CN101345337B

CN101345337B - 一种新型的x波段双频微带天线

Info

Publication number: CN101345337B
Application number: CN2007100182438A
Authority: CN
Inventors: 赵晓鹏; 介晓永; 罗春荣
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2007-07-11
Filing date: 2007-07-11
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2027-07-11
Also published as: CN101345337A

Abstract

本发明涉及一种新型的X波段双频微带天线，特别涉及一种基于单独加载串联电容的左右手复合传输线结构的双频天线。该天线包括介质基板、辐射元件、微带馈线、阻抗匹配器和金属接地板。辐射元件由两个矩形金属贴片和一个交指电容组合而成，交指电容串联加载在两个矩形金属贴片之间，使该种天线工作于X波段两个不同的频率。本发明天线的双频工作特性易于实现和调节，适合多种场合使用。同时，该种天线保持了低剖面，造价低和易于集成等特点，而且馈电结构简单，非常适合作为天线阵列的组成单元。

Description

一种新型的X波段双频微带天线

技术领域

本发明涉及一种新型的X波段双频微带天线。

背景技术

现代通信技术的快速发展对信息的传输容量提出了更高的要求，如合成孔径雷达(SAR)，海洋表面气流测量雷达和交通管制系统等雷达与通信系统经常需要微波频段的双频工作方式。双频除了在重量、空间和成本上具有优势外，还能保证收/发信道的分离和匹配。微带天线由于本身低剖面，便于制造，成本低和易于与其他电路结合设计等优点而受到关注。因此双频(或多频)微带天线的研究成为当前通信领域的热点问题。

2002年，美国的Itoh和加拿大的Eleftheriads两位科学家分别领导的科研小组几乎同时提出了左右手复合传输线(composite right/left-handed transmission-line，CRLH-TL)概念，发现加载分立串联电容和并联电感的传输线结构具有后向波特征，也就是左手特性。同时，单独加载串联电容的传输线(series capacitor loaded transmission-line)和单独加载并联电感的传输线(shunt inductance loaded transmission-line)也表现出了各自的特异性质。因此，上述三种新型传输线结构已经被用来设计和制备许多性能优越的微波器件和电路。而在被广泛认为最具有应用潜力的天线领域，它们能够显著改善普通天线单元和天线阵列的辐射性质如增益、方向性和阻抗匹配等，并能有效缩减天线的物理尺寸。

发明内容

本发明的目的是基于单独加载串联电容的传输线结构，提供一种加载串联交指结构电容的微带天线，能够在微波X频段实现双频工作模式，以满足不断增长的对更高传输容量的需求。交指结构电容是一种广泛应用于微波电路的集总电容器，它由相邻微带单元之间的边缘相互交错而产生电容效应，仅需要平面印制电路板或光刻腐蚀工艺就可制备。更重要的是，交指结构电容有利于CRLH-TL左手传输通带的中心频率向高频移动，例如X波段甚至毫米波段，从而为改善工作在高频的天线的性能提供了一条途径。

本发明中新型的X波段双频微带天线在每个谐振频点的工作模式与普通微带天线相似，均为单向辐射。与传统双频微带天线相比较，该种天线通过改变交指电容的结构参数就可以方便地调节高、低两个工作频率，适合多种场合使用。而且，该种天线的馈电结构简单，抑制后向辐射的能力也较强。同时，该种天线保持了结构紧凑，造价低和易于集成等特点，非常适合作为天线阵列的单元。

本发明包括：在正方形介质基板的一面设有金属接地板；在该基板的另一面，从一边的端面起依次为50Ω微带馈线，λ/4阻抗匹配器，矩形金属贴片I，交指电容和矩形金属贴片II。将标准SMA(3.5mm)接头焊接在50Ω微带馈线上作为馈电接口，用于连接同轴电缆。矩形金属贴片I，交指电容和矩形金属贴片II一起组成天线辐射元件，印制在介质基板的中心部位。

