一种叠层圆极化天线单元及天线阵列

技术领域

本发明涉及微波发射器件技术，尤其涉及一种叠层圆极化天线单元及天线阵列。

背景技术

圆极化天线可接收任意极化的来波，且其辐射波也可由任何极化天线收到；圆极化天线具有旋向正交性；极化波入射到对称目标(如平面、球面等)时旋向逆转，不同旋向的电磁波具有较大数值的极化隔离。现有圆极化天线要实现较宽带宽时需要较大的天线口面以及天线高度，当高度减小时对应的带宽也会变窄，现有的单点馈电的圆极化天线，体积小的如传统陶瓷GPS天线等，带宽都比较窄；如图1所示，体积大的圆极化宽带天线，如四臂螺旋天线，平面螺旋天线等都需要足够的高度以及大小，同时由于巴伦以及差分电路的存在，装配结构较为复杂。

如图2所示，PCB贴片天线具有简易的小型一体化特性，但是PCB贴片天线用于单向辐射的环境时，以谐振模式工作，天线的带宽较窄，不适用于有宽带需求的项目。

因此，如何在保持贴片天线的小型一体化特性的同时实现宽带圆极化特性，是值得研究的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种叠层圆极化天线单元及天线阵列，同时实现了螺旋天线的宽带圆极化特性，以及贴片天线的小型一体化特性。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种叠层圆极化天线单元，包括层叠布置的板层，每个板层的金属片图案外沿分别为阿基米德螺线的不同线段，相邻板层的金属片图案外沿互相电连接，使得所有金属片图案外沿连线为阿基米德螺线，且相邻板层的金属片图案内侧上下耦合。

进一步的，每个板层的金属片图案均为扇形，相邻板层中下一层板层的金属片图案的截止面与上一层板层的金属片图案的起始面平行，且下一层板层的金属片图案的外沿截止端的第一过孔与上一层板层的金属片图案的外沿起始端的第二过孔电连接。

进一步的，最下层板层的金属片图案与最下层板层的中心对应的位置设有第三过孔，最下层板层的金属片图案通过第三过孔与馈电连接。

进一步的，最下层板层的金属片图案包括互相连接的竖直部和弧形部，所述竖直部远离弧形部的一端位于最下层板层的中心，所述竖直部远离弧形部的一端的第三过孔与馈电连接，所述弧形部远离竖直部的一端的第一过孔与上一层板层的金属片图案外沿的第二过孔连接。

进一步的，最上层板层的金属片图案的截止面与最下层板层的金属片图案的竖直部平行。

进一步的，每个板层的金属片图案的截止面与起始面之间的夹角均为指定的值。

进一步的，每个板层的金属片图案外部均设有耦合环，所述耦合环由下而上依次沿极化方向旋转，同时向外散射排布。

进一步的，最下层板层的耦合环的半径相比最上层板层的金属片图案的最大半径增加指定的第一宽度，相邻板层中上一层板层的耦合环的半径相比下一层板层的耦合环的半径增加指定的第二宽度，并且上一层板层的耦合环相比下一层板层的耦合环按照指定的长度沿极化方向旋转。

进一步的，所述耦合环包括环形间隙布置的耦合栅，所述第一宽度为耦合栅的宽度，所述第二宽度为耦合栅的宽度的一半，所述指定的长度为耦合栅的长度的一半。

进一步的，所述耦合环包括环形间隙布置的耦合栅，同一个耦合环中，每个耦合栅的长度相等，且相邻耦合栅与对应的耦合环圆心组成的圆心角均相等。

本发明还提出一种天线阵列，所述天线阵列的天线单元为任一所述的叠层圆极化天线单元。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明针对各板层均设置不同形状的金属片图案，这些金属片图案的外沿分别为阿基米德螺线的不同线段，相邻板层的金属片图案外沿连接后，所有金属片的外沿共同组成阿基米德螺线，并且相邻板层的金属片内侧通过上下耦合的方式进行耦合连接，使得工作外沿有螺旋线天线特性，中间有谐振模式特性。通过上下叠层的方式，以一种单极子天线的方式将两种特性相结合，极大的改善了贴片型天线的带宽偏窄的问题。

本发明在各层的金属片图案外部均设置有间隙布置的耦合栅组成的耦合环，耦合环能耦合并反射部分水平散射的能量加以利用，提高天线的辐射效率；同时耦合环由下而上依次沿极化方向旋转，同时向外散射排布，这种螺旋形式的排布，可以提高天线的圆极化轴比。

附图说明

图1为传统螺旋天线的结构示意图。

图2为传统贴片天线的结构示意图。

图3为本发明实施例的叠层圆极化天线单元三维结构图。

图4为本发明实施例的叠层圆极化天线单元俯视图。

图5为本发明实施例的叠层圆极化天线单元第一层板层的俯视图。

图6为本发明实施例的叠层圆极化天线单元第二层板层的俯视图。

图7为本发明实施例的叠层圆极化天线单元第三层板层的俯视图。

图8为本发明实施例的叠层圆极化天线单元第四层板层的俯视图。

图9为本发明实施例的叠层圆极化天线单元的驻波曲线。

图10为本发明实施例的叠层圆极化天线单元的轴比曲线。

图11为本发明实施例的叠层圆极化天线单元的极化方向图及增益

图例说明：1-板层、11-金属片图案、12-耦合环、111-竖直部、112-弧形部、101-第一过孔、102-第二过孔、103-第三过孔。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

