CN104078768A - 宽带宽角圆极化堆叠微带天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种宽带宽角圆极化堆叠微带天线，旨在提供一种低轮廓，具有较宽的轴比和阻抗带宽，良好的宽角轴比特性的微带天线。本发明通过下述技术方案予以实现：在覆盖层介质板(1)下方依附有作为寄生辐射器的上层矩形微带金属贴片(9)，底层介质板(5)上方贴有作为驱动辐射器的下层矩形微带金属微带贴片(8)，上层矩形微带金属贴片谐振工作在高频端，下层矩形微带金属贴片谐振工作在低频端；在所述矩形盒体中心区域开设有以介质板为“墙壁”的空腔，空腔区域内填充有介电常数与空气接近的介质体，馈电探针(10)通过一个贯通底层介质板，直径大于馈电探针的金属化过孔，固联在下层矩形微带金属贴片上。利用本发明可以获得较宽的工作带宽。

Description

宽带宽角圆极化堆叠微带天线

技术领域

本发明属于微波天线技术领域，涉及一种基于空腔的堆叠微带天线，该微带天线适于作为宽频段宽角扫描圆极化相控阵天线的单元天线。

背景技术

微带天线以其体积小,重量轻，剖面低,易集成,造价低等特性以及良好的电性能受到广泛的关注。随着卫星通信、导航、移动通信系统业务的不断增加,设备不断向小型化方向发展,对天线体积,集成化及工作频段的要求也越来越高。在必须考虑体积,重量,价格,特性要求,易安装以及符合气动外观等因素的高性能飞机,卫星以及全球定位系统,移动通讯和无线通讯等诸多高度发展的应用中都需要天线系统具有低剖面,能平贴于任何平面或曲面的外观特性。同时，天线系统要易于制作,易与微波集成电路集成，具有宽频带宽角圆极化的性能。在过去的研究中已出现了许多设计方法,但有利有弊,不是很理想,例如使用厚介质基片材料以增加天线频宽的设计在加大带宽的同时,天线体积也加大了，而进一步将天线体积缩小后,又会产生带宽减小或天线增益降低的问题。因而微带天线本质上所具有的高品质因数,窄频带,低效率等缺点也大大限制了它们的应用。

圆极化微带天线以其重量轻、剖面低、易于集成等优点在移动、卫星通信中得到越来越广泛的应用。然而,传统的单点馈电圆极化微带天线具有较窄的轴比带宽,通常小于2％。宽频段的圆极化性能实质上是需要天线具有较宽的驻波带宽及轴比带宽，且这两个工作带宽应尽可能的重合。宽角圆极化指的是需要天线在较宽的角域范围内轴比较小。同时在上述的使用领域内，天线往往是需要安装在飞行载体上的，这就需要天线具有低轮廓、小型化及轻量化的特点。但是传统的圆极化微带天线驻波带宽、轴比带宽较窄：驻波带宽典型值一般为6％左右，而轴比带宽只有2％-3％。近年来,尽管出现了许多改善微带天线阻抗带宽的设计方法,遗憾的是这些方法中能同时展宽轴比和阻抗带宽的却不多。

