一种双频带圆极化微带天线的制作方法

1.本发明属于天线技术领域，具体涉及一种新型双频带圆极化天线，天线两个工作频段都在ka频段，可以用于卫星通信等领域。


背景技术：

2.微带天线在微波集成技术和新型制造工艺的兴起后得到了快速发展。相比于传统天线，微带天线具有体积小，重量轻，低剖面，易集成的特点，在现代移动通信、个人通信、医疗器件、卫星通信、导航遥测等领域得到了广泛应用。ka波段的频率范围为26.5-40ghz，该波段主要用在卫星通讯领域。但在卫星通信技术中，信号会受到传播路径长、路径状况复杂的影响进而影响到通信系统的接收准确性，例如大气层对信号的折射反射会引起信号极化方向的偏转，会导致信号极化失配；雨雪天气时信号传播损耗较大，导致通信质量较差问题；地球两极磁场会导致信号发生法拉第效应。圆极化信号可以解决极化失配问题、在雨雪天气损耗较小、可以不受法拉第效用的影响，因此在卫星通信领域多采用圆极化天线。多频技术可以通过天线本身的设计来实现多个频段的信号通信，有效减少天线线路铺设的成本，具有较高的研究价值。因此在卫星通信领域，ka波段的双频段圆极化微带天线的研究具有实际应用意义。


