CN101702468A

CN101702468A - 宽带圆极化平面缝隙四元天线阵

Info

Publication number: CN101702468A
Application number: CN200910310458A
Authority: CN
Inventors: 丁桂甫; 陆闻静; 宿智娟
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2009-11-26
Filing date: 2009-11-26
Publication date: 2010-05-05

Abstract

一种无线通信技术领域的宽带圆极化平面缝隙四元天线阵，包括：圆极化缝隙辐射阵列和微波介质层，其中：圆极化缝隙辐射阵列位于微波介质层上，所述圆极化缝隙辐射阵列包括：四个圆极化缝隙辐射单元和若干馈线，其中：每两个圆极化缝隙辐射单元由馈线并联形成辐射支路，两个辐射支路由馈线并联形成辐射干路，所述的四个圆极化缝隙辐射单元的圆心位于同一轴线上。本发明具有小型化、平面化、宽频带的特点，解决了平面缝隙天线不易实现的圆极化的技术问题，并且将天线单元结构排成1×4的线阵，提高了增益和频带。

Description

宽带圆极化平面缝隙四元天线阵

技术领域

本发明涉及的是一种无线通信技术领域的装置，具体是一种基于共面波导馈电网络的宽带圆极化平面缝隙四元天线阵。

背景技术

随着卫星通信的发展和无线电频道的日益拥挤，无线电技术朝越来越短的毫米波、亚毫米波方向发展。毫米波具有极宽的带宽，分辨率高、全天候工作的特点，毫米波元件的尺寸小，更易小型化、集成化。因此毫米波技术在军事、通信、安全等领域中有着广泛的应用。但是传统天线在毫米波段遇到了新的困难。首先，随着频率的提高，对加工精度的要求越来越高，传统的机械加工已经不能满足这种要求了，必须借助于新的高精度的加工技术。而微机电系统微细加工技术能满足加工精度的要求。它具有精度高、可控性好、可批量制造、与IC工艺相兼容等优点。此外，辐射单元也必须重新设计，以满足毫米波系统小型化、集成化等要求。

贴片天线是符合毫米波要求的形式之一，它具有体积小、重量轻、低剖面、增益高、便于与有源器件集成等优点。但是传统的微带线馈电的贴片天线也有缺点，如：微带线辐射损耗大、色散大、馈线与辐射元之间隔离度差、衬底厚度对特征阻抗影响较大。另一方面，传统的微带贴片天线频带比较窄，无法适应现代通信宽频带的要求。而以共面波导(CPW)馈电的平面缝隙天线除了继承了传统贴片天线体积小、重量轻、低剖面、增益高、便于与有源器件集成等优点，还具有低损耗和色散小等优点，以及超宽频带的特性，越来越受到研究人员的关注。

经过对现有技术的文献检索发现，H.D.Chen在《天线与传播进展》(《IEEETransactions on Antennas and Propagation》VOL 51，2003，第1982页-1986页)上发表的“Broadband CPW-Fed Square Slot Antennas with a Widened Tuning Stub”(“带宽调节支的共面波导馈电宽频带矩阵缝隙天线”)，该文中提出采用矩形宽缝作为辐射单元，并附加调节支，实现60％的频带宽度，但其不足之处在于天线未实现圆极化。对于如雷达通讯等应用，除了需要较宽的频带，圆极化天线单元也较线极化单元性能优越。一般的用于微带天线实现圆极化的双馈法或微扰法对于缝隙天线往往并不有效，需重新设计。由于平面缝隙天线由缝隙进行辐射的特点，天线一般较难实现宽带圆极化。

对于单个天线，其方向图不易控制，增益不高，其他参量往往也不能满足使用要求，所以在某些应用场合需要使用阵列天线。阵列天线的各组成天线单元应有一定的排列规律和馈电方式，以获得所要求的功能。阵列天线的辐射电磁场是组成该天线阵各单元辐射场的总和。由于各单元的位置和馈电电流的振幅和相位均可以独立调整，这就使阵列天线具有各种不同的功能，这些功能是单个天线无法实现的。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种宽带圆极化平面缝隙四元天线阵，具有小型化、平面化、宽频带的特点，解决了平面缝隙天线不易实现的圆极化的技术问题，并且将天线单元结构排成1×4的线阵，提高了增益和频带。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：圆极化缝隙辐射阵列和微波介质层，其中：圆极化缝隙辐射阵列位于微波介质层上，所述圆极化缝隙辐射阵列包括：四个圆极化缝隙辐射单元和若干馈线，其中：每两个圆极化缝隙辐射单元由馈线并联形成辐射支路，两个辐射支路由馈线并联形成辐射干路，所述的四个圆极化缝隙辐射单元的圆心位于同一轴线上。

