一种适用于无线输能的微带双极化天线的制作方法

1.本技术涉及无线输能领域，尤其涉及适用于无线输能的微带双极化天线。


背景技术：

2.随着5g新基建的建设，物联网蓬勃的发展，海量无线设备的出现，无线输能技术面对着严峻的考验。由于无线设备体积的限制，天线可用面积小且剖面极低，但天线的尺寸小却造成辐射强度减少。就以现有技术的微带贴片天线(microstrip patch antenna)为例，一般的天线增益偏低，若要达到所需的天线增益，天线的物理尺寸必须加大，以致与产品小型化的趋势背道而驰，不能满足市场的需求。


技术实现要素：

3.本文公开了一种天线，针对上述技术难题提出了实用的解决方案。该天线适用于物联网领域，尤其适用于需要高增益、低剖面的应用场景。一方面，本发明公开了一种用于无线输能的低剖面小型化大有效口径的双极化天线，提出了一种提高置于小接地板上的小型化低剖面微带天线增益的方法。通过在金属辐射片及金属接地片开槽(如切口、开口、开口缝)的方式，在缩小天线整体面积的同时规划金属辐射片与接地板电流的分布，达到增强正向辐射，提高增益的效果。在保持极低剖面的情况下，其有效口径与天线物理面积比值达到3.4，明显高于尺寸相近的小型化微带天线。该天线适用于中长距无线输能与射频识别的小型化终端，可广泛用于智能化与数字化的馆藏监控、仓储物流与交通运输等行业。
4.在一方面，本技术公开了一种适用于无线输能的微带双极化天线。该天线包括第一介质基板；金属辐射片，所述金属辐射片设置于第一介质基板，所述金属辐射片界定第一方形，所述第一方形的每一边分别界定一个凹形缺口；第二介质基板；金属接地片，所述金属接地片设置于所述第二介质基板，所述金属接地片界定第二方形，所述金属接地片还界定四个开口缝，各个所述开口缝分别将所述第二方形的各个对应直角对分成两个斜角；以及至少一根支柱，所述至少一根支柱分别连接于所述第一介质基板和所述第二介质基板，以致所述第一介质基板与所述金属接地片之间以空气间隙相间隔。
5.在一实施例中，天线还包括两个馈电金属片，所述馈电金属片分别设置于其中两个凹形缺口之中，其中所述馈电金属片与所述金属辐射片形成电绝缘；以及两个寄生金属片，所述寄生金属片分别设置于另外两个凹形缺口之中，其中所述寄生金属片与所述金属辐射片形成电绝缘。
6.优选的，所述馈电金属片与所述寄生金属片的尺寸大致相等。
7.优选的，所述馈电金属片的尺寸大于或小于所述寄生金属片的尺寸。
8.优选的，所述馈电金属片设置于相邻的两个凹形缺口，以及所述寄生金属片设置于相邻的另外两个凹形缺口。
9.优选的，所述金属辐射片还界定一个中心开口(330)。
10.在另一实施例中，天线还包括馈电微带线，所述馈电微带线设置于第二介质基板，
所述馈电微带线与所述馈电金属片形成电接触。优选的，天线还包括电金属柱，其中，所述馈电金属柱于所述空气间隙中延伸，并且分别与所述馈电微带线以及对应的馈电金属片形成电接触。优选的，所述接地片设置于所述第二介质基板的第一面，以及所述馈电微带线设置于所述第二介质基板的第二面。
11.在另一实施例中，天线还包括接地金属柱，其中，所述接地金属柱于所述空气间隙中延伸，并且分别与对应的寄生金属片以及所述金属接地片形成电接触。
12.优选的，所述凹形缺口对称设置于所述第一方形的四边，各凹形缺口具有大致相同的尺寸。
13.优选的，所述四个开口缝对称设置于所述第二方形的四角，各开口缝具有大致相同的尺寸，其中，所述开口缝彼此相间隔。
14.优选的，所述第一方形的面积对所述第二方形的面积的比率至少80％。
附图说明
15.图1是根据一个实施例的天线立体图；
16.图2是根据图1实施例的分解图；
17.图3是根据图1实施例的侧面图；
18.图4是根据图1实施例的顶视图；
19.图5是根据图1实施例的底视图；
20.图6示出根据图1实施例的金属辐射片的顶视图；
21.图7示出根据图1实施例的金属接地片的顶视图；
22.图8是根据1实施例的刨面图；
23.图9a、9b及9c示出了根据图1实施例的天线的各尺寸参数；
24.图10示出了三个示例天线1、天线2、天线3的尺寸、增益以及口径面积比值；
25.图11示出了天线1的仿真s参数及辐射方向图；