附图说明

图1是所发明天线的结构示意图；

图2是所发明天线加载的交指电容的剖面示意图；

图3是所发明天线A-1的回波损耗测量结果；

图4是所发明天线A-2的回波损耗测量结果；

图5是所发明天线A-3的回波损耗测量结果；

图6是所发明天线A-4的回波损耗测量结果。

具体实施方式

本发明是在厚度为h，相对介电常数为ε_r，长度为l_s，宽度为w_s的单层双面聚四氟乙烯覆铜基板1的其中一面的中央位置刻蚀矩形金属贴片2，交指电容3和矩形金属贴片4，如图1、2所示，其中图1中右上角插图是交指电容的具体形貌示意。矩形金属贴片2、4的长度均为W，宽度分别为L₁和L₂，与交指电容3一起构成天线辐射元件。交指电容3的结构参数包括：交指长度l，交指宽度w，交指间距s，指末空隙g及交指的数目N等。由于天线采用侧馈方式，在该平面一端的中间位置设置一条特性阻抗为50Ω的微带馈线5，长度为l_f，宽度为w_f。为实现良好的阻抗匹配，在天线辐射元件与50Ω微带馈线5之间串联λ/4阻抗匹配器6，其长、宽尺寸分别为l_g和w_g。基板1的另一面是与基板面积大小相等的金属接地板7。50Ω微带馈线5的远离λ阻抗匹配器6的一端焊接有标准SMA接头8，通过同轴电缆将天线连接到信号发生器或矢量分析仪上。

上面所述矩形金属贴片2、4，交指电容3，50Ω微带馈线5，λ/4阻抗匹配器6和金属接地板7均为铜层，也可选用银、锡或铝等金属替代。为防止金属表面氧化和延长天线使用寿命，对刻蚀后的铜层做镀锡处理，铜、锡两者共同形成厚度为t的金属层。

本发明的实现过程和材料性质由实施例与附图说明：

实施例一：

利用印制电路板或光刻腐蚀等技术完成所发明天线A-1的制作，其具体制备过程如实施方式所述。相关设计参数如下：h＝1.50mm，ε_r＝2.65的聚四氟乙烯介质基板，损耗角正切tanδ＝0.0015，l_s＝w_s＝40.00mm；矩形金属贴片2、4的长度W＝11.21mm，宽度L₁＝L2＝4.20mm；交指电容的交指长度l＝2.50mm，交指宽度w＝0.59mm，交指间距s＝0.59mm，指末空隙g＝0.30mm及交指的数目N＝10；50Ω微带馈线的长度l_f＝10.70mm，宽度w_f＝4.10mm；λ/4阻抗匹配器的长度l_g＝5.10mm，宽度w_g＝2.00mm。金属层厚度t＝0.04mm。同轴馈电接口采用标准的SMA接头。天线A-1的回波损耗测量曲线如图3所示，在X波段的10.12和11.13GHz处同时出现两个谐振频率，谐振峰强度分别为-10.5与-22.7dB，均能满足天线工作要求。从天线辐射方向图测量结果知道，天线A-1在10.12和11.13GHz处均为单向辐射，方向图的后瓣较小，天线的后向辐射得到较好抑制。

实施例二：

与实施例一相似，利用印制电路板或光刻腐蚀等技术完成所发明天线A-2的制作，其具体制备过程如实施方式所述，同时保持介质基板的参数不变。其它设计参数如下：矩形金属贴片2、4的长度W＝11.21mm，宽度L₁＝L₂＝4.20mm；交指电容的交指长度l＝3.50mm，交指宽度w＝0.59mm，交指间距s＝0.59mm，指末空隙g＝0.30mm及交指的数目N＝10；50Ω微带馈线的长度l_f＝10.30mm，宽度w_f＝4.10mm；λ阻抗匹配器的长度l_g＝5.50mm，宽度w_g＝1.50mm。金属层厚度t＝0.04mm。同轴馈电接口采用标准的SMA接头。天线A-2的回波损耗测量曲线如图4所示，在X波段的8.50和9.38GHz处同时出现两个谐振频率，谐振峰强度分别为-13.9与-13.8dB，均能达到天线工作要求。从天线辐射方向图测量结果知道，天线A-2在8.50和9.38GHz处均为单向辐射，方向图的后瓣较小，天线的后向辐射得到较好抑制。

