CN104466380B - 平面双频双圆极化阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面双频双圆极化阵列天线。该装置包括介质基板，双频双圆极化微带天线单元，天线馈电网络和馈电探针。阵列天线由2^m×2ⁿ个相同单元组成，m、n均为自然数，各相邻单元等距，在阵列中心位置接有馈电探针实现馈电。双频双圆极化微带天线单元由对应低频的外层环形贴片与对应高频的内层矩形贴片组成，并通过微带线连接；外层环形贴片和内层矩形贴片都在对角处切角且切角方向相反；单元外层贴片的内边缘，内层贴片和内外层贴片的微带连线均由中心位置沿中心线方向平移距离d以实现天线单元与微带馈线阻抗匹配。本阵列天线剖面低，重量轻，增益高，能够实现双频双圆极化收发共用，且结构简单紧凑，便于实现。

Description

平面双频双圆极化阵列天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别是一种平面双频双圆极化阵列天线。

背景技术

当今世界各国都在奋力发展全球定位系统，例如美国GPS系统，欧盟Galileo系统，俄罗斯GLONASS系统和我国的北斗系统。而随着以全球定位系统为代表的卫星通信，遥控和遥测等技术的发展，较原始的线极化天线如今面临着云雨干扰，影响重叠，剧烈震动等问题，而圆极化天线基于其极化特性可有效避免这些外来因素的干扰，满足了在通信，电子对抗，电视广播等方面的更严格的探测和传输要。此外，由于大气层的影响，卫星通信上下行频率将会有一定的差距，极化方式也可能会不一样，这种情况下则需要双频双极化天线才能完成收发工作。综合以上分析，研究具有双频双圆极化特性的天线具有重要的意义。

从实现方式上看，卫星通信天线通常有十字交叉阵子、四臂螺旋、微带天线等形。而前两类天线轮廓较高、重量较重，难以集成到移动终端设备中；微带天线则具有轮廓低、重量轻、易共形，容易实现圆极化和双频等诸多优势，在卫星通信领域得到了十分广泛的应用。

将双频双圆极化微带天线制作成阵列，可以大大提高增益，但已有的各类双圆极化天线并不适合构建阵列。其中大部分采用多层结构，如专利号200910024114.9小型双频双圆极化宽波束多层微带天线，这样的多层结构制作加工较为复杂，成本高。而现有的平面双频双圆极化微带贴片天线则基本都采用同轴馈电的形式，如专利号201010531415.3一种单层双频微带天线，此种方案也限制了高增益阵列的构建。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑、高增益的平面双频双圆极化阵列天线。

实现本发明目的的技术解决方案为：本发明平面双频双圆极化阵列天线，包括介质基板、多个双频双圆极化微带天线单元、天线馈电网络和馈电探针；所述介质基板上设有呈阵列分布的2^m×2ⁿ个相同的双频双圆极化微带天线单元，m、n均为自然数，相邻的双频双圆极化微带天线单元之间距离相等，双频双圆极化微带天线单元之间通过微带馈电网络连接，所述双频双圆极化微带天线单元阵列的中心位置设有馈电探针进行馈电。

所述双频双圆极化微带天线单元由对应低频的外层环形贴片与对应高频的内层矩形贴片组成；在外层环形贴片的对角位置有第一切角，在内层矩形贴片的对角位置有第二切角，第一切角与第二切角方向相反；外层环形贴片与内层矩形贴片采用一根微带线相连，微带线位于单元中心线方向上远离单元馈电点的位置；所述外层环形贴片的内边缘、内层矩形贴片和微带线均由中心位置沿中心线方向平移距离d，以实现双频双圆极化微带天线单元与微带馈线阻抗匹配；所述中心线与馈电方向重合。

所述相邻两个双频双圆极化微带天线单元之间的距离小于1λ，λ为所述双频中相对较高频点的波长。所述天线馈电网络包括多个两节传输线阻抗变换器以实现双频阻抗匹配

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)利用微带馈电的平面双频双圆极化天线单元构建了低剖面，结构简单的高增益阵列；(2)天线单元采用共口径结构，使阵列天线结构更加紧凑；(3)采用平面结构的微带阵列天线，尺寸小，重量轻，便于携带。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明平面双频双圆极化阵列天线整体结构示意图。

图2为本发明双频双圆极化微带天线单元结构示意图。

图3为本发明实施例的低频S参数曲线图。

图4为本发明实施例的高频S参数性能图。

图5为本发明实施例的低频轴比性能图。

图6为本发明实施例的高频轴比性能图。

图7为本发明实施例的低频增益方向图。

图8为本发明实施例的高频增益方向图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。

结合图1，本发明平面双频双圆极化阵列天线，包括介质基板1、多个双频双圆极化微带天线单元2、天线馈电网络3和馈电探针4；所述介质基板1上设有呈阵列分布的2^m×2ⁿ个相同的双频双圆极化微带天线单元2，m、n均为自然数，相邻的双频双圆极化微带天线单元2之间距离相等，双频双圆极化微带天线单元2之间通过微带馈电网络3连接，所述双频双圆极化微带天线单元2阵列的中心位置设有馈电探针4进行馈电。

结合图2，所述双频双圆极化微带天线单元2由对应低频的外层环形贴片6与对应高频的内层矩形贴片7组成；在外层环形贴片6的对角位置有第一切角8，在内层矩形贴片7的对角位置有第二切角9，第一切角8与第二切角9方向相反；外层环形贴片6与内层矩形贴片7采用一根微带线10相连，微带线10位于单元中心线方向上远离单元馈电点的位置；所述外层环形贴片6的内边缘、内层矩形贴片7和微带线10均由中心位置沿中心线方向平移距离d，以实现双频双圆极化微带天线单元2与微带馈线11阻抗匹配；所述中心线与馈电方向重合。

