CN102544724A - 一种双极化单脉冲宽带微带天线装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及双极化雷达、双极化天线、单脉冲天线、电磁场理论、微波技术和电波传播等技术领域，具体地说是一种双极化单脉冲宽带微带天线装置，其特征在于由四个用于形成和波束以及方位和俯仰两个平面的差波束的相同的双极化微带贴片天线单元组成，每个天线单元有两个正交的极化端口，即水平H和垂直极化端口V，对应形成每一个波束的垂直和水平两个极化分量，两个相邻天线单元之间的距离为d，d=50mm，本发明与现有技术相比，该天线装置既可以实现空间电磁波波达方向的测量和跟踪，也可以感知入射电磁波的全极化信息，具有较为重要的实际工程意义。

Description

一种双极化单脉冲宽带微带天线装置
技术领域
本发明涉及双极化雷达、双极化天线、单脉冲天线、电磁场理论、微波技术和电波传播等技术领域，具体地说是一种双极化单脉冲宽带微带天线装置。
背景技术
单脉冲天线是许多无线电测量和定位系统中的关键部件，例如无源雷达系统等。单脉冲测角方法具有抗干扰能力强和测量精度高的特点，因此它是目前雷达等无线电系统中的一种主要的测角方法。单脉冲天线系统产生和波束与差波束两个探测波束，并用它们精确跟踪目标；和波束用来发射探测信号并接收目标回波信号，通过接收信号检测目标的存在；差波束用来测量目标相对于天线轴线的空间角度信息。传统的单脉冲天线为单极化工作模式，天线的极化方式多为圆极化和线极化的形式。无线电探测系统是基于电磁波承载的信息进行工作的，电磁波除了承载幅度、相位、频率和空间方向信息之外，它还具有极化矢量特性，即在电磁波的给定传播方向上，电磁场的场矢量随着时间按照某个椭圆轨迹运动，该椭圆称为极化椭圆，该特性用极化参数描述，常用的极化参数描述方法有椭圆极化参数、幅度和相位极化参数、Stokes参数和Poincare极化球等。电磁波的极化信息是一维重要的信息，它可以为提高电子系统的探测性能提供有效的技术手段。全极化电子系统，例如无源雷达系统，可以感知入射电磁波的极化信息，因此性能更为优良。在全极化电子统中，双极化天线是其关键部件，其性能直接决定着研制的电子系统能否实现。一般情况下，要求双极化天线还须具有较宽的频带，以探测宽频率范围内的目标信号。本发明针对上述应用背景，提出了一种宽带双极化单脉冲天线系统的设计方案。平面结构的微带单脉冲天线由于其具有结构简单、体积小、低剖面、成本低廉和易于制造等特点备受青睐。
双极化微带贴片天线有两种基本形式：双馈方形微带贴片天线以及双馈圆形贴片天线。双馈方形微带贴片天线，这是最为基本且最常用的双极化单元。方形双极化微带天线的馈电有端馈和角馈两种方式，端馈形式的双极化贴片天线对临近的两边同时进行馈电，会有两个基模                                                
Figure 2012100606737100002DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 548611DEST_PATH_IMAGE002
产生。这两个基模的幅度相等相位相同，但极化方向是互相垂直的角馈形式的方形双极化微带贴片，由腔模理论可以知道，在贴片的对角线上馈电得到的
Figure 465751DEST_PATH_IMAGE001
和模激励幅度相等、极化正交；当两模的相位相差
Figure 2012100606737100002DEST_PATH_IMAGE003
时，能够形成圆极化辐射。圆形微带贴片单元，它工作在
Figure 703015DEST_PATH_IMAGE004
模式下时，该圆形贴片的周长等于一个波导波长，并且在两馈电口的距离为1/4
Figure DEST_PATH_IMAGE005
时，会有两个相互正交的极化模产生。
