轴连接器的同轴内导体分别与所述馈线连接，所述六边形辐射贴片内均匀的形成有若干个六边形孔，所述六边形辐射贴片的每条侧边上各设置有两条向外延伸的第一枝节，每条侧边上的两个第一枝节上各设置有一个有源器件，通过所述有源器件与第二枝节连接，同一侧边上的两个第一枝节、两个有源器件以及一个第二枝节构成矩形的封闭结构，通过控制有源器件的通断来实现对天线极化特性的调控。

进一步的技术方案在于：所述超表面包括若干个贴片型超表面单元和若干个环型超表面单元，所述环型超表面单元处在中心位置，贴片型超表面单元环绕在四周。

进一步的技术方案在于：所述贴片型超表面单元包括矩形贴片，所述矩形贴片的每条边上设置有一个第一金属条，所述第一金属条的外侧形成有一个第二金属条，所述第一金属条的长度小于所述矩形贴片的长度，所述第二金属条的长度大于所述第一金属条的长度。

进一步的技术方案在于：所述环型超表面单元包括矩形环，所述矩形环内侧的四个角处各设置有一个矩形小贴片，每个所述矩形小贴片上各设置有一条第三金属条和第四金属条，所述第三金属条和第四金属条之间的夹角为90°。

本实用新型还公开了一种低剖面宽带圆极化天线阵列，包括若干个所述的低剖面宽带圆极化天线，其特征在于：所述天线阵列中低剖面宽带圆极化天线呈阵列状排列。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本实用新型所述天线集偏馈、六边形分形结构、复合超表面等多种结构形式于一体，实现了对微带天线驻波带宽及轴比带宽的有效展宽；利用超表面的表面波谐振特性，可以有效展宽微带天线的带宽。而相比单一形式的超表面，本实用新型采用复合超表面能够激发多个频段的表面波谐振，具有更好的带宽展宽效果；通过有源器件的引入，实现了对圆极化特性的调控，该方法简便有效；本实用新型所述天线结构简单紧凑，设计过程简单，剖面低，重量轻，便于无线通信系统结构共形，加工工艺成熟，可靠性高，应用范围广；基于微带板加工工艺，可以一体化加工，而不是对单元进行独立加工再拼接，可以保证加工精度，并且能够降低加工成本。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1为本实用新型实施例一所述低剖面宽带圆极化天线三维结构爆炸图；

图2为本实用新型实施例一所述低剖面宽带圆极化天线的一二层结构爆炸图；

图3为本实用新型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；

图4为本实用新型实施例一所述低剖面宽带圆极化天线的三四层结构爆炸图；

图5为本实用新型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；

图6为本实用新型实施例一所述低剖面宽带圆极化天线的五六层结构爆炸图；

图7为本实用新型实施例一所述低剖面宽带圆极化天线的五六层结构俯视图；

图8为本实用新型实施例一所述天线中贴片型超表面单元的结构示意图；

图9为本实用新型实施例一所述天线中环型超表面单元示的结构示意图；

图10为本实用新型实施例二所述低剖面宽带圆极化天线的三维结构爆炸图；

图11为本实用新型实施例二所述低剖面宽带圆极化天线的一二层结构俯视图；

图12为本实用新型实施例二所述低剖面宽带圆极化天线的三四层结构爆炸图；

图13为本实用新型实施例二所述低剖面宽带圆极化天线的三四层结构俯视图；

图14为本实用新型实施例一和实施例二所提供的两种天线的S11特性曲线；

图15为本实用新型实施例一和实施例二所提供的两种天线的轴比特性曲线；

图16为基于实施例一天线单元所构建的4×4天线阵列；

图17为基于实施例二天线单元所构建的4×4天线阵列。

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、馈线；402、六边形辐射贴片；403、六边形孔；404、L型枝节；405、第一枝节；406、有源器件；407、第二枝节；5、第二介质层，6、超表面；601、贴片型超表面单元；601-1、矩形贴片；601-2、第二金属条；601-3、第一金属条；602、环型超表面单元；602-1、矩形环；602-2、矩形小贴片；602-3、第三金属条；602-4、第四金属条。

