CN101794935B - 一种环加载微带贴片天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环加载微带贴片天线，包括反射板(1)、下层贴片(2)、中层贴片(3)和环加载的上层贴片(4)，三层贴片及反射板(1)之间由中心开孔的短路金属柱(6)支撑；上层贴片(4)上叠放盖板(5)；上层贴片(4)的馈线穿过短路金属柱(6)中心的孔在盖板(5)上接阻抗匹配段(12)，然后馈到中层贴片(3)上；中层贴片(3)馈电端口(8)和下层贴片(2)的馈电端口(9)与贴片圆心连线成90°夹角，馈入信号幅度相等、相位相差90°的圆极化辐射波；上层贴片(4)的边沿(11)向下翻转形成类似瓶盖状的环。本发明将上层贴片的边沿向下翻转，利用环加载技术，使上层贴片的增益得到提高，副瓣、后瓣电平降低。

Description

一种环加载微带贴片天线

技术领域

本发明属于微波通信领域，特别涉及一种环加载微带贴片天线。

背景技术

由于单层微带天线主要是谐振式微带天线，相对带宽较窄，在设计宽频微带天线时，层叠微带天线是一种易实现且可行性较强的微带天线形式。

微带天线由于其低剖面性在结构及物理性能等方面具有许多突出优点，对于带宽较宽的情况，目前多采用多层贴片结构来展宽微带天线的阻抗带宽。多层贴片的设计思想是：当采用参差调谐的紧耦合回路时，频带将会展宽。根据该思想设计多层贴片构成的微带天线，适当调整各层贴片的尺寸，当顶层元谐振和辐射时，第二层贴片作为它的接地面，而当第二层元谐振并辐射时，则顶层的贴片作为一个电感性的耦合元件，依此类推，一层叠一层，实现宽频带工作。当要求天线工作在L波段的1.15～1.19GHz、1.28～1.32GHz、1.62～1.68GHz三个频段时，采用多层贴片天线的具体设计过程为：首先进行中层和下层贴片的尺寸和间距的设计，使其工作于1.15～1.19GHz、1.28～1.32GHz，这样作为上层贴片接地板的中层微带的尺寸就基本确定了，然后进行工作于1.62～1.68GHz频段的上层贴片的设计，由于微带天线辐射的三个频段都在L频段，采用普通的微带贴片时上层贴片尺寸相对中层贴片(上层贴片的等效接地板)来说比较大，导致上层贴片天线口径场分布比较松散，同时主极化增益低，副瓣电平高，轴比性能不好；而且影响下面两层贴片的辐射性能。

另外，也有将环加载技术用于天线频带展宽的，但主要用于喇叭天线。比如西北工业大学硕士论文“弹载天线设计及互耦分析”第5.2.2节“介质环加载圆锥喇叭天线模型分析”中，介绍了在圆锥喇叭的适当位置放入一段适当厚度和长度的介质环形成介质环加载圆锥喇叭天线。其原理是从左边光壁波导入射的波模在介质环加载波导中转换为混合模，这些混合模在其右边的光壁波导段转换为TE模和TM模。介质环加载圆锥喇叭天线是混合模激励的多模圆锥喇叭天线。通俗的来讲，介质环加载喇叭天线中环加载的作用是将从左边光壁波导入射的波模在介质环加载波导中转换为混合模。但由于原理、结构和材料等方面的不同，这一技术未能用于贴片天线。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服传统层叠微带贴片天线的不足，提供一种主极化增益高，副瓣、后瓣电平低，轴比性能优良的环加载微带贴片天线。

本发明的技术解决方案：环加载微带贴片天线，包括反射板、下层贴片、中层贴片和环加载的上层贴片，三层贴片及反射板之间由中心开孔的短路金属柱支撑；上层贴片上叠放盖板，盖板上开槽，上层贴片的馈线穿过短路金属柱中心的孔在盖板的开槽部分接阻抗匹配段，然后馈到中层贴片上；所述中层贴片馈电端口和下层贴片馈电端口与贴片圆心连线成90°夹角，馈入信号幅度相等、相位相差90°的圆极化辐射波；所述上层贴片的边沿向下翻转形成类似瓶盖状的环。