微带天线的馈电结构是微带天线中不可或缺的一部分，馈电形式的选择恰当与否对天线的整体尺寸、辐射性能、工作带宽及扩展成阵列的需要都会产生很大的影响。在微带天线中，最为常用的馈电方式主要有微带线馈电、同轴线馈电和共面波导馈电等。共面微带线馈电是一种最为简单且常用的馈电方式，设计和加工都很方便。然而，因为辐射贴片和微带线是被设计在同一块介质板上的，所以微带线的色散以及寄生辐射等都会对天线的性能产生影响，往往容易造成天线的交叉极化电平相对较高。
贴近式耦合馈电，又称为埋入式耦合馈电，属于电磁耦合馈电方式的一种。这种馈电方式在结构上采用无接触式馈电，通过馈线本身完成馈线与贴片间的耦合，便于层间连接。由于采用了不共面的设计方法，大大减少或消除了馈电结构对天线方向图的寄生辐射，从而可以获得宽频带的驻波比特性。
    缝隙耦合馈电方法是由D.M.P.zar于1985年最早提出的，它也属于电磁耦合馈电的一种。它将辐射单元和馈电单元分别设计在地板的两侧，有两层介质层：贴片和地面之间的天线介质层、馈电线和地面之间的馈电介质层，中间利用缝隙进行耦合。辐射场通过缝耦合到辐射结构，从而产生激励。缝隙耦合馈电最显著的优点是它能够获得很大的带宽。在缝隙耦合馈电中，它的两层介质基片被地板分隔开，微带馈线通过开缝地板耦合到贴片。
在微带天线频带展宽方法中，基本思想是降低
Figure 579704DEST_PATH_IMAGE006
值（品质因数），具体方法是增大介质板的厚度、降低基片介电常数以及采用附加的匹配措施等。增加基片厚度，辐射电导会增大，因此可以降低总的
Figure 402166DEST_PATH_IMAGE006
值，达到展宽频带的目的。实际中，该方法具有很大的局限性，因为通过增加基片厚度的方法来展宽频带的效果有限；而且基片过厚极容易引起表面波，影响天线的性能；除此之外，随着基片厚度的增加，重量会增大，所占空间也随之增大。采用大损耗基片和附加有耗材料也能降低
Figure 731516DEST_PATH_IMAGE006
值，极大展宽频带，并且能够降低贴片的尺寸，但是这种天线损耗太大，往往效率很低。采用多层介质基板结构，分别将天线贴片和馈电网络设计在不同的介质基片上，能够得到宽频带的驻波比特性；该微带天线的馈电方式通常是电磁耦合的；但是，采用多层介质基板这种方法，在进行匹配调节时较为复杂且精度不高，在进行天线设计时，天线贴片以及馈电网络的影响是要进行重点考虑的，大大增加了计算量和设计的难度。利用馈线匹配技术能够达到展宽频带的目的，在众多方法中，最常用的是开路微带线匹配技术，它能够将带宽增大到两倍左右；虽然该天线结构非常简单、制作也很方便，并且很容易实现匹配，然而引入的传输线本身会产生辐射，对方向图造成干扰，从而降低天线的效益。层叠贴片技术是微带贴片天线中一种常用的频带展宽方法；它为一边馈式层叠贴片天线的结构示意图，将任意形状的贴片蚀刻在接地介质板上，通过微带传输线实现馈电，它是整个天线的辐射单元；另一个贴片天线蚀刻在没有接地介质板的第二层上，与辐射贴片悬空放置，为寄生贴片；种方法可以将微带贴片天线的相对带宽扩展到30%左右。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出一种能够实现宽频带垂直和水平双极化工作模式、既可以实现空间电磁波波达方向的测量和跟踪，也可以感知入射电磁波的全极化信息的双极化单脉冲宽带微带天线装置。
本发明可以通过以下措施达到：
一种双极化单脉冲宽带微带天线装置，其特征在于由四个用于形成和波束以及方位和俯仰两个平面的差波束的相同的双极化微带贴片天线单元组成，每个天线单元有两个正交的极化端口，即水平
Figure DEST_PATH_IMAGE007
和垂直极化端口
Figure 930417DEST_PATH_IMAGE008
，对应形成每一个波束的垂直和水平两个极化分量，两个相邻天线单元之间的距离为