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型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实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例一

如图1所示，本实用新型实施例公开了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，所述天线采用同轴偏馈的形式进行馈电同轴连接器1处在偏离中轴线的位置，该设计是为了配合上方辐射贴片所采用的偏馈。

进一步的，如图1-图3所示，本申请中所述同轴连接器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。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。同轴内导体102穿过金属地板2上的介质材料插入孔201向上方传输电磁信号，介质材料插入孔201的直径与介质材料101的直径相等。

进一步的，如图4所示，本申请中，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。

进一步的，如图5所示，所述辐射贴片4的主体结构为六边形辐射贴片402，所述六边形辐射贴片402的直径为半个介质波长，所述六边形辐射贴片402的外侧的一个侧边上设置有一条馈线401，所述馈线401偏离所述六边形辐射贴片402的中轴线设置，馈线401的外侧为梯形渐变结构，梯形渐变馈线偏离中轴线，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，同时采用渐变形式的馈线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401连接，所述六边形辐射贴片402内均匀的形成有若干个六边形孔403，六边形孔整体上呈现一种分形结构，具备自相似性，使得该天线的辐射特性具有周期复制性，在一定程度上可以改善天线的带宽。所述六边形辐射贴片402外侧的每条侧边上还设置有一条L型枝节404，通过改变L形枝节的尺寸可以有效调节天线的圆极化特性。

进一步的，如图6和图7所示，本申请中所述超表面6包括若干个贴片型超表面单元601和若干个环型超表面单元602，所述环型超表面单元602处在中心位置，贴片型超表面单元601环绕在四周。传统超表面宽频带微带天线的设计中仅采用单一单元形式的超表面，仅能激发一种频段的表面波谐振。而复合超表面包含两种单元形式，具备产生两种频段表面波谐振的能力。因此，本实用新型所述复合超表面的设计相比传统设计而言，可以进一步提升天线的阻抗及轴比带宽。

进一步的，如图8所示，所述贴片型超表面单元601包括矩形贴片601-1，所述矩形贴片601-1的每条边上设置有一个第一金属条601-3，所述第一金属条601-3的外侧形成有一个第二金属条601-2，所述第一金属条601-3的长度小于所述矩形贴片601-1的长度，所述第二金属条601-2的长度大于所述第一金属条601-3的长度。

进一步的，如图9所示，所述环型超表面单元602包括矩形环602-1，所述矩形环602-1内侧的四个角处各设置有一个矩形小贴片602-2，每个所述矩形小贴片602-2上各设置有一条第三金属条602-3和第四金属条602-4，所述第三金属条602-3和第四金属条602-4之间的夹角为90°。

该天线采用同轴偏馈的形式对辐射贴片进行馈电，同时在六边形贴片的六边还加载了L形枝节。偏馈及L形枝节加载使得天线具备了产生圆极化辐射的能力。此外，在辐射贴片的上方还加载了一层复合超表面结构。该复合超表面包含两种基本单元，相较于传统的单一形式的超表面，采用多个不同单元构成的复合超表面在带宽展宽上更具优势。

基于上述结构的低剖面宽带圆极化天线的-10dB阻抗带宽覆盖5.3GHz-10.9GHz，相对阻抗带宽达到69.1％，而3dB轴比带宽覆盖5.6GHz-7.6GHz，相对轴比带宽达到30.3％。整体性能优于目前所报道的同类型微带圆极化天线

实施例二

上述实施例一提供了一种低剖面宽带圆极化天线，实施例二将在实施例一天线结构的基础上进一步改进，得到一种低剖面宽带可重构双圆极化天线，该设计可以进一步拓展天线的功能。

