CN102800956B - 集成式巴伦馈电的宽带双极化天线 - Google Patents

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本发明涉及双极化天线，具体的说是一种适用于雷达和通信等无线电领域的，同时具有宽频带和双极化两种性能，能够有效提高分辨率和信息传输速度的集成式巴伦馈电的宽带双极化天线，包括两个相同的单极化蝶形天线单元，其特征在于两个相同的单极化蝶形天线单元正交放置，其中一个单极化蝶形天线单元放置在另一个单极化蝶形天线单元馈电巴伦部分的带状线间隙中，本发明以圆弧蝶形天线为基本单元，提出了一种双极化的宽带天线结构，该天线采用印刷电路技术加工制作，与传统的双极化天线在加工过程中往往需要采用焊接技术相比，有利于提高天线的制作精度，本发明与现有技术相比，具有结构合理，装配简单，生产成本低，精度高等优点。

Description

集成式巴伦馈电的宽带双极化天线
技术领域
本发明涉及双极化天线，具体的说是一种适用于雷达和通信等无线电领域的，同时具有宽频带和双极化两种性能，能够有效提高分辨率和信息传输速度的集成式巴伦馈电的宽带双极化天线。
背景技术
宽带双极化天线技术在军用和民用领域的应用越来越广泛，对于高分辨SAR合成孔径雷达系统来说，为了获得成像目标不同物质特性的细节信息，除要求天线具有大的工作带宽外，还要求其具有多极化的工作模式，这就要求天线具备宽带、双极化工作能力。在民用方面，地面通信系统为抗多径衰落而采用的极化分集技术也要求双极化天线的性能进一步提高。
现有的双极化天线振子提供的相对带宽一般都低于44.5%，由此组成的天线阵的带宽也受到限制，难以满足市场需求，例如中国专利ZL200910036577.7公开的天线振子，其相对带宽仅有33.3%，而少数能够满足要求的天线振子，如中国专利ZL2011100644857公开的双极化宽频辐射单元又存在结构复杂、生产成本高的问题，不利于大规模产业化。
在现有双极化振子天线中，采用常规振子结构时，带宽较窄；同时，对阵振子结构的天线为平衡结构，当采用同轴线馈电时，需要加入平衡到不平衡的转换器，即巴伦结构，这也是最为常见的工作情况，馈电巴伦的设计是很困难的工作，特别是当天线为双极化工作模式时，馈电巴伦的设计尤为困难，因为需要设计两个巴伦结构，它们能够合理装配而互相影响较小，在电气性能上实现较好的隔离度；因此设计隔离特性良好，易于装配，加工简单，成本低廉的宽带双极化天线对于批量化生产具有重要的意义。
发明内容
本发明针对现有技术存在的缺点和不足，提出一种结构合理、工艺简单、产品质量稳定的集成式巴伦馈电的天线单元，以及采用此种单元制成的能够同时满足宽频带和双极化要求的集成式巴伦馈电的宽带双极化天线。
一种集成式巴伦馈电的天线单元，包括介质基板、天线振子以及馈电巴伦，其特征在于天线振子和馈电巴伦印刷于介质基板的同一平面上，天线振子为蝶形，馈电巴伦由共面带状线和微带线组成，天线振子与馈电巴伦之间设有转角为45°的过渡段。
本发明中所述天线振子的辐射单元为由三角形和半圆形结构组成的蝶形偶极子，其中三角形部分宽度用R1表示，它代表蝶形振子臂的最宽处的宽度，三角形振子臂的长度为w3，两个三角形振子之间的馈电间隙为w1；半圆形部分位于辐射振子的外侧，即在三角形振子的外侧且与三角形振子相连接，其直径为2R1，因此天线辐射单元的总长度表示为Ltotal=2w3+w1+2R1。
一种集成式巴伦馈电的宽带双极化天线，包括两个相同的单极化蝶形天线单元，其特征在于两个相同的单极化蝶形天线单元正交放置，其中一个单极化蝶形天线单元放置在另一个单极化蝶形天线单元馈电巴伦部分的带状线间隙中。
本发明以圆弧蝶形天线为基本单元，提出了一种双极化的宽带天线结构，该天线采用印刷电路技术加工制作，与传统的双极化天线在加工过程中往往需要采用焊接技术相比，有利于提高天线的制作精度，本发明与现有技术相比，具有结构合理，装配简单，生产成本低，精度高等优点。
附图说明：
