宽频带低剖面全向圆极化天线的制作方法

本发明涉及全向圆极化天线技术领域，具体涉及宽频带低剖面全向圆极化天线。

背景技术：

圆极化天线因具有可接收任意极化波(反之亦然)、左/右旋圆极化波正交、辐射波旋转对称、能够抑制云雨干扰和抗多径反射等特点而获得广泛应用。具有全向辐射特性的圆极化更因为能够实现全方位覆盖而意义重大。然而，目前一般的全向圆极化天线，如螺旋偶极子天线、圆柱共形天线阵、背靠背天线和单极子天线等都是边射结构(broad fire)，因而需要垂直放置而占据较大空间，不能适用于很多需要低剖面结构的系统。在我们之前申请的发明专利“零阶谐振器和低剖面零阶谐振器全向圆极化天线”(申请号:201510522152.2)中介绍了一种使用零阶谐振器设计低剖面全向圆极化天线的方法。这种方法为设计低剖面的全向圆极化天线提供了一种切实可行的途径，具有重要的意义。但是，受制于零阶谐振器较高的品质因数，该发明专利申请提供的圆极化天线的频带较窄，仅有7MHz(1541-1548MHz，0.4％)，如此窄的频带限制了其在宽带系统中的应用。

技术实现要素：

本发明所要解决的是现有全向圆极化天线的频带较窄的的问题，提供宽频带低剖面全向圆极化天线。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

宽频带低剖面全向圆极化天线，包括天线本体，所述天线本体由介质基板、零阶谐振器、金属地板、辐射型馈电网络和馈电探针组成；介质基板包括上层介质基板和下层介质基板，上层介质基板和下层介质基板平行设置，上层介质基板位于下层介质基板的正上方；金属地板敷贴于下层介质基板上；零阶谐振器和辐射型馈电网络敷贴于上层介质基板上；辐射型馈电网络位于上层介质基板的中心处；零阶谐振器由2个以上的零阶谐振贴片和2个以上的零阶谐振销钉组成；零阶谐振贴片和零阶谐振销钉的数量相同；零阶谐振贴片环设在辐射型馈电网络的外侧；每个零阶谐振销钉的一端与1个零阶谐振贴片连接，另一端与金属地板连接；馈电探针的一端与辐射型馈电网络的中心连接，另一端与馈源相接；其不同之处是，还进一步包括寄生辐射器；该寄生辐射器敷贴于上层介质基板上；寄生辐射器由2个以上的寄生辐射贴片和2个以上的寄生辐射销钉组成；寄生辐射贴片和寄生辐射销钉的数量相同；寄生辐射贴片环设零阶谐振贴片的外侧；每个寄生辐射销钉的一端与1个寄生辐射贴片连接，另一端悬置。

上述方案中，根据权利要求1所述的宽频带低剖面全向圆极化天线，其特征在于：每个寄生辐射贴片均为一段圆弧；所有寄生辐射贴片首尾间隔设置，并同圆心且同半径地围成1个间断地圆环形；该圆环形的中心与辐射型馈电网络的中心重合。

上述方案中，每个零阶谐振贴片均为一段圆弧；所有零阶谐振贴片首尾间隔设置，并同圆心且同半径地围成1个间断地圆环形；该圆环形的中心与辐射型馈电网络的中心重合。

上述方案中，寄生辐射贴片与零阶谐振贴片的数量相同，且1个寄生辐射贴片对应设在1个零阶谐振贴片的径向外侧。

上述方案中，所有寄生辐射销钉均设置在上层介质基板和下层介质基板之间，且与上层介质基板和下层介质基板所处平面垂直。

上述方案中，所有零阶谐振销钉均设置在上层介质基板和下层介质基板之间，且与上层介质基板和下层介质基板所处平面垂直。

上述方案中，辐射型馈电网络由2个以上的馈电分支组成；每个馈电分支均由1条馈电圆弧和1条馈电分支线构成；馈电圆弧为一段圆弧，馈电分支线为一段传输线，馈电圆弧的一端与馈电分支线的后端连接，所有馈电分支线的前端与连接在一起，形成该辐射型馈电网络的中心。

