CN102280718A - Ku波段低剖面双频双极化阵列天线 - Google Patents

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Abstract

一种卫星通信技术领域的Ku波段低剖面双频双极化阵列天线，由八层结构组成的多层夹心结构，依次为寄生单元层、第一介质板层、空气层、激励单元及第一极化馈电匹配网络层、第二介质板层、接地板层、第三介质板层和第二极化馈电匹配网络层。本发明能够满足当前Ku波段卫星通信的收发频段的阻抗宽带需求，水平极化与垂直极化端口隔离度优于30dB。

Description

Ku波段低剖面双频双极化阵列天线
技术领域
本发明属于卫星通信技术领域的天线，具体是一种工作于Ku波段的低剖面双频双极化阵列天线。
背景技术
现今移动影音、无线电配备及无线网络愈来愈多样化，例如数字无线电视、收音机、卫星导航及无线网络等均利用无线传输，而这些通讯系统的运作，都必须通过天线来负责信号的传送与接收，因此天线是无线系统中非常重要的一个部分。同时，现代航天、通信、雷达等军民应用领域中，如机载、星载及各类卫星通信系统朝着小型化、轻型化、多功能一体化方向发展。在性能方面，迫切需要能够在多个频率下工作、电磁兼容性好、不易受电子干扰、雷达散射截面(RCS)小、具有隐身/反隐身特性的高性能阵列天线。集成多种功能于一副天线，既可以实现上述目标，还能简化系统，如同时实现宽带、双频、双极化工作特性。
微带天线和常用的微波天线相比，具有体积小、重量轻、剖面低、便于与载体共形；性能多样化，易于得到各种极化等优点。因此，有许多文献研究了利用微带天线实现双频双极化的需求。
经过对现有技术的文献检索发现，传统的利用微带天线实现双频双极化的做法有：R.Shavit等人发表在2005年8月电子短文(IEE Proceedings Microwaves，Antennas & Propagation)第152卷，第4期的文章：双频圆极化微带天线(Dual frequency circularly polarized microstripantenna)，提出了利用双层辐射贴片实现双频双圆极化，两个贴片分别工作于两个频段，这种结构天线尺寸较大，口面效率也不高，相对阻抗带宽较窄。
L.Tso-Wei等人发表在2005年4月电子短文(IEEE/ACES International Conference)的文章：双频圆极化微带天线(Dual band circularly polarized microstrip antenna)，提出利用两个辐射贴片嵌套的形式，嵌套的两个贴片均工作于主模，这种结构由于存在外贴片的匹配限制，要求较大的内外贴片尺寸比，因此需要电容加载或运用于较大频率比的情况。
史清等人发表在2004年12月的微波学报第20卷，第4期的文章：双频双圆极化微带天线实验设计，提出了采用单贴片口径耦合天线同时增大基片厚度，达到同时覆盖两个工作频率的效果，这种结构会产生大量表面波影响天线辐射效率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足和缺陷，提供了一种Ku波段低剖面双频双极化阵列天线，使之能够满足当前Ku波段卫星通信的收发频段的阻抗宽带需求，水平极化与垂直极化端口隔离度优于30dB。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明所述Ku波段低剖面双频双极化阵列天线由八层结构组成的多层夹心结构，依次为寄生单元层、第一介质板层、空气层、激励单元及第一极化馈电匹配网络层、第二介质板层、接地板层、第三介质板层和第二极化馈电匹配网络层，其中：寄生单元层内设有矩形贴片结构的寄生单元，该寄生单元紧贴第一介质板层，激励单元及第一极化馈电匹配网络层内设有矩形贴片结构的激励单元以及以侧馈形式馈电的第一极化馈电匹配网络，第二极化馈电匹配网络层内设有通过探针与激励单元相连的第二极化馈电匹配网络，寄生单元层紧贴第一介质板层，激励单元和第一极化馈电匹配网络位于同一层表面上，第二极化馈电匹配网络通过探针与激励单元相连。
本发明和现有技术相比，其效果是积极和明显的。本发明因为整体采用多层夹心结构，使天线的剖面很低。采用单个贴片实现双频双极化功能，通过附加寄生贴片，扩展了带宽，并提高了增益，也使天线的口面利用效率获得改善。采用网络的分层设计提高了两极化端口的隔离度。扩展组阵时，相邻单元等幅反相馈电，也降低了交叉极化。本发明的网络结构经过优化布局，使其损耗尽可能小，也使得天线的整体增益尽可能高。因此，本发明具有低剖面、高增益、高隔离度和双频双极化等优点。
附图说明
图1为实施例结构示意图。
图2为实施例部分结构示意图；
图中：(a)为寄生单元结构示意图，(b)为第一极化馈电匹配网络图及激励贴片示意图，(c)为第二极化馈电匹配网络图。
图3为天线第一极化E面方向图和交叉极化的仿真与实测值。
图4为天线第一极化H面方向图和交叉极化的仿真与实测值。
图5为天线第一极化增益的仿真与实测值。
图6为天线第二极化E面方向图和交叉极化的仿真与实测值。
图7为天线第二极化H面方向图和交叉极化的仿真与实测值。
图8为天线第二极化增益的仿真与实测值。
图9为天线上两种极化端口隔离度的仿真与实测值。
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。
实施例
如图1和图2所示，本实施例所述Ku波段低剖面双频双极化阵列天线由八层结构组成的多层夹心结构，依次为寄生单元层1、第一介质板层2、空气层3、激励单元4及第一极化馈电匹配网络5层、第二介质板层6、接地板层7、第三介质板层8和第二极化馈电匹配网络层9，其中：
所述的寄生单元层1紧贴第一介质板层2。
所述的激励单元4和第一极化馈电匹配网络5位于同一层表面上。
所述的第二极化馈电匹配网络9通过探针10与激励单元4相连。
所述的介质板层采用低介电常数来改善天线的带宽和增益，单元介质板尺寸为16.8mm×18mm×0.762mm，介电常数为2.55。
所述的激励单元采用矩形贴片结构实现双频双极化功能，单元激励贴片尺寸为6.2mm×6.8mm×0.035mm。
所述的寄生单元采用矩形贴片结构提高天线的带宽和增益，单元寄生贴片尺寸为5.6mm×7.0mm×0.035mm。
所述的第一极化馈电匹配网络采用共面微带线激励，实现天线单元的第一极化辐射。
所述的探针采用圆柱结构实现对贴片的激励并在结构上起到支撑和加固作用，探针直径为0.55mm。
所述的第二极化馈电匹配网络采用微带线结合探针激励，实现天线单元的第二极化辐射。
以16元阵为例：阵列天线以单元为基础，进行等间距扩展组阵。16个天线单元4×4地排列在长方形口面上，且这16个单元分成镜像对称的四组，每组经由微带连接线采用并联馈电技术连接构成16元阵列，用于同时接收与发送Ku波段的信号。16元阵列天线由八层结构组成，从上往下，依次是寄生单元层1、第一介质板层2、空气层3、激励单元4及第一极化馈电匹配网络5层、第二介质板层6、接地板层7、第三介质板层8和第二极化馈电匹配网络层9，形成一个多层夹心结构。其中：4×4寄生单元1，并紧贴第一介质板层2。4×4激励单元2是矩形贴片紧贴第二介质板层6。
16元阵列第一极化馈电匹配网络层5中，每两个单元按照1∶1的功率比例和180度的相差进行网络合成，然后再按照1∶1的功率比例向上级联进行二级网络合成，依次类推，形成三级、四级网络合成，最终合成为一个第一极化馈电输入口。第二极化馈电匹配网络层9中，每个激励单元4通过探针10向下穿过第二介质板层6与第二极化馈电匹配网络9相连。每两个单元按照1∶1的功率比例和180度的相差进行网络合成，然后再按照1∶1的功率比例向上级联进行二级网络合成，依次类推，形成三级、四级网络合成，最终合成为第二极化馈电输入口。第一极化馈电匹配网络层5和第二极化馈电匹配网络层9中采用多节阻抗匹配变换以拓展带宽。
本实施例的Ku波段双频双极化阵列天线经实际测试表明：两种极化方向在主辐射方向的最大增益分别为18.6dBi与18.7dBi，端口隔离优于33.3dB，交叉极化低于-30dB。水平极化端口驻波比小于2的相对带宽为14.56％；垂直极化端口驻波比小于2的相对带宽为10.2％。

