申请/专利权人：杭州电子科技大学;杭州电子科技大学富阳电子信息研究院有限公司

申请日：2019-06-25

公开（公告）日：2024-04-12

公开（公告）号：CN110311216B

主分类号：H01Q1/38

分类号：H01Q1/38;H01Q1/48;H01Q1/50;H01Q9/28;H01Q9/04

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.12#授权;2024.04.05#专利申请权的转移;2019.11.01#实质审查的生效;2019.10.08#公开

摘要：本发明公开了一种带水螺旋的宽频带圆极化偶极子贴片天线，包括天线本体，所述天线本体包括介质基板1，该介质基板1具有平行的第一表面和第二表面，所述第一表面上覆有多块贴片图形并组成偶极子辐射器4以及水螺旋槽6，所述水螺旋槽6装满海水以形成波导；所述第二表面覆有金属接地板2；一同轴线3自下往上贯穿设置在介质基板1上，用于对贴片天线进行馈电，其信号端与偶极子辐射器4相连接，其接地端与金属接地板2相连接；介质基板1中还设置通孔5。本发明在偶极子辐射器外围采用形状为双向阿基米德螺蜷，横截面为矩形的水螺旋槽，使该天线终端效应几乎被消除，很好的增大了带宽。

主权项：1.带水螺旋的宽频带圆极化偶极子贴片天线，其特征在于，包括天线本体，所述天线本体包括介质基板（1），该介质基板（1）具有平行的第一表面和第二表面，所述第一表面上覆有多块贴片图形并组成偶极子辐射器（4）以及水螺旋槽（6），所述水螺旋槽（6）装满海水以形成波导；所述第二表面覆有金属接地板（2）；一同轴线（3）自下往上贯穿设置在介质基板（1）上，用于对贴片天线进行馈电，其信号端与偶极子辐射器（4）相连接，其接地端与金属接地板（2）相连接；介质基板（1）中还设置通孔（5），所述通孔（5）自第二表面至第一表面贯穿介质基板（1），但不穿过金属接地板（2）与偶极子辐射器（4）；介质基板（1）第一表面覆有多块贴片图形，所述贴片图形为金属片；相邻贴片图形之间有微小间隔，所述贴片图形关于原点相对称；介质基板（1）中设置四组通孔（5），每组有三个通孔，四组通孔（5）关于z轴对称；所述水螺旋槽（6）嵌入设置在介质基板（1）中，距离偶极子辐射器（4）外围0.5cm处，其横截面为矩形，水平面为阿基米德螺旋；多个贴片图形由多个矩形及三角形贴片组合而成，至少设置贴片图形R0、R1-1、R2-1、R3-1、T1-1、R1-2、R2-2、R3-2、T1-2，其中，R即代表该矩形，T代表该三角形；R0关于原点相对称；R1-1与R1-2关于原点相对称；R3-1与R3-2关于原点相对称；R2-1与R2-2关于原点相对称；T1-1与T1-2关于原点相对称；相邻贴片图形之间有0.1~0.3mm的缝隙。