如图10-图13为本实用新型实施例二所提供的一种低剖面宽带可重构双圆极化天线的相关结构示意图。相比于实施例一，实施例二的天线有两个同轴连接器1，且辐射贴片4的结构与实施例一不同。

进一步的，如图12所示，整个辐射贴片的几何构型关于六边形辐射贴片的对角线呈现轴对称的特点。所述辐射贴片4的主体结构为六边形辐射贴片402，所述六边形辐射贴片402的直径为半个介质波长，所述六边形辐射贴片402的外侧相邻的两个侧边上各设置有一条馈线401，两条所述馈线401偏离所述六边形辐射贴片402的中轴线设置，两个所述同轴连接器1的同轴内导体102分别与所述馈线401连接，所述六边形辐射贴片402内均匀的形成有若干个六边形孔403，所述六边形辐射贴片402的每条侧边上各设置有两条向外延伸的第一枝节405，每条侧边上的两个第一枝节405上各设置有一个有源器件406，通过所述有源器件406与第二枝节407连接，有源器件包括变容二极管、PIN二极管等，同一侧边上的两个第一枝节405、两个有源器件406以及一个第二枝节407构成矩形的封闭结构，通过控制有源器件406的通断来实现对天线极化特性的调控。

本实施例所述天线是通过控制有源器件406(变容二极管、PIN二极管等)的通断来实现对天线极化特性的调控。现简要介绍实施例二的可重构原理，当电磁信号由其中的一个同轴连接器1馈入天线时，将每个矩形的封闭结构内的一个有源器件406设置为导通状态，而每个矩形的封闭结构内的另一个有源器件设置为断开状态(通过控制源器件406的导通或断开，改变所述矩形的封闭结构的状态，使其与实施例一中L型枝节的结构类似)。此时，实施例二天线与实施例一天线产生相同旋向的圆极化辐射。当电磁信号由另一个同轴连接器1馈入所述天线时，将上述导通状态的有源器件406设置为关闭状态，并将上述断开状态的有源器件406设置为导通状态(通过控制源器件406的导通或断开，改变所述矩形的封闭结构的状态，使其与实施例一中L型枝节的结构相反)，此时，实施例二天线产生与实施例一天线相反旋向的圆极化辐射。

图14给出了实施例一所述天线的S11特性曲线和实施例二所述天线两种工作状态下的S11特性曲线。实施例一所述天线的-10dB阻抗带宽覆盖5.3GHz-10.9GHz，相对阻抗带宽达到69.1％，在整个频带内存在多个谐振点，这主要得益于分形结构及复合超表面结构的采用。实施例二所述天线在两种不同工作状态下的-10dB阻抗带宽略微向高频移动，但整体仍然呈现多谐振点的特点。

图15给出了实施例一所述天线的轴比特性曲线和实施例二所述天线两种工作状态下的轴比特性曲线。实施例所述天线的3dB轴比带宽覆盖5.6GHz-7.6GHz，相对轴比带宽达到30.3％，在整个频带内同样存在多个谐振点，这主要得益于分形结构及复合超表面结构的采用。实施例二所述天线在两种不同工作状态下的3dB轴比带宽略微展宽，整体上也仍然呈现多谐振点的特点。

实施例三

在实施例一和实施例二的基础上，本实用新型实施例三提供了基于实施例一天线单元和实施例二天线单元所构建的两种4×4天线阵列，分别如图16和图17所示。这在大规模相控阵天线中具有较大应用前景。