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，=50mm，和差波束是由四个单元所接收到的信号通过下式的运算得到：
                  （1）
Figure DEST_PATH_IMAGE011
                 （2）
Figure 471622DEST_PATH_IMAGE012
                 （3）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 208634DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure DEST_PATH_IMAGE015
分别为和波束、方位差波束和俯仰差波束，
Figure 794336DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure DEST_PATH_IMAGE017
、
Figure 286497DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure DEST_PATH_IMAGE019
分别为四个单元天线的接收信号。
本发明中所述双极化微带贴片天线单元的水平馈电端口采用的贴近式耦合馈电，垂直端口采用缝隙耦合方式实现馈电，该设计显著增加了微带天线的工作带宽，同时垂直和水平极化都较好的实现了双极化工作模式。
本发明中所述双极化微带贴片天线单元采用层叠式贴片结构，由两层方形贴片构成，上面的为寄生贴片，边长为
Figure 528123DEST_PATH_IMAGE020
，下面的为辐射贴片，边长为
Figure DEST_PATH_IMAGE021
；天线工作时，这两层贴片各产生一个谐振频率，通过调整两个谐振频率的接近程度来达到展宽频带的目的，整个天线由四层介质板组成，这其中包括两层贴片基板和两层馈线基板，均采用圆形结构，直径取，分别将辐射贴片、寄生贴片蚀刻在两层介质基板上，然后将蚀刻有寄生贴片的第一层介质板悬空倒置在蚀刻有辐射贴片的第二层介质板的上面，两层贴片之间的距离为
Figure DEST_PATH_IMAGE023
，倒置的第一层介质板可以起到天线罩的作用，第三层介质板的上面敷设有凸型的微带线（H端口），下面是一个开有缝隙的地板，缝隙采用两个互相垂直的H型缝居中放置。在最后一层介质板的下面敷设凸型微带线（V端口），其中，H、V端口的微带线是垂直放置的，H端口通过贴近式耦合方法实现馈电，V端口通过缝隙耦合方式实现馈电。为了解决在地板上开缝带来的背向辐射及低增益问题，在离接地板1/4个波长处加入厚度为1mm的铜片作为反射板。
本发明中采用相对介电常数
Figure 509034DEST_PATH_IMAGE024
、厚度
Figure DEST_PATH_IMAGE025
的聚四氟乙烯玻璃布板作为辐射贴片基板，选择介电常数
Figure 906518DEST_PATH_IMAGE026
、厚度
Figure 635439DEST_PATH_IMAGE025
的美国RT-5880介质板作为寄生贴片基板，水平馈电端口所在的介质基板选用介电常数与辐射贴片基板相同的介质板作为该馈线的基板，垂直馈电端口所在介质基板选用与寄生贴片相同的基板材料。
本发明中所述基于混合馈电方式的微带贴片天线是一个较为复杂具有多层介质板的电磁耦合结构。在计算和仿真时，该天线的各种设计参数，如贴片的大小、缝隙的形状及尺寸、介质基片的材料及厚度、以及辐射贴片与寄生贴片之间的距离等，都会对天线的性能产生比较大的影响。经过计算优化得到一组较好的参数组合：a=17.1mm、b=15.7mm、c=39.8mm、h=5.6mm、水平馈电端口处馈线宽度w 1=1.5mm、垂直馈电端口处馈线宽度w 3=1.8mm、水平馈电端口处馈线进行阻抗变换后馈线宽度w 2=4mm、垂直馈电端口处馈线长度L 1=17.1mm、水平馈电端口处进行阻抗变换后馈线长度L 2=9.2mm、水平极化耦合缝隙长度m=10.9mm、垂直极化耦合缝隙宽度n=0.8mm、水平极化耦合缝隙前端宽度g=1.6mm、垂直极化耦合缝隙前端宽度k=1.4mm。