全文数据：带水螺旋的宽频带圆极化偶极子贴片天线技术领域本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种带水螺旋的宽频带圆极化偶极子贴片天线。背景技术自赫兹和马可尼发明了天线以来，天线在社会生活中的重要性与日俱增，如今已成不可或缺之势，而微带天线也已被广泛应用于大约100MHz～100GHz的宽广频域上的大量无线电设备中。与常用的微波天线相比，微带天线拥有更多的物理参数，它们可以有任意的几何形状和尺寸，体积小，重量轻，低剖面，品质因数高，能与载体如飞行器共形，性能多样化，便于集成与大规模生产。然而微带天线也具有一些不可忽略的缺点，例如：微带天线的相对带宽较窄，损耗较大，功率容量小等。虽然微带天线具有这样一些缺点，但通过合理的结构设计亦可实现微带天线在宽频带中工作。非频变天线是典型的宽频带天线。根据拉姆塞原理，若天线的形状仅由角度来决定，则该天线具有非频变的阻抗和波瓣图特性，而阿基米德螺线刚好符合此要求，如果将利用阿基米德螺蜷线组合而成的螺旋与微带天线结合，相信能很好的使微带天线带宽变宽。此外，由于水螺旋具有螺旋天线的特性的同时又具有漏波导特性，而海水的廉价、介电常数高、导电性强、衰减常数大，逐渐成为科研工作者的研究热门。使用螺旋型水波导，在尺寸达到一定的情况下能激发高次模，并且能在不破坏圆极化的情况下尽可能吸收天线的终端电流，从而很好地增大阻抗带宽。发明内容针对现有技术所存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种带水螺旋的宽频带圆极化偶极子贴片天线，不仅能实现高宽带，高辐射功率，高增益，而且尺寸小、造价低、结构简单并且容易与其他设备集成或制成阵列，是卫星通信的理想选择。为了解决现有技术存在的技术问题，本发明的技术方案如下：带水螺旋的宽频带圆极化偶极子贴片天线，包括天线本体，所述天线本体包括介质基板1，该介质基板1具有平行的第一表面和第二表面，所述第一表面上覆有多块贴片图形并组成偶极子辐射器4以及水螺旋槽6，所述水螺旋槽6装满海水以形成波导；所述第二表面覆有金属接地板2；一同轴线3自下往上贯穿设置在介质基板1上，用于对贴片天线进行馈电，其信号端与偶极子辐射器4相连接，其接地端与金属接地板2相连接；介质基板1中还设置通孔5，所述通孔5自第二表面至第一表面贯穿介质基板1，但不穿过金属接地板2与偶极子辐射器4。作为进一步的改进方案，介质基板1为方形，其长与宽相等；金属接地板2也为方形，其长宽与介质基板1相等。作为进一步的改进方案，所述同轴线3位于介质基板1中心旁约1mm，自基板5mm下往上贯穿基板对贴片天线进行馈电。作为进一步的改进方案，介质基板1第一表面覆有多块贴片图形，所述贴片图形为金属片；相邻贴片图形之间有微小间隔，所述贴片图形关于原点相对称。作为进一步的改进方案，介质基板1中设置四组通孔5，每组有三个通孔，四组通孔5关于z轴对称。作为进一步的改进方案，所述水螺旋槽6嵌入设置在介质基板1中，距离偶极子辐射器4外围约0.5cm处，其横截面为矩形，水平面为阿基米德螺旋。作为进一步的改进方案，多个贴片图形由多个方形及三角形贴片组合而成，至少设置贴片图形R0、R1-1、R2-1、R3-1、T1-1、R1-2、R2-2、R3-2、T1-2，其中R即代表该矩形，T代表该三角形；相邻贴片图形之间有0.1～0.3mm的缝隙，使得该偶极子辐射器4的电尺寸足够长。作为进一步的改进方案，所述水螺旋槽6为双向水螺旋槽，由两个阿基米德水螺旋槽反向延伸组合而成，每个水螺旋由两个相位不同的阿基米德螺线组成；该水螺旋槽6的上表面与偶极子贴片图形处于同一个平面。在本发明所选的实施例中，介质基板1为长约60mm，高为1.575mm的方形介质板，其长与宽相等，其第二表面覆有方形金属接地板2，其长与宽与介质基板1相等。在本发明所选的实施例中，本天线使用同轴线3在中心馈电，为使天线与馈线进行阻抗匹配，将馈电点沿Y轴平移了约1mm。为方便天线实物与同轴线3进行连接，特将同轴线接口向介质基板1下方延伸5mm，激励的下表面用一块薄金属块覆盖，可接SMA接头。在本发明可选的实施例中，该天线在介质基板1上挖了间距约1.3mm，宽约1.2mm，高约0.5mm的双向水螺旋槽6，里面灌满海水，该水螺旋槽的上表面与偶极子辐射器4处于同一个平面。上述双向水螺旋槽6由两个阿基米德水螺旋槽反向延伸组合而成，每个水螺蜷由两个相位不同的阿基米德螺线组成。在本发明所选的实施例中，构成这两个水螺旋槽6的四条阿基米德螺线，其函数式均为其中Rl为这两个水螺旋到原点的距离，Ld为两个水螺旋槽之间的间距，Ws为水螺旋槽的宽度，ω为水螺旋偏移角度，c为整个水螺旋槽相对于原点所进行的平移量。