高增益低剖面圆极化天线的制作方法

1.本实用新型涉及通信用天线技术领域，尤其涉及一种高增益低剖面圆极化天线。


背景技术：

2.天线作为无线通信系统中有效发射和接收电磁波的前端部件，主要用来完成电磁波与导行波之间的相互转换，其性能的优劣会直接影响到整个系统的通信效果。天线的种类繁多，针对不同的功和应用环境的通信系统，天线需要选择合适的结构和符合系统技术要求的辐射性能。
3.无论是在民用还是军事应用领域中，人们对通信系统的机动性，灵活性和集成度的要求越来越高。低剖面天线以其风阻小，剖面低，易于与载体共形等特点，在现代无线通信系统的应用中的到了更多的青睐。民用方面，各种移动载体，例如车辆、飞机、船舶等都需要部署通信系统，低剖面天线能够在保持载体原有结构的基础上与载体共形部署，这无疑大大降低了通信系统的部署成本和难度。另外，低剖面天线的风载面积很低，可以降低现代通信基站的铁塔的强度要求，降低建设成本，同时也便于通信系统的安装和运输，十分有效地加快通信系统的部署速度。
4.微带天线是一类经典的天线结构，已经被广泛应用到各个不同的领域。传统的微带天线包含顶层微带贴片、中间介质层以及底部金属地，往往采用微带线或者同轴线进行馈电。金属地可视为理想电壁，电磁波入射以后将产生180
°
相位反转。为了最大限度提高增益，金属地距离微带贴片的距离大约在四分之一个工作波长。因为顶部微带贴片的背向辐射经金属地反射再回到原始位置，经过半个波长的波程，再加上180
°
的相位反转，刚好可以与顶部微带贴片的正向辐射进行同向叠加。然而，在工作频率较低的时候，四分之一波长往往较大，会导致该类天线剖面较高，无法在某些环境下的使用，应用范围受限。对此，现有技术中往往使用高阻抗表面来代替传统金属地。高阻抗表面是一种能够实现电磁波同相位反射的人工超结构。这样一来，在微带贴片与高阻抗表面之间的距离可以远远小于四分之一个工作波长，从而实现天线剖面的降低。然而在现有的技术中，基于高阻抗表面的低剖面微带天线往往只在中心频率处具有较好的增益特性，偏离中心频率时，天线的增益衰减很快。换言之，这类天线在工作频带内增益不够稳定，受频率影响较大。此外，现有技术中所报道的基于高阻抗表面的低剖面微带天线往往是单一的线极化形式，而对于圆极化天线的报道较少。