本发明与现有技术相比，提出一种基于双极化微带贴片单元的单脉冲天线阵列实现方法，该方法采用矩形微带贴片形式，引入贴近式耦合馈电和缝隙耦合式馈电的混合式馈电技术，实现宽频带垂直和水平双极化工作模式；采用四个天线单元组成方位和俯仰双平面单脉冲天线系统，该天线系统既可以实现空间电磁波波达方向的测量和跟踪，也可以感知入射电磁波的全极化信息，具有较为重要的实际工程意义。
附图说明：
附图1是本发明的结构示意图。
附图2是本发明中双极化微带贴片天线单元的结构示意图。
附图3是本发明中双极化微带贴片天线单元的俯视图。
附图4是本发明输入电压驻波比水平端口VSWR测试结果图。
附图5是本发明输入电压驻波比垂直端口VSWR测试结果图。
附图6是本发明极化端口的隔离度测试结果图。
附图7是本发明垂直极化端口的方向图。
附图8是本发明水平极化端口的方向图。
附图标记：寄生贴片所在的介质基板1、寄生贴片2、空气3、辐射贴片4、辐射贴片所在的介质基板5、水平馈电端口6、水平极化馈电端口所在的介质基板7，刻有缝隙的金属地板8、垂直馈电端口所在的介质基板9、垂直馈电端口V10，空气11、金属反射板12。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的说明。
本发明提出了一种双极化单脉冲宽带微带天线装置，如附图1所示，其由四个用于形成和波束以及方位和俯仰两个平面的差波束的相同的双极化微带贴片天线单元组成，每个天线单元有两个正交的极化端口，即水平和垂直极化端口
Figure 274548DEST_PATH_IMAGE008
，对应形成每一个波束的垂直和水平两个极化分量，两个相邻天线单元之间的距离为
Figure 46195DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 59150DEST_PATH_IMAGE009
=50mm，和差波束是由四个单元所接收到的信号通过下式的运算得到：
Figure 941656DEST_PATH_IMAGE010
                  （1）
Figure 294140DEST_PATH_IMAGE011
                 （2）
Figure 236688DEST_PATH_IMAGE012
                 （3）
式中，
Figure 736939DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 157556DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 630126DEST_PATH_IMAGE015
分别为和波束、方位差波束和俯仰差波束，
Figure 800033DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 725264DEST_PATH_IMAGE017
、和分别为四个单元天线的接收信号。
本发明中所述双极化微带贴片天线单元的水平馈电端口采用的贴近式耦合馈电，垂直端口采用缝隙耦合方式实现馈电，该设计显著增加了微带天线的工作带宽，同时垂直和水平极化都较好的实现了双极化工作模式。
如附图2所示本发明中所述双极化微带贴片天线单元采用层叠式贴片结构，由上而以下依次为寄生贴片所在的介质基板1、寄生贴片2、空气3、辐射贴片4、辐射贴片所在的介质基板5、水平馈电端口6、水平极化馈电端口所在的介质基板7，刻有缝隙的金属地板8、垂直馈电端口所在的介质基板9、垂直馈电端口V10，空气11、金属反射板12，双极化微带贴片天线单元由两层方形贴片构成，上面的为寄生贴片，边长为