为了提升圆极化微带天线的工作带宽，现有技术通常采用以下几种常见的实现方式：

1采用增加微带天线介质衬底的厚底；

2尽可能的降低介质材料的介电常数；

3采用多点馈电的方式提升轴比带宽及宽角轴比；

4采用多层贴片结构以提供多个临近的谐振点来扩展工作带宽。

总的来说，第1种及第2种方式所提供的设计灵活度较低，比如在第二种方式中，设计者所能采用的具有最低介电常数的介质材料，其最低的介电常数为2.2左右。而多点馈电的方式的设计复杂度及工艺难度都比较大。第4种方法近些年被各种文献广泛报道，其能够获得的驻波带宽在17％左右，轴比带宽为13％左右。但这种多层微带天线结构中多层贴片之间往往需要一层空气微带层，需要其介电常数尽可能接近1。这使得该天线结构的工程实现性较差，更谈不上使用在对结构强度要求较高的机载环境中。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术的不足之处，提供一种低轮廓，重量小，结构强度高，具有较宽的轴比和阻抗带宽，良好的宽角轴比特性、并能较好的适用于宽带宽角圆极化扫描相控阵天线的微带天线。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种宽带宽角圆极化堆叠微带天线，包括矩形微带金属贴片、馈电探针和由覆盖层介质板1、支撑介质板3、底层介质板5沿三维方向围成的矩形盒体，其特征在于：在覆盖层介质板1下方依附有作为寄生辐射器的上层矩形微带金属贴片9，底层介质板5上方贴有作为驱动辐射器的下层矩形微带金属微带贴片8，上层矩形微带金属贴片9谐振工作在高频端，下层矩形微带金属贴片8谐振工作在低频端；在所述矩形盒体中心区域开设有以介质板为“墙壁”的空腔，空腔区域内填充有介电常数与空气接近的介质体，馈电探针10通过一个贯通底层介质板5，直径大于馈电探针10的金属化过孔，固联在下层矩形微带金属贴片8上，底层介质板5底部固联有金属地6，在金属地上对应于馈电探针处的位置制有一个直径与馈电探针10直径成比例2.303的圆孔，该圆孔和馈电探针一并形成馈电端口。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

本发明利用圆孔和馈电探针一并形成馈电端口进行馈电，金属贴片谐振工作在高频端，下金属贴片谐振工作在低频端，薄介质基片加载,使微带天线的阻抗带宽VSWR≤2和宽角轴比带宽(45°圆锥空域内AR≤3d B)达到20％以上,同时保持了微带天线的固有优点:剖面低，厚度小于0.1中心频率波长。通过合理的设计两贴片谐振频率点之间的频率间隔，比如间隔约为2GHz，整个天线结构获得了较宽的工作带宽。采用两个矩形微带金属贴片大小相同的设计，驱动辐射器与寄生辐射器之间实现了较好的能量耦合，可以改善微带天线的辐射效率。同时，两个矩形微带金属贴片大小相同的设计，使得整个天线结构的对称性改善，进而提高天线辐射方向图的等化性，有利于其组成相控天线阵列进行宽角圆极化扫描。

本发明采用矩形盒体中心区域开设以介质板为“墙壁”的空腔，空腔区域内填充介电常数与空气接近的介质体，形成“介质墙”结构，有效的避开了微带天线的辐射作用区域，保证了宽带宽角圆极化微带天线的电特性。采用填充接近空气介质空腔填充的方法可有效扩展天线的轴比带宽及阻抗带宽。使用PMI泡沫将空腔区域填充，这样做既增加了天线结构的受力区域，增加了PP粘接片的粘黏区域，提升层间结合力，天线结构强度进一步得到加强。由于PMI泡沫介电常数接近空气，其引入不会影响天线本身的电特性。同时，通过合理的设计覆盖层介质板的厚度及介电常数，可以改善该微带天线的宽角匹配性能，实现宽角圆极化。

本发明采用两个矩形微带金属贴片大小相同的叠层结构,可以改善微带天线的辐射效率、提高辐射方向图的等化性，有利于组成相控天线阵列进行宽角圆极化扫描。

本发明馈电探针通过贯穿于下层矩形微带金属贴片、底层介质板的金属化过孔焊接于下层矩形微带金属贴片上对其进行馈电，而不是采用盲插的方式。这样做可以更好的保证下层矩形微带金属贴片馈电点处的电连接及结构强度。

本发明通过上层矩形微带金属贴片9、下层矩形微带金属贴片8之间能量的耦合，在上层矩形微带金属贴片9上产生谐振在高频端的圆极化电场，谐振点在20.5GHz。在下层矩形微带金属贴片8产生谐振在低频端的圆极化电场，谐振点在22.5GHz。通过合理的设计这两个谐振频率点之间的频率间隔，间隔约为2GHz，使得本发明的微带天线获得了较宽的工作带宽。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明宽带宽角圆极化堆叠微带天线的轴测图。