技术实现要素：

5.本实用新型所要解决的技术问题是如何提供一种在工作频段内增益性能稳定的高增益低剖面圆极化天线。
6.为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种高增益低剖面圆极化天线，其特征在于：包括位于顶部的圆极化贴片，位于中间的复合介质高阻抗表面阵列以及位于底部的金属背板；所述圆极化贴片包括贴片介质层，所述贴片介质层的上表面形成
有第一扇形贴片、第二扇形贴片、第三扇形贴片和第四扇形贴片，且所述第一扇形贴片、第二扇形贴片、第三扇形贴片和第四扇形贴片之间不相互接触，贴片介质层靠近中心的位置设置有四个馈电同轴线，所述馈电同轴线竖直设置，每个馈电同轴线的上端分别与一个对应的所述扇形贴片电连接，所述馈电同轴线的另一端穿过所述贴片介质层延伸到所述贴片介质层的下表面的外侧；所述复合介质高阻抗表面阵列包括复合介质层以及若干个位于所述复合介质层上表面的圆形金属贴片，靠近所述复合介质层中心的位置形成有四个圆形开孔，且所述四个圆形开孔贯穿所述复合介质层，每个圆形金属贴片对应一个金属化通孔，所述金属化通孔的上端与圆形金属贴片连接，所述金属化通孔的下端通过所述复合介质层后与所述金属背板连接。
7.进一步的技术方案在于：所述复合介质层包括位于下侧的第三介质材料层，位于中间的第二介质材料层以及位于上侧的第一介质材料层。
8.进一步的技术方案在于：每个所述圆形金属贴片、以及每个所述圆形金属贴片下侧的部分复合介质层以及复合介质层下侧的部分金属背板、以及金属化通孔构成一个复合介质高阻抗表面单元，所述金属背板的上表面形成有第三介质材料层，所述第三介质材料层的上表面形成有第二介质材料层，所述第二介质材料层的上表面形成有第一介质材料层，所述第一介质材料层的上表面形成有圆形金属贴片，所述圆形金属贴片与所述金属背板之间通过贯穿所述第一介质材料层第二介质材料层以及第三介质材料层的金属化通孔进行互联。
9.进一步的技术方案在于：每个所述复合介质高阻抗表面单元中圆形金属贴片的直径小于所述第一介质材料层的直径，每个所述复合介质高阻抗表面单元中所述金属背板、第一介质材料层第二介质材料层以及第三介质材料层的直径相等。
10.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中采用0
°
、90
°
、180
°
、270
°
连贯的相位馈电方式，可以保证辐射贴片之间稳定的相位关系，有利于实现较大的轴比带宽；采用复合介质高阻抗表面阵列，使得天线剖面远低于四分之一个工作波长，而且天线在工作频段内保持了稳定的增益特性；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。
附图说明
11.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。
12.图1是本实用新型实施例中所述极化天线的分解结构示意图；
13.图2a是本实用新型实施例所述极化天线的剖视结构示意图；
14.图2b是图2a中a部的放大结构示意图；
15.图3a-3d是本实用新型实施例所述极化天线中圆极化贴片的结构示意图；
16.图3e是图3d中b部的放大结构示意图；
17.图4a-4d是本实用新型实施例所述极化天线中复合介质高阻抗表面阵列的结构示意图；
18.图4e是图4d中c部的放大结构示意图；
19.图5a-5d是本实用新型实施例所述极化天线中金属背板的结构示意图；
20.图5e是图5d中d部的放大结构示意图；
21.图6a-6d是本实用新型实施例所述极化天线中复合介质高阻抗表面单元的结构示意图；
22.图6e是图6d中e部的放大结构示意图；
23.图7为本实用新型实施例中所述复合介质高阻抗表面单元与其它不同介质高阻抗表面单元的相位特性曲线；
24.图8为本实用新型实施例所述高增益低剖面圆极化天线的s11特性曲线；
25.图9为本实用新型实施例所述高增益低剖面圆极化天线的增益特性曲线；
26.图10为本实用新型实施例所述高增益低剖面圆极化天线的轴比特性曲线；
27.其中：1、圆极化贴片；101、第一扇形贴片；102、第二扇形贴片；103、第三扇形贴片；104、第四扇形贴片；105、馈电同轴线；106、贴片介质层；2、复合介质高阻抗表面阵列；201、圆形金属贴片；202、第一介质材料层；203、第二介质材料层；204、第三介质材料层；205、金属化通孔；206、圆形开孔；3、金属背板；301、环形支撑柱；4、复合介质高阻抗表面单元；。
具体实施方式
28.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。
29.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。
30.如图1所示，本实用新型实施例公开了一种高增益低剖面圆极化天线，包括位于顶部的圆极化贴片1，位于中间的复合介质高阻抗表面阵列2以及位于底部的金属背板3。
