CN105428804B - 一种采用圆柱共形电磁带隙结构的宽波束圆极化y形-h形槽小型化圆贴片天线 - Google Patents

一种采用圆柱共形电磁带隙结构的宽波束圆极化y形-h形槽小型化圆贴片天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用圆柱共形电磁带隙结构的宽波束圆极化Y形‑H形槽小型化圆贴片天线，用以实现贴片天线小型化、展宽天线波束宽度的目标，满足卫星导航通信等应用需求；天线采用同轴馈电结构，包括辐射贴片、寄生贴片、金属地板和圆柱共形电磁带隙结构，其中辐射贴片具有Y形‑H形槽结构，位于下层介质基板，槽结构是由8个Y形槽与16个H形槽组成，寄生贴片位于上层介质基板。带有四臂L形折返线的圆柱共形电磁带隙结构垂直放置于金属地板上，环绕天线周围。本发明将小型化圆贴片天线与圆柱共形电磁带隙结构结合，具有天线尺寸小、波束宽的优点。

Description

一种采用圆柱共形电磁带隙结构的宽波束圆极化Y形-H形槽 小型化圆贴片天线
技术领域
本发明涉及一种采用圆柱共形电磁带隙结构的宽波束圆极化Y形-H形槽小型化圆贴片天线的技术领域，特别是涉及一种采用Y形槽结构和H形槽结构的贴片天线。
背景技术
随着卫星导航通信技术的飞速发展，各式的通信产品与技术也如雨后春笋般地出现。对于在通信产品中用来发射与接收信号的天线，其性能优异与尺寸大小更是直接决定着通信产品的适用领域和经济效应。
天线是用以发射或接收电磁波的一种元件，一般可从工作频率、辐射方向图(Radiation Pattern)、反射系数(Return Loss)和天线增益(Antenna Gain)等参数来获知天线的特性。现今的无线产品所使用的天线必须具有性能佳、尺寸小和成本低等特点，才能得到市场的广泛接受与肯定。贴片天线具有剖面低、重量轻、易加工、易共形安装、以及可与其它电路元件制作在同一电路等优点。由于任意极化波都可被圆极化天线接收，同时圆极化波也可被任意极化天线接收，使得圆极化天线在电子干扰、卫星通信等领域得到了广泛应用。传统贴片天线的贴片尺寸约为二分之一波长，且波束宽度不够宽，因此如何实现双圆极化、减小天线尺寸和展宽波束成为天线研发的一个重要研究方向。电磁带隙结构是一种人造的周期结构，存在明显的频率禁带特性，能够控制电磁波的传播，达到理想磁壁的效果，因此引起人们的普遍关注。
根据目前检索发现，Tzung-Wern Chiou等提出了一种紧凑型双圆极化贴片天线，采用两个矩形环状贴片实现小型化，以及两个H型缝隙耦合馈电实现双圆极化。YANG Jie等提出了一种带有折合电壁结构的宽波束圆极化天线，采用圆形贴片结构和两点馈电结构实现了圆极化，且四周围绕的立体电壁结构有效地扩展了波束宽度。Li Yang等提出了一种具有通孔结构的螺旋形电磁带隙结构，这种电磁带隙结构具有小型化特性和良好的禁带特性，水平放置于天线阵单元之间有效地降低了天线单元之间的互耦。Bell等采用电磁带隙结构代替阿基米德螺旋天线的λ/4背腔，使天线厚度压缩，同时增益和带宽基本不变。杨绍华等将电磁带隙结构应用于小型圆极化贴片天线，通过添加锯齿提高天线方向图的前后比。
发明内容
本发明所要解决的技术问题为：提供一种采用圆柱共形电磁带隙结构的具有Y形槽结构和H形槽结构的圆形贴片天线，使得天线满足小型化、圆极化和宽波束特性。
本发明采用的技术方案为：一种圆柱共形电磁带隙结构的宽波束圆极化圆形贴片天线，其结构实现如下：
第一介质基板，具有相互平行的第一表面和第二表面；