图2是图1沿馈电探针方向的剖面侧视图。

图3是本发明的驻波比的全波仿真数据图。

图4是本发明宽带宽角圆极化堆叠微带天线的法向轴比随频率变化的全波仿真数据图。

图5是本发明法向主极化增益随频率变化的全波仿真数据图。

图6是本发明堆叠微带天线中心工作频率处(21.4GHz)单一剖面轴比的全波仿真数据图。

图7是本发明中心工作频率处(21.4GHz)不同四个剖面的辐射方向图的全波仿真数据图。

图中：1覆盖层介质板，2上层PP粘接片，3支撑介质板，4下层PP粘接片，5底层介质板，6金属地层，7PMI填充泡沫，8下层矩形微带金属贴片，9上层矩形微带金属贴片，10馈电探针，11馈电端口。

具体实施方式

参阅图1、图2。图1描述了本发明空腔形式堆叠微带天线的一个最佳实施实例。该宽带宽角圆极化堆叠微带天线，包括矩形微带金属贴片、馈电探针10和由覆盖层介质板1、支撑介质板3、底层介质板5沿三维方向围成的矩形盒体。矩形微带金属贴片包括位于所述矩形盒体上下端面，相互平行，分别贴固在覆盖层介质板1、底层介质板5内侧上的上层矩形微带金属贴片9、下层矩形微带金属微带贴片8。支撑介质板3围绕在覆盖层介质板1和底层介质板5之间的四周组成箱体形状的矩形盒体。覆盖层介质板1、支撑介质板3、底层介质板5这三块介质板的材料属性一般为玻璃纤维聚四氟乙烯，其介电常数可以不同，但为了获得较宽的工作带宽，可以选取介电常数较低的介质，尤其是支撑介质板3，应当在保证其结构强度的基础上，选取介电常数较低的板材，以避免其对微带天线有效辐射区域的影响。由于支撑介质板3的材料属性是和覆盖层介质板1、底层介质板5一样的玻璃纤维聚四氟乙烯，这种材料是制作多层印制板的常用材料，具有较低的纵向受热受压形变量。将这三层同类板材压接在一起后，形成的结构具有较好的结构强度。

微带天线产生圆极化波的关键在于产生两个极化方向正交、幅度相等、相位相差90°。因此在覆盖层介质板1下方依附有作为寄生辐射器的上层矩形微带金属贴片9，底层介质板5上方贴有作为驱动辐射器的下层矩形微带金属微带贴片8，上层矩形微带金属贴片谐振工作在高频端，下层矩形微带金属贴片谐振工作在低频端。上层矩形微带金属贴片9与下层矩形微带金属贴片8的大小相同，在其中心位置各开设有一个大小不同的“十字”缝隙，并且该十字缝隙的两缝长度不等：矩形贴片的长边对应长缝、矩形贴片的短边对应短缝。十字缝的主要的作用是使得矩形金属贴片小型化，开尺寸更大的缝隙，获得更大的压缩率，故上金属贴片谐振工作在高频端，谐振点在22.5GHz。下金属贴片谐振工作在低频端，谐振点在20.5GHz。通过合理的设计两贴片谐振频率点之间的频率间隔，间隔约为2GHz，整个天线结构获得了较宽的工作带宽。

覆盖层介质板1实际上是通过PCB印制板工艺，将双面覆铜介质板一侧的铜皮全部腐蚀掉、而将另一侧的铜皮蚀刻得到上层矩形微带金属贴片来获得的。上层矩形微带金属贴片9由覆盖层介质板1一面的铜皮经过PCB工艺蚀刻得到，覆盖层介质板1另一面的铜皮则全部腐蚀掉，倒扣的装在天线结构上，起到天线罩保护天线结构的作用。同时，覆盖层介质板1相当于一个介质层加载。覆盖层介质板1和上层矩形微带金属贴片一起倒扣装在支撑介质板3端面的上方，这个覆盖层介质板1起到了保护天线结构的天线罩的作用，同时将底层介质板5和下层矩形微带金属贴片一起固联在支撑介质板3端面的下方。通过合理的设计覆盖层介质板1的厚度及介电常数，可以改善该微带天线的宽角匹配性能，实现宽角圆极化的特性。

