CN102509879A - 一种具有全向宽轴比波束宽度的圆极化天线 - Google Patents

Abstract

一种具有全向宽轴比波束宽度的圆极化天线，由上至下依次包括：寄生单元、上层介质基板、激励单元、中层介质基板、接地单元、下层介质基板和3dB混合电桥馈电网络；寄生单元与激励单元分别置于上层介质基板和中层介质基板的上表面，上层介质基板和中层介质基板之间用空气层隔开，3dB混合电桥馈电网络置于所述的下层介质基板的下表面，同轴馈电单元的内导体与所述的3dB电桥馈电网络的输入端口连接，同轴馈电单元的外导体穿过所述的下层介质基板与所述的接地单元相接。本发明不仅很好地实现了圆极化辐射，同时全向范围内具有较宽的轴比波束宽度，且天线体积小，剖面低，重量轻，结构简单，易于共形。

Description

一种具有全向宽轴比波束宽度的圆极化天线

技术领域

本发明涉及圆极化天线领域，特别是一种具有宽轴比波束宽度的圆极化微带贴片天线。

背景技术

随着卫星通讯、运载火箭测控通讯技术的发展，雷达应用范围的扩大以及对高速目标在各种极化方式和气候条件下跟踪测量的需要，单一极化方式已难满足要求，圆极化天线的应用就显得十分重要。在电子对抗中，使用圆极化天线可以干扰和侦察敌方的各种线极化及椭圆极化方式的无线电波，在剧烈摆动或翻滚的飞行器上装置圆极化天线，除可减少信号漏失外，还可消除由电离层法拉第旋转效应引起的畸变影响，在电视广播中采用圆极化天线可望克服重影。另外在圆极化天线的很多应用中要求天线具有重量轻、体积小、可共形，且成本低的圆极化天线。而微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线。具有质量轻、体积小、易于馈电、易于与载体共形安装等特点。因此圆极化微带天线就是能满足这些要求的比较理想的天线。

目前，采用单片微带贴片天线来实现圆极化辐射主要有两种方法：单馈点法和多馈点法。单馈点法通过在辐射贴片上开槽，挖角等技术，并调整微带天线的实际尺寸，激励起两个极化正交的简并模，从而实现圆极化辐射，不需要任何移相网络和功率分配器。但是由于它的轴比阻抗带宽太窄，大大限制了其应用范围。多馈点法可以利用两个馈电点来激励起一对极化正交的简并模，并由馈电网络保证两模的幅度相等，相位相差90°，从而获得圆极化场。其优点是有较宽的阻抗带宽和轴比阻抗带宽。但是上述两种方法都难以保证天线在360°的全向范围内小于3dB的轴比波束宽度较大。因此，对圆极化天线轴比波束宽度的研究显的十分必要。

经过对现有技术文献的检索发现，孙向珍在《遥测遥控》2004年05期上发表的“圆极化双层微带天线的研究”，该文介绍了双层圆极化微带天线结构，对于基本的双馈电点微带结构，虽然其轴比波束宽度(＜3dB)在phi＝0的面为-67°～60°，但是在其垂直面phi＝90的面上仅为-67°～14°，另外，该文献通过切角，四点馈电方式来改善天线的轴比波束宽度，四点馈电的方式使轴比波束宽度达到了±60°，但是四点馈电方式导致了复杂的馈电网络，不利于天线小型化。而切角的方式虽然对天线整体轴比有改善，但小于3dB的轴比波束宽度在某些面上仍然小于40°。韩英臣等人在《弹导与制导学报》2009年6月第3期上发表的“一种宽波束圆极化天线的研制”，该文介绍了一种微带四壁螺旋天线，该天线虽然圆极化轴比在±50°的范围内小于3dB，但是螺旋天线高度过高，不利于低剖面设计要求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的单片微带贴片圆极化天线技术所存在的问题，提供一种一种具有宽轴比波束宽度的圆极化微带贴片天线，具有结构简单、尺寸小、成本低，并且在全向宽角度范围内具有良好轴比的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种具有全向宽轴比波束宽度的圆极化天线，其特点在于由上至下依次包括：寄生单元、上层介质基板、激励单元、中层介质基板、接地单元、下层介质基板和3dB混合电桥馈电网络；

其中，所述的寄生单元与激励单元分别置于所述的上层介质基板和中层介质基板的上表面，所述的上层介质基板和中层介质基板之间用空气层隔开；空气层的高度影响天线的阻抗特性，从而影响天线的阻抗带宽。