Figure 357736DEST_PATH_IMAGE020
，下面的为辐射贴片，边长为；天线工作时，这两层贴片各产生一个谐振频率，通过调整两个谐振频率的接近程度来达到展宽频带的目的，整个天线由四层介质板组成，这其中包括两层贴片基板和两层馈线基板，均采用圆形结构，直径取
Figure 798262DEST_PATH_IMAGE022
，分别将辐射贴片、寄生贴片蚀刻在两层介质基板上，然后将蚀刻有寄生贴片的第一层介质板悬空倒置在蚀刻有辐射贴片的第二层介质板的上面，两层贴片之间的距离为
Figure 42161DEST_PATH_IMAGE023
，倒置的第一层介质板可以起到天线罩的作用，第三层介质板的上面敷设有凸型的微带线（H端口），下面是一个开有缝隙的地板，缝隙采用两个互相垂直的H型缝居中放置。在最后一层介质板的下面敷设凸型微带线（V端口），其中，H、V端口的微带线是垂直放置的，H端口通过贴近式耦合方法实现馈电，V端口通过缝隙耦合方式实现馈电。为了解决在地板上开缝带来的背向辐射及低增益问题，在离接地板1/4个波长处加入厚度为1mm的铜片作为反射板。
本发明中采用相对介电常数
Figure 231834DEST_PATH_IMAGE024
、厚度
Figure 131657DEST_PATH_IMAGE025
的聚四氟乙烯玻璃布板作为辐射贴片基板，选择介电常数
Figure 760085DEST_PATH_IMAGE026
、厚度
Figure 61753DEST_PATH_IMAGE025
的美国RT-5880介质板作为寄生贴片基板，水平馈电端口所在的介质基板选用介电常数与辐射贴片基板相同的介质板作为该馈线的基板，垂直馈电端口所在介质基板选用与寄生贴片相同的基板材料。
如附图3所示，本发明中所述基于混合馈电方式的微带贴片天线是一个较为复杂具有多层介质板的电磁耦合结构，在计算和仿真时，该天线的各种设计参数，如贴片的大小、缝隙的形状及尺寸、介质基片的材料及厚度、以及辐射贴片与寄生贴片之间的距离等，都会对天线的性能产生比较大的影响，经过计算优化得到一组较好的参数组合：a=17.1mm、b=15.7mm、c=39.8mm、h=5.6mm、水平馈电端口处馈线宽度w 1=1.5mm、垂直馈电端口处馈线宽度w 3=1.8mm、水平馈电端口处馈线进行阻抗变换后馈线宽度w 2=4mm、垂直馈电端口处馈线长度L 1=17.1mm、水平馈电端口处进行阻抗变换后馈线长度L 2=9.2mm、水平极化耦合缝隙长度m=10.9mm、垂直极化耦合缝隙宽度n=0.8mm、水平极化耦合缝隙前端宽度g=1.6mm、垂直极化耦合缝隙前端宽度k=1.4mm。
对本发明所述正弦天线进行了测试。输入电压驻波比（VSWR）的测试采用矢量网络分析仪，测试结果如图4以及图5所示，由图可见，该天线在6GHz附近的工作频带内的平均驻波比为2。两个极化端口的隔离度特性用的幅度表示，其测试结果如图6所示，由此图可见，在6GHz附近的工作频带内，两个极化端口的隔离度低于-20dB，隔离特性较好。
在微波暗室内，采用天线远场测试系统对该正弦天线的辐射方向图进行了测试，附图7和附图8给出了该天线在6GHz时的方位平面的和差方向图，其中图7为水平极化的和差方向图，图8为垂直极化的和差方向图；由此图可见，研制的双极化单脉冲天线阵列在两个极化通道均形成了和差波束，和波束具有较宽的频带宽度，适合于宽角度探测，差波束的零深低于-30dB；但是，和差波束均表现出一定的不对称性，这与理论值不符，是由于天线加工不一致和安装位置误差造成的。同时，由于天线单元的加工和制作上的不理想，使得该天线的性能与设计结果有一定偏差。
