CN114284711A - 一种圆极化天线元 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种圆极化天线元，属于天线技术领域。所述圆极化天线元包括依次叠设的第一介质基板、第二介质基板和接地板。第一介质基板的顶面具有辐射贴片。第二介质基板上具有金属圆片和两个L形馈电结构，第二介质基板上具有第一贯穿孔和多个第二贯穿孔，各L形馈电结构均包括馈电探针和馈电线，各馈电探针垂直贯穿第二介质基板和接地板，各馈电线均包括焊盘部、连接部和扇形部，扇形部的小端通过连接部与焊盘部连接，各扇形部的两侧边缘均具有多个沿扇形部的中轴线对称布置的缺口。本发明实施例提供的一种圆极化天线元，不仅可以有效的减弱两个馈电线之间的耦合作用，还能有效提高天线驻波带宽，实现超宽带。

Description

一种圆极化天线元
技术领域
本发明属于天线技术领域，更具体地，涉及一种圆极化天线元。
背景技术
随着无线通信***及弹载通信领域的快速发展，弹载通信***根据实际使用要求对应用于弹地、弹间、弹星等通信领域的天线性能提出了越来越多的需求与高要求。
在某些弹载通信***使用环境和使用要求中，要求弹载通信天线具有超宽的工作频率带宽与圆极化工作方式。考虑到受载体安装环境限制，现有的大多数下沉式安装的弹载通信天线使用微带贴片天线形式，而微带贴片天线常规展宽工作频率带宽的方法包括缝隙耦合馈电、多层耦合馈电、L形探针馈电等，但这些常规方法存在如下问题：一、展宽带宽的能力有限，无法达到超宽带要求；二、在进行双端口圆极化设计与调试时，特别像L形探针馈电，两端口之间的耦合较大。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种圆极化天线元，其目的在于不仅可以有效的减弱2个馈电线之间的耦合作用，还能有效提高天线驻波带宽，实现超宽带。
本发明提供了一种圆极化天线元，所述圆极化天线元包括依次叠设的第一介质基板、第二介质基板和接地板；
所述第一介质基板的顶面具有辐射贴片；
所述第二介质基板上具有金属圆片和两个L形馈电结构，所述金属圆片插装在所述第二介质基板的顶面中心，所述第二介质基板上具有第一贯穿孔和多个第二贯穿孔，所述第一贯穿孔和各所述第二贯穿孔均贯穿所述金属圆片和所述接地板，且所述第一贯穿孔和所述金属圆片同轴布置，多个所述第二贯穿孔沿所述第一贯穿孔周向间隔布置，所述第一贯穿孔和各所述第二贯穿孔的内周壁上均具有金属层，各L形馈电结构均包括馈电探针和馈电线，各所述馈电探针垂直贯穿所述第二介质基板和所述接地板，两个所述馈电线间隔布置在所述第二介质基板的顶面，各所述馈电线均包括焊盘部、连接部和扇形部，所述焊盘部与相对应的所述馈电探针电连接，所述扇形部的小端通过所述连接部与所述焊盘部连接，所述扇形部的大端背向所述焊盘部延伸，且两个所述扇形部的中轴线在所述金属圆片的中心相交，各所述扇形部的两侧边缘均具有多个沿所述扇形部的中轴线对称布置的缺口，各所述扇形部的各侧的多个所述缺口间隔布置，且多个所述缺口在由所述扇形部的小端至大端的方向上的截面积依次增大。
可选地，所述辐射贴片为正方形结构，且所述辐射贴片位于所述第一介质基板的顶面中心处。
可选地，所述辐射贴片的尺寸为19.6*19.6mm。
可选地，所述第二贯穿孔的数量为2-12个。
可选地，所述第二贯穿孔的直径为0.25mm。
可选地，由所述扇形部的小端至大端的方向上，各所述缺口的长和宽、各所述缺口中心至所述焊盘部中心的间距、相对的两个所述缺口的间距均依次增大。
可选地，所述第一介质基板为方形结构，所述第一介质基板的尺寸为40*40*3mm，且所述第一介质基板的介电常数为2.2。
可选地，所述第二介质基板为方形结构，所述第二介质基板的尺寸为40*40*4mm，且所述第二介质基板的介电常数为2.2。
可选地，各所述馈电线的所述焊盘部和相对应的所述馈电探针通过焊锡连接。