在本发明所选的实施例中，对于水螺旋槽6，它们的内外对数螺线所相差的相位是相同的，并且水螺旋槽6与贴片的八个端点，即图中点A，点B，点C，点D，点E，点F，点G始终在同一条直线上，并且和Y轴的夹角为φ。在本发明所选的实施例中，该偶极子辐射器4为金属片，该天线介质基板中设有4组通孔5，每组三个，关于原点对称，通孔由金属接地板2通向偶极子辐射器4，高度与介质基板1的厚度相等。和现有技术相比较，本发明具有如下技术效果：1、本发明通过在偶极子贴片天线得基础上加载水螺旋与偶极子外围，吸收终端电流，在未大幅增加天线尺寸的情况下，使得天线的阻抗带宽增大了十几倍，辐射功率也有所增加。在谐振频率为21GHz时，天线阻抗带宽约为70％，增益最高达到10dB，辐射功率高于0.1dB，辐射效率最高为0.126dB。本发明不仅能实现高宽带，高辐射功率，高增益，而且尺寸小、造价低、结构简单并且容易与其他设备集成或制成阵列。2、本发明中，天线上的偶极子辐射器4，是由多个长方形贴片与三角形贴片组合而成，每个贴片之间均间隔了0.1～0.3mm，这个缝隙使得贴片与贴片间产生了耦合，改变了电尺寸，使得电尺寸增大到比物理尺寸还要大，而这样处理的同时也增大了带宽。3、偶极子辐射器的电尺寸角度与X轴为将近120°，并且水螺旋槽6的始端与末端位置与原点的连线均与X轴成将近120°，即图1中所示的点A、B、C、D、E、F、G、H始终保持在同一条线上，并与X轴夹角约为120°，由于保持在一条线上，导致偶极子辐射器4的终端电流尽可能的传播到了水螺旋槽6中，使得回波损耗尽可能的变小了。4、本发明使用了海水作为水螺旋的填充材料，成本非常低，却通过其螺旋结构极大的影响了天线的带宽，并且该天线长宽只有5cm，所以容易制作，造价也很低，非常容易与其他设备集成并制作成阵列天线。此外，本发明在不增加制作成本和工艺复杂性的前提下，增大了带宽，相较于以往的偶极子贴片天线，增益也略有提升。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。附图说明图1为本发明实施例的带水螺旋的宽频带圆极化偶极子贴片天线的结构示意图，为斜视图。图2为本发明实施例的带水螺旋的宽频带圆极化偶极子贴片天线的结构示意图，为俯视图。图3为本发明实施例的带水螺旋的宽频带圆极化偶极子贴片天线的结构示意图，为侧视图。图4为本发明实施例的回波损耗S11性能图。其中横坐标表示频率FrequencyGHz，纵坐标表示回波损耗强度dB。图5为本发明实施例的辐射方向图dB。图6为本发明实施例的增益-频率图，其中横坐标为频率frequencyGHz，纵坐标表示最大辐射方向上的增益dB。图7为本发明实施例的Z参数图像，其中横坐标为频率frequencyGHz。图8为本发明实施例的辐射功率图像，其中横坐标为频率frequencyGHz，纵坐标为辐射功率dBW。图9为本发明实施例的辐射效率图像，其中横坐标为频率frequencyGHz，纵坐标为辐射效率dB。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。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的实施例。因此，以下对在附图中提供的本发明实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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的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。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电链接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。下面将详细阐述本发明的具体实施方式。参见图1-3，所示为带水螺旋的宽频带圆极化偶极子贴片天线的结构示意图，包括天线本体。所述天线本体主要由介质基板1，介质基板1为长约60mm，高为1.575mm的方形介质板，介质基板1具有平行的第一表面和第二表面，第二表面覆有与介质基板长宽相等的接地板2，同轴线3位于介质板中心旁约1mm，自基板5mm下往上贯穿基板对贴片天线进行馈电；介质基板第一表面覆有多块贴片，相邻贴片之间有微小间隔，这些贴片关于原点相对称，并组成一个偶极子辐射器4；介质基板中有四组通孔5自第二表面至第一表面贯穿介质基板1，但不穿过接地板2与偶极子辐射器4，每组有三个通孔，四组通孔关于z轴对称；在距离贴片外围约0.5cm处，将介质基板挖出一个横截面为矩形，水平面为阿基米德螺旋的凹槽6，本实施例中，水螺旋槽间距约1.3mm，宽约1.2mm，高约0.5mm，凹槽放满海水，形成漏波导，并用于吸收回波，减少损耗。