所述上层贴片的形状为圆形、或矩形、或环形、或加微扰贴片形状。

在所述上层贴片翻下来的环上，沿几何中心对称挖出两个豁口形成微扰。

当所述上层贴片是圆形或环形贴片时，豁口为圆弧形；当所述上层贴片为矩形贴片时，豁口为方形。

一种环加载微带贴片天线，包括由短路金属柱支撑的反射板和上层贴片，反射板和上层贴片之间通过馈电探针馈电；所述上层贴片的边沿向下翻转形成类似瓶盖状的环。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明利用环加载技术，通过将上层贴片的边沿向下翻转，使上层贴片的增益得到提高，副瓣、后瓣电平降低，而且整个天线的电性能优良。对于上层贴片而言，采用普通贴片时，天线的口径场分布相对松散。而上层微带贴片采用环加载贴片技术后，对于上层贴片而言，天线的口径场分布相对集中，使得主极化增益有所提高，副瓣、后瓣电平降低；而且电场的两个正交分量幅度平衡，相差更稳定，所以上层天线的圆极化性能更优，轴比性能得到改善。同时，就下面两层贴片来讲，上层贴片采用环加载技术后，上层贴片的横向尺寸有所减小，降低了上层贴片对下层低频辐射贴片的耦合作用，使得天线在工作频段范围性能更优。

(2)本发明采用环加载贴片的设计方法，在接地板尺寸受限的情况下，使天线的口面静电场分布更集中，使微带天线具有高增益、低副瓣、低后瓣等优良性能，有效地减小单层微带天线的横向尺寸，适应星上越来越苛刻的空间要求。在微带贴片天线中，中层贴片同时作为上层贴片的接地板使用，因此，当中层贴片作为1.28～1.32GHz的辐射贴片时的尺寸确定后，其作为上层贴片的接地板使用的相对尺寸也已经确定。为了相对地增加等效接地板尺寸，把上层贴片周围向下翻转，形成一个边沿似瓶盖状的环，即设计成环加载贴片的形式。这样既减小了贴片的横向尺寸，也达到了相对地增加等效接地板尺寸的目的，同时降低了副瓣和后瓣，改善了轴比。

(3)本发明中，上层贴片采用单探针馈电加微扰的方式实现圆极化，下层微带贴片则采用双探针正交馈电技术，保证天线具有良好的阻抗带宽和轴比带宽，降低馈电的复杂度，简化了结构。

(4)本发明中，上层贴片采用单探针馈电加微扰的方式实现圆极化，两个中心对称的微扰可以使天线工作于两个空间上正交的简并模，易于实现圆极化。

(5)本发明中，下层微带贴片采用双探针正交馈电技术，以激励一对极化正交的简并模，易于实现圆极化。

附图说明

图1为本发明的一种环加载微带贴片天线结构剖面示意图；

图2为本发明的一种环加载微带贴片天线结构俯视透视示意图；

图3为上层贴片立体结构示意图；

图4为无环加载贴片时1.68GHz频点的波束方向图；

图5为无环加载贴片时1.68GHz频点的轴比曲线图；

图6为采用环加载贴片时1.68GHz频点的波束方向图；

图7为采用环加载贴片时1.68GHz频点的轴比曲线图；

图8为实施例2中单层微带天线的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1

本实施例设计一个工作在L波段的三个频段的三层微带天线。

如附图1所示，本发明的环加载微带贴片天线，包括反射板1、下层贴片2、中层贴片3和环加载的上层贴片4，三层贴片及反射板1之间由短路金属柱6支撑，短路金属柱6中心开有过孔。上层贴片4的边沿11向下翻转形成环加载形式，如图3所示。在上层贴片4上叠放盖板5，盖板5上开槽。上层贴片4的馈线10穿过短路金属柱6中心的过孔，在盖板5的开槽部分接阻抗匹配段12，然后馈到中层贴片3上。加阻抗匹配段12是为了使上层贴片天线与50Ω同轴线(即天线与后续电路间的连接)匹配，如图2所示。

本实施例中，下层贴片2采用正交馈电的方式来实现圆极化，中层贴片3通过下层贴片2电磁耦合的方式馈电，上层贴片4采用单点馈电加微扰的方式实现圆极化。

本实施例中，下层微带贴片采用双探针正交馈电技术：中层贴片3的馈电端口8和下层贴片2的馈电端口9与贴片圆心连线成90°夹角，馈入信号幅度相等、相位相差90°，以实现圆极化辐射波。