可选地，各所述馈电探针中心和所述金属圆片中心的间距为12.6mm。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
(1)采用第二介质基板上的两个L形馈电结构(馈电线和馈电探针呈L形)进行馈电，通过优化馈电线尺寸和形状，可以有效提高天线驻波带宽，同时在天线驻波实际调试中可提高阻抗匹配可调试性，实现超宽带与易调试设计。
(2)第二介质基板正中心增加金属化贯穿孔(即第一贯穿孔和多个第二贯穿孔的内周壁具有金属层)，在两个L形馈电结构进行圆极化设计时，通过多个金属贯穿孔能够有效提高两个端口之间的隔离度与减少交叉极化，降低两端口之间的耦合，从而实现射频信号的高效率传输辐射。
(3)本发明提供的圆极化天线元，不仅能够适用于火箭、导弹等载体通信***对天线及阵列的需求，同时也适用于地面、车载等载体通信***的特殊使用需求。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种圆极化天线元的***示意图；
图2是本发明实施例提供的一种圆极化天线元的剖视图；
图3是本发明实施例提供的第二介质基板的局部放大图；
图4是本发明实施例提供的一种圆极化天线元的仰视图；
图5是本发明实施例提供的馈电线的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的一种圆极化天线元的驻波的示意图；
图7是本发明实施例提供的馈电线之间的隔离度的示意图；
图8是本发明实施例提供的一种圆极化天线元的最大增益曲线图。
图中各符号表示含义如下：
1、第一介质基板；11、辐射贴片；2、第二介质基板；21、金属圆片；22、L形馈电结构；221、馈电探针；222、馈电线；2221、焊盘部；2222、连接部；2223、扇形部；2224、缺口；23、第一贯穿孔；24、第二贯穿孔；3、接地板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是本发明实施例提供的一种圆极化天线元的***示意图，如图1所示，圆极化天线元包括依次叠设的第一介质基板1、第二介质基板2和接地板3。
第一介质基板1的顶面具有辐射贴片11。
图2是本发明实施例提供的一种圆极化天线元的剖视图，图3是本发明实施例提供的第二介质基板的局部放大图，结合图2和图3所示，第二介质基板2上具有金属圆片21和两个L形馈电结构22，金属圆片21插装在第二介质基板2的顶面中心，第二介质基板2上具有第一贯穿孔23和多个第二贯穿孔24，第一贯穿孔23和各第二贯穿孔24均贯穿金属圆片21和接地板3，且第一贯穿孔23和金属圆片21同轴布置，多个第二贯穿孔24沿第一贯穿孔23周向间隔布置，第一贯穿孔23和各第二贯穿孔24的内周壁上均具有金属层，各L形馈电结构22均包括馈电探针221和馈电线222，各馈电探针221垂直贯穿第二介质基板2和接地板3，两个馈电线222间隔布置在第二介质基板2的顶面，各馈电线222均包括焊盘部2221、连接部2222和扇形部2223，焊盘部2221与相对应的馈电探针221电连接，扇形部2223的小端通过连接部2222与焊盘部2221连接，扇形部2223的大端背向焊盘部2221延伸，且两个扇形部2223的中轴线在金属圆片21的中心相交，各扇形部2223的两侧边缘均具有多个沿扇形部2223的中轴线对称布置的缺口2224，各扇形部2223的各侧的多个缺口2224间隔布置，且多个缺口2224在由扇形部2223的小端至大端的方向上的截面积依次增大。
对于本发明实施例提供的一种圆极化天线元，一方面，金属圆片21插装在第二介质基板2的顶面中心，第二介质基板2上具有第一贯穿孔23和多个第二贯穿孔24，第一贯穿孔23和各第二贯穿孔24均贯穿金属圆片21和接地板3，且第一贯穿孔23和金属圆片21同轴布置，多个第二贯穿孔24沿第一贯穿孔23周向间隔布置，第一贯穿孔23和各第二贯穿孔24的内周壁上均具有金属层，从而可以通过多个金属化贯穿孔(即第一贯穿孔23和多个第二贯穿孔24的内周壁具有金属层)增加两个L形馈电结构22之间的隔离度。由于第二介质基板2正中心处的电势为零，将第二介质基板2正中心处金属圆片21进行金属化贯穿孔接地，可以有效的减弱2个馈电线222之间的耦合作用。