所述相邻两个双频双圆极化微带天线单元2之间的距离小于1λ，λ为所述双频中相对较高频点的波长。

所述天线馈电网络3包括多个两节传输线阻抗变换器5以实现双频阻抗匹配

实施例

参见图1，为本发明实施例的平面双频双圆极化阵列天线整体结构示意图。平面双频双圆极化阵列天线由基板1，多个双频双圆极化天线单元2，馈电网络3和馈电探针4组成。

示例性的，本发明中由双频双圆极化微带天线单元2构成的整个天线阵的规模可以是2^m×2ⁿ的任意一种需要的规模，m、n均为自然数，例如可以是如图1所示的4×4单元的阵列，本发明实施例对此不进行限制。

本发明实施例中的微带阵列天线的规模是4×4单元的。阵列中各天线单元2之间完全相同，等距排列。为了避免栅瓣同时又获取较高的增益，本实施例中相邻两个天线阵元的间距选定为20mm。相对于两个中心频点来说，该阵元间距分别大约为0.55λ₁和0.83λ₂。

馈电网络主要采用特性阻抗为150Ω的微带馈线，并在馈线的并联点采用两节传输线阻抗变换器5实现双频阻抗匹配。前两级并联点的传输线阻抗变换器是将150Ω并联后的75Ω在两个频段上重新变换至150Ω，最后一级则是将75Ω在两个频段上变换至100Ω，其并联后与特性阻抗为50Ω的馈电探针4实现阻抗匹配。

参见图2，天线单元2由对应低频的外层环形贴片6与对应高频的内层矩形贴片7，切角8和9，内外微带连线10和微带馈线11组成。其中，外层环形贴片6与内层矩形贴片7，由于两者相对于对方是一个调谐枝节，最终导致谐振频率和圆极化频率比偏差较大，将其改进为长宽比较大的矩形可以有效解决这一问题。外层贴片6的内边缘形状与内层贴片7基本一致，尺寸在保证工作频率符合要求以及可加工的前提下进行调整。外层贴片对角线位置上切角8，内层贴片反方向切角9实现双频段上的双圆极化。

内外层贴片由微带连线10连接，它处于天线单元的中心线上且选取远离单元馈电点的位置，这有利于单元馈电点与微带馈线11在两个频段上的匹配。同时微带连线10的宽度较大，可实现单元馈电点与微带馈线11在高频段的匹配。

外层贴片6的内边缘，内层贴片7，内外微带连线10均由中心位置沿中心线方向平移一定距离，可实现单元馈电点与微带馈线11在低频段的匹配。本实施例中，平移沿中心线远离单元馈电点，距离为0.1mm。最终实现天线单元与特性阻抗为150Ω在两个频段上同时实现阻抗匹配。

实施例中，所述平面双频双圆极化阵列天线的两个的频带的中心频率分别是8.2GHz和12.5GHz。微波介质板采用相对介电常数为3，损耗角正切为0.0013，厚度为1.524mm的Rogers3003介质板。平面双频双圆极化阵列天线的尺寸为90mm×90mm。

参见图3与图4，本实施例低频与高低频工作频率为8.2GHz与12.5GHz，中心频率的S11值分别为-24.09dB和-32.68dB，其相对带宽分别为5.68％和2.95％。

参见图5和图6，本实施例圆极化频率与谐振频率一致，其中心频率的轴比值为0.575dB和0.155dB，其圆极化相对带宽分别为0.853％和1.6％。

参加图7和图8，本实施例低频实现左旋圆极化，增益为17.08dB，E面副瓣增益为-10.81dB，H面副瓣增益为-11.42dB；高频实现右旋圆极化，增益为17.14dB，E面副瓣增益为-10.2dB，H面副瓣增益为-9.08dB。

综上所述，本发明阵列天线剖面低，重量轻，增益高，能够实现双频双圆极化收发共用，且结构简单紧凑，便于实现。

Claims (3)

1.一种平面双频双圆极化阵列天线，其特征在于：包括介质基板(1)、多个双频双圆极化微带天线单元(2)、天线馈电网络(3)和馈电探针(4)；所述介质基板(1)上设有呈阵列分布的2^m×2ⁿ个相同的双频双圆极化微带天线单元(2)，m、n均为自然数，相邻的双频双圆极化微带天线单元(2)之间距离相等，双频双圆极化微带天线单元(2)之间通过微带馈电网络(3)连接；平面双频双圆极化阵列天线的中心位置设有馈电探针(4)进行馈电；所述双频双圆极化微带天线单元(2)由对应低频的外层环形贴片(6)与对应高频的内层矩形贴片(7)组成；在外层环形贴片(6)的对角位置有第一切角(8)，在内层矩形贴片(7)的对角位置有第二切角(9)，第一切角(8)与第二切角(9)方向相反；外层环形贴片(6)与内层矩形贴片(7)采用一根微带线(10)相连，微带线(10)位于单元中心线方向上远离单元馈电点的位置；所述外层环形贴片(6)的内边缘、内层矩形贴片(7)和微带线(10)均由中心位置沿中心线方向平移距离d，以实现双频双圆极化微带天线单元(2)与微带馈线(11)阻抗匹配；所述中心线与馈电方向重合。

2.根据权利要求1所述的平面双频双圆极化阵列天线，其特征在于：所述相邻两个双频双圆极化微带天线单元(2)之间的距离小于1λ，λ为所述双频中相对较高频点的波长。

3.根据权利要求1所述的平面双频双圆极化阵列天线，其特征在于：所述天线馈电网络(3)包括多个两节传输线阻抗变换器(5)以实现双频阻抗匹配。