技术实现要素：

3.本发明从卫星通信系统中对于天线性能的要求出发，设计了采用双端口馈电、缝隙耦合、带寄生贴片的微带天线，可以满足卫星通信系统的要求。所设计的天线具有结构简单、低剖面等特点。
4.为了实现卫星通信系统的功能要求，本发明具体通过以下技术方案实现：
5.一种双频带圆极化微带天线，包括层叠设置的第一介质层至第五介质层；还包括馈电结构和siw结构；
6.所述第一介质层的上表面设有辐射贴片和寄生贴片；所述辐射贴片为方环状结构，寄生贴片设有四个，围绕在辐射贴片的外侧；
7.所述馈电结构包括金属薄板和l型馈线；所述金属薄板位于第三介质层和第四介质层之间，且金属薄板上刻蚀有两个u型缝隙；两u型缝隙位于辐射贴片的正下方，且两u型缝隙的中间部相互垂直；l型馈线设有两条，两者均位于第四介质层和第五介质层之间；所述l型馈线与u型缝隙一一对应，l型馈电线位于其对应的u型缝隙的下方；
8.所述siw结构设有四组，与寄生贴片一一对应；每组siw结构的3个金属通孔的间距相同，金属通孔的上端与对应的寄生贴片连接，其下端与金属薄板连接；
9.所述第五介质层的下表面设有金属地板。
10.进一步的，所述寄生贴片为l型结构，其折角内侧正对方环状结构的角端。
11.进一步的，3个金属通孔的上端分别分布在l形寄生贴片两枝节上与两枝节的中间弯折处。
12.进一步的，第二介质层为天线加工时的粘合层，第一介质层、第二介质层、第三介质层和第五介质层的相对介电常数均为2.94，介质损耗角正切为0.0012。介第四介质层的相对介电常数为10.2，介质损耗角正切为0.0023。
13.进一步的，l型馈线的短枝节末端均设有延伸段，且延伸段平行于l行馈线的长枝节；两个延伸段分别位于对应的u型缝隙中间部的正下方，且两者相互平行。
14.进一步的，辐射贴片的每一外角均设有圆弧形切角，每一内角处均设有直角补偿；所述直角补偿为方形。
15.双频带圆极化天线，包括贴片天线层：辐射贴片1、辐射贴片缺陷结构2、寄生贴片单元3，共包括4个对称寄生贴片单元；介质层4、6、7、11、13；金属地层8、15；siw结构5，共12个金属通孔及l型馈电结构12、14，其特征在于：所述回型寄生贴片单元3位于辐射贴片1的四角，共四个，呈对称分布；所述辐射贴片1带有四个弧形切角和特征性的缺陷结构2；所述馈电结构包括u型缝隙9、10以及两个l型馈电线路12、14；所述siw结构5每一组3个金属通孔间距相同，其上端与寄生贴片单元3连接，每一组分3个，分布在l形寄生贴片单元两端与中间弯折中心，下端与带状线的下层金属地8连接。
16.天线结构从上到下具体细节如下：
17.最上层为贴片单元层，包含辐射贴片单元1、寄生贴片单元3。辐射贴片1形状为正方形，四角为圆弧形切角，切角大小相同；同时包含了特征性缺陷结构2，缺陷结构2形状为一个缺角正方形，缺角与贴片1不同，为正方形切角。
18.往下是介质层4、6、7，为符合实际天线加工工艺，介质层4、7为实际加工介质层，厚度为0.127mm，6为介质层间粘合层，厚度为0.127mm，介质层4、6、7的相对介电常数和介质损耗角正切相同。
19.中间是耦合金属地层8，与u型缝隙9、10共面，馈电网络通过该缝隙与辐射贴片单元耦合。u型缝隙9、10位于辐射贴片1下方，u型缝隙9、10关于天线整体结构的x轴与y轴对角线对称。
20.其下为介质层11，特征为厚度为0.127mm，材料与天线结构中4、6、7、13都不相同。
21.下面为馈电网络层12、14，带状线12在u型缝隙10下方，带状线14在u型缝隙9下方，带状线12与u型缝隙10、带状线14与u型缝隙10非中心对称，馈线12的边线与缝隙10中心线对齐、馈线14的边线与缝隙9中心线对齐。带状线12、14为l型馈电结构，在转角处有切角，减少天线信号的失真。
22.最下面为介质层13和金属背板15，介质层13与天线介质层4、6、7材料厚度相同，金属背板15为金属地，保证天线单元的单向辐射，减少天线背部器件对天线信号的影响。
23.本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
24.本发明天线由金属背板、介质层、馈电结构、金属缝隙层、siw结构、辐射贴片及寄生贴片构成。通过双端口相位差90
°
的信号输入和缝隙耦合，实现ka波段的圆极化，同时利用特征缺陷结构来实现工作波段的双频带圆极化。该天线可以实现27.6ghz-27.98ghz与28.74ghz-30.46ghz的圆极化信号输出。
附图说明
25.图1是天线整体结构示意图；
26.图2是双频带圆极化天线侧视图；
27.图3是双频带圆极化天线辐射单元、寄生贴片单元俯视图；
28.图4是双频带圆极化天线俯视示意图；
29.图5是双频带圆极化天线的反射系数曲线图；
30.图6是双频带圆极化天线的圆极化轴比曲线图；
具体实施方式
31.一种双频带圆极化天线，包括贴片天线层：辐射贴片1、辐射贴片缺陷结构2、寄生贴片单元3，共包括4个对称寄生贴片单元；介质层4、6、7、11、13；金属薄板8、金属地15；siw结构5，共12个金属通孔及l型馈线12、14，所述回型寄生贴片单元3位于辐射贴片1的四角，共四个，呈对称分布；所述辐射贴片1带有四个弧形切角和特征性的缺陷结构2；所述馈电结构包括u型缝隙9、10以及两个l型馈线12、14；所述siw结构5每一组3个金属通孔间距相同，其上端与寄生贴片单元3连接，每一组分3个，分布在l形寄生贴片单元两端与中间弯折中心，下端与带状线的下层金属地8连接。