辐射贴片，位于第一介质基板的第二表面中心，所述第一介质基板及金属贴片均为圆形结构，金属贴片具有Y形槽结构和H形槽结构；
第二介质基板，平行放置于第一介质基板上方，第一介质基板与第二介质基板之间为泡沫支撑；
寄生贴片，位于第二介质基板的第三表面中心，所述第二介质基板及寄生贴片均为圆形；
第三介质基板，具有圆柱共形的第四表面和第五表面，与第一介质基板和第二介质基板共轴心环绕，并垂直放置于第一表面之上；
圆柱共形电磁带隙结构，位于第三介质基板，该介质基板具有圆柱型结构，其中第五表面上为电磁带隙结构金属接地板；具有四臂L形折返线的电磁带隙结构金属贴片周期排列于第四表面上，与第三介质基板共形。
进一步的，辐射贴片具有Y形槽结构和H形槽结构；
所述Y形槽结构具有：
对称结构，8个Y形槽关于第一介质基板的第二表面中心旋转对称，Y形槽由3个等长的直线槽组成，其中Y形槽第一直线槽一端指向第二表面中心，另一端端接第二直线槽和第三直线槽，第二直线槽和第三直线槽夹角为45°，形成Y形槽结构，以第二表面中心间隔45°旋转得到8个Y形槽结构；
所述H形槽结构具有：
对称结构，16个H形槽关于第一介质基板的第二表面中心旋转对称，且H形槽关于H形槽第一槽对称，H形槽由3种不同长度的直线槽组成，H形槽第一槽垂直于Y形槽第二直线槽，2个H形槽第二槽分别垂直并中心位于H形槽第一槽两端，2个H形槽第三槽分别垂直并中心位于H形槽第二槽两端，形成H形槽结构，1个Y形槽端接两个H形槽结构，由此得到16个H形槽结构。
进一步的，根据贴片天线的工作频率以及第三介质基板的介电常数和厚度，优化设计圆柱共形电磁带隙结构单元尺寸和四臂L形折返线结构；
进一步的，天线通过四个金属化过孔实现圆极化，四个金属化过孔均匀分布于第一介质基板第二表面的8个Y形槽结构之间；馈电同轴线内导体通过金属化过孔与第一介质基板第二表面的辐射贴片相焊接，同轴线外导体与第一介质基板第一表面的天线金属地板相焊接。
所述圆柱共形电磁带隙结构：
圆柱共形电磁带隙结构由两排阵列组成，共形的电磁带隙结构单元绕垂直于第一表面中心轴间隔22.5°旋转得到32个单元，垂直放置于第一介质基板第一表面的天线金属地板之上，第四表面上的带有四臂L形折返线结构的电磁带隙结构金属贴片单元面向圆柱内部，第五表面上的电磁带隙结构金属地板面向圆柱外侧，并与第一介质基板第一表面的天线金属地板相接；
所述四臂L形折返线结构：
四臂L形折返线具有中心对称结构，由中心正方形和4个相同的折返线结构组成，每个L形折返线由折线连接线和5种不同长度直线组成，L形折返线第一线有3个，其余4组线各有2个，其中第一线一端与中心正方形一端点相连并垂直于一边，其余4组不同长度的线，每组2个相同长度的线垂直连接，按长度由大到小的顺序由里到外依次排列，各组之间由折线连接线连接，形成一条L形折返线，以中心正方形中心旋转90°得到四臂L形折返线结构。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用Y形和H形槽结构的辐射贴片，有效减小了天线的尺寸；可供优化的天线设计参数多，设计自由度大；
(2)本发明采用圆柱共形电磁带隙结构等效理想磁壁，展宽天线的波束宽度，且四臂L形折返线结构实现了电磁带隙结构的小型化；
(3)本发明采用四点同轴馈电，便于实现双圆极化，可通过馈电网络实现天线双圆极化工作。
附图说明
图1A为本发明实例的俯视示意图；
图1B为本发明实例的侧视示意图；
图2A为本发明实例的辐射贴片示意图；
图2B为本发明实例的第二介质基板俯视示意图；
图3A为本发明实例的圆柱共形电磁带隙结构侧视示意图；
