零階諧振器和低剖面零階諧振器全向圓極化天線的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及圓極化天線技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及零階諧振器和低剖面零階諧振器全向圓極化天線。
【背景技術(shù)】
[0002]具有全向輻射特性的全向圓極化天線能夠?qū)崿F(xiàn)全方位的覆蓋或者接收任意方向的任意極化來波，因而在陸地移動通信系統(tǒng)、移動衛(wèi)星通信、廣播電視通信、以及航空通信(如飛機(jī)和航天器等)等有廣泛應(yīng)用。
[0003]目前，全向圓極化天線設(shè)計方法主要有:螺旋偶極子天線技術(shù)、圓柱共形天線陣技術(shù)、背靠背天線技術(shù)、單極子天線技術(shù)和介質(zhì)諧振器天線技術(shù)等。但是，依據(jù)這些方法設(shè)計的全向圓極化天線需要垂直放置，即天線福射方向與垂直于天線結(jié)構(gòu)平面，這就意味著天線需要占據(jù)較大的空間，這與通信系統(tǒng)小型化的發(fā)展趨勢是格格不入的。近年電磁超介質(zhì)(Metamaterial)和復(fù)合左 / 右手傳輸線(Composite Right/Left Handed Transmiss1nLine, CRLH TL)的研究熱潮為天線發(fā)展帶來了新機(jī)遇。由CRLH TL推導(dǎo)而來的零階諧振器天線(Zeroth-Order Resonator Antenna，Z0RA)可水平放置并實現(xiàn)全向福射，亦即天線福射方向平行于天線結(jié)構(gòu)平面，因此全向輻射的零階諧振器天線具有其它全向天線所不具備的低剖面特點，而且尺寸小(遠(yuǎn)小于波長)，十分符合當(dāng)前系統(tǒng)小型化的潮流。但是一般的零階諧振器天線是單一線極化天線，因此不能在需求圓極化波的領(lǐng)域應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有全向圓極化天線的設(shè)計方案無法讓天線輻射方向平行于天線結(jié)構(gòu)平面，而需要占據(jù)較大的空間的不足，提供零階諧振器和低剖面零階諧振器全向圓極化天線。
[0005]為解決上述問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0006]零階諧振器，包括零階諧振器本體，所述零階諧振器本體由介質(zhì)基板、金屬貼片、金屬地板和短路銷釘組成；金屬貼片和金屬地板分別覆貼在介質(zhì)基板的兩個相對平行的表面上；短路銷釘垂直于金屬貼片和金屬地板所處平面，并嵌入到介質(zhì)基板中；短路銷釘?shù)囊欢伺c金屬貼片相連，另一端與金屬地板相連。
[0007]上述方案中，所述短路銷釘設(shè)置在金屬貼片的邊緣處。
[0008]低剖面零階諧振器全向圓極化天線，包括天線本體，所述天線本體由介質(zhì)基板、金屬地板、輻射型饋電網(wǎng)絡(luò)和饋電探針組成；金屬地板覆貼于介質(zhì)基板的一側(cè)表面上，輻射型饋電網(wǎng)絡(luò)覆貼于介質(zhì)基板的另一側(cè)表面上，且金屬地板所處表面與輻射型饋電網(wǎng)絡(luò)所處平面平行；輻射型饋電網(wǎng)絡(luò)位于該天線本體的中部；輻射型饋電網(wǎng)絡(luò)包括多個饋電分支；每個饋電分支設(shè)有一個饋電探針，該饋電探針垂直于饋電分支和金屬地板所處平面，并從介質(zhì)基板上開設(shè)的垂直小孔中貫穿穿過；饋電探針的一端與所對應(yīng)的饋電分支相連，另一端穿出金屬地板；介質(zhì)基板、金屬地板、I個饋電分支和I個饋電探針構(gòu)成一個輻射饋電單元。其不同之處是，還進(jìn)一步包括諧振網(wǎng)絡(luò)和短路銷釘；諧振網(wǎng)絡(luò)與輻射型饋電網(wǎng)絡(luò)覆貼于介質(zhì)基板的同一側(cè)表面上，且諧振網(wǎng)絡(luò)位于該天線本體的邊緣，且環(huán)繞在輻射型饋電網(wǎng)絡(luò)的外側(cè)；諧振網(wǎng)絡(luò)包括多個呈環(huán)狀環(huán)繞分布的金屬貼片；每個金屬貼片各設(shè)有I個短路銷釘，該短路銷釘垂直于諧振金屬貼和金屬地板所處平面，并嵌入到介質(zhì)基板中；短路銷釘?shù)囊欢伺c每個金屬貼片的相連，另一端與金屬地板相連；介質(zhì)基板、金屬地板、I個金屬貼片和I個短路銷釘構(gòu)成一個零階諧振器。
[0009]上述方案中，輻射饋電單元的個數(shù)與零階諧振器的個數(shù)相同，每個零階諧振器對應(yīng)一個福射饋電單元。
[0010]上述方案中，輻射型饋電網(wǎng)絡(luò)的中心與諧振網(wǎng)絡(luò)的中心重合。
[0011]上述方案中，每個金屬貼片均為沿圓周方向延伸的弧形條狀的金屬貼片；所有金屬貼片首尾間隔相接，形成一個環(huán)繞輻射型饋電網(wǎng)絡(luò)的圓環(huán)形。
[0012]上述方案中，每個零階諧振器的短路銷釘與其所對應(yīng)的金屬貼片相連的位置相同。