本发明与现有技术相比，提出一种基于双极化微带贴片单元的单脉冲天线阵列实现方法，该方法采用矩形微带贴片形式，引入贴近式耦合馈电和缝隙耦合式馈电的混合式馈电技术，实现宽频带垂直和水平双极化工作模式；采用四个天线单元组成方位和俯仰双平面单脉冲天线系统，该天线装置既可以实现空间电磁波波达方向的测量和跟踪，也可以感知入射电磁波的全极化信息，具有较为重要的实际工程意义。

Claims (5)

1.一种双极化单脉冲宽带微带天线装置，其特征在于由四个用于形成和波束以及方位和俯仰两个平面的差波束的相同的双极化微带贴片天线单元组成，每个天线单元有两个正交的极化端口，即水平H和垂直极化端口V，对应形成每一个波束的垂直和水平两个极化分量，两个相邻天线单元之间的距离为d，d =50mm，和差波束是由四个单元所接收到的信号通过下式的运算得到：
Figure 2012100606737100001DEST_PATH_IMAGE001
式中， 
Figure 2012100606737100001DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 2012100606737100001DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 2012100606737100001DEST_PATH_IMAGE004
分别为和波束、方位差波束和俯仰差波束，A1、A2、A3和A4分别为四个单元天线的接收信号。
2.根据权利要求1所述的一种双极化单脉冲宽带微带天线装置，其特征在于所述双极化微带贴片天线单元的水平馈电端口采用的贴近式耦合馈电，垂直端口采用缝隙耦合方式实现馈电，该设计显著增加了微带天线的工作带宽，同时垂直和水平极化都较好的实现了双极化工作模式。
3.根据权利要求1所述的一种双极化单脉冲宽带微带天线装置，其特征在于所述双极化微带贴片天线单元采用层叠式贴片结构，由两层方形贴片构成，上面的为寄生贴片，边长为a，下面的为辐射贴片，边长为b；天线工作时，这两层贴片各产生一个谐振频率，通过调整两个谐振频率的接近程度来达到展宽频带的目的，整个天线由四层介质板组成，这其中包括两层贴片基板和两层馈线基板，均采用圆形结构，直径取c，分别将辐射贴片、寄生贴片蚀刻在两层介质基板上，然后将蚀刻有寄生贴片的第一层介质板悬空倒置在蚀刻有辐射贴片的第二层介质板的上面，两层贴片之间的距离为h，倒置的第一层介质板起到天线罩的作用，第三层介质板的上面敷设有凸型的微带线，下面是一个开有缝隙的地板，缝隙采用两个互相垂直的H型缝居中放置，在最后一层介质板的下面敷设凸型微带线，其中，H、V端口的微带线是垂直放置的，H端口通过贴近式耦合方法实现馈电，V端口通过缝隙耦合方式实现馈电，为了解决在地板上开缝带来的背向辐射及低增益问题，在离接地板1/4个波长处加入厚度为1mm的铜片作为反射板。
4.根据权利要求1所述的一种双极化单脉冲宽带微带天线装置，其特征在于采用相对介电常数2.65、厚度h=1.55mm的聚四氟乙烯玻璃布板作为辐射贴片基板，选择介电常数2.2、厚度h=1.55mm的美国RT-5880介质板作为寄生贴片基板，水平馈电端口所在的介质基板选用介电常数与辐射贴片基板相同的介质板作为该馈线的基板，垂直馈电端口所在介质基板选用与寄生贴片相同的基板材料。
5. 根据权利要求1所述的一种双极化单脉冲宽带微带天线装置，其特征在于该天线的各种设计参数如下：a=17.1mm、b=15.7mm、c=39.8mm、h=5.6mm、水平馈电端口处馈线宽度w 1=1.5mm、垂直馈电端口处馈线宽度w 3=1.8mm、水平馈电端口处馈线进行阻抗变换后馈线宽度w 2=4mm、垂直馈电端口处馈线长度L 1=17.1mm、水平馈电端口处进行阻抗变换后馈线长度L 2=9.2mm、水平极化耦合缝隙长度m=10.9mm、垂直极化耦合缝隙宽度n=0.8mm、水平极化耦合缝隙前端宽度g=1.6mm、垂直极化耦合缝隙前端宽度k=1.4mm。
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