26.图12示出了天线2的仿真s参数及辐射方向图；以及
27.图13示出了天线3的仿真s参数及辐射方向图。
28.图14示出了根据图1实施例的天线的接地电流布局。
具体实施方式
29.可以理解，除了所描述的示例实施例之外，如本文附图中一般描述和示出的实施例的部件可以以各种不同的设置来布置和设计。因此，结合附图所表示的示例实施例和以下更详细的描述仅为示例实施例的代表，并不限制实施例所要求保护的范围。
30.本说明书中对“一个实施例”、“另一个实施例”或“实施例”(或类似术语)的引用意为结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书在各个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”等不一定泛指相同的实施例。
31.此外，所描述的特征、结构或特性可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。在以下描述中，提供了许多具体细节以提供对实施例的彻底理解。然而，相关领域的技术人员将意识到可以在没有一个或多个具体细节的情况下或者利用其他方法、组件、材料等来实践各种实施例。在其他情况下，一些或所有已知结构、材料、或者操作可能不被详
细显示或描述，以避免混淆。
32.以下参照附图说明，一方面，本公开针对微带天线小型化的问题，提出了一种既是低剖面小型化又具备高增益的双极化的微带天线。本文阐明了一种在缩小微带天线及其地板尺寸的同时，确保其增益，从而大大增加天线有效口径与物理口径比。通过在微带贴片和地板上开缝的方式，缩小天线体积并操纵天线金属面上的电流分布，增强其正向增益。
33.图1至图8示出了根据本发明的一个实施例的一种适用于无线输能的微带双极化天线100。微带双极化天线100包括：第一介质基板200；金属辐射片300，所述金属辐射片300设置于第一介质基板200；第二介质基板400；金属接地片500，所述金属接地片500设置于所述第二介质基板400；以及至少一根支柱700，所述至少一根支柱700分别连接于所述第一介质基板200和所述第二介质基板400，以致所述第一介质基板200与所述金属接地片500之间以空气间隙相间隔800。所述至少一根支柱700、第一介质基板200及第二介质基板400为绝缘体材料。第一介质基板200及第二介质基板400可均采用相对介电常数3.5，损耗角正切0.001的材料。
34.其中，所述金属辐射片300界定第一方形380，所述第一方形380的每一边380a/b/c/d分别界定一个凹形缺口310a/b/c/d。为一示例，凹形缺口对310a/c、310b/d称设置于所述第一方形380的四边，各凹形缺口310a/b/c/d具有大致相同的尺寸。所述凹形缺口310a/b/c/d可设置为方形缺口。所述金属辐射片还界定一个中心开口330，所述中心开口330可设置为圆形开口。另外，所述金属接地片界定第二方形580，所述金属接地片还界定四个开口缝510a/b/c/d，各个所述开口缝510a/b/c/d分别将所述第二方形580的各个对应直角580a/b/c/d对分成两个斜角530a/b/c/d及532a/b/c/d。换句话说，各对相应斜角530a/b/c/d与532a/b/c/d的角度相等，例如，530a与532a的角度相等。在一实例中，各斜角530a/b/c/d及532a/b/c/d的角度相等，例如，530a与530b的角度相等。所述四个开口缝510a/b/c/d对称设置于所述第二方形580的四角580a/b/c/d，各开口缝510a/b/c/d具有大致相同的尺寸。另外，所述开口缝510a/b/c/d彼此相间隔设置，开口缝510a/b/c/d之间不形成连接。为一示例，所述第一方形的面积对所述第二方形的面积的比率至少80％。
35.为一示例，第一介质基板200包括第一面202以及第二面204，金属辐射片300设置于第一介质基板200的第一面202。第二介质基板400包括第一面402以及第二面404，金属接地片设置于第二介质基板400的第一面402；以及馈电微带线710设置于第二介质基板400的的第二面404。为一示例，第一介质基板200厚度为0.5毫米(mm)，第二介质基板400厚度为0.5毫米(mm)，空气间隙厚度为4毫米(mm)。