本实施例中，下层贴片2和中层贴片3均为圆形贴片，上层贴片4为带环加载的圆形贴片。

本实施例中，在上层贴片4翻下来的边沿11上加两个中心对称的微扰7，即在上层贴片4翻下来的边沿11上沿几何中心对称挖出两个豁口形成微扰，本实施例中，由于上层贴片4是圆形贴片，因此豁口形状为圆弧形。通过增加微扰7，可以改善上层贴片天线的口径静电场分布，使得天线的口径静电场分布更集中，主极化增益提高，轴比性能改善，副瓣、后瓣降低；同时减小了对下面两层贴片的耦合作用。

附图3为上层贴片4采用环加载技术后的模型图。图中，圆形的上层贴片4周围向下翻转所成的边沿11。上层贴片4采用环加载技术以后可以有效地提高天线的主极化增益、降低副瓣、后瓣，改善天线的轴比性能。

如附图4、5、6、7所示为上层贴片4采用环加载技术前后方向图以及轴比曲线图。可以看出：在三个频段内有良好的圆极化低仰角性能。上层贴片4没有采用环加载技术时，主极化增益约8.9dB，副瓣约24dB，在±15°范围内，轴比约6dB；采用环加载技术后，主极化增益约9.4dB，副瓣约31dB，在±15°范围内，轴比小于2dB。相比之下，采用环加载贴片技术后，上层贴片天线的主极化增益提高了0.5dB，在±15°仰角范围轴比降低了4dB，副瓣降低了7dB。

对上面所描述的模型进行统一建模仿真，优化辐射体的尺寸、高度和馈电点的位置，使之工作在所需要的频点。而环加载贴片4翻下来的边沿11的高度以及所加微扰7的长度是比较敏感的参数，微调这两个参数可以获得性能优异的宽频微带天线。微调即以天线电性能为目标变量，在一定范围内不断调整更新这两个参数。

实施例2

本发明的环加载天线技术不仅可以应用于层叠微带天线，也可以应用于单层微带天线。

如图8所示，实施例2设计了一个工作在1.2GHz的单层微带天线，包括反射板1、上层贴片4、短路金属柱6和馈电探针13，采用单探针馈电实现线极化。仿真表明，适当调节馈电探针13位置、上层贴片4的高度以及上层贴片4翻下来边沿的高度，可以得到良好的电性能。

当上层贴片4没有采用环加载技术时，反射板1的直径约220mm；采用环加载技术后，在达到同样电性能的情况下，反射板1的直径约170mm。与没有采用环加载的普通贴片相比，反射板1的横向尺寸缩小到采用普通贴片时的四分之三。

当然，本领域技术人员可以理解：在不背离本发明广义范围的前提下，可以对上述实施例进行改动，比如，环加载技术不仅仅适用于圆形微带贴片，同样适用于其它形状贴片，如矩形、环形贴片、加微扰贴片以及各种变形贴片等；而且环加载技术中翻下来的边沿即加载部分的形状也可以相对的做一些变化、调整。因而，本发明并不仅限于所公开的特定实施例，其范围应当涵盖所附权利要求书限定的本发明的核心及保护范围内的所有变化。本发明未公开的技术属于本领域公知技术。

Claims (3)

1.一种环加载微带贴片天线，其特征在于：包括反射板(1)、下层贴片(2)、中层贴片(3)和环加载的上层贴片(4)，三层贴片及反射板(1)之间由中心开孔的短路金属柱(6)支撑；上层贴片(4)上叠放盖板(5)，盖板(5)上开槽；上层贴片(4)的馈线穿过短路金属柱(6)中心的孔在盖板(5)的开槽部分接阻抗匹配段(12)，然后馈到中层贴片(3)上；所述中层贴片(3)馈电端口(8)和下层贴片(2)的馈电端口(9)与贴片圆心连线成90°夹角，馈入信号幅度相等、相位相差90°的圆极化辐射波；所述上层贴片(4)的边沿(11)向下翻转形成类似瓶盖状的环。

2.根据权利要求1的一种环加载微带贴片天线，其特征在于：所述上层贴片(4)的形状为圆形、或矩形、或环形、或加微扰贴片形状。

3.根据权利要求1或2的一种环加载微带贴片天线，其特征在于：在所述上层贴片(4)的边沿(11)向下翻转形成类似瓶盖状的环上，沿几何中心对称挖出两个豁口形成微扰(7)。

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