專利名稱：小型化雙頻圓極化異向介質(zhì)微帶天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬微帶天線技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到異向介質(zhì)結(jié)構(gòu)以及利用異向介質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的小型化雙頻圓極化微帶天線。
背景技術(shù)：
微帶天線具有體積小、重量輕、低剖面和易于與載體共形等特點(diǎn)，通常用作平面天線陣列的基本單元，被廣泛應(yīng)用于移動通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、軍事偵察等領(lǐng)域。異向介質(zhì)結(jié)構(gòu)具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率，將其應(yīng)用于微帶天線設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)較小的天線尺寸和多個諧振頻率，同時(shí)降低損耗，縮減天線RCS，對提高天線性能具有十分重要的意義。2001年，由R. Garg等人編寫，美國波士頓(Boston London)技工出版社(Artech House)出版的《微帶天線設(shè)計(jì)手冊》(R. Garg, P. Bhartia, I. Bahl, A. Ittipiboon, Microstrip Antenna Design Handbook,Boston London: 2001, Page (s) : 269-275)介紹了傳統(tǒng)微帶天線單元特性及其設(shè)計(jì)方法?；谇荒７ɡ碚摲治觯瑐鹘y(tǒng)微帶天線的主要工作模式為基?；蚋叽文Ｊ街械囊环N。當(dāng)天線諧振頻率一定時(shí)，工作于基模的微帶天線具有最小的尺寸，其尺寸通常為半個導(dǎo)波波長。其主要缺點(diǎn)是當(dāng)應(yīng)用于較低頻段(L/C頻段)時(shí)， 傳統(tǒng)的半波長微帶天線尺寸仍然較大；而且?guī)捿^窄，不利于實(shí)現(xiàn)雙頻工作。2006年8月，C. Lee等人在美國電子電氣工程師協(xié)會主辦的天線與傳播學(xué)報(bào)發(fā)表了“射頻集成模塊中基于混合左右手傳輸線的小型諧振天線”的論文(C. Lee, K. Leong, T. Itoh, “Composite right/1eft-handed transmission line based compact resonant antennas for RF module integration", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 54，No. 8，pp. 2283-291，August 2006.)。文章中利用異向介質(zhì)傳輸線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了小型化異向介質(zhì)微帶天線。該文章中提出的線極化異向介質(zhì)微帶天線可以多頻工作，但不能實(shí)現(xiàn)在工作頻點(diǎn)處的圓極化輻射。文章中提出的圓極化異向介質(zhì)微帶天線只能工作于單一頻點(diǎn)，無法實(shí)現(xiàn)雙頻工作；且采用了雙端口饋電結(jié)構(gòu)，需要另外設(shè)計(jì)一個雙端口等幅輸出，相位相差90度的饋電網(wǎng)絡(luò)，增大了天線系統(tǒng)的復(fù)雜度和設(shè)計(jì)難度。2007年，F(xiàn). J. Herraiz-Martinez等人在歐洲天線與傳播會議上發(fā)表了“一種基于左手結(jié)構(gòu)的雙頻圓極化微帶貼片天線”的論文(“A dual band circularly polarized antenna based on a microstrip patch filled with left-handed structures", European Conference on Antenna and Propagation, 2007.)。文$中禾1J用異(^iM結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了雙頻圓極化異向介質(zhì)微帶天線。