CN103022730A - 一种高增益多层介质复合双圆极化微带阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高增益多层介质复合双圆极化微带阵列天线，属于天线技术领域。包括9个微带天线单元、两组馈电网络、下层介质基板、上层介质基板、金属支架、介质支柱和90°电桥电路。本发明是基于微带天线理论提出的，设计出了一种增益相对于传统微带天线单元提高2dB的双层微带天线单元；设计了包含1分2不等功分，1分3等功分，1分6等功分的两组等幅同相馈电网络，合理排布在有限空间内，并保证了馈电端幅度及相位良好的稳定性；左旋圆极化及右旋圆极化模式同时工作，在发射或者接收左旋圆极化电磁波信号的同时，可以同时发射或者接收右旋圆极化电磁波信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种高增益多层介质复合双圆极化微带阵列天线，属于天线技术领域。
背景技术
随着移动卫星技术的发展及多种通信系统的需要，双圆极化天线系统越来越受到关注。一个性能良好的双圆极化天线要求其能在有限的空间里实现高增益的双圆极化性能。
微带阵列天线是一种具有剖面低，易集成，易共形，重量轻等特点的阵列天线，但是传统微带天线效率较低，因此其贴片单元增益仅为7dB，不易实现天线高效率性能。传统微带圆极化天线单元为单一极化，难以将两种圆极化集成在一个阵列天线上。目前应用的通信系统微带天线的缺点如上所述。
发明内容
本发明针对现有技术的上述缺陷，为实现微带天线阵列的高效率及双圆极化特性，基于传统微带天线理论，提出了一种高增益多层介质复合双圆极化微带阵列天线。本发明在有限空间内实现了高增益双圆极化性能，同时保证了左旋圆极化和右旋圆极化端口较高的隔离度，且俯仰维和水平维两维波束对称性良好。天线封装在金属支架中，具有良好的防水，防尘，抗震等性能。微带阵列天线与90°电桥电路集成安装在金属支架上，提高了集成度。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明一种高增益多层介质复合双圆极化微带阵列天线，包括9个微带天线单元、两组馈电网络、下层介质基板、上层介质基板、金属支架、介质支柱和90°电桥电路；
所述的9个微带天线单元完全相同，且组成3×3天线阵列；
所述的90°电桥电路包括90°电桥芯片及其微带电路；
所述的两组馈电网络是等幅同相的；
90°电桥电路上有两个与外围设备的连接端口，分别为接口A和接口B，分别对应左旋圆极化电磁波信号和右旋圆极化电磁波信号，可以独立工作，固定在金属支架背面；金属支架正面内部支撑着下层介质基板和上层介质基板，下层介质基板和上层介质基板之间以介质支柱辅助支撑，形成空气层，同时保证了介质基板的平整；两组馈电网络蚀刻在下层介质基板上，9个微带天线单元蚀刻在下层介质基板和上层介质基板上。
所述的每个微带天线单元均由蚀刻在下层介质基板和上层介质基板的方形辐射贴片以及空气层组成；这种结构的功能是提高微带天线单元的有效辐射口径，从而提高辐射效率，可以将微带天线单元增益提高到9dB；
所述的两组馈电网络包括微带/同轴转换器、微带传输线、1分2不等功分器、1分3等功分器和1分6等功分器。两组馈电网络在有限空间内排布，两组馈电网络的末端连接微带天线单元，微带/同轴转换器连接90°电桥电路，两组馈电网络的功能是给每个微带天线单元幅度相同、相位相差90°的激励，使电磁信号在微带天线单元与90°电桥电路之间传输。
所述的金属支架的正面包括1级台阶、2级台阶及固定螺纹孔；金属支架的背面包括凹槽及固定螺纹孔；金属支架的正面的1级台阶安装下层介质基板；正面的2级台阶安装上层介质基板；上层介质基板、介质支柱、下层介质基板及金属支架用螺钉通过金属支架的正面的固定螺纹孔进行固定连接；金属支架的背面的凹槽安装90°电桥电路；90°电桥电路及金属支架用螺钉通过金属支架的背面的固定螺纹孔进行固定连接；金属支架的功能是为下层介质基板和上层介质基板提供支撑和保护，在下层介质基板和上层介质基板间形成空气层，同时提高了天线的防尘，防水，抗震性能。金属支架背面嵌入设计安装90°电桥电路，提高了集成度。
所述的下层介质基板和上层介质基板均为硬质基板。下层介质基板为双面覆铜板，下层介质基板的底层为地层，与金属支架固定连接；下层介质基板的顶层蚀刻两组馈电网络及微带天线单元的一部分方形贴片；
所述的上层介质基板为单面覆铜板，上层介质基板的底层蚀刻微带天线单元的剩余部分方形贴片，上层介质基板的顶层裸露，同时起到天线罩保护天线的作用。
所述的介质支柱，其作用是辅助金属支架起到稳定空气层的作用，并保证下层介质基板和上层介质基板的平整。
所述的90°电桥电路，包括90°电桥芯片及其微带电路，其作用是将输入信号分成两路幅值相同，相位差90°的信号，或者是把两路幅值相同，相位差90°的信号合成一路输出信号。