由于微带天线的有效辐射区域是有限的。因此在所述矩形盒体中心区域开设有以介质板为“墙壁”，形成了一个“介质墙”结构的矩形空心区域空腔，空腔区域内填充有介电常数与空气接近的介质体。矩形空心区域处空腔填充的介电常数可以但不限于是与空气接近的介质体的PMI泡沫7，填充PMI泡沫7与矩形空腔内大小相同。PMI泡沫7的介电常数与空气接近，不会对电性能产生干扰，并且其具有一定的结构强度。根据微带天线的腔模理论，微带天线的有效辐射区域集中在微带贴片附近，这个空腔区域保证了微带天线的有效辐射区域不受影响，这样的设计不仅保证了微带天线原本宽带宽角圆极化的电特性不受影响，同时玻璃纤维聚四氟乙烯制作的支撑介质板3具有较好的耐热耐压特性，它提供了整个微带天线较高的结构强度。另外PMI泡沫7将支撑介质板3中心空腔区域填实，也使得整个天线的结构得到加强。由于PMI泡沫在高温高压的情况下的形变量较玻璃纤维聚四氟乙烯稍大，故该天线结构覆盖层介质板层与底层介质板5之间的区域的结构强度主要是由支撑介质板层提供的。覆盖层介质板1、支撑介质板3及PMI填充泡沫、底层介质板5这三个区域形成的两个界面是分别通过上层PP粘接片、下层PP粘接片连接在一起的。覆盖层介质板1及上层矩形微带金属贴片9、支撑介质板3及PMI泡沫7、底层介质板5及下层矩形微带金属贴片8这三个区域可以使用美国Arlon公司的Cuclad-6250型PP粘接片层压在一起的。Cuclad-6250型PP粘接片其材料本身也是基于聚四氟乙烯的，与覆盖层介质板1、支撑介质板3、底层介质板55同类，故上述三个区域的粘接是相当牢固的。同时，PMI泡沫7将空腔填实后，也大大的增加了Cuclad-6250型PP粘接片的粘黏面积，进一步加强了区域间的连接强度。

参阅图2。馈电探针10通过一个贯通底层介质板5，直径大于馈电探针10的金属化过孔，固联在下层矩形微带金属贴片8上，底层介质板5底部固联有金属地6。在上层矩形微带金属贴片9、底层介质板5及金属地6贯穿开设有一个直径略大于馈电探针直径的金属化过孔，金属化过孔在下层矩形微带金属贴片8的对角线附近，馈电探针10穿过该金属化过孔焊接于下层矩形微带金属贴片8上。在金属地6上对应于馈电探针10处的位置，制有一个直径与馈电探针10直径成2.303比例的圆孔，该圆孔和馈电探针一并形成馈电端口。对其进行馈电。这种馈电的方式可以在下层矩形微带金属贴片8上有效的激励起极化与相位相互正交的工作模式TM01、TM10，形成圆极化电场，进而形成低频谐振点。

焊接馈电探针10的焊料的融化温度为180℃，而Arlon公司的Cuclad-6250的融化温度为150℃，整个天线结构是将先将馈电探针10焊接于下层矩形微带金属贴片8上，再将上述的三个区域通过Cuclad-6250层压在一起。馈电探针采用焊接，而不是“盲插”的方式，可大大的加强馈电点处的结构强度及可靠度。

参阅图3，可以看到，本发明所提出的一种新型的空腔形式的堆叠微带天线，其馈电端口的驻波系数VSWR＜2的频率区间为19.4GHz-22.5GHz，相对工作带宽达到了14.8％。

参阅图4，该图表示的是法向轴比随频率变化的曲线。对于本发明所提出的一种新型的空腔形式的堆叠微带天线来说，其轴比小于6的频率跨度为3.7GHz，相对带宽达到了17％。相较于传统的圆极化微带天线，这个指标大大的得到了提升。