在介绍本实施例的具体方案之前，现对于相关概念进行说明。

螺旋天线：螺旋天线是一种具有螺旋形状的天线，它由导电性良好的金属螺旋线组成，通常用同轴线馈电，同轴线的芯线和螺旋线的一端相连接，同轴线的外导体则和接地的金属网相连接。螺旋天线的辐射方向与螺旋线圆周长有关，螺旋线通常指阿基米德螺旋线，等角螺旋线等。

阿基米德螺旋线：阿基米德螺旋线的极坐标公式r＝r

等角螺旋线：指的是螺旋壁的距离以几何级数递增的螺旋

PCB多层板：多层印制板，指由两层以上的印制板，它由几层绝缘基板上的连接导和装配焊接盘组成，既具有导通各层线路，又具有相互间绝缘的作用。

实施例一

为了同时实现了螺旋线的宽带圆极化特性，以及贴片天线的小型一体化特性，本实施例提出一种叠层圆极化天线单元，如图3和图4所示，包括层叠布置的板层1，每个板层1的金属片图案11外沿分别为阿基米德螺线的不同线段，相邻板层1的金属片图案11外沿互相电连接，使得所有金属片图案11外沿连线为阿基米德螺线，且相邻板层1的金属片图案11内侧上下耦合。

本实施例中，板层1具体是指PCB多层板中的每一层PCB，层与层的介质基材之间各有一层金属层和半固化片粘接，每个板层1的金属片图案11是指每层PCB上蚀刻的独立金属辐射片图案；通过上述结构，本实施例的叠层圆极化天线单元每层的金属片图案11通过外沿直接电连接，而内侧通过上下耦合的方式进行耦合连接。通过上下叠层的方式，使金属片图案11叠加后外沿组成一条完整的阿基米德螺线，在工作外沿有螺旋线天线特性，中间有谐振模式特性。以一种单极子天线的方式将两种特性相结合，极大的改善了贴片型天线的带宽偏窄的问题。

本实施例中，板层1共有4片，为进行区分，分别称为第一层、第二层、第三层和第四层，从下往上的每一层板层1的俯视图如图5至图8所示，每层金属片接近扇形，这些扇形从起始位置按照极化方向到达截止位置。下面结合相应的附图，对于每一板层的结构进行说明。

如图5所示，最下层板层1即第一层的金属片图案11与最下层板层1的中心对应的位置设有第三过孔103，最下层板层1的金属片图案11通过第三过孔103与位于最下层中间位置的馈电连接。

如图5所示，本实施例中，最下层板层1即第一层的金属片图案11包括互相连接的竖直部111和弧形部112，所述竖直部111远离弧形部112的一端位于最下层板层1的中心，所述竖直部111远离弧形部112的一端的第三过孔103与馈电连接，所述弧形部112远离竖直部111的一端设有第一过孔101，此时竖直部111在第一层的金属片图案11的起始面上(起始面为金属片图案11起始位置所在的平面，为与板层1所在平面互相垂直的平面)，第一层的第三过孔103与第一过孔101之间的连线在第一层的金属片图案11的截止面上(截止面为金属片图案11截止位置对应的平面，为与板层1所在平面互相垂直的平面)，第一层的金属片图案11的第一过孔101与上一层板层1即第二层的金属片图案11外沿的第二过孔102连接。

如图6所示，为了与第一层的金属片图案11上下耦合，本实施例中，第二层的金属片图案11的起始面需要与第一层的金属片图案11截止面平行，同时，第二层的金属片图案11的外沿起始端设有第二过孔102，且第二层的金属片图案11的外沿截止端设有第一过孔101，第二层的金属片图案11外沿起始端的第二过孔102与第一层的金属片图案11的第一过孔101电连接。

如图7所示，为了与第二层的金属片图案11上下耦合，本实施例中，第三层的金属片图案11的起始面需要与第二层的金属片图案11截止面平行，同时，第三层的金属片图案11的外沿起始端设有第二过孔102，且第三层的金属片图案11的外沿截止端设有第一过孔101，第三层的金属片图案11外沿起始端的第二过孔102与第二层的金属片图案11的第一过孔101电连接。

如图8所示，为了与第三层的金属片图案11上下耦合，本实施例中，第四层的金属片图案11的起始面需要与第三层的金属片图案11截止面平行，同时，第四层的金属片图案11的外沿起始端设有第二过孔102，第四层的金属片图案11外沿起始端的第二过孔102与第三层的金属片图案11的第一过孔101电连接。