图3B为本发明实例的具有四臂L形折返线的电磁带隙结构金属贴片单元示意图；
图4为本发明实例的第一介质基板和第三介质基板结构关系图；
图5A为本发明实例的反射系数曲线；
图5B为本发明实例的轴比方向图；
图5C为本发明实例的增益方向图；
其中，附图标记含义为：
100：第一表面；
200：第一介质基板；
300：第二表面；
400：第二介质基板；
500：第三表面；
600：第三介质基板；
601：第四表面；
602：第五表面；
603：电磁带隙结构单元金属贴片；
603a：L形折返线第一线；
603b：L形折返线第二线；
603c：L形折返线第三线；
603d：L形折返线第四线；
603e：L形折返线第五线；
603f：L形折返线中心正方形；
603g：折线连接线；
301：辐射贴片；
302：Y形槽结构；
302a：Y形槽第一槽；
302b：Y形槽第二槽；
302c：Y形槽第三槽；
303：H形槽结构；
303a：H形槽第一槽；
303b：H形槽第二槽；
303c：H形槽第三槽；
501：寄生贴片；
F：金属化过孔；
F1：同轴线内导体；
F2：同轴线外导体；
R1：辐射贴片半径；
R2：寄生贴片半径；
R3：第一介质基板半径；
R4：第二介质基板半径；
H：电磁带隙结构高度；
H1：第一介质基板厚度；
H2：第二介质基板厚度；
H3：第三介质基板厚度；
H4：第一介质基板与第二介质基板距离；
Y：Y形槽第二槽长度；
W：Y型槽宽度；
W1：H形槽第一槽长度；
W2：H形槽第二槽长度；
W3：H形槽第三槽长度；
E：L形折返线宽度；
E0：L形折返线中心正方形边长；
E1：L形折返线第一线长度；
E2：L形折返线第二线长度；
E3：L形折返线第三线长度；
E4：L形折返线第四线长度；
E5：L形折返线第五线长度。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
图1A、1B，其为本发明较佳实施例的俯视和侧视示意图。图2A、2B为本发明较佳实施例中辐射贴片和第二介质基板。图3A、3B为本发明较佳实例中圆柱共形电磁带隙结构侧视示意图和具有四臂L形折返线的电磁带隙结构金属贴片单元示意图。图4为本发明实例的第一介质基板和第三介质基板结构关系图。
如图1A和1B所示，天线整体结构包括第一表面100、第一介质基板200、第二表面300、 第二介质基板400、第三表面500、第三介质基板600、第四表面601和第五表面602。厚度为H1的第一介质基板200具有相互平行的第一表面100和第二表面300；第一表面100上为天线金属地板，第二表面300上为辐射贴片301；厚度为H2的第二介质基板400平行放置于第一介质基板200上方，间距为H4，第一介质基板200与第二介质基板400之间为泡沫支撑。厚度为H3的第三介质基板600具有圆柱共形的第四表面601和第五表面602，垂直放置于第一表面100之上，第四表面601面向圆柱内部，第五表面602面向圆柱外侧，并与第一表面100上的天线金属地板相接；
如图2A所示，辐射贴片301为半径R1的圆形，具有Y形槽结构和H形槽结构，槽宽均为W；Y形槽302由3个长度为Y的直线槽组成，其中Y形槽第一直线槽302a一端指向第二表面300中心，另一端端接第二直线槽302b和第三直线槽302c，第二直线槽302b和第三直线槽302c夹角为45°，以第二表面300中心间隔45°旋转得到8个Y形槽结构；H形槽303由三种不同长度的直线槽组成，H形槽第一槽303a垂直于Y形槽第二槽302b和第三槽302c，2个H形槽第二槽303b分别垂直并中心位于H形槽第一槽303a两端，2个H形槽第三槽303c分别垂直并中心位于H形槽第二槽303b两端，形成H形槽303，1个Y形槽302端接两个H形槽结构303，由此得到16个H形槽结构。