該天線尺寸小于傳統(tǒng)半波長微帶天線，可以在 1. 795GHz和2. IlGHz雙頻工作，且可以實(shí)現(xiàn)工作頻點(diǎn)處的圓極化輻射。其缺點(diǎn)是采用了雙端口饋電結(jié)構(gòu)，需要另外設(shè)計(jì)一個雙端口等幅輸出，相位相差90度的饋電網(wǎng)絡(luò)，增大了天線系統(tǒng)的復(fù)雜度和設(shè)計(jì)難度；天線基板厚度較厚(h=10mm)，增大了天線體積，不利于實(shí)現(xiàn)與載體共形。上述文獻(xiàn)表明，利用異向介質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)微帶天線，在工作頻率一定時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)半波長微帶天線更小的天線尺寸；可以實(shí)現(xiàn)天線多個頻點(diǎn)工作；采用雙端口等幅、相位相差90度饋電時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)天線工作頻點(diǎn)處的圓極化輻射。然而采用雙端口饋電結(jié)構(gòu)需要另外設(shè)計(jì)一個雙端口等幅輸出，相位相差90度的饋電網(wǎng)絡(luò)，增大了天線系統(tǒng)的復(fù)雜度和設(shè)計(jì)難度；天線基板厚度較厚，增大了天線體積，不利于實(shí)現(xiàn)與載體共形。目前尚無低剖面(基板厚度小于3mm)、單端口饋電實(shí)現(xiàn)雙頻圓極化異向介質(zhì)微帶天線的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提出一種小型化雙頻圓極化異向介質(zhì)微帶天線，以克服傳統(tǒng)半波長微帶天線存在的尺寸大、散射截面大、基板過厚、需要另外設(shè)計(jì)饋電網(wǎng)絡(luò)的缺
點(diǎn)ο本發(fā)明的技術(shù)方案如下
小型化雙頻圓極化異向介質(zhì)微帶天線，包括有三層金屬層，分別為上表面金屬層、中間金屬層、下表面金屬層，所述三層金屬層之間夾有兩層介質(zhì)基板，分別為上層介質(zhì)基板、下層介質(zhì)基板，所述上表面金屬層為正方形金屬貼片，所述正方形金屬貼片的兩個對稱的角切去相同尺寸的等腰直角三角形區(qū)域；所述下表面金屬層為正方形金屬貼片，所述下表面金屬層接地；所述中間金屬層的整體輪廓為正方形，所述正方形的中心位置有垂直交叉的十字交指金屬結(jié)構(gòu)，所述十字交指金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)有縫隙為內(nèi)側(cè)縫隙，所述正方形的四角位置分別有90度折線型交指金屬結(jié)構(gòu)，所述90度折線型交指金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)有縫隙為外側(cè)縫隙，所述90度折線型交指金屬結(jié)構(gòu)延順時(shí)針方向的末端分別有一個穿過下層介質(zhì)基板通往下表面金屬層的金屬化過孔，所述中間金屬層的中心位置偏一側(cè)設(shè)有饋電端口。所述的小型化雙頻圓極化異向介質(zhì)微帶天線，其特征在于所述上層介質(zhì)基板、下層介質(zhì)基板的介電常數(shù)大于1，厚度為0. 5-2mm。所述的小型化雙頻圓極化異向介質(zhì)微帶天線，其特征在于所述饋電端口采用單端口同軸饋電方式。所述的小型化雙頻圓極化異向介質(zhì)微帶天線，其特征在于所述中間金屬層中心的十字交指金屬結(jié)構(gòu)的長度為18-23mm，寬度為l_2mm ；所述內(nèi)側(cè)縫隙、外側(cè)縫隙的寬度為 l-2mm ；所述90度折線型交指金屬結(jié)構(gòu)的單邊長度為9_13mm，寬度為l_2mm ；所述金屬化過孔的半徑為0. 2-0. 8mm ；所述上表面金屬層切除的等腰直角三角形直角邊長為2_5mm。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是