进一步地，各馈电线222均包括焊盘部2221、连接部2222和扇形部2223，焊盘部2221与相对应的馈电探针221电连接，扇形部2223的小端通过连接部2222与焊盘部2221连接，扇形部2223的大端背向焊盘部2221延伸，且两个扇形部2223的中轴线在金属圆片21的中心相交，各扇形部2223的两侧边缘均具有多个沿扇形部2223的中轴线对称布置的缺口2224，各扇形部2223的各侧的多个缺口2224间隔布置，且多个缺口2224在由扇形部2223的小端至大端的方向上的截面积依次增大，从而通过优化2个馈电线222的尺寸及形状可以达到实现超宽带阻抗匹配设计，可以有效提高天线驻波带宽，实现超宽带。
也就是说，本发明实施例提供的一种圆极化天线元，不仅可以有效的减弱2个馈电线222之间的耦合作用，还能有效提高天线驻波带宽，实现超宽带。
以下简单说明本圆极化天线元的工作过程：
通过两个等幅且相位差为90°激励分别对2个馈电探针221进行馈电，激励信号通过2个馈电探针221传输至2个馈电线222，2个馈电线222通过电磁耦合将激励信号耦合到第一介质基板1中的辐射贴片11，最终将激励信号通过圆极化电磁波辐射出去。
在本实施例中，辐射贴片11为正方形结构，且辐射贴片11位于第一介质基板1的顶面中心处。
示例性地，辐射贴片11的尺寸为19.6*19.6mm。
另外，第一介质基板1为方形结构，第一介质基板1的尺寸为40*40*3mm，且第一介质基板1的介电常数为2.2。第二介质基板2为方形结构，第二介质基板2的尺寸为40*40*4mm，且第二介质基板2的介电常数为2.2，从而实现了整个圆极化天线元的精细化，减少占用空间。
图4是本发明实施例提供的一种圆极化天线元的仰视图，如图4所示，第二贯穿孔24的数量为2-12个。
示例性地，第二贯穿孔24的直径可以为0.25mm，金属圆片21的直径可以为2.5mm，第一贯穿孔23的直径可以为1.5mm，第二贯穿孔24的中心和第一贯穿孔23的中心的间距可以为1.1mm。另外，各馈电探针221的直径为0.86mm，各馈电探针221中心和金属圆片21中心的间距可以为12.6mm。
图5是本发明实施例提供的馈电线的结构示意图，如图5所示，由扇形部2223的小端(图5的下端)至大端(图5上端)的方向上，各缺口2224的长nN和宽kN、各缺口2224中心至焊盘部2221中心的间距dN、相对的两个缺口2224的间距均依次增大mN。
示例性地，2个馈电线222由圆形的焊盘部2221、宽度为w1的矩形连接部2222、N≥1对缺口2224的扇形部2223(弧度为β)组成，2个馈电线222中N≥1对缺口2224的宽为kN、长为nN、离焊盘部2221中心的间距为dN、相对的两个缺口2224的间距为mN，2个馈电线222中缺口2224参数dN、mN、kN、nN之间的数学关系为0＜δ＝dN/dN-1＝mN/mN-1＝kN/kN-1＝nN/nN-1＜1。其中，δ为比例关系，优选地，d1＝7.55mm，m1＝5.63mm，k1＝0.62mm，n1＝1.05mm，δ＝0.8，β＝41°。
基于非变频原理，通过优化2个馈电线222的尺寸(缺口2224渐变)及形状，可以达到实现超宽带阻抗匹配设计，其中2个馈电线222中弧度β、缺口2224数量N、比例关系δ影响天线驻波曲线平坦度，从而有效提高天线驻波带宽，实现超宽带。
图6是本发明实施例提供的一种圆极化天线元的驻波的示意图，如图6所示，驻波小于2的驻波带宽达到40％以上，实现了S/C频段的超宽带设计。图7是本发明实施例提供的馈电线之间的隔离度的示意图，如图7所示，隔离度小于-25dB以上，实现了双端口圆极化L形馈电结构22端口间高隔离度设计，可以有效的减弱2个馈电线222之间的耦合作用。图8是本发明实施例提供的一种圆极化天线元的最大增益曲线图，如图8所示，整个超宽带内的最大增益均大于6dBi，满足实际使用需求。另外，图6-图8的电性能均为在弹载模拟环境下的仿真结果。