参阅图5，该图表示的是本天线法向主极化增益随频率变化的曲线。可以看到，在较宽的频带内，本发明所提出的微带天线均获得了较高的增益，说明其辐射效率也很高。本天线在26.6％的相对带宽内，其增益均大于6dB。

参阅图6，可见，在±85°的角域内，本发明所提出的微带天线其轴比小于6dB。

综合上述的结果，本发明所提出的一种新型的空腔形式的堆叠微带天线实现了宽带宽角圆极化的电特性。

图7示出了本发明天线在其中心工作频率处不同剖面的辐射方向图。可以看到，在±80°甚至更宽的角域内，方向图基本重合，具有较高的等化性，这个特性十分有利于该天线作为单元组成相控天线阵列，实现宽带宽角圆极化扫描。

总之本发明提出了一种新型的空腔形式的堆叠微带天线，具有宽带宽角圆极化的电气性能，同时也具备较高的结构强度，能够较好的适用于机载、弹载等苛刻的环境。

以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。

Claims (10)

1.一种宽带宽角圆极化堆叠微带天线，包括矩形微带金属贴片、馈电探针和由覆盖层介质板(1)、支撑介质板(3)、底层介质板(5)沿三维方向围成的矩形盒体，其特征在于：在覆盖层介质板(1)下方依附有作为寄生辐射器的上层矩形微带金属贴片(9)，底层介质板(5)上方贴有作为驱动辐射器的下层矩形微带金属微带贴片(8)，上层矩形微带金属贴片(9)谐振工作在高频端，下层矩形微带金属贴片(8)谐振工作在低频端；在所述矩形盒体中心区域开设有以介质板为“墙壁”的空腔，空腔区域内填充有介电常数与空气接近的介质体，馈电探针(10)通过一个贯通底层介质板(5)，直径大于馈电探针(10)的金属化过孔，固联在下层矩形微带金属贴片(8)上。

2.如权利要求1所述的宽带宽角圆极化堆叠微带天线，其特征在于：底层介质板(5)底部固联有金属地(6)，在金属地上对应于馈电探针处的位置制有一个直径与馈电探针(10)直径成比例2.303的圆孔，该圆孔和馈电探针一并形成馈电端口。

3.如权利要求1所述的宽带宽角圆极化堆叠微带天线，其特征在于：矩形微带金属贴片包括位于所述矩形盒体上下端面，相互平行，分别贴固在覆盖层介质板(1)、底层介质板(5)内侧上的上层矩形微带金属贴片(9)、下层矩形微带金属微带贴片(8)。

4.如权利要求1所述的宽带宽角圆极化堆叠微带天线，其特征在于：覆盖层介质板(1)、支撑介质板(3)、底层介质板(5)的材料属性为玻璃纤维聚四氟乙烯。

5.如权利要求1所述的宽带宽角圆极化堆叠微带天线，其特征在于：上层矩形微带金属贴片(9)与下层矩形微带金属贴片(8)的大小相同，在其中心位置各开设有一个大小不同的“十字”缝隙。

6.如权利要求5所述的宽带宽角圆极化堆叠微带天线，其特征在于：所述十字缝隙的两缝长度不等：矩形贴片的长边对应长缝、矩形贴片的短边对应短缝。

7.如权利要求1所述的宽带宽角圆极化堆叠微带天线，其特征在于：谐振工作在高频端的上金属贴片，谐振点为22.5GHz，谐振工作在低频端的下金属贴片，谐振点为20.5GHz。

8.如权利要求7所述的宽带宽角圆极化堆叠微带天线，其特征在于：上金属贴片与下金属贴片，两贴片谐振频率点之间的频率间隔为2GHz。

9.如权利要求1所述的宽带宽角圆极化堆叠微带天线，其特征在于：PMI泡沫将空腔区域填充。

10.如权利要求1所述的宽带宽角圆极化堆叠微带天线，其特征在于：金属化过孔在下层矩形微带金属贴片(8)的对角线附近，馈电探针(10)穿过该金属化过孔焊接于下层矩形微带金属贴片(8)上。