附图1是本发明中单极化蝶形天线振子的几何示意图。
附图2a是本发明中印刷在介质基板正面上的天线振子和馈电巴伦的结构示意图。
附图2b是本发明中印刷基板背面的结构示意图。
附图3是本发明中宽带双极化天线的结构示意图。
附图4是现有技术中扇形偶极子蝶形天线的形状。
附图5为端口1的VSWR仿真结果。
附图6为端口2的VSWR仿真结果。
附图7为端口之间的隔离度仿真结果。
附图8a频率为9GHz时的双极化天线端口1的xoy面增益方向图
附图8b频率为9GHz时的双极化天线端口1的yoz面增益方向图。
附图8c频率为9GHz时的双极化天线端口2的xoy面增益方向图。
附图8d频率为9GHz时的双极化天线端口2的yoz面增益方向图。
附图8e频率为9GHz时的双极化天线端口1的xoy面轴比方向图。
附图8f频率为9GHz时的双极化天线端口1的yoz面轴比方向图。
附图8g频率为9GHz时的双极化天线端口2的xoy面轴比方向图。
附图8h频率为9GHz时的双极化天线端口2的yoz面轴比方向图。
附图9a频率为10GHz时的双极化天线端口1的xoy面增益方向图。
附图9b频率为10GHz时的双极化天线端口1的yoz面增益方向图。
附图9c频率为10GHz时的双极化天线端口2的xoy面增益方向图。
附图9d频率为10GHz时的双极化天线端口2的yoz面增益方向图。
附图9e频率为10GHz时的双极化天线端口1的xoy面轴比方向图。
附图9f频率为10GHz时的双极化天线端口1的yoz面轴比方向图。
附图9g频率为10GHz时的双极化天线端口2的xoy面轴比方向图。
附图9h频率为10GHz时的双极化天线端口2的yoz面轴比方向图。
附图标记：天线振子1、过渡段2、馈电巴伦3、介质基板4、金属地板5。
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。
蝶形天线是一种传统的宽带天线形式，已获得广泛应用。蝶形天线的优点是结构简单、成本低廉和易于制作。常见的蝶形天线一般为平面三角形偶极子蝶形天线和扇形偶极子蝶形天线；相比较平面三角形偶极子蝶形天线，扇形偶极子蝶形天线的末端反射较弱，因此在应用中更为有利。扇形偶极子蝶形天线的形状如图4所示。具体参数为:展开角α、单臂长度l和天线片的厚度为d。
本发明基于扇形偶极子蝶形天线，设计了一种双极化天线结构，本发明的基本思想是将两个相同的单极化蝶形天线单元正交放置，构成双极化天线的结构，在空间形成两个极化辐射场，进而可以感知全极化的电磁波。
本发明首先提出了一种单极化蝶形天线单元，其特征在于天线振子和馈电巴伦印刷于介质基板的同一平面上，天线振子为蝶形，馈电巴伦由共面带状线和微带线组成，天线振子与馈电巴伦之间设有转角为45°的过渡段，其中所述天线振子的辐射单元为由三角形和半圆形结构组成的蝶形偶极子，其中三角形部分宽度用R1表示，它代表蝶形振子臂的最宽处的宽度，三角形振子臂的长度为w3，两个三角形振子之间的馈电间隙为w1；半圆形部分位于辐射振子的外侧，即在三角形振子的外侧和三角形振子相连接，其直径为2R1；于是，该振子总长度可表示为：Ltotal=2w3+w1+2R1。
本发明中上述天线单元采用微带电路加工技术，介质基板选取微波介质覆铜板材，对于单极化的蝶形天线来说，振子形状采用三角形偶极子和半圆形结构组合的方式，其示意图如图1所示，馈电位置采用共面带状线结构如附图2，带状线间隙正好为正交放置的另一个天线提供安装空间，即另一个天线单元直接插入该带状线间隙，即可以实现正交的馈电结构而构成宽带双极化天线装置；由于蝶形天线单元属于对称的平衡结构，当采用同轴电缆馈电时，必须采用平衡到不平衡的转换器（Balun），本发明采用共面带状线到微带线转换的Balun对该蝶形天线进行馈电，该巴伦与蝶形振子在介质基板的同一个平面上如附图2所示，易于加工，避免了焊接过程，可以有效控制加工和焊接误差，因此，可称之为集成巴伦馈电方式；考虑到双极化天线安装过程中的装配需要，在蝶形天线单元和馈电巴伦之间加入转角为45度的过渡段，减少了两个极化单元之间的耦合，使得天线加工和装配更为方便。