32.天线结构从上到下具体细节如下：
33.最上层为贴片单元层，包含辐射贴片单元1、寄生贴片单元3。辐射贴片1形状为正方形，四角为圆弧形切角，切角大小相同；同时包含了特征性缺陷结构2，缺陷结构2形状为一个缺角正方形，缺角与贴片1不同，为正方形切角。
34.往下是介质层4、6、7，为符合实际天线加工工艺，介质层4、7为实际加工介质层，厚度为0.127mm，6为介质层间粘合层，厚度为0.127mm，介质层4、6、7的相对介电常数和介质损耗角正切相同。
35.中间是耦合金属地层8，与u型缝隙9、10共面，馈电网络通过该缝隙与辐射贴片单元耦合。u型缝隙9、10位于辐射贴片1下方，u型缝隙9、10关于天线整体结构的x轴与y轴对角线对称。
36.其下为介质层11，特征为厚度为0.127mm，材料与天线结构中4、6、7、13都不相同。
37.下面为馈电网络层12、14(l型馈线)，带状线(l型馈线)12在u型缝隙10下方，带状线14在u型缝隙9下方，带状线12与u型缝隙10、带状线14与u型缝隙10非中心对称，馈线12的边线与缝隙10中心线对齐、馈线14的边线与缝隙9中心线对齐。带状线12、14为l型馈电结构，在转角处有切角，减少天线信号的失真。
38.最下面为介质层13和金属背板15，介质层13与天线介质层4、6、7材料厚度相同，金属背板15为金属地，保证天线单元的单向辐射，减少天线背部器件对天线信号的影响。
39.下面结合附图1-4和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
40.参考图1至图4，图1是双频带圆极化天线整体结构示意图，图2是双频带圆极化天线侧视图，图3是双频带圆极化天线贴片单元、寄生贴片单元俯视图，图4是双频带圆极化天线俯视示意图。如图1所示，天线由贴片单元层(包含结构1、2、3)、介质层4、6、7、11、13、金属薄板8、金属地15以及馈线网络12、14构成。天线最顶层辐射贴片1包含4个圆弧形切角与缺陷结构2，缺陷结构2特征为一个切角正方形，切角形状为小正方形，缺陷结构2与圆弧切角能够显著优化天线的s11参数。
41.寄生贴片单元3的尺寸和位置对于天线s11参数性能有影响。天线信号通过馈电网
络12、14馈入，两个端口馈入信号相位相差90度，u型缝隙9、10关于贴片单元的x轴与y轴对称，二者一起保证天线在两个工作频率的圆极化波纯度，天线在工作状态时u型缝隙9、10被激励以后通过耦合的方式激励起辐射贴片1上的tm10模，激发辐射贴片1向外辐射圆极化波。辐射贴片1的尺寸用于调节天线的中心频率，当其尺寸减小时，天线的中心频率升高，介质层4、6、7的高度和寄生单元贴片3的尺寸影响天线的方向图性能，馈电网络12、14与贴片单元的x轴与y轴非中心对称是为了增加天线在工作频率的圆极化性能，让天线在工作频率的圆极化轴比宽度达到左右各50度以上。
42.辐射贴片单元1、寄生贴片单元3、siw结构5的金属通孔、金属薄板8、金属地15都采用电阻率较小的金属，例如铝、铜、金等，以减少天线损耗。介质层4、6、7、13采用rogersrt/duroid6002，相对介电常数为2.94，介质损耗角正切为0.0012。介质层13采用rogersrt/duroid6010，相对介电常数为10.2，介质损耗角正切为0.0023。
43.该双频带圆极化天线结构在这里选择一种尺寸组合进行实施例说明：
44.图2中的结构1、2、3厚度0.018mm，结构4、6、7厚度为0.127mm，结构5长度为0.417mm，结构8厚度为0.018mm，结构11厚度为0.127mm，结构12厚度为0.018mm，结构13厚度为0.127mm，结构15厚度为0.018mm。
45.图3中描述了辐射贴片与寄生贴片结构的具体尺寸，数据如下：缺陷结构2宽度16为0.8mm，其正方形切角宽度17为0.2mm，辐射贴片结构1宽度18为2.5mm，其圆弧形切角半径19为0.2mm，l型寄生贴片结构3一端到天线中心距离20为0.9mm，端长21为1mm，宽度22为0.4mm，siw结构5的金属通孔直径23为0.1mm。
46.图4为双频带圆极化天线俯视示意图，u型缝隙9、10结构尺寸相同，结构10的底部长度24为1.2mm，边部长度25为0.6mm，宽度26为0.1mm，馈电网络12、14结构尺寸也相同，结构14的馈口到天线中心线的距离30为2.6mm，馈线尺寸27为4.2mm，28为2.5mm，结构12馈线尺寸29为0.8mm。
47.此时，天线反射系数s11仿真图如图5所示。
48.图5是该双频带圆极化天线的反射系数曲线图，图像显示，天线在ka波段的27.6ghz-27.98ghz与28.74ghz-30.46ghz频率范围内s11参数低于-10db，实现了天线双频带特性。
49.此时，天线轴比仿真图如图6所示。
50.图6是该双频带圆极化天线的轴比曲线图，图像显示，天线在ka波段的27.6ghz-27.98ghz与28.74ghz-30.46ghz频率范围内轴比显著低于3db，表明天线在双频带工作时圆极化特性优良。
51.若需要在此天线基础上进行性能参数改变，得到不同中心频率下的天线，可以根据具体实施方式调整不同参数，如可以改变主辐射贴片和缝隙尺寸以及介质基板的厚度来调节天线的中心频率，调整端口的位置调节阻抗匹配等。