为使天线与馈线进行阻抗匹配，将馈电点沿Y轴平移了约1mm。为方便天线实物与同轴线进行连接，特将同轴线接口向介质基板下方延申5mm，激励的下表面用一薄金属块覆盖，可接SMA接头。在一种优选实施方式中，水螺旋槽6为双向水螺旋槽，由两个阿基米德水螺旋槽反向延伸组合而成，每个水螺旋由两个相位不同的阿基米德螺线组成；该水螺旋槽6的上表面与偶极子贴片图形处于同一个平面。进一步的，构成这两个水螺旋槽6的四条阿基米德螺线，其函数式为其中Rl为这两个水螺旋到原点的距离，Ld为两个水螺旋槽之间的间距，Ws为水螺旋槽的宽度，ω为水螺旋偏移角度，c为整个水螺旋槽相对于原点所进行的平移量。作为优选的，水螺旋槽6中内外阿基米德螺线所相差的相位是相同的，并且水螺旋槽与偶极子辐射器中位于介质基板1第一表面的八个点，即图1中点A，点B，点C，点D，点E，点F，点G始终在同一条直线上，并且和Y轴的夹角为φ。所述水螺旋槽起点与原点的连线，即直线BD与x轴为120°，点A，点B，点C，点D，点E，点F，点G始终在同一条直线上，即偶极子贴片组的等效电尺寸与Y轴夹角也保持120°左右，使贴片组产生的终端电流尽可能通过水螺旋槽的B点与F点流向水槽。所述介质基板1采用Rogers-5880系列，金属接地板与偶极子辐射器均为金属片，同轴线内径为0.65mm，4组通孔为空心圆柱。采用上述技术方案，本发明通过在偶极子贴片天线得基础上加载水螺旋与偶极子外围，吸收终端电流，在未大幅增加天线尺寸的情况下，使得天线的阻抗带宽增大了十几倍，辐射功率也有所增加。具体技术的原理如下：双向水螺旋槽6由两个阿基米德水螺旋槽反向延伸组合而成，构成这两个水螺旋槽6的四条阿基米德螺线，其函数式均为其中Rl为这两个水螺旋到原点的距离，Ld为两个水螺旋槽之间的间距，Ws为水螺旋槽的宽度，ω为水螺旋偏移角度，c为整个水螺旋槽相对于原点所进行的平移量。与传统的以金属带为臂的螺旋天线不同，海水的介电常数高达81，导电率为4。此外，在高达10GHz甚至更高频段的电磁波在海水中传导时的衰减非常快，可以说几乎不传播。以上三点特性使得海水中的电磁波不仅无法传播出去，还能吸收附近传导过来的电磁波。具有矩形截面的介质波导可以支持多个混合模，矩形波导中的截至波长λC＝2a，其中a为波导的宽度，当我们辐射的电磁波所对应的波长λ小于等于2a时，波导中激发基模，并能正常传播电磁波；而当波长大于2a时，波导中便会存在高次模，当波长远大于2a时，波导中便会只存在高次模，这个时候我们将其称之为凋落模式，或消失模式，在这个模式下，就相当于流体中的涡旋一样，是一种不传播模，而由于海水的损耗非常强，导致通过偶极子辐射器过来的终端电流在水螺旋里被消耗殆尽，几乎没有反射电流，回波损耗会在很大一个频段内达到非常小。经实验得出，当天线不在偶极子辐射器外加载水螺旋凹槽时，天线的带宽只有7％，而当加上这样一个水螺旋凹槽时，天线的频段从8GHz～38GHz内，回波损耗均小于-10dB。由于在超出13.3～28GHz的辐射功率很低，故认定本天线的阻抗带宽为70％。参见图4，所示为本发明实施例的回波损耗S11性能图。其中横坐标表示频率FrequencyGHz，纵坐标表示回波损耗强度dB，从图2中可以看出，本发明由于加入了水螺旋槽，S11数据在很长一段频率内都处于-10dB以下，实际上，在图2没有给出的频率范围中，从8GHz到38GHz，S11参数均处于-10dB以下，但由于对图2未给出的频率范围来说，天线的辐射功率及增益均小于0dB，故未纳入结果中。最终给出的相对阻抗带宽为70％。参见图5，由图5可知，在φ＝75°，θ＝-22°时，辐射增益达到最大为10.0534dB，这和水螺旋槽与偶极子贴片组角度偏移30°与Y轴夹角为120°有很大关系。当水螺旋为顺时针旋转时，天线辐射为左旋圆极化；反之，为右旋圆极化。本实施例中水螺旋为顺时针旋转。参见图6所示，增益在很大一段频率上保持稳定，随着频率增大而增大。参见图7，由于水螺旋的加入，使得阻抗在很宽一段频率内保持稳定，出现非频变特性。参见图8～9，辐射功率自16.8～27GHz基本处于大于0dBW的状态，当频率为20.6GHz时，辐射功率达到最大值0.1243dBW，辐射效率自13.2～27.8GHz均大于0dB，当频率为20.6GHz时，辐射效率达到最大值0.1265dB，可见天线在70％阻抗带宽上均能很好的辐射。本发明的制造加工误差对天线各参数的影响非常大，需要制作过程非常精细。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