基于上述天线单元，本发明还提出了一种集成式巴伦馈电的宽带双极化天线，包括两个相同的单极化蝶形天线单元，其特征在于两个相同的单极化蝶形天线单元正交放置，其中一个单极化蝶形天线单元放置在另一个单极化蝶形天线单元馈电巴伦部分的带状线间隙中，该天线的三维结构模型如图3所示。
实施例：
本发明设计了一个具体的集成巴伦馈电的双极化蝶形天线，图2给出了确定该天线一个极化单元的结构示意图，该集成巴伦馈电的天线单元包含三个组成部分，1为辐射单元，2为从天线辐射单元到集成巴伦的过渡段，3为共面带状线到微带线的集成巴伦结构，在输出端采用90度弯折的微带传输线，在下方焊接SMA接头，以便于天线的与其它设备的连接，微带线的特性阻抗为50欧姆。下面给出该天线的结构描述：如附图2所示，天线振子的三角形部分宽度用R1表示，它代表蝶形振子臂的最宽处的宽度，三角形振子臂的长度为w3，两个三角形振子之间的馈电间隙为w1；半圆形部分位于辐射振子的外侧，即在三角形振子的外侧和三角形振子相连接，其直径为2R1；共面带状线金属导带的宽度为w2，两个金属导带之间的间隙为w1；与蝶形辐射单元相连的共面带状线长度为H1。过渡段仍采用平行的带状线结构，该平行带状线和上述给蝶形振子直接馈电的带状线之间的倾斜角为θ1，即该平行带状线和天线轴线相交角度为θ1，过渡段在天线轴线（即垂直方向）上的投影为H3;集成馈电巴伦部分由一段均匀的垂直方向的共面带状线（该带状线与过渡段相连接）、扇形调配枝节、直线微带渐变线和90度弯转微带线组成；垂直方向的与过渡段相连接的共面带状线高度为H4；扇形枝节的半径为R2，扇形的角度为θ2；直线微带渐变线的长度为w4；90度弯转微带线的水平部分的长度为w5，垂直部分的高度为H7，微带线的宽度为w6。介质基板的厚度为h。
在本实例中，设计了一种工作于X波段的双极化蝶形天线结构，根据图2中的结构参数定义，该天线所相应的结构参数为：蝶形振子臂的最宽处的宽度R1=3mm，扇形枝节的半径R2=4mm，两个三角形振子之间的馈电间隙w1=2mm，共面带状线金属导带的宽度w2=1mm，三角形振子臂的长度w3=5mm，直线微带渐变线的长度w4=4mm，90度弯转微带线的水平部分的长度w5=5mm，微带线的宽度w6=3mm，与蝶形辐射单元相连的共面带状线长度H1=5mm，过渡段在天线轴线上的投影H3=7mm，垂直方向的与过渡段相连接的共面带状线高度H4=4mm，90度弯转微带线的垂直部分高度H7=6.5mm，平行带状线和天线轴线相交角度θ1=45°，扇形的角度θ2=60°，介质基板的厚度为1毫米，相对介电常数为2.2。
采用全波电磁仿真软件对该天线进行了性能仿真，其两个端口的输入驻波比（VSWR）分别如图5和图6所示，两个端口的隔离度如图7所示。由图可见，该天线在频率为8.5GHz-10.5GHz范围内的平均驻波比为2，隔离度优于20dB，可以满足实际应用的要求。
为了表征该天线的辐射特性，在此选择两个主平面，一个是xoy平面，另一个是yoz平面，分别给出两个主平面内的辐射功率方向图和轴比方向图的仿真结果，以说明该天线的辐射方向特性和辐射场的极化特性。在仿真模型的坐标系中，对于极化端口1来说，电平面（E面）为yoz平面，磁平面（H平面）为xoy平面；对于极化端口2来说，电平面（E面）为xoy平面，磁平面（H平面）为yoz平面。图8和图9分别给出了9GHz和10GHz时的辐射特性。在仿真模型中，主辐射方向为y轴方向，从实际出发，在主辐射方向附近考察波束宽度情况。对于极化端口1，在频率为9GHz时，E面和H面的波束宽度分别约为112度和190度，增益约为1.6dB，主辐射方向上的轴比约为20dB；在频率为10GHz时，E面和H面的波束宽度分别约为94度和246度，增益约为3.7dB，主辐射方向上的轴比约为14dB。对于极化端口2，在频率为9GHz时，E面和H面的波束宽度分别约为105度和97度，增益约为0.8dB，主辐射方向上的轴比约为16dB；在频率为10GHz时，E面和H面的波束宽度分别约为92度和88度，增益约为3.2dB，主辐射方向上的轴比约为25dB。由仿真结果可以看出，该天线在两个极化端口上均表现出宽波束方向图性能，在主波束范围内，辐射场近似为线极化，但是方向图表现出一定的不对称性；该天线的两个极化端口能够分别感知两个电磁场极化分量，可以实现双极化宽带的工作性能。