所述的馈线包括：弧形馈线和T字形馈线，其中：T字形馈线的三端分别与弧形馈线相连。

所述的弧形馈线为1/4圆环状；

所述的圆极化缝隙辐射单元包括：共面波导馈线、圆环形辐射缝隙、微扰短路调节支、中心金属圆形贴片和外围接地板，其中：共面波导馈线、圆环形辐射缝隙、微扰短路调节支、中心金属圆形贴片和外围接地板处于同一平面且设置在微波介质层上，共面波导馈线与中心金属圆形贴片的下端相连，微扰短路调节支的两端分别与中心金属圆形贴片的水平方向一侧以及外围接地板相连接，圆环形辐射缝隙位于外围接地板和中心金属圆形贴片之间。

所述的共面波导馈线、圆环形辐射缝隙、微扰短路调节支采用掩膜、光刻、电镀的方法制作在微波介质基底上。

本发明在工作时，在纵向由于共面波导馈线的存在，纵向电场不对称，沿纵向产生纵向极化；在圆环形辐射缝隙方向右侧引入一个金属短路调节支对水平方向电场进行微扰，由于边界条件要求，微扰短路调节支边缘的水平切向电量分量为零，圆环形辐射缝隙沿水平方向由于电场不对称产生另一个与纵向极化正交的极化。调节圆环形辐射缝隙与微扰短路调节支的尺寸和位置可以使两个正交极化的谐振频率略有错开，并且一个模式相位超前，另一个模式相位滞后，若使两个正交的模式幅度相等、相位刚好相差90°，则可以产生圆极化。如微扰短路调节支加在圆环形辐射缝隙的右侧，即可产生左旋圆极化(LHCP)；若把微扰短路调节支加在圆环形辐射缝隙的左侧，则可以产生右旋圆极化(RHCP)。

对于确定的天线单元，天线阵列相对更容易获得高增益和低副瓣，馈电网络决定了阵列的各项性能指标，比如驻波比、主瓣指向、副瓣电平等。该四元天线阵中，四个天线单元中心位于同一直线上，微扰短路调节支的取向一致，保证了阵列整体的圆极化性质。四个天线单元的辐射相互叠加，使得整体增益明显提高，且方向性更好，辐射更集中。馈电网络采用50Ω的共面波导馈电，每个阵元的输入阻抗为200Ω，采用并联方式保证了阻抗匹配的条件。

本发明基于MEMS微加工技术制造，可实现小型化、高精度和批量化制造，通过并联或串联组合可以构成线阵、列阵或者更加复杂、天线单元数更高的天线阵列。并且通过叠加一层或多层截止波导反射缝隙结构可以进一步提高增益和单向性。在现有的对称平面缝隙天线中引入不对称的金属微扰短路调节支，可以作为一般性实现方法用在其他形式的平面辐射天线用于实现圆极化。本发明中的线阵和馈电方式可以推广到其他天线单元构成的更复杂的阵列中，用于实现提高增益和方向性。

与现有技术相比本发明采用共面波导馈电，易于调节尺寸大小和阻抗匹配，且馈线部分与辐射单元共面，加工方便；采用圆环形缝隙辐射单元，通过在圆形缝隙中引入不对称的金属微扰短路调节支，可以实现圆极化，并且具有宽频带的特点，驻波比≤2时的阻抗带宽约为26％，轴比≤3是的带宽约为24％；通过组成1×4的天线线阵增益由原来的5dB变为6.8dB，波束宽度变窄，而且不影响其他性能。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明结构俯视图。

图3为本发明共面波导馈电的圆极化缝隙辐射单元结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1、图2所示，本实施例包括：圆极化缝隙辐射阵列1和微波介质层2，其中：圆极化缝隙辐射阵列1位于微波介质层2上，所述圆极化缝隙辐射阵列1包括：四个圆极化缝隙辐射单元3、第一弧形馈线4、第一T字形馈线5、第二弧形馈线6和第二T字形馈线7，其中：每两个圆极化缝隙辐射单元3由第一弧形馈线4和第一T字形馈线5并联形成辐射支路，两个辐射支路由第二弧形馈线6和第二T字形馈线7并联形成辐射干路，所述的四个圆极化缝隙辐射单元3的圆心位于同一轴线上，第一T字形馈线5的三端分别与第一弧形馈线4和第二弧形馈线6相连接，第二T字形馈线7的水平端分别与第二弧形馈线6相连。

所述的第一弧形馈线4和第二弧形馈线6为1/4圆环状；

如图2和图3所示，所述的圆极化缝隙辐射单元3包括：共面波导馈线8、圆环形辐射缝隙9、微扰短路调节支10、中心金属圆形贴片11和外围接地板12，其中：共面波导馈线8、圆环形辐射缝隙9、微扰短路调节支10、中心金属圆形贴片11和外围接地板12处于同一平面且设置在微波介质层2上，共面波导馈线8与中心金属圆形贴片11的下端相连，微扰短路调节支10的两端分别与中心金属圆形贴片11的水平方向一侧以及外围接地板12相连接，圆环形辐射缝隙9位于外围接地板12和中心金属圆形贴片11之间。