本發(fā)明的小型化雙頻圓極化異向介質(zhì)微帶天線與傳統(tǒng)半波長微帶天線相比，邊長減小約30%，面積減小約50%;本發(fā)明采用單端口饋電結(jié)構(gòu)，與采用雙端口饋電結(jié)構(gòu)的圓極化異向介質(zhì)微帶天線相比，無須另外設(shè)計(jì)雙端口等幅輸出相位相差90度的饋電網(wǎng)絡(luò)，降低了天線系統(tǒng)的復(fù)雜度和設(shè)計(jì)難度；本發(fā)明具有較低的剖面，基板總厚度小于3mm，減小了天線的體積，同時(shí)便于與載體實(shí)現(xiàn)共形。


圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的下層介質(zhì)基底的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明的側(cè)視示意圖。圖4為本發(fā)明的俯視示意圖。圖5為本發(fā)明的下層介質(zhì)基底的俯視示意圖。
圖6為本發(fā)明的實(shí)施例的回波損耗圖。圖7為本發(fā)明的實(shí)施例的駐波比圖。圖8為本發(fā)明的實(shí)施例的二維輻射方向圖。圖9為本發(fā)明的實(shí)施例的二維圓極化軸比圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例
如圖1-9所示，小型化雙頻圓極化異向介質(zhì)微帶天線，包括有三層金屬層，分別為上表面金屬層1、中間金屬層3、下表面金屬層5，所述三層金屬層之間夾有兩層介質(zhì)基板，分別為上層介質(zhì)基板2、下層介質(zhì)基板4，所述上表面金屬層1為正方形金屬貼片，所述正方形金屬貼片的兩個對稱的角切去相同尺寸的等腰直角三角形區(qū)域；所述下表面金屬層5為正方形金屬銅貼片，所述下表面金屬層5接地；所述中間金屬層3的整體輪廓為正方形，所述正方形的中心位置有垂直交叉的十字交指金屬結(jié)構(gòu)6，所述十字交指金屬結(jié)構(gòu)6內(nèi)有縫隙為內(nèi)側(cè)縫隙7，所述正方形的四角位置分別有90度折線型交指金屬結(jié)構(gòu)8，所述90度折線型交指金屬結(jié)構(gòu)8內(nèi)有縫隙為外側(cè)縫隙9，所述90度折線型交指金屬結(jié)構(gòu)8延順時(shí)針方向的末端分別有一個穿過下層介質(zhì)基板4通往下表面金屬層5的金屬化過孔10，所述中間金屬層3的中心位置偏一側(cè)設(shè)有饋電端口 11。所述饋電端口采用單端口同軸饋電方式。本實(shí)施例中，小型化雙頻圓極化異向介質(zhì)微帶天線是在雙層印刷電路板上制作的，印刷電路板為最常見的介質(zhì)覆導(dǎo)體板，由三層金屬層之間夾兩層介質(zhì)基板構(gòu)成。其上表面金屬層1、中間金屬層3、下表面金屬層5為金屬導(dǎo)體銅，厚度為0.018mm。由下表面金屬層的金屬銅構(gòu)成天線的地，尺寸為53mmX53mm。上層介質(zhì)基板2、下層介質(zhì)基板4為介電常數(shù)2. 65的正方形F4B-2介質(zhì)板，尺寸均為53mmX 53mm，上層介質(zhì)基板2厚度為1mm， 下層介質(zhì)基板4厚度為1.5mm。上表面金屬層為采用印刷電路工藝制作的正方形金屬貼片，尺寸為33mmX33mm;在正方形金屬貼片的兩個對稱的角切去相同尺寸的等腰直角三角形金屬區(qū)域，等腰直角三角形直角邊長為3mm。中間金屬層3整體輪廓為正方形，尺寸為 33mmX33mm ；中心位置制作一幅垂直交叉放置的十字交指金屬結(jié)構(gòu)6，十字交指金屬結(jié)構(gòu)6 的長度為18mm，寬度為1. 6mm,內(nèi)側(cè)縫隙7寬度為0. 3mm ；四角位置分別制作成90度折線型交指金屬結(jié)構(gòu)8，其單邊長度為9. 3mm,寬度為1. 3mm，外側(cè)縫隙9寬度為0. 3mm ；90度折線型交指金屬結(jié)構(gòu)延順時(shí)針方向的末端分別制作一個穿過下層介質(zhì)基板4通往下層金屬層5 的金屬化過孔10(孔內(nèi)壁金屬化，半徑0. 3mm,高度1. 5mm),孔心距折線型結(jié)構(gòu)末端1. 65mm。 饋電端口 11位于中間金屬層3的中心偏一側(cè)位置，距中心11mm，采用單端口同軸饋電方式， 同軸內(nèi)芯接中間金屬層，外壁接最下層金屬層地板，接口阻抗50 Ω。此實(shí)施例在1. 99-2. 02GHz和2. 26-2. 29GHz兩個頻帶工作時(shí)可以發(fā)射和接收右旋圓極化波，中心工作頻點(diǎn)分別為2. 005GHz和2. 29GHz0圖7為此實(shí)施例的駐波比圖，由圖可見，在1. 99-2. 03GHz和2. 26-2. 29GHz頻率范圍內(nèi)，駐波比VSWR≤3，體現(xiàn)出諧振特性。圖8為此實(shí)施例的二維輻射方向圖，由圖可見，工作于2. 005GHz時(shí)，天線在天頂方向的增益為4. 49dB，增益≥IdB的波束寬度在E面和H面均為108°。工作于2. 27GHz時(shí)， 天線在天頂方向的增益為4. 81dB，增益≥IdB的波束寬度在E面和H面均為110°。