本发明提出一种基于宽带蝶形天线的双极化天线单元的实现方案；该方案的特点是采用宽带的蝶形振子辐射器，以提高其频带宽度；同时采用集成式的共面带状线到微带线的宽带巴伦结构，该巴伦与天线集成在同一个介质平面上，在实现平衡端到不平衡端转换的同时，也实现了从蝶形天线输入端的输入阻抗到馈电点处50欧姆阻抗之间的阻抗变换，该巴伦的重要优点之一是具有超宽带的工作性能，非常适合于宽带天线系统，在本发明中，引入共面带状线到微带线的集成巴伦馈电方式，十分有利于采用微带电路加工技术实现该天线，天线装配中无需连接处的焊接，只要在馈电的微带线端口上焊接上SMA接头即可，因此，该天线也适合于大型双极化天线阵列使用，本发明与现有技术相比，具有结构合理，装配简单，生产成本低，精度高等优点。

Claims (1)

1.一种集成式巴伦馈电的宽带双极化天线，包括两个相同的单极化蝶形天线单元，其中集成式巴伦馈电的天线单元，包括介质基板、天线振子以及馈电巴伦，其特征在于天线振子和馈电巴伦印刷于介质基板的同一平面上，天线振子为蝶形，馈电巴伦由共面带状线和微带线组成，天线振子与馈电巴伦之间设有转角为45°的过渡段；所述天线振子的辐射单元为由三角形和半圆形结构组成的蝶形偶极子；共面带状线到微带线的集成巴伦结构在输出端采用90度弯折的微带传输线，在下方焊接SMA接头，微带线的特性阻抗为50欧姆，两个相同的单极化蝶形天线单元正交放置，其中一个单极化蝶形天线单元放置在另一个单极化蝶形天线单元馈电巴伦部分的带状线间隙中；
天线振子的三角形部分宽度用R1表示，代表蝶形振子臂的最宽处的宽度，三角形振子臂的长度为w3，两个三角形振子之间的馈电间隙为w1；半圆形部分位于辐射振子的外侧，即在三角形振子的外侧和三角形振子相连接，其直径为R1；共面带状线金属导带的宽度为w2，两个金属导带之间的间隙为w1；与蝶形辐射单元相连的共面带状线长度为H1，过渡段仍采用平行的带状线结构，该平行带状线和上述给蝶形振子直接馈电的带状线之间的倾斜角为θ1，即该平行带状线和天线轴线相交角度为θ1，过渡段在天线轴线，即垂直方向上的投影为H3;集成馈电巴伦部分由一段均匀的垂直方向的共面带状线，该带状线与过渡段相连接、扇形调配枝节、直线微带渐变线和90度弯转微带线组成；所述垂直方向的共面带带状线的其中一个金属导带连接所述扇形调配枝节，另外一个金属导带连接所述直线微带渐变线，所述直线微带渐变线连接所述90度弯转微带线；垂直方向的与过渡段相连接的共面带状线高度为H4；扇形调配枝节的半径为R2，扇形的角度为θ2；直线微带渐变线的长度为w4；90度弯转微带线的水平部分的长度为w5，垂直部分的高度为H7，微带线的宽度为w6，介质基板的厚度为h；
该天线相应的结构参数为：蝶形振子臂的最宽处的宽度R1=3mm，扇形调配枝节的半径R2=4mm，两个三角形振子之间的馈电间隙w1=2mm，共面带状线金属导带的宽度w2=1mm，三角形振子臂的长度w3=5mm，直线微带渐变线的长度w4=4mm，90度弯转微带线的水平部分的长度w5=5mm，微带线的宽度w6=3mm，与蝶形辐射单元相连的共面带状线长度H1=5mm，过渡段在天线轴线上的投影H3=7mm，垂直方向的与过渡段相连接的共面带状线高度H4=4mm，90度弯转微带线的垂直部分高度H7=6.5mm，平行带状线和天线轴线相交角度θ1=45°，扇形的角度θ2=60°，介质基板的厚度为1毫米，相对介电常数为2.2。
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