36.微带双极化天线100还包括两个馈电金属片610，所述馈电金属片610分别设置于其中两个凹形缺口310a/b之中，其中所述馈电金属片610与所述金属辐射片300形成电绝缘。微带双极化天线100还包括两个寄生金属片630，所述寄生金属片630分别设置于另外两个凹形缺口310c/d之中，其中所述寄生金属片630与所述金属辐射片300也形成电绝缘。所述馈电金属片610与寄生金属片630可设置为方形。在这一示例中，所述馈电金属片610设置于相邻的两个凹形缺口310a/b，以及所述寄生金属片630设置于相邻的另外两个凹形缺口310c/d。在另一示例，所述馈电金属片610可相对设置于两个凹形缺口310a/c；所述寄生金属片630可相对设置于另外两个凹形缺口310b/d。所述馈电金属片610与寄生金属片630尺寸大小关系起到调谐天线工作频率的作用并达成输入阻抗匹配。因此可根据需求设置为，
馈电金属片610大于、等于或小于寄生金属片630。为一示例，所述馈电金属片610的尺寸比所述寄生金属片630的尺寸小。为另一示例，所述馈电金属片610的尺寸比所述寄生金属片630的尺寸大。为另一示例，所述馈电金属片610与所述寄生金属片630的尺寸大致相等。
37.微带双极化天线100还包括两条馈电微带线710，由两条馈电微带线710实现双极化。所述馈电微带线710设置于第二介质基板400。两条馈电微带线710可设置于第二介质基板400的第二面404。馈电微带线710与馈电金属片610之间形成的电接触。参考图8，天线100包括馈电金属柱730及接地金属柱750，所述馈电金属柱730于所述空气间隙中延伸，并且分别与所述馈电微带线710以及对应的馈电金属片610形成电接触。另外，所述接地金属柱750于所述空气间隙中延伸，并且分别与对应的寄生金属片630以及所述金属接地片500形成电接触。
38.所述馈电金属柱730穿过第二介质板400以及第一介质板200，形成馈电微带线710以及相应馈电金属片610之间的电接触。所述馈电金属柱730穿过第二介质板400时，与金属接地片500之间形成电绝缘。所述接地金属柱750穿过及第一介质板200，形成寄生金属片630以及金属接地片500之间的电接触。
39.在一实例中，电磁能量由馈电微带线710、半径0.5毫米(mm)的馈电金属柱730与馈电金属片610有效地耦合到金属辐射片300，激励起其主模。馈电金属柱730的感性效应与馈电金属片610引入的容性效应调节了天线与特征阻抗为50欧姆的馈电微带线710的阻抗匹配，不需要引入其他匹配结构。
40.双极化天线100于其一对正交的主模，借助两点馈电的方式与天线整体的方形结构，实现了天线的双极化。通过金属辐射片300与金属接地片500的空气缝隙，实现了天线的小型化并操纵了其上的电流分布。通过天线的金属辐射片300上设置的凹形缺口310a/b/c/d以及金属接地片500上设置的开口缝510a/b/c/d之间的配合，使之对正向辐射做出积极贡献，提高了天线的正向增益，增加了天线有效口径与物理面积之比(口径面积比值)。值得关注的是，仅设有凹形缺口310a/b/c/d的天线或仅设有开口缝510a/b/c/d的天线，均无法达到上述的正向增益及口径面积比值。
41.另一方面，本文公开了一种微带双极化天线的设置方法，其中包括，选择使得有效口径与天线物理面积比值(effective-to-physical aperture ratio,epar)尽可能高而接地片面积尽可能小的天线尺寸设置。在本文中，术语“有效口径与天线物理面积比值”(简称“口径面积比值”)指的是，天线的有效口径面积(a
eff
)与天线的物理口径面积(a
phys
)之比(即epar＝a
eff
/a
phys
)。
42.根据一实施例，微带双极化天线根据以下公式1而设置。
43.在公式1中：n是外场球面波函数展开的阶数，λ0是自由空间中的波长，g是天线的侧射增益，a是天线外接球体的半径，k是自由空间中的波数。
44.图9a、9b、9c示出了天线的各尺寸参数。图10示出了示例性天线1、天线2、天线3的各参数及其参数值。图11、12及13示出了天线1、天线2、天线3的相应仿真s参数及辐射方向图。