圖9為此實(shí)施例的二維圓極化軸比圖，由圖可見，工作于2. 005GHz時(shí)，天線在天頂方向的圓極化軸比為1.47dB，軸比彡3dB的波束寬度在E面為160°，在H面為170°。工作于2. 27GHz時(shí)，天線在天頂方向的圓極化軸比為0. 68dB,軸比< 3dB的波束寬度在E面和 H面均為180°。
權(quán)利要求
1.一種小型化雙頻圓極化異向介質(zhì)微帶天線，包括有三層金屬層，分別為上表面金屬層、中間金屬層、下表面金屬層，所述三層金屬層之間夾有兩層介質(zhì)基板，分別為上層介質(zhì)基板、下層介質(zhì)基板，其特征在于所述上表面金屬層為正方形金屬貼片，所述正方形金屬貼片的兩個對稱的角切去相同尺寸的等腰直角三角形區(qū)域；所述下表面金屬層為正方形金屬貼片，所述下表面金屬層接地；所述中間金屬層的整體輪廓為正方形，所述正方形的中心位置有垂直交叉的十字交指金屬結(jié)構(gòu)，所述十字交指金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)有縫隙為內(nèi)側(cè)縫隙，所述正方形的四角位置分別有90度折線型交指金屬結(jié)構(gòu)，所述90度折線型交指金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)有縫隙為外側(cè)縫隙，所述90度折線型交指金屬結(jié)構(gòu)延順時(shí)針方向的末端分別有一個穿過下層介質(zhì)基板通往下表面金屬層的金屬化過孔，所述中間金屬層的中心位置偏一側(cè)設(shè)有饋電端□。
2.如權(quán)利要求1所述的小型化雙頻圓極化異向介質(zhì)微帶天線，其特征在于所述上層介質(zhì)基板、下層介質(zhì)基板的介電常數(shù)大于1，厚度為0. 5-2mm。
3.如權(quán)利要求1所述的小型化雙頻圓極化異向介質(zhì)微帶天線，其特征在于所述饋電端口采用單端口同軸饋電方式。
4.如權(quán)利要求1所述的小型化雙頻圓極化異向介質(zhì)微帶天線，其特征在于所述中間金屬層中心的十字交指金屬結(jié)構(gòu)的長度為18-23mm，寬度為l_2mm ；所述內(nèi)側(cè)縫隙、外側(cè)縫隙的寬度為l_2mm ；所述90度折線型交指金屬結(jié)構(gòu)的單邊長度為9_13mm，寬度為l_2mm ；所述金屬化過孔的半徑為0. 2-0. 8mm ；所述上表面金屬層切除的等腰直角三角形直角邊長為 2-5mm。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種小型化雙頻圓極化異向介質(zhì)微帶天線，包括有三層金屬層，三層金屬層之間夾有兩層介質(zhì)基板，上表面金屬層為正方形金屬貼片，正方形金屬貼片的兩個對稱的角切去相同尺寸的等腰直角三角形區(qū)域；下表面金屬層為正方形金屬銅貼片，下表面金屬層接地；中間金屬層的整體輪廓為正方形，正方形的中心位置有垂直交叉的十字交指金屬結(jié)構(gòu)，正方形的四角位置分別有90度折線型交指金屬結(jié)構(gòu)，90度折線型交指金屬結(jié)構(gòu)延順時(shí)針方向的末端分別有一個穿過下層介質(zhì)基板通往下表面金屬層的金屬化過孔，中間金屬層的中心位置偏一側(cè)設(shè)有饋電端口。本發(fā)明具有較低的剖面，基板總厚度小于3mm，減小了天線的體積，同時(shí)便于與載體實(shí)現(xiàn)共形，降低了天線系統(tǒng)的復(fù)雜度和設(shè)計(jì)難度。
文檔編號H01Q5/01GK102570016SQ20111041638
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月14日
發(fā)明者朱旗, 牛勇 申請人:安徽錦特微波電子有限公司