Claims (7)

1.一种Ku波段低剖面双频双极化阵列天线，其特征在于，所述Ku波段低剖面双频双极化阵列天线由八层结构组成的多层夹心结构，依次为寄生单元层、第一介质板层、空气层、激励单元及第一极化馈电匹配网络层、第二介质板层、接地板层、第三介质板层和第二极化馈电匹配网络层，寄生单元层内设有矩形贴片结构的寄生单元，该寄生单元紧贴第一介质板层，激励单元及第一极化馈电匹配网络层内设有矩形贴片结构的激励单元以及以侧馈形式馈电的第一极化馈电匹配网络，第二极化馈电匹配网络层内设有通过探针与激励单元相连的第二极化馈电匹配网络，寄生单元层紧贴第一介质板层，激励单元和第一极化馈电匹配网络位于同一层表面上，第二极化馈电匹配网络通过探针与激励单元相连。
2.根据权利要求1所述的Ku波段低剖面双频双极化阵列天线，其特征是，所述的介质板层采用低介电常数来改善天线的带宽和增益，单元介质板尺寸为16.8mm×18mm×0.762mm，介电常数为2.55。
3.根据权利要求1所述的Ku波段低剖面双频双极化阵列天线，其特征是，所述的激励单元采用矩形贴片结构实现双频双极化功能，单元激励贴片尺寸为6.2mm×6.8mm×0.035mm。
4.根据权利要求1所述的Ku波段低剖面双频双极化阵列天线，其特征是，所述的寄生单元采用矩形贴片结构提高天线的带宽和增益，单元寄生贴片尺寸为5.6mm×7.0mm×0.035mm。
5.根据权利要求1所述的Ku波段低剖面双频双极化阵列天线，其特征是，所述的第一极化馈电匹配网络采用共面微带线激励，实现天线单元的第一极化辐射。
6.根据权利要求1所述的Ku波段低剖面双频双极化阵列天线，其特征是，所述的探针采用圆柱结构实现对贴片的激励并在结构上起到支撑和加固作用，探针直径为0.55mm。
7.根据权利要求1所述的Ku波段低剖面双频双极化阵列天线，其特征是，所述的第二极化馈电匹配网络采用微带线结合探针激励，实现天线单元的第二极化辐射。
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