实施例三：

与实施例一相似，利用印制电路板或光刻腐蚀等技术完成所发明天线A-3的制作，其具体制备过程如实施方式所述，同时保持介质基板的参数不变。其它设计参数如下：矩形金属贴片2、4的长度W＝11.25mm，宽度L₁＝L₂＝4.20mm；交指电容的交指长度l＝2.50mm，交指宽度w＝0.75mm，交指间距s＝0.75mm，指末空隙g＝0.30mm及交指的数目N＝8；50Ω微带馈线的长度l_f＝10.90mm，宽度w_f＝4.10mm；λ/4阻抗匹配器的长度l_g＝4.90mm，宽度w_g＝2.30mm。金属层厚度t＝0.04mm。同轴馈电接口采用标准的SMA接头。天线A-3的回波损耗测量曲线如图5所示，在X波段的10.19和11.80GHz处同时出现两个谐振频率，谐振峰强度分别为-18.6与-12.8dB，均能满足天线工作要求。天线辐射方向图测量结果显示，天线A-3在10.19和11.80GHz处均为单向辐射，方向图的后瓣较小，天线的后向辐射得到较好抑制。

实施例四：

与实施例一相似，利用印制电路板或光刻腐蚀等技术完成所发明天线A-4的制作，其具体制备过程如实施方式所述，同时保持介质基板的参数不变。其它设计参数如下：矩形金属贴片2、4的长度W＝11.34mm，宽度L₁＝L₂＝4.20mm交指电容的交指长度l＝2.50mm，交指宽度w＝0.42mm，交指间距s＝0.42mm，指末空隙g＝0.30mm及交指的数目N＝14；50Ω微带馈线的长度l_f＝10.70mm，宽度w_f＝4.10mm；λ/4阻抗匹配器的长度l_g＝5.10mm，宽度w_g＝1.50mm。金属层厚度t＝0.04mm。同轴馈电接口采用标准的SMA接头。天线A-4的回波损耗测量曲线如图6所示，在X波段的9.31和10.12GHz处同时出现两个谐振频率，谐振峰强度分别为-9.3与-15.8dB，均能达到天线工作要求。天线辐射方向图测量结果显示，天线A-4在9.31和10.12GHz处均为单向辐射，方向图的后瓣较小，天线的后向辐射得到较好抑制。

以上所述，只是本发明的优选实例而已，不能因此局限本发明的权利范围，凡是依据本发明权利要求及发明说明书内容所做的其他各种相应的变动与更改，都应属于本发明专利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种新型的X波段双频微带天线，该天线包括：介质基板、辐射元件、50Ω微带馈线、λ/4阻抗匹配器和金属接地板，其主要特征在于：辐射元件由两个矩形金属贴片和一个交指电容组合而成，交指电容串联加载在两个矩形金属贴片之间，此天线可工作于X波段的两个不同频率，并且通过改变交指电容的几何结构参数可调控该天线的工作频率。

2.根据权利要求1所述的新型的X波段双频微带天线，其特征在于：两个矩形金属贴片的尺寸大小相等，长度为11.21～11.34mm，宽度为4.20mm。

3.根据权利要求1所述的新型的X波段双频微带天线，其特征在于：交指电容的交指长度为2.50～3.50mm，交指宽度为0.42～0.75mm，交指间距为0.42～0.75mm，指末空隙为0.30mm，交指的数目为8～14。

4.根据权利要求1所述的新型的X波段双频微带天线，其特征在于：馈电方式采用侧馈，λ/4阻抗匹配器连接在辐射元件和50Ω微带馈线之间。