所述共面波导馈电的圆极化缝隙辐射阵列1，为长方形，长28mm，宽12mm。

所述微波介质层2，其介电常数为2.2，厚度为0.5mm。

所述两个相邻共面波导馈电的圆极化缝隙辐射单元3的中心间距为6.4mm。

所述四分之一圆环形状的第一弧形馈线4，圆环半径为0.5mm。

所述第一T字形馈线5，其水平支的长度为5.4mm。

所述四分之一圆环形状的第二弧形馈线6，圆环半径为0.2mm。

所述第二T字形馈线7，其水平支的长度为12mm，竖直支的长度为2.4mm。

所述共面波导馈线8，其中心线宽度为0.035mm，整个馈线宽度为0.4mm。

所述圆环形辐射缝隙9，其外径为2.4mm，内径为1.8mm。

所述微扰短路调节支10，其宽度为1.6mm，上边界与下边界与水平轴的夹角分别为3°，19.3°。

所述微扰短路调节支10，其下边缘位于圆环形辐射缝隙水平中心线下方0.2mm处。

所述中心金属圆形贴片11，其半径为1.8mm。

所述共面波导馈电的圆极化缝隙辐射阵列1采用掩膜、光刻、电镀的方法制作在微波介质层2一面上。

在本实施例工作时，在纵向由于共面波导馈线6的存在，纵向电场不对称，沿纵向产生纵向极化；在圆环形辐射缝隙7水平方向右侧引入微扰短路调节支8对水平方向电场进行微扰，由于边界要求，微扰短路调节支8的尺寸和位置可以使两个正交极化的谐振频率略有错开，并且有一个模式相位超前，另一个模式相位滞后，若使两个正交的模式幅度相等、相位刚好相差90°，则可以产生圆极化。如微扰短路调节支8加在圆环形辐射缝隙7的右侧，即可产生左旋圆极化(LHCP)；若把微扰短路调节支8加在圆环形辐射缝隙7的左边，则可以产生右旋圆极化(RHCP)。

四个天线单元排成线阵，圆极化方向相同，得到的四元阵的电磁场分布方向图为四个单元相互影响的结果，增益得到有效提高，带宽增大。馈电网络采用并联方式，共面波导馈电，尺寸设计符合了阻抗匹配的要求，可以推广应用到其他的天线阵列馈电网络中。

本实施例可以实现圆极化和宽频带目标，驻波比≤2时的阻抗带宽约为26％，轴比≤3是的带宽约为24％，增益由原来的5dB变为6.8dB，波束宽度变窄。

Claims

1.一种宽带圆极化平面缝隙四元天线阵，包括：圆极化缝隙辐射阵列和微波介质层，其特征在于：圆极化缝隙辐射阵列位于微波介质层上；

所述圆极化缝隙辐射阵列包括：四个圆极化缝隙辐射单元和若干馈线，其中：每两个圆极化缝隙辐射单元由馈线并联形成辐射支路，两个辐射支路由馈线并联形成辐射干路；

所述的四个圆极化缝隙辐射单元的圆心位于同一轴线上。

2.根据权利要求1所述的宽带圆极化平面缝隙四元天线阵，其特征是，所述的馈线包括：弧形馈线和T字形馈线，其中：T字形馈线的三端分别与弧形馈线相连。

3.根据权利要求2所述的宽带圆极化平面缝隙四元天线阵，其特征是，所述的弧形馈线为1/4圆环状，其半径为0.2～0.5mm。

4.根据权利要求1所述的宽带圆极化平面缝隙四元天线阵，其特征是，所述的圆极化缝隙辐射单元包括：共面波导馈线、圆环形辐射缝隙、微扰短路调节支、中心金属圆形贴片和外围接地板，其中：共面波导馈线、圆环形辐射缝隙、微扰短路调节支、中心金属圆形贴片和外围接地板处于同一平面且设置在微波介质层上，共面波导馈线与中心金属圆形贴片的下端相连，微扰短路调节支的两端分别与中心金属圆形贴片的水平方向一侧以及外围接地板相连接，圆环形辐射缝隙位于外围接地板和中心金属圆形贴片之间。

5.根据权利要求1所述的宽带圆极化平面缝隙四元天线阵，其特征是，所述共面波导馈电的圆极化缝隙辐射阵列为长方形，长28mm，宽12mm。

6.根据权利要求1所述的宽带圆极化平面缝隙四元天线阵，其特征是，所述微波介质层2，其介电常数为2.2，厚度为0.5mm。

7.根据权利要求4所述的宽带圆极化平面缝隙四元天线阵，其特征是，所述两个相邻的圆极化缝隙辐射单元的中心间距为6.4mm。

8.根据权利要求4所述的宽带圆极化平面缝隙四元天线阵，其特征是，所述共面波导馈线的中心线宽度为0.035mm，整个馈线宽度为0.4mm。

9.根据权利要求4所述的宽带圆极化平面缝隙四元天线阵，其特征是，所述圆环形辐射缝隙的外径为2.4mm，内径为1.8mm。

10.根据权利要求4所述的宽带圆极化平面缝隙四元天线阵，其特征是，所述微扰短路调节支，宽度为1.6mm，上边界与下边界与水平轴的夹角分别为3°和19.3°，下边缘位于圆环形辐射缝隙水平中心线下方0.2mm。