上述方案中，零阶谐振器、寄生辐射器和辐射型馈电网络均敷贴于上层介质基板的上表面。

上述方案中，金属地板敷贴于下层介质基板的下表面。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1)在零阶谐振贴片的外围使用圆弧形的寄生辐射贴片，激励起第二个谐振频率，从而增大天线的阻抗带宽；

2)在寄生辐射贴片的一端连接垂直的销钉，增大天线的垂直辐射场，改善天线的轴比带宽；

3)在上层贴片和底层地板之间采用空气介质，降低天线Q值，从而进一步增大天线阻抗带宽；

4)采用多种技术增大天线阻抗和方向图带宽，并保持良好的轴比特性，实现宽频带的低剖面全向圆极化天线；

5)天线厚度仅为0.08λ，具有低剖面的特点；

6)适用于宽频带、低剖面、圆极化和全向辐射的系统中。

附图说明

图1是宽频带低剖面全向圆极化天线的立体图；

图2是宽频带低剖面全向圆极化天线的俯视图；

图3是宽频带低剖面全向圆极化天线的仰视图；

图4是宽频带低剖面全向圆极化天线的侧视图；

图5是天线实施例的S11曲线；

图6是天线实施例在辐射平面的轴比AR曲线；

图7是天线实施例在1.37GHz的辐射方向图；

图8是天线实施例在1.45GHz的辐射方向图；

图9是天线实施例在1.50GHz的辐射方向图；

图10是天线实施例在1.58GHz的辐射方向图。

图中标号：1-1、零阶谐振贴片；1-2、零阶谐振销钉；2-1、寄生辐射贴片；2-2、寄生辐射销钉；3-1上层介质基板；3-2下层介质基板；4、金属地板；5、辐射型馈电网络；6、馈电探针。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，本实施例在以发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。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。

宽频带低剖面全向圆极化天线，如图1-4所示，由零阶谐振器、寄生辐射器、上层介质基板3-1、下层介质基板3-2、金属地板4、辐射型馈电网络5和馈电探针6组成。

天线有3层介质，包括位于上层的上层介质基板3-1、位于中间层的空气层和位于下层的下层介质基板3-2。上层介质基板3-1和下层介质基板3-2的介电常数可任意取值，介质基板的半径为rs＝44mm，在本实施例中介质基板3-1和3-2的相对介电常数都为2.2。上层介质基板3-1用于支撑零阶谐振贴片1-1、寄生辐射贴片2-1和辐射型馈电网络5。下层介质基板3-2用于支撑金属地板4。上层介质基板3-1和下层介质基板3-2由短路销钉1-2和寄生辐射销钉2-2支撑。中间层为空气层，厚度为h1＝14mm。

零阶谐振器、寄生辐射器、金属地板4、辐射型馈电网络5和馈电探针6构成天线的功能模块。

金属地板4为圆形结构，半径为rg＝27.7mm，敷贴于下层介质基板3-2的背面。

零阶谐振器由4个零阶谐振贴片1-1和4个零阶谐振销钉1-2组成。每个零阶谐振贴片1-1均为一段圆弧。4个零阶谐振贴片1-1均敷贴于上层介质基板3-1上，并同圆心且同半径围成一圈，每2个零阶谐振贴片1-1的首端和尾端之间间隔为g1＝1mm，由此构成1个外半径为r1＝28mm，宽度为W1＝3mm的非完整间断地的圆环形。每个零阶谐振贴片1-1各设有1个零阶谐振销钉1-2，该零阶谐振销钉1-2垂直于零阶谐振贴片1-1和金属地板4所处平面，并嵌入到上层介质基板3-1与下层介质基本3-2之间的空气层中。零阶谐振销钉1-2一端与每个零阶谐振贴片1-1相连，另一端与金属地板4相连。