天线通过四个金属化过孔F实现圆极化，四个金属化过孔F均匀分布于第二表面300的8个Y形槽结构之间；馈电同轴线内导体F1通过金属化过孔F与辐射贴片301相焊接，同轴线外导体F2与第一表面100的天线金属地板相焊接。
如图2B所示，寄生贴片501为半径R2的圆形，位于第三表面500中心。
如图3A所示，第三介质基板600的厚度为H3，第五表面602上为电磁带隙结构金属地板；电磁带隙结构单元金属贴片603位于第四表面601上，面向圆柱内部；第四表面601上的电磁带隙结构单元绕垂直于第一表面中心轴间隔22.5°旋转得到16个单元。
如图3B所示，电磁带隙结构单元金属贴片603具有四臂L形折返线结构，由中心正方形603f和4个相同的折返线结构组成，由长度分别为E1、E2、E3、E4和E5的直线603a、603b、603c、603d、603e和折线连接线603g组成。
如图4所示，第三介质基板600具有圆柱共形的第四表面601和第五表面602，与第二表面300相垂直，且第四表面601面向圆柱内部，第五表面602面向圆柱外侧。
如图1A所示，此最佳实例中，采用圆柱共形电磁带隙结构的宽波束圆极化Y形-H形槽小型化圆贴片天线整体为圆柱形结构，第一介质基板半径R3和第二介质基板半径R4均为17mm，寄生贴片501为圆形结构，半径R2为15mm。如图2A所示，辐射贴片301为圆形，半径R1为15.5mm，具有Y形槽结构302和H形槽结构303，槽宽W为0.5mm，Y形槽302 由3个长度Y为6mm的直线槽组成，Y形槽302端接H形槽303，H形槽303由三种不同长度的直线槽组成，H形槽第一槽303a槽长W1为1.6mm，H形槽第二槽303b槽长W2为0.8mm，H形槽第三槽303c槽长W3为1mm。
如图1B所示，第一介质基板200的厚度H1为1.524mm，介电常数为2.97；第二介质基板400的厚度H2为1.524mm，介电常数为2.97。第一介质基板200与第二介质基板400间距H4为6mm。第三介质基板600的厚度H3为1mm，高度H为13mm，介电常数为5.95。共形电磁带隙结构具有四臂L形折返线结构，中心正方形603f边长E0为0.5mm，线宽E为0.2mm，L形折返线第一线603a长度E1为0.5mm，L形折返线第二线603b长度E2为1.3mm，L形折返线第三线603c长度E3为2.7mm，L形折返线第四线603d长度E4为2.9mm，L形折返线第五线603e长度E5为3.5mm。
如图5A所示，其为本发明实施例的反射系数曲线。天线在2550MHz时反射系数低于-10dB。
如图5B、5C所示，其为本发明实施例的天线在2550MHz时的轴比、增益方向图，其中包含phi＝0°、45°、90°、135°剖面的方向图。从图可得知，3dB轴比宽度为150°，3dB波束宽度为110°。本实施例实现了良好的圆极化和宽波束性能。
由上述本发明较佳实施例可知，应用本发明的优点为：Y形-H形槽圆贴片天线与圆柱共形电磁带隙结构的结合能使天线小型化，展宽天线波束宽度，改善了天线辐射性能。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种采用圆柱共形电磁带隙结构的宽波束圆极化Y形-H形槽小型化圆贴片天线，其特征在于包括：
第一介质基板，具有相互平行的第一表面和第二表面；