如图16-图17所示，一种低剖面宽带圆极化天线阵列，包括4×4所述的低剖面宽带圆极化天线，所述天线阵列中低剖面宽带圆极化天线呈阵列状排列。

综上，本实用新型所述天线集偏馈、六边形分形结构、复合超表面等多种结构形式于一体，实现了对微带天线驻波带宽及轴比带宽的有效展宽；利用超表面的表面波谐振特性，可以有效展宽微带天线的带宽。而相比单一形式的超表面，本实用新型采用复合超表面能够激发多个频段的表面波谐振，具有更好的带宽展宽效果；通过有源器件的引入，实现了对圆极化特性的调控，该方法简便有效；本实用新型所述天线结构简单紧凑，设计过程简单，剖面低，重量轻，便于无线通信系统结构共形；本实用新型所述天线为微带结构，加工工艺成熟，可靠性高，应用范围广；本实用新型所述天线的整体带宽性能远超目前所报道的圆极化微带天线；本实用新型所述天线具备扁平化的结构，在组阵应用时极为便利；实用新型所述天线阵列规模可以灵活调整，不局限于实施例三所述的4×4阵列规模；基于微带板加工工艺，所述大规模天线阵列可以一体化加工，而不是对单元进行独立加工再拼接。这种方式可以保证加工精度，并且能够降低加工成本。

Claims (7)

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），所述天线采用同轴偏馈的形式进行馈电；

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；

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；

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。

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：所述辐射贴片（4）的主体结构为六边形辐射贴片（402），所述六边形辐射贴片（402）的直径为半个介质波长，所述六边形辐射贴片（402）的外侧的一个侧边上设置有一条馈线（401），所述馈线（401）偏离所述六边形辐射贴片（402）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（401）连接，所述六边形辐射贴片（402）内均匀的形成有若干个六边形孔（403），所述六边形辐射贴片（402）外侧的每条侧边上还设置有一条L型枝节（404），通过改变 L形枝节的尺寸可以有效调节天线的圆极化特性。

3.如权利要求1所述的低剖面宽带圆极化天线，其特征在于：所述辐射贴片（4）的主体结构为六边形辐射贴片（402），所述六边形辐射贴片（402）的直径为半个介质波长，所述六边形辐射贴片（402）的外侧相邻的两个侧边上各设置有一条馈线（401），两条所述馈线（401）偏离所述六边形辐射贴片（402）的中轴线设置，两个所述同轴连接器（1）的同轴内导体（102）分别与所述馈线（401）连接，所述六边形辐射贴片（402）内均匀的形成有若干个六边形孔（403），所述六边形辐射贴片（402） 的每条侧边上各设置有两条向外延伸的第一枝节（405），每条侧边上的两个第一枝节（405）上各设置有一个有源器件（406），通过所述有源器件（406）与第二枝节（407）连接，同一侧边上的两个第一枝节（405）、两个有源器件（406）以及一个第二枝节（407）构成矩形的封闭结构，通过控制有源器件（406）的通断来实现对天线极化特性的调控。

4.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）包括若干个贴片型超表面单元（601）和若干个环型超表面单元（602），所述环型超表面单元（602）处在中心位置，贴片型超表面单元（601）环绕在四周。

5.如权利要求4所述的低剖面宽带圆极化天线，其特征在于：所述贴片型超表面单元（601）包括矩形贴片（601-1），所述矩形贴片（601-1）的每条边上设置有一个第一金属条（601-3），所述第一金属条（601-3）的外侧形成有一个第二金属条（601-2），所述第一金属条（601-3）的长度小于所述矩形贴片（601-1）的长度，所述第二金属条（601-2）的长度大于所述第一金属条（601-3）的长度。

6.如权利要求5所述的低剖面宽带圆极化天线，其特征在于：所述环型超表面单元（602）包括矩形环（602-1），所述矩形环（602-1）内侧的四个角处各设置有一个矩形小贴片（602-2），每个所述矩形小贴片（602-2）上各设置有一条第三金属条（602-3）和第四金属条（602-4），所述第三金属条（602-3）和第四金属条（602-4）之间的夹角为90°。

7.一种低剖面宽带圆极化天线阵列，包括若干个如权利要求1-6中任意一项所述的低剖面宽带圆极化天线，其特征在于：所述天线阵列中低剖面宽带圆极化天线呈阵列状排列。

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