所述的3dB混合电桥馈电网络置于所述的下层介质基板的下表面，所述的下层介质基板与中层介质基板通过所述的接地单元隔开；

同轴馈电单元的内导体与所述的3dB电桥馈电网络的输入端口连接，同轴馈电单元的外导体穿过所述的下层介质基板与所述的接地单元相接。

所述的上层介质基板和中层介质基板之间通过中心一个金属螺钉和四周八个金属螺钉固定。

所述的激励单元为带有四个枝节的圆形金属贴片，在该圆形金属贴片上开有一个矩形槽。圆形金属贴片的尺寸大小是由微带天线理论计算并结合HFSS仿真软件优化得到。四个开路枝节能够改善圆极化轴比特性和驻波比。在金属贴片上设计的矩形槽，可以对贴片表面电流产生微扰，调整矩形槽的位置，长度，宽度能够改善天线的全向范围内的轴比波束宽度。

所述的寄生单元是圆形金属贴片，该圆形金属贴片的尺寸比所述的激励单元的尺寸大70％。如果尺寸选的合适，可以得到较宽的阻抗带宽。

所述的3dB混合电桥馈电网络与所述的激励单元被所述的接地单元分隔在两面。

所述的3dB混合电桥馈电网络的两个输出端口通过探针与所述的激励单元连接。该3dB混合电桥馈电网络能够产生两个幅度相同，相位差为90°的信号能量，用于实现天线的圆极化辐射。

所述的接地单元为金属板，在该金属板上设有共面波导结构。共面波导结构有利于将天线的3dB混合电桥馈电网络设计在接地单元下层，使3dB混合电桥馈电网络与天线分隔在接地单元的两面，避免了3dB混合电桥馈电网络对激励单元的影响。

所述共面波导结构是在所述的接地单元上制作出的中心导体带，该中心导体带与同轴馈电单元的内导体相连。

所述的上层介质基板、中层介质基板和下层介质基板都为低介电常数微波板，上层介质基板和中层介质基板为八边形，下层介质基板为正方形。

所述的寄生单元、激励单元和3dB混合电桥馈电网络均为金属制成。

与现有技术圆极化微带天线相比，本发明不仅具有双点馈电圆极化层叠型微带天线的具有的阻抗带宽较宽，轴比阻抗带宽较宽的优点，又结合了单馈点开槽微扰的方法在激励单元表面设计了一个矩形槽来改善其表面的电流分布，大大改善了圆极化天线在全向范围内的轴比波束宽度，具有结构简单、体积小、剖面低、重量轻、易于共形等特点。

附图说明

图1是本发明具有宽轴比波束宽度的圆极化微带贴片天线的三维分层结构示意图。

图2是本发明具有宽轴比波束宽度的圆极化微带贴片天线的侧面结构示意图。

图3(a)是本发明具有宽轴比波束宽度的圆极化微带贴片天线的上层介质基板正面结构示意图。

图3(b)是本发明具有宽轴比波束宽度的圆极化微带贴片天线的中层介质基板正面结构示意图。

图3(c)是本发明具有宽轴比波束宽度的圆极化微带贴片天线的带有共面波导结构的接地单元结构示意图。

图3(d)是本发明具有宽轴比波束宽度的圆极化微带贴片天线的3dB混合电桥馈电网络示意图。

图4是本发明具有宽轴比波束宽度的圆极化微带贴片天线的方向图。

图5是本发明具有宽轴比波束宽度的圆极化微带贴片天线的S参数。

图6是本发明具有宽轴比波束宽度的圆极化微带贴片天线的轴比阻抗。

图7是本发明在激励单元上不开矩形槽的圆极化天线的轴比波束三维图(轴比小于3dB部分由图中球面凹进去的部分表示)。

图8是本发明在激励单元上开矩形槽的圆极化天线的轴比波束三维图(轴比小于3dB部分由图中球面凹进去的部分表示)。

图中：1.寄生单元，2.激励单元，3.3dB混合电桥馈电网络，4.接地单元，5.上层介质基板，6.中层介质基板，7.下层介质基板，8.同轴馈电单元，21.枝节，22.矩形槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明：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。

请先参阅图1和图2，图1是本发明具有宽轴比波束宽度的圆极化微带贴片天线的三维分层结构示意图，图2是本发明具有宽轴比波束宽度的圆极化微带贴片天线的侧面结构示意图。如图所示，一种具有全向宽轴比波束宽度的圆极化天线，由上至下依次包括：寄生单元1、上层介质基板5、激励单元2、中层介质基板6、接地单元4、下层介质基板7和3dB混合电桥馈电网络3。

寄生单元1位于上层介质基板5的上表面，寄生单元2位于中层介质基板6上表面，上层介质基板与中层介质基板中间是空气层，空气层厚度为h，在本实施例中间距为0.05λ。所述的上层介质基板5和中层介质基板6之间通过中心一个金属螺钉和四周八个金属螺钉固定。