技术特征：
1.一种双频带圆极化微带天线，包括层叠设置的第一介质层至第五介质层；其特征在于，还包括馈电结构和siw结构；所述第一介质层的上表面设有辐射贴片和寄生贴片；所述辐射贴片为方环状结构，寄生贴片设有四个，围绕在辐射贴片的外侧；所述馈电结构包括金属薄板和l型馈线；所述金属薄板位于第三介质层和第四介质层之间，且金属薄板上刻蚀有两个u型缝隙；两u型缝隙位于辐射贴片的正下方，且两u型缝隙的中间部相互垂直；l型馈线设有两条，两者均位于第四介质层和第五介质层之间；所述l型馈线与u型缝隙一一对应，l型馈电线位于其对应的u型缝隙的下方；所述siw结构设有四组，与寄生贴片一一对应；每组siw结构的3个金属通孔的间距相同，金属通孔的上端与对应的寄生贴片连接，其下端与金属薄板连接；所述第五介质层的下表面设有金属地板。2.根据权利要求1所述的一种双频带圆极化微带天线，其特征在于，所述寄生贴片为l型结构，其折角内侧正对方环状结构的角端。3.根据权利要求1所述的一种双频带圆极化微带天线，其特征在于，3个金属通孔的上端分别分布在l形寄生贴片两枝节上与两枝节的中间弯折处。4.根据权利要求1所述的一种双频带圆极化微带天线，其特征在于，第二介质层为天线加工时的粘合层，第一介质层、第二介质层、第三介质层和第五介质层的相对介电常数均为2.94，介质损耗角正切为0.0012。介第四介质层的相对介电常数为10.2，介质损耗角正切为0.0023。5.根据权利要求1所述的一种双频带圆极化微带天线，其特征在于，l型馈线的短枝节末端均设有延伸段，且延伸段平行于l行馈线的长枝节；两个延伸段分别位于对应的u型缝隙中间部的正下方，且两者相互平行。6.根据权利要求1所述的一种双频带圆极化微带天线，其特征在于，辐射贴片的每一外角均设有圆弧形切角，每一内角处均设有直角补偿；所述直角补偿为方形。

技术总结
本发明公开了一种双频带圆极化微带天线，属于无线技术领域，本发明天线由金属背板、介质层、馈电结构、金属缝隙层、SIW结构、辐射贴片及寄生贴片构成。通过双端口相位差90


技术研发人员：黄建明 林辉辉 张乃柏 崔岩松 杨光耀 邓琨
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第五十四研究所 喀什地区电子信息产业技术研究院
技术研发日：2023.07.26
技术公布日：2023/9/23