综上所述，在相邻的板层1之间，下一层板层1的金属片图案11的截止面与上一层板层1的金属片图案11的起始面平行，且下一层板层1的金属片图案11的外沿截止端的第一过孔101与上一层板层1的金属片图案11的外沿起始端的第二过孔102电连接。本实施例中，第一过孔101、第二过孔102以及第三过孔103均为金属过孔，对于金属片图案11通过外沿的金属过孔电连接形成的整体，其外沿组成一整条阿基米德螺线，外沿连线长度决定了天线低频的截止频率，可以控制天线低频性能；金属片图案11靠近中心的区域没有通过金属化过孔互相连接，而是通过设置上一层金属片图案11的起始面与下一层金属片图案11的截止面平行，使得上下层金属轮廓的边缘的耦合连接，形成耦合特性的每一层的高度能优化高频性能，可以有效实现天线的高频性能。

本实施例中，为了实现较佳的性能，我们通过设置每个金属片图案11的起始面和截止面之间的夹角，使得最上层板层1即第四层的金属片图案11的截止面与最下层板层1即第一层的金属片图案11的竖直部111平行。这样可抵消部分馈电处产生的部分垂直能量，提升圆极化性能。

具体的，对于每个金属片图案11，我们设置其起始面和截止面之间的夹角为135°，即每层的金属片均接近135°的扇形，这样使得第一层的金属片图案11的竖直部111至第四层的金属片图案11的截止面之间的角度为540°，使两者平行。

由于本实施例的叠层圆极化天线单元为单极子天线，受外界影响较敏感，为了减少周围环境对天线的影响，同时提高性能，如图5至图8所示，本实施例中，每个板层1的金属片图案11外部均设有耦合环12，如图3和图4所示，这些耦合环12由下而上依次沿极化方向旋转，同时向外散射排布。

本实施例中，耦合环12包括环形间隙布置的耦合栅，耦合栅为金属线条，在同一个耦合环中，这些耦合栅即金属线条的长度和宽度均相同，且相邻的金属线条与对应的耦合环12圆心组成的圆心角均相等。

本实施例中，每个板层1的耦合环12均与该板层1中的金属片图案11保持一定的距离，需要满足以下的条件：最下层板层1即第一层的耦合环12的半径相比最上层板层1即第四层的金属片图案11的最大半径增加一个耦合栅的宽度，相邻板层1中，上一层板层1的耦合环12的半径相比下一层板层1的耦合环12的半径增加一半的耦合栅的宽度，并且上一层板层1的耦合环12相比下一层板层1的耦合环12按照耦合栅的长度的一半沿极化方向旋转。

耦合环12能耦合并反射部分水平散射的能量加以利用，提高天线的辐射效率；同时按照上述螺旋形式的排布，减少周围环境对天线的影响的同时还可以提高天线的圆极化轴比。

下面通过仿真结果对本实施例的叠层圆极化天线单元的效果进行说明。

如图9所示，驻波满足＜2时，本实施例的叠层圆极化天线单元的覆盖频段为15～30GHz，其相对带宽为66％。仿真曲线说明天线阻抗匹配性能良好，反射回输入端口的能量很少。

如图10所示，轴比满足＜3dB时，本实施例的叠层圆极化天线单元的覆盖频段为16.9～28.8GHz。仿真曲线说明天线在该频段内的圆极化性能优异。

如图11所示，本实施例的叠层圆极化天线单元辐射方向图在驻波与轴比交叠覆盖频段内的右旋极化增益范围为：2.7～6.4dB，仿真曲线说明具有良好的右旋圆极化辐射特性，能满足绝大多数天线场景的使用。

通过图9至图11可以看出，本实施例的叠层圆极化天线单元的驻波比带宽覆盖15～30GHz，轴比带宽覆盖17～27GHz，在轴比覆盖范围内的天线增益均大于2dB。满足各天线产品的使用需求。

实施例二

本实施例还提出一种天线阵列，天线阵列中的天线单元采用实施例一的叠层圆极化天线单元。由于多层PCB加工比较简单，且整个天线单元可以一次一体化加工成型，可选择加工单个天线单元，或加工整个天线阵列。安装使用时将实施例一的叠层圆极化天线单元作为一个器件，只需要通过SMT(表面贴装技术)即可安装完成，极大的减少了生产成本。

综上所述，本发明的叠层圆极化天线单元将螺旋线的空间结构特性转移至PCB的平面结构中，在PCB的平面特性中体现立体结构的辐射特性。通过在多层PCB的每一层分别设计金属辐射片图案，堆叠后再通过适当的电连接从而实现宽带圆极化性能，实现了天线的小型化，以及一体化设计。从而克服了传统背腔平面螺旋天线虽然可以实现宽带以及圆极化特性，但其组装物料多，加工成本高，不适用小空间，以及大天线阵列使用，以及常规贴片天线体积小，但天线带宽窄的问题。

本发明的叠层圆极化天线单元具有超宽带以及圆极化特性，可以适配单天线使用、多天线的天线阵列使用等多种使用场景。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。