辐射贴片，位于第一介质基板的第二表面中心，所述第一介质基板及辐射贴片均为圆形，辐射贴片具有Y形和H形槽结构；
天线金属地板：位于第一介质基板的第一表面；
金属化过孔：位于第一介质基板；
第二介质基板，平行放置于第一介质基板上方，第一介质基板与第二介质基板之间为泡沫支撑；
寄生贴片，位于第二介质基板的第三表面中心，所述第二介质基板及寄生贴片均为圆形；
第三介质基板，具有圆柱共形的第四表面和第五表面，与第一介质基板和第二介质基板共轴心环绕，并垂直放置于第一表面之上；第四表面上的带有四臂L形折返线结构的电磁带隙结构金属贴片单元面向圆柱内部，第五表面上的电磁带隙结构金属地板面向圆柱外侧；
圆柱共形电磁带隙结构，位于第三介质基板，该介质基板具有圆柱形结构，其中第五表面上为电磁带隙结构金属地板；带有四臂L形折返线的电磁带隙结构金属贴片单元周期排列于第四表面上。
2.根据权利要求1所述的一种采用圆柱共形电磁带隙结构的宽波束圆极化Y形-H形槽小型化圆贴片天线，其特征在于：辐射贴片具有Y形和H形槽结构；
所述Y形槽结构具有：
对称结构，8个Y形槽关于第一介质基板的第二表面中心旋转对称，Y形槽由3个等长的直线槽组成，其中Y形槽第一直线槽一端指向第二表面中心，另一端端接第二直线槽和第三直线槽，第二直线槽和第三直线槽夹角为45°，形成Y形槽结构，以第二表面中心间隔45°旋转得到8个Y形槽结构；
所述H形槽结构具有：
对称结构，16个H形槽关于第一介质基板的第二表面中心旋转对称，且H形槽关于H形槽第一槽对称，H形槽由3种不同长度的直线槽组成，H形槽第一槽垂直于Y形槽第二直线槽，2个H形槽第二槽分别垂直并中心位于H形槽第一槽两端，2个H形槽第三槽分别垂直并中心位于H形槽第二槽两端，形成H形槽结构，1个Y形槽端接两个H形槽结构，由此得到16个H形槽结构。
3.根据权利要求1所述的一种采用圆柱共形电磁带隙结构的宽波束圆极化Y形-H形槽小型化圆贴片天线，其特征在于：天线通过四个金属化过孔实现圆极化；
所述的金属化过孔：
四个金属化过孔均匀分布于第一介质基板第二表面的8个Y形槽结构之间，馈电同轴线内导体通过金属化过孔与第一介质基板第二表面的辐射贴片相焊接，同轴线外导体与第一介质基板第一表面的天线金属地板相焊接。
4.根据权利要求1所述的一种采用圆柱共形电磁带隙结构的宽波束圆极化Y形-H形槽小型化圆贴片天线，其特征在于：根据贴片天线的工作频率以及第三介质基板的介电常数和厚度，优化设计圆柱共形电磁带隙结构单元尺寸和四臂L形折返线结构；
所述圆柱共形电磁带隙结构：
圆柱共形电磁带隙结构由两排阵列组成，共形的电磁带隙结构单元围绕第一表面中心轴间隔22.5°旋转得到32个单元，垂直放置于第一介质基板第一表面的天线金属地板之上，第四表面上的带有四臂L形折返线结构的电磁带隙结构金属贴片单元面向圆柱内部，第五表面上的电磁带隙结构金属地板面向圆柱外侧，并与第一介质基板第一表面的天线金属地板相接；
所述四臂L形折返线结构：
四臂L形折返线结构具有中心对称结构，由中心正方形和4个相同的L形折返线结构组成，每个L形折返线结构由折线连接线和5种不同长度直线组成，L形折返线结构第一线有3个，其余4组线各有2个，其中第一线一端与中心正方形一端点相连并垂直于一边，其余4组不同长度的线，每组2个相同长度的线垂直连接，按长度由大到小的顺序由里到外依次排列，各组之间由折线连接线进行连接，形成一条L形折返线，以中心正方形中心旋转90°得到四臂L形折返线结构。
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