45.天线1：馈电金属片(w
fp
)的尺寸小于与寄生金属片(w
pp
)的尺寸。由图11的仿真s参数及辐射方向图可见，天线1的口径面积比值较高(3.2)，但端口隔离不完善，及有较大的交叉极化，该天线物理尺寸仅为0.27λ*0.27λ*0.015λ(λ是自由空间电磁波波长)。
46.天线2：馈电金属片(w
fp
)的尺寸与寄生金属片(w
pp
)的尺寸相等。由图12的仿真s参数及辐射方向图可见，天线2的口径面积比值较高(3.4)，并具有较高的增益(6.0dbi)、端口隔离较完善以及较小的交叉极化。该天线物理尺寸仅为0.27λ*0.27λ*0.015λ(λ是自由空间电磁波波长)，而其正向增益达到6.0dbi，有效口径与物理面积比达到了3.4，优于现有的同等体积下的双极化微带天线。
47.天线3：馈电金属片(w
fp
)的尺寸与寄生金属片(w
pp
)的尺寸相等，以及较大的金属接地片面积。由图13的仿真s参数及辐射方向图可见，天线3的口径面积比值略低(2.9)但具有较大的增益(6.8dbi)、端口隔离较完善以及较小的交叉极化，该天线物理尺寸却为0.29λ*0.29λ*0.015λ(λ是自由空间电磁波波长)。
48.由此可见，在这三个示例性天线中，如果根据常理而选择增益值最高的天线，则选择天线3，不会考虑选择天线2。换言之，单凭天线的增益，看不出在能满足对天线增益要求的前提下，其实还存将天线进一步小型化的潜能。如果根据本发明一实施例，进一步算出并且以口径面积比值为决定因素之一，则可以获得更优的天线设置，如天线2。以此类推，采用本文所披露的技术方案，可根据各种实际应用场景对天线的需求，对天线各参数进行设置或者调整。
49.另一方面，本文公开了一种根据以上所述方法设置的微带双极化天线，该天线包括：金属辐射片300与金属接地片500彼此以空气间隙相隔；该天线的金属接地片500的接地电流分布被设置为：中心部分910的电流密度相较于周边部分920的电流密度高。参照图14，接地电流的分布同时受金属辐射片300以及金属接地片500的操控，其技术效果包括缩小天线体积并操纵天线金属面上的电流分布，增强其正向增益。(为了较清楚示出金属接地片500相对于金属辐射片300的位置，其他构件，如第一介质基板、第二介质基板等，从图中省略)。在这示例中，接地电流的分布取决于金属辐射片300的凹形缺口310、金属辐射片300的中心开口330以及金属接地片500的开口缝510的相应尺寸、形状以及相对的位置。所述中心部分(在图10中以斜线示意性标出的部分910)大致围绕天线的中心。金属辐射片300的凹形缺口310、金属辐射片300的中心开口330以及金属接地片500的开口缝510界定电流密度较高的中心部分910。周边部分920指的是接地片500除了中心部分910以外的其余部分，周围部分920的电流密度大致比中心部分910的电流密度低。相同的，金属辐射片300上的电流，于中心开口330的电流密度相较于金属辐射片300外围部分的电流密度高。
50.根据一个示例，所述金属接地片500界定多个开口缝510，所述开口缝分别从所述金属接地片500的边缘940向金属接地片的中心930延展，所述开口缝510彼此不连通，以致金属接地片500的电流路径950被延长，并且于金属接地片500的中心部分910具有较高的电流分布密度。换言之，相对于一个没有开口缝的方形金属接地片，本公开中具有开口缝510的金属接地片500的电流路径950较长且面积较小。
51.如本文所使用，除非另有明确说明，否则单数“一”和“一个”可以解释为包括复数“一个或多个”。
52.本公开出于说明和描述的目的，并非为详尽无遗或为限制性。许多修改和变化对于本领域普通技术人员来说是清楚易懂的。本文所选择和描述的示例实施例是为了解释原理和实际应用，使本领域普通技术人员能够理解本公开的各种实施例所适合的各种修改，以达到预期的特定技术效果。
53.因此，尽管在此参考附图描述了说明性示例实施例，但是应当理解地，该描述不具限制性，本领域技术人员可以在不脱离本公开的范围或创意构思及实施方案的前提下，对其进行各种其他改变和修改。