[0013]上述方案中，輻射型饋電網(wǎng)絡(luò)包括至少2個7字形的饋電分支；每個7字形的饋電分支由I條沿徑向方向延伸的直條狀的微帶線和I條沿圓周方向延伸的圓弧條狀的短截線組成；所有饋電分支的下端相連，并形成該輻射型饋電網(wǎng)絡(luò)的中心，所有饋電分支關(guān)于該中心呈中心對稱分布的車輪形；所有饋電分支共用I個饋電探針，該饋電探針垂直于輻射型饋電網(wǎng)絡(luò)和金屬地板所處平面，并從介質(zhì)基板上開設(shè)的垂直小孔中貫穿穿過；饋電探針的一端與輻射型饋電網(wǎng)絡(luò)的中心相連，另一端穿出金屬地板相連。
[0014]上述方案中，所述金屬地板為圓形。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過設(shè)計新型的雙極化零階諧振器，讓兩個極化間的相位差固定為90°，并使用圓環(huán)組陣的形式構(gòu)造電偶極子和磁偶極子，將零階諧振器單元設(shè)計和圓環(huán)陣圓極化天線優(yōu)化分割開來，無需考慮兩個互相垂直的線極化分量的相位問題，使優(yōu)化效率提高，節(jié)約了系統(tǒng)資源和設(shè)計效率；此外，本發(fā)明所設(shè)計的全向圓極化天線具有剖面低的特性，可應(yīng)用在對天線剖面有要求的系統(tǒng)中。
【附圖說明】
[0016]圖1為低剖面零階諧振器全向圓極化天線的設(shè)計流程圖。
[0017]圖2為本發(fā)明所設(shè)計的零階諧振器的俯視圖。
[0018]圖3為圖2的側(cè)視圖；
[0019]圖4為零階諧振器的S11參數(shù)及輸入阻抗圖；
[0020]圖5為圖2和圖3所示零階諧振器的水平極化和垂直極化的輻射特性圖。
[0021]圖6為本發(fā)明所設(shè)計的低剖面零階諧振器全向圓極化天線的立體示意圖。
[0022]圖7為實施例1 一種低剖面零階諧振器全向圓極化天線的俯視圖；
[0023]圖8為圖7的側(cè)視圖；
[0024]圖9為實施例1的低剖面零階諧振器全向圓極化天線的S11參數(shù)圖；
[0025]圖10為實施例1的低剖面零階諧振器全向圓極化天線在Xz面和xy面的輻射方向圖；
[0026]圖11為實施例1的所示低剖面零階諧振器全向圓極化天線在xy平面內(nèi)天線輻射的垂直極化波與水平極化波的相位差及表征圓極化特性的軸比圖。
[0027]圖12為實施例2另一種低剖面零階諧振器全向圓極化天線的俯視圖；
[0028]圖13為圖12的側(cè)視圖；
[0029]圖14為實施例2的低剖面零階諧振器全向圓極化天線的S11參數(shù)圖；
[0030]圖15為實施例2的低剖面零階諧振器全向圓極化天線在Xz面和xy面的輻射方向圖；
[0031]圖16為實施例2的低剖面零階諧振器全向圓極化天線在xy平面內(nèi)天線輻射的垂直極化波與水平極化波的相位差及表征圓極化特性的軸比圖。
[0032]圖中標(biāo)號:1、介質(zhì)基板；2、金屬地板；3、諧振網(wǎng)絡(luò)；3_1、金屬貼片；4、短路銷釘；5、輻射型饋電網(wǎng)絡(luò)；5-1、饋電分支；6、饋電探針。
【具體實施方式】
[0033]為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0034]為解決現(xiàn)有全向圓極化天線大都需垂直放置占據(jù)空間大，而采用零階諧振概念設(shè)計的圓極化天線沒有形成系統(tǒng)設(shè)計方法，原理復(fù)雜，不能用于指導(dǎo)高效、快速的全向圓極化天線設(shè)計的問題，提出了一種高效的低剖面零階諧振器全向圓極化天線設(shè)計方法，如圖1所示，低剖面的特性可滿足特別系統(tǒng)的要求。通過采用半開路半短路邊界條件設(shè)計新型的零階諧振器單元模型，單元模型具有兩個互相垂直的線極化，這兩個極化的相位差固定為90°，使得圓環(huán)陣的設(shè)計無需考慮圓極化所必須的兩極化90°相差特性，將圓環(huán)陣天線中陣列單元設(shè)計和整個陣列的優(yōu)化分割開，并形成系統(tǒng)的設(shè)計方法，從而提高圓極化天線優(yōu)化設(shè)計的速度，節(jié)約了系統(tǒng)資源，提高了優(yōu)化設(shè)計的效率。
[0035]一，建立零階諧振器的單元模型。
[0036]圖2和圖3為本發(fā)明所設(shè)計的零階諧振器的俯視圖和側(cè)視圖，圖中X、y、z分別為互相垂直的方向。該零階諧振器主要由介質(zhì)基板1、金屬貼片3-1、金屬地板2和短路銷釘4組成。金屬貼片3-1和金屬地板2分別覆貼在介質(zhì)基板I的兩個相對平行的表面上。其中金屬貼片3-1的形狀根據(jù)設(shè)計需求進(jìn)行設(shè)計。短路銷釘4垂直于金屬貼片3-1和金屬地板2所處平面，并嵌入到介質(zhì)基板I中。短路銷釘4的一端與金屬貼片3-1相連，另一端與金屬地板2相連。為了獲得更好的性能，所述短路銷釘4盡量設(shè)置在金屬貼片3-1的邊緣處。
[0037]在金屬貼片3-1和金屬地板2通過短路銷釘4相連的垂線上，形成該零階諧振器的短路邊界條件；而在金屬貼片3-1和金屬地板2通過介質(zhì)基板I相連的垂線上，形成該零階諧振器的開路邊界條件。與傳統(tǒng)零階諧振器為全