示例性地，各馈电线222的焊盘部2221和相对应的馈电探针221通过焊锡连接，从而实现两者的稳定电连接。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种圆极化天线元，其特征在于，所述圆极化天线元包括依次叠设的第一介质基板(1)、第二介质基板(2)和接地板(3)；
所述第一介质基板(1)的顶面具有辐射贴片(11)；
所述第二介质基板(2)上具有金属圆片(21)和两个L形馈电结构(22)，所述金属圆片(21)插装在所述第二介质基板(2)的顶面中心，所述第二介质基板(2)上具有第一贯穿孔(23)和多个第二贯穿孔(24)，所述第一贯穿孔(23)和各所述第二贯穿孔(24)均贯穿所述金属圆片(21)和所述接地板(3)，且所述第一贯穿孔(23)和所述金属圆片(21)同轴布置，多个所述第二贯穿孔(24)沿所述第一贯穿孔(23)周向间隔布置，所述第一贯穿孔(23)和各所述第二贯穿孔(24)的内周壁上均具有金属层，各L形馈电结构(22)均包括馈电探针(221)和馈电线(222)，各所述馈电探针(221)垂直贯穿所述第二介质基板(2)和所述接地板(3)，两个所述馈电线(222)间隔布置在所述第二介质基板(2)的顶面，各所述馈电线(222)均包括焊盘部(2221)、连接部(2222)和扇形部(2223)，所述焊盘部(2221)与相对应的所述馈电探针(221)电连接，所述扇形部(2223)的小端通过所述连接部(2222)与所述焊盘部(2221)连接，所述扇形部(2223)的大端背向所述焊盘部(2221)延伸，且两个所述扇形部(2223)的中轴线在所述金属圆片(21)的中心相交，各所述扇形部(2223)的两侧边缘均具有多个沿所述扇形部(2223)的中轴线对称布置的缺口(2224)，各所述扇形部(2223)的各侧的多个所述缺口(2224)间隔布置，且多个所述缺口(2224)在由所述扇形部(2223)的小端至大端的方向上的截面积依次增大。
2.根据权利要求1所述的一种圆极化天线元，其特征在于，所述辐射贴片(11)为正方形结构，且所述辐射贴片(11)位于所述第一介质基板(1)的顶面中心处。
3.根据权利要求2所述的一种圆极化天线元，其特征在于，所述辐射贴片(11)的尺寸为19.6*19.6mm。
4.根据权利要求1所述的一种圆极化天线元，其特征在于，所述第二贯穿孔(24)的数量为2-12个。
5.根据权利要求4所述的一种圆极化天线元，其特征在于，所述第二贯穿孔(24)的直径为0.25mm。
6.根据权利要求1所述的一种圆极化天线元，其特征在于，由所述扇形部(2223)的小端至大端的方向上，各所述缺口(2224)的长和宽、各所述缺口(2224)中心至所述焊盘部(2221)中心的间距、相对的两个所述缺口(2224)的间距均依次增大。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种圆极化天线元，其特征在于，所述第一介质基板(1)为方形结构，所述第一介质基板(1)的尺寸为40*40*3mm，且所述第一介质基板(1)的介电常数为2.2。
8.根据权利要求1-6任意一项所述的一种圆极化天线元，其特征在于，所述第二介质基板(2)为方形结构，所述第二介质基板(2)的尺寸为40*40*4mm，且所述第二介质基板(2)的介电常数为2.2。
9.根据权利要求1-6任意一项所述的一种圆极化天线元，其特征在于，各所述馈电线(222)的所述焊盘部(2221)和相对应的所述馈电探针(221)通过焊锡连接。
10.根据权利要求1-6任意一项所述的一种圆极化天线元，其特征在于，各所述馈电探针(221)中心和所述金属圆片(21)中心的间距为12.6mm。
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