寄生辐射器由4个寄生辐射贴片2-1和4个寄生辐射销钉2-2构成。每个寄生辐射贴片2-1均为一段圆弧。4个寄生辐射贴片2-1均敷贴于上层介质基板3-1上且与零阶谐振贴片1-1共平面，每2个寄生辐射贴片2-1的首端和尾端之间的间隔为g2＝10mm，由此构成1个外半径为r2＝43.5mm，宽度为W2＝2mm的非完整间断地的圆环形。每个寄生辐射贴片2-1各设有1个寄生辐射销钉2-2，该寄生辐射销钉2-2垂直于寄生辐射贴片所处平面，并嵌入到上层介质基板3-1与下层介质基本3-2之间的空气层中。寄生辐射销钉2-2的一端与每个寄生辐射贴片2-1相连，另一段穿过下层介质基板3-2并悬置。

辐射型馈电网络5敷贴于上层介质基板3-1上，并位于该天线的中部。辐射型馈电网络5包括4个呈中心对称分布的馈电分支。每个馈电分支由馈电圆弧和馈电分支线构成，馈电圆弧为一段圆弧，馈电分支线为一段传输线，馈电圆弧的一端与馈电分支线的后端连接，4个馈电分支线的前端连接在一起，形成1个辐射型馈电网络5的中心。馈电分支线的宽度为W0＝0.5mm，馈电圆弧的半径为r0＝10.8mm，间距为g0＝4mm。

辐射型馈电网络5、零阶谐振贴片1-1所构成的非完整的圆环形和寄生辐射贴片2-1所构成的非完整的圆环形三者同圆心，该圆心的中心即为天线的中心。馈电探针6位于天线的中心处，垂直于馈电分支和金属地板4所处平面，并嵌入到上层介质基板3-1与下层介质基本3-2之间的空气层中。馈电探针6一端与辐射型馈电网络5的中心相连，一端穿过金属地板4与下部的馈源相接。

图5是天线实施例的S11曲线。一般，若天线在某一频段内的S11小于-10dB，则认为天线在该频段内阻抗匹配良好，该频带带宽为天线的阻抗带宽。实施例天线在1.37-1.69GHz范围内S11小于-10dB，匹配良好；因此，实施例天线具有320MHz的阻抗带宽，即20.9％的阻抗带宽(相对与中心频率1.53GHz)。

图6是天线实施例在辐射平面的轴比AR曲线。一般，若天线在某一频段内的轴比AR小于3dB，则认为天线在该频段内具有良好的圆极化特性，该频段带宽为天线的轴比带宽。实施例天线在1.26-1.58GHz范围内AR小于3dB，圆极化特性良好；因此实施例天线具有320MHz的轴比带宽，即22.5％的轴比带宽(相对与中心频率1.42GHz)。

由图5和图6可见，实施例天线在1.37-1.58GHz范围内，即具有良好的阻抗匹配，也具有良好的圆极化特性；因此天线的工作频带为210MHz，即14.2％的工作带宽。

图7、图8、图9和图10分别为天线实施例在1.37GHz、1.45GHz、1.50GHz和1.58GHz的辐射方向图。各图中A为xy面的方向图，B为xz面的方向图。由图可见，天线实施例在这几个频点的右旋圆极化波都远大于左旋圆极化波，即天线在整个频段内辐射右旋圆极化波。天线实施例在这几个频点都具有相似的方向图，即天线实施例在xy平面为全向的圆形方向图，在xz平面为哑铃形方向图。因此，天线实施例在整个频段内具有良好的全向辐射特性。天线实施例的增益在整个频段内约为1.24-1.56dBi。

本发明涉及全向圆极化天线技术领域。提供一种具有宽频带、低剖面的全向圆极化天线。本发明使用四个新型零阶谐振器组成圆环阵，获得全向辐射的圆极化波；并在用空气介质获得低的Q值从而增大带宽；同时，使用四个寄生辐射贴片组成的圆环阵进一步增大带宽，并以寄生辐射销钉改善极化特性，以使天线在较宽频段内获得良好的圆极化特性。本发明所设计的天线适用于需要低剖面全向圆极化天线的系统中。

最后应说明的是，所述实施例中的具体参数仅是为了清楚的表述发明人的发明验证过程，并非用于限制本发明的专利保护范围；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。