3dB混合电桥馈电网络置于所述的下层介质基板的下表面，所述的下层介质基板与中层介质基板通过所述的接地单元隔开。接地单元是涂覆在下层介质基板的覆铜层，中层介质基板与下层介质基板通过3dB混合电桥输出端口的两个馈电探针焊接在一起。同轴馈电单元8的内导体与所述的3dB电桥馈电网络3的输入端口连接，同轴馈电单元8的外导体穿过所述的下层介质基板7与接地单元4相接。

波长λ是指天线工作时辐射于自由空间中的电磁波的波长。

图3(a)是本发明具有宽轴比波束宽度的圆极化微带贴片天线的上层介质基板正面结构示意图。如图所示，上层介质基板5为八边形，圆形寄生单元1位于上层介质基板5的上表面，寄生单元1是圆形金属贴片，该圆形金属贴片的尺寸比所述的激励单元2的尺寸大70％。寄生单元1的直径为R1，在本实施例中大小为0.43λ。

图3(b)是本发明具有宽轴比波束宽度的圆极化微带贴片天线的中层介质基板正面结构示意图，如图所示，中层介质基板6为八边形，激励单元2为带有四个枝节21的圆形金属贴片，在该圆形金属贴片上开有一个矩形槽22。激励单元2的直径为R2，在本实施例中大小为0.33λ。

图3(c)是本发明具有宽轴比波束宽度的圆极化微带贴片天线的带有共面波导结构的接地单元结构示意图，如图所示，接地单元4为金属板，其边长为L，在本实施例中边长为0.6λ。。在该金属板上设有共面波导结构。共面波导结构是在所述的接地单元4上制作出的中心导体带，该中心导体带与同轴馈电单元8的内导体相连。

上层介质基板5、中层介质基板6和下层介质基板7是介电常数为2.55的微波板。

Claims (10)

1.一种具有全向宽轴比波束宽度的圆极化天线，其特征在于由上至下依次包括：寄生单元(1)、上层介质基板(5)、激励单元(2)、中层介质基板(6)、接地单元(4)、下层介质基板(7)和3dB混合电桥馈电网络(3)；

其中，所述的寄生单元与激励单元分别置于所述的上层介质基板和中层介质基板的上表面，所述的上层介质基板和中层介质基板之间用空气层隔开；

所述的3dB混合电桥馈电网络置于所述的下层介质基板的下表面，所述的下层介质基板与中层介质基板通过所述的接地单元隔开；

同轴馈电单元(8)的内导体与所述的3dB电桥馈电网络(3)的输入端口连接，同轴馈电单元的外导体穿过所述的下层介质基板与所述的接地单元相接。

2.根据权利要求1所述的具有全向宽轴比波束宽度的圆极化天线，其特征是所述的上层介质基板(5)和中层介质基板(6)之间通过中心一个金属螺钉和四周八个金属螺钉固定。

3.根据权利要求1所述的具有全向宽轴比波束宽度的圆极化天线，其特征是所述的激励单元(2)为带有四个枝节(21)的圆形金属贴片，在该圆形金属贴片上开有一个矩形槽(22)。

4.根据权利要求1所述的具有全向宽轴比波束宽度的圆极化天线，其特征是所述的寄生单元(1)是圆形金属贴片，该圆形金属贴片的尺寸比所述的激励单元(2)的尺寸大70％。

5.根据权利要求1所述的具有全向宽轴比波束宽度的圆极化天线，其特征是所述的3dB混合电桥馈电网络(3)与所述的激励单元(2)被所述的接地单元(4)分隔在两面。

6.根据权利要求1所述的具有全向宽轴比波束宽度的圆极化天线，其特征是所述的3dB混合电桥馈电网络(3)的两个输出端口通过探针与所述的激励单元(2)连接。

7.根据权利要求1所述的具有全向宽轴比波束宽度的圆极化天线，其特征是所述的接地单元(4)为金属板，在该金属板上设有共面波导结构。

8.根据权利要求7所述的具有全向宽轴比波束宽度的圆极化天线，其特征是所述共面波导结构是在所述的接地单元(4)上制作出的中心导体带，该中心导体带与同轴馈电单元(8)的内导体相连。

9.根据权利要求1所述的具有全向宽轴比波束宽度的圆极化天线，其特征是所述的上层介质基板(5)、中层介质基板(6)和下层介质基板(7)都为低介电常数微波板，上层介质基板(5)和中层介质基板(6)为八边形，下层介质基板(7)为正方形。

10.根据权利要求1所述的具有全向宽轴比波束宽度的圆极化天线，其特征是所述的寄生单元(1)、激励单元(2)和3dB混合电桥馈电网络(3)均为金属制成。

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