31.进一步的，如图3a-3e所示，所述圆极化贴片1包括贴片介质层106，所述贴片介质层106的制作材料可以使用现有技术中的材料进行制作，所述贴片介质层106的形状可以为圆形，也可以为三角形等形状；所述贴片介质层106的上表面形成有第一扇形贴片101、第二扇形贴片102、第三扇形贴片103和第四扇形贴片104，且所述第一扇形贴片101、第二扇形贴片102、第三扇形贴片103和第四扇形贴片104之间不相互接触，使得两两之间不能连为一体，所述扇形贴片整体结构相同；贴片介质层106靠近中心的位置设置有四个馈电同轴线105，所述馈电同轴线105竖直设置，每个馈电同轴线105的上端分别与一个对应的所述扇形贴片电连接，所述馈电同轴线105的另一端穿过所述贴片介质层106延伸到所述贴片介质层106的下表面的外侧，优选的所述圆极化贴片的整体为圆形，当然还可以为其它形状，例如三角形。
32.进一步的，如图4a-4e所示，所述复合介质高阻抗表面阵列2包括复合介质层以及若干个位于所述复合介质层上表面的圆形金属贴片201，所述圆形金属贴片201可以呈规则状分布在所述复合介质层的上表面，其圆形金属贴片201与圆形金属贴片201之间不相互接触；靠近所述复合介质层中心的位置形成有四个圆形开孔206，且所述四个圆形开孔206贯穿所述复合介质层，每个圆形金属贴片201对应一个金属化通孔205，所述金属化通孔205的
上端与圆形金属贴片201连接，所述金属化通孔205的下端通过所述复合介质层后与所述金属背板3连接，此外需要说明的是，所述金属贴片的具体形状还可以为其它形状，比如三角形。
33.优选的，所述复合介质层包括位于下侧的第三介质材料层204，位于中间的第二介质材料层203以及位于上侧的第一介质材料层202，需要说明的是，所述复合介质层中的介质材料层的具体层数还可以为四个、五个或者更多个，此外，所述第一介质材料层202、第二介质材料层203以及第三介质材料层204可以使用现有技术中的材料进行制作，在此不做赘述。
34.进一步的，如图6a-6e所示，每个所述圆形金属贴片201、以及每个所述圆形金属贴片201下侧的部分复合介质层以及复合介质层下侧的部分金属背板3、以及金属化通孔205构成一个复合介质高阻抗表面单元；所述金属背板3的上表面形成有第三介质材料层204，所述第三介质材料层204的上表面形成有第二介质材料层203，所述第二介质材料层203的上表面形成有第一介质材料层202，所述第一介质材料层202的上表面形成有圆形金属贴片201，所述圆形金属贴片201与所述金属背板3之间通过贯穿所述第一介质材料层202第二介质材料层203以及第三介质材料层204的金属化通孔205进行互联。
35.进一步的，如图6c所示，在每个所述复合介质高阻抗表面单元中，圆形金属贴片201的直径小于所述第一介质材料层202的直径，每个所述复合介质高阻抗表面单元中所述金属背板3、第一介质材料层202第二介质材料层203以及第三介质材料层204的直径相等。
36.进一步的，如图5a-5e所示，所述金属背板3靠近中心处形成有四个环形支撑柱301，所述环形支撑柱301用于穿过所述复合介质高阻抗表面阵列2后支撑所述圆极化贴片1。如图2a-2b所示，所述环形结构支撑柱301可以穿过圆形开孔206并与贴片介质层106相连，起到结构支撑的作用。圆极化贴片1采用馈电同轴线105进行馈电，馈电同轴线105穿过天线介质层106以及环形结构支撑柱301后向环形结构支撑柱301的外侧延伸。
37.图7给出了经优化设计后所述复合介质高阻抗表面与其它不同介质高阻抗表面的相位特性曲线。可以发现，空气介质高阻抗表面的相位特性是最为平稳的，但是实际使用时由于结构机械特性的要求，无法直接采用空气介质。而单一介质高阻抗表面的相位特性最为波动，这直接影响到天线的增益效果。本实用新型所述复合介质高阻抗表面的相位特性与空气介质高阻抗表面的相位特性接近，可以使得天线在工作频段内有较为稳定的增益特性。
38.图8给出了经优化设计后所述高增益低剖面圆极化天线的s11参数，可以发现该天线工作于2.35ghz附近，带宽大约120mhz。图9给出了经优化设计后所述高增益低剖面圆极化天线的增益特性曲线，可以发现该天线相比于单一介质高阻抗表面的天线而言，该天线在工作频段内有更为稳定的增益特性。图10给出了经优化设计后所述高增益低剖面圆极化天线的轴比特性曲线，该天线在工作频段内具备良好的圆极化辐射能力。
39.工作原理：
40.介质层的介电常数较低时，高阻抗表面阵列在工作频段内的相位变化较小，当介质层的介电常数较高时，高阻抗表面阵列在工作频段内的相位变化较大。理论上，采用真空作为介质，那么高阻抗表面的相位特性是最为平稳的。但是实际使用中，这并不现实。对此，本实用新型采用了高低介电常数交替层叠的复合介质结构。通过图7的分析表明，该结构确
实具有稳定的相位特性，使得所述天线增益在工作频段内不会大幅度波动。因此，本实用新型所述天线在具备低剖面的同时还具备稳定的增益特性。
41.此外，要实现圆极化辐射需要有一对正交、等幅并且相位差为90
°
的信号。对此，采用了四个扇形贴片作为辐射单元，并依次通过同轴线进行0
°
、90
°
、180
°
、270
°
相位馈电，如图3a-3e所示。相对的两个扇形贴片可以视为一组偶极子天线。因此，整个天线结构中存在两组偶极子天线。二者之间存在正交、等幅并且相位差为90
°
的特性，因此产生了圆极化辐射。