本发明的阵列天线发射电磁波信号的工作过程为：需要发射的信号经由外部接口进入90°电桥电路，产生两路幅值相同，相位差为90°的信号；两路信号分别由同轴/微带转换器进入两组馈电网络，最终为微带天线单元馈电，通过微带天线单元形成圆极化波辐射出去。
本发明的阵列天线接收电磁波信号的工作过程为：自由空间的电磁波信号经由阵列天线的微带天线单元形成导行电磁波信号；该信号分别由两组馈电网络进入同轴/微带转换器，进而进入90°电桥电路；两路信号经过90°电桥后合成一路信号，进入到下一个连接器件，以供进一步处理。
本发明的阵列天线的工作模式分为左旋圆极化和右旋圆极化两种。两种工作模式分别对应两个外部连接端口。当接口A接输入或输出时，天线工作在左旋圆极化模式，可以发射或者接收相应频段左旋圆极化的电磁波信号；反之，当接口B接输入或者输出时，天线工作在右旋圆极化模式，可以发射或者接收相应频段右旋圆极化的电磁波信号。接口A和接口B间有隔离度，保证左旋圆极化及右旋圆极化模式能够同时工作，即接口B发射或者接收右旋圆极化电磁波信号时，接口A可以同时发射或接收左旋圆极化电磁波信号，在一个天线上同时实现两个天线的功能。
有益效果
本发明是基于微带天线理论提出的，设计出了一种增益相对于传统微带天线单元提高2dB的双层微带天线单元；设计了包含1分2不等功分，1分3等功分，1分6等功分的两组等幅同相馈电网络，合理排布在有限空间内，并保证了馈电端幅度及相位良好的稳定性；左旋圆极化及右旋圆极化模式同时工作，在发射或者接收左旋圆极化电磁波信号的同时，可以同时发射或者接收右旋圆极化电磁波信号。
本发明既解决了传统微带天线单元增益较低的缺点，将增益提高了2dB，提高了天线口径效率；又在有限空间内合理排布两组馈线网络，实现了天线的两种圆极化，使天线在发射或接收一种圆极化方式电磁波时，可以同时发射或接收另一种圆极化方式的电磁波；本发明的两维波瓣对称度很高，两种圆极化模式能够同时工作，在一个天线上实现两个天线的功能，适合在多种固定和移动平台的通信系统、导航系统及雷达系统中应用。
附图说明
图1是本发明优选实施例的结构示意图。
图2为上层介质基板正面结构图；
图3为上层介质基板反面结构图；
图4为下层介质基板正面结构图；
图5为下层介质基板反面结构图；
图6为金属支架正面结构图；
图7为金属支架反面结构图；
图8是天线的90°电桥电路结构示意图；
图9是天线接口A和接口B在f0±50MHz电压驻波比曲线；
图10是天线使用接口A时在f0-50MHz频点水平维和俯仰维方向图；
图11是天线使用接口B时在f0-50MHz频点水平维和俯仰维方向图；
图12是天线使用接口A时在f0频点水平维和俯仰维方向图；
图13是天线使用接口B时在f0频点水平维和俯仰维方向图；
图14是天线使用接口A时在f0+50MHz频点水平维和俯仰维方向图；
图15是天线使用接口B时在f0+50MHz频点水平维和俯仰维方向图。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例
高增益多层介质复合双圆极化微带阵列天线的结构如图1和图4所示。本阵列天线包括上层介质基板1、介质支柱2、下层介质基板3、金属支架4、90°电桥电路5、微带天线单元6以及两组馈电网络7和8组成。
以信号接收过程为顺序，阵列天线的结构为：上层介质基板1放置在金属支架4的2级台阶11上，下层介质基板3放置在金属支架4的1级台阶10上，依靠台阶撑起两层介质基板间的空气腔；两层介质基板间的适当位置放置介质支柱2，并用螺钉贯穿固定在金属支架4的正面，辅助金属支架支撑空气腔，并保证了两层介质基板的平整度；90°电桥电路5安装在金属支架4的背面凹槽内。90°电桥电路5及两组等幅同相馈电网络7和8通过穿过金属支架4的微带/同轴转换器9进行焊接连接。90°电桥电路上5的连接接口A和接口B（即图8中13和14）作为外部接口。
本实施例的上层介质基板1为TP-265单面介质覆铜板，如图2和图3所示，长度宽度均为281mm，介质厚度2mm，介电常数为2.65，覆铜面做镀金处理，贴片为正方形，边长47.6mm。
本实施例的介质支柱2为外直径7mm，内直径3.1mm的环状圆柱体，如图1所示，采用胶木制成，介电常数为4.8左右。介质支柱由螺钉贯穿固定在金属支架的正面。
本实施例的下层介质基板3为TP-300双面介质覆铜板，如图4和图5所示，长度宽度均为278mm，介质厚度1mm，介电常数为3.0，覆铜面做镀金处理，贴片为正方形，边长37.7mm。