权利要求：1.带水螺旋的宽频带圆极化偶极子贴片天线，其特征在于，包括天线本体，所述天线本体包括介质基板1，该介质基板1具有平行的第一表面和第二表面，所述第一表面上覆有多块贴片图形并组成偶极子辐射器4以及水螺旋槽6，所述水螺旋槽6装满海水以形成波导；所述第二表面覆有金属接地板2；一同轴线3自下往上贯穿设置在介质基板1上，用于对贴片天线进行馈电，其信号端与偶极子辐射器4相连接，其接地端与金属接地板2相连接；介质基板1中还设置通孔5，所述通孔5自第二表面至第一表面贯穿介质基板1，但不穿过金属接地板2与偶极子辐射器4。2.根据权利要求1所述的带水螺旋的宽频带圆极化偶极子贴片天线，其特征在于，介质基板1为方形，其长与宽相等；金属接地板2也为方形，其长宽与介质基板1相等。3.根据权利要求1或2所述的带水螺旋的宽频带圆极化偶极子贴片天线，其特征在于，所述同轴线3位于介质基板1中心旁约1mm，自基板5mm下往上贯穿基板对贴片天线进行馈电。4.根据权利要求1或2所述的带水螺旋的宽频带圆极化偶极子贴片天线，其特征在于，介质基板1第一表面覆有多块贴片图形，所述贴片图形为金属片；相邻贴片图形之间有微小间隔，所述贴片图形关于原点相对称。5.根据权利要求1或2所述的带水螺旋的宽频带圆极化偶极子贴片天线，其特征在于，介质基板1中设置四组通孔5，每组有三个通孔，四组通孔5关于z轴对称。6.根据权利要求1或2所述的带水螺旋的宽频带圆极化偶极子贴片天线，其特征在于，所述水螺旋槽6嵌入设置在介质基板1中，距离偶极子辐射器4外围约0.5cm处，其横截面为矩形，水平面为阿基米德螺旋。7.根据权利要求4所述的带水螺旋的宽频带圆极化偶极子贴片天线，其特征在于，多个贴片图形由多个方形及三角形贴片组合而成，至少设置贴片图形R0、R1-1、R2-1、R3-1、T1-1、R1-2、R2-2、R3-2、T1-2，其中R即代表该矩形，T代表该三角形；相邻贴片图形之间有0.1～0.3mm的缝隙。8.根据权利要求6所述的带水螺旋的宽频带圆极化偶极子贴片天线，其特征在于，所述水螺旋槽6为双向水螺旋槽，由两个阿基米德水螺旋槽反向延伸组合而成，每个水螺旋由两个相位不同的阿基米德螺线组成；该水螺旋槽6的上表面与偶极子贴片图形处于同一个平面。

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