本实施例的金属支架4为硬铝材料，如图6和图7所示，其外表面做黄色导电氧化处理，起到更好的保护作用。金属支架长度和宽度均为284mm，高度为15.5mm；1级台阶10为长度宽度均为278mm的正方形，高度8.5mm，放置下层介质基板3；2级台阶11为长度宽度均为281mm的正方形，高度2mm，放置上层介质基板1，边缘用胶封装；金属支架背面相应区域做深度为1.2mm的凹槽，放置90°电桥电路5；金属支架正面到背面的对应位置做直径4.1mm的通孔，放置微带/同轴转换器。
本实施例的90°电桥电路5为FR4双面介质覆铜板，如图8所示，为配合微带/同轴转换器及外部连接端口，外形做成不规则5边形，介电常数为4.4，介质厚度1.2mm。表面焊接90°电桥芯片12。外部连接端口1和2（即图8中13和14）焊接SMA-KFD21阴头作为外部连接端口。
由图9看出，天线工作带宽100MHz，电压驻波比小于1.5。
将本实施例制作的天线在暗室中进行测试，所得实测结果如图10至15所示。从中可以看出，在低中高3个频点上，1端口左旋圆极化和2端口右旋圆极化波束的水平维及俯仰维对称性良好，副瓣电平为-13.5dB左右，3dB波瓣宽度实现大于±13°覆盖；天线口径效率接近65%。
由阵列天线在暗室中测试得到的表1可以看出，本实施例的阵列天线在低、中、高三个频点上的左旋圆极化增益及右旋圆极化增益均大于15dB。
表1阵列天线增益测试结果
| 频率 | f0-50MHz | f0 | f0+50MHz |
| 左旋圆极化增益（dB） | 15.6 | 15.4 | 15.5 |
| 右旋圆极化增益（dB） | 15.6 | 15.4 | 15.4 |
由阵列天线在暗室中测试得到的表2可以看出，本实施例的阵列天线在低、中、高三个频点上的左旋圆极化轴比及右旋圆极化轴比均优于3dB。
表2阵列天线轴比测试结果
| 频率 | f0-50MHz | f0 | f0+50MHz |
| 左旋圆极化轴比（dB） | 1.7 | 1.9 | 2.1 |
| 右旋圆极化轴比（dB） | 1.3 | 1.7 | 2.0 |
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡是在本发明权利要求范围内所作的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。
Claims (7)
1.一种高增益多层介质复合双圆极化微带阵列天线，其特征在于：包括9个微带天线单元、两组馈电网络、下层介质基板、上层介质基板、金属支架、
介质支柱和90°电桥电路；
所述的9个微带天线单元完全相同，且组成3×3天线阵列；
所述的90°电桥电路包括90°电桥芯片及其微带电路；
所述的两组馈电网络是等幅同相的；
90°电桥电路上有两个与外围设备的连接端口，分别为接口A和接口B，分别对应左旋圆极化电磁波信号和右旋圆极化电磁波信号，固定在金属支架背面；金属支架正面内部支撑着下层介质基板和上层介质基板，下层介质基板和上层介质基板之间以介质支柱辅助支撑，形成空气层，两组馈电网络蚀刻在下层介质基板上，9个微带天线单元蚀刻在下层介质基板和上层介质基板上。
2.根据权利要求1所述的一种高增益多层介质复合双圆极化微带阵列天线，其特征在于：所述的每个微带天线单元均由蚀刻在下层介质基板和上层介质基板的方形辐射贴片以及空气层组成。
3.根据权利要求1所述的一种高增益多层介质复合双圆极化微带阵列天线，其特征在于：所述的两组馈电网络包括微带/同轴转换器、微带传输线、1分2不等功分器、1分3等功分器和1分6等功分器；两组馈电网络在有限空间内排布，两组馈电网络的末端连接微带天线单元，微带/同轴转换器连接90°电桥电路，两组馈电网络的功能是给每个微带天线单元幅度相同、相位相差90°的激励，使电磁信号在微带天线单元与90°电桥电路之间传输。
4.根据权利要求1所述的一种高增益多层介质复合双圆极化微带阵列天线，其特征在于：所述的金属支架的正面包括1级台阶、2级台阶及固定螺纹孔；金属支架的背面包括凹槽及固定螺纹孔。
5.根据权利要求1所述的一种高增益多层介质复合双圆极化微带阵列天线，其特征在于：所述的下层介质基板和上层介质基板均为硬质基板；下层介质基板为双面覆铜板，下层介质基板的底层为地层，与金属支架固定连接；下层介质基板的顶层蚀刻两组馈电网络及微带天线单元的一部分方形贴片。
6.根据权利要求5所述的一种高增益多层介质复合双圆极化微带阵列天线，其特征在于：所述的上层介质基板为单面覆铜板，上层介质基板的底层蚀刻微带天线单元的剩余部分方形贴片，上层介质基板的顶层裸露，同时起到天线罩保护天线的作用。
7.根据权利要求1所述的一种高增益多层介质复合双圆极化微带阵列天线，其特征在于：所述的90°电桥电路将输入信号分成两路幅值相同，相位差90°的信号，或者是把两路幅值相同，相位差90°的信号合成一路输出信号。
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