CN104505588A - 一种双圆极化微带天线阵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双圆极化微带天线阵，由金属框、辐射微带板、金属柱、泡沫、馈电微带板、金属地板和连接器组成。馈电微带板集成了定向耦合器、功分器、辐射贴片和隔离孔阵，实现了双圆极化的辐射功能。辐射微带板与泡沫板一起实现了阻抗匹配和展宽带宽的功能。连接器是与馈线系统的接口。金属框和金属地板组成的框架提供接地和保护。金属柱实现了层间定位、结构加强、谐振效应消除。本发明将双层微带贴片天线、圆极化功分馈电、定位支撑与去谐振、互耦隔离和环境防护技术相结合；既继承了传统圆极化微带贴片天线的低剖面、低成本、低交叉极化优点，又具有结构简单牢固、加工便利的优点；可作通讯或雷达用双圆极化相控阵天线。

Description

一种双圆极化微带天线阵

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种微带天线阵。

背景技术

对卫星通信和遥感系统来说，为有效传输信息，克服电离层法拉第旋转效应引起的极化畸变，要求天线具有圆极化的性能，且同一天线阵面在接收模式与发射模式下同时工作，这就要求天线具备双圆极化的工作能力。军用方面，空间目标预警领域，各国也普遍采用双圆极化天线作为基本辐射单元组阵。在民用方面，广播电视系统采用双圆极化天线亦可有效减小信号漏失、克服重影。这也一定程度上也推动了双圆极化天线技术的发展。因此双圆极化天线技术在军用和民用领域的应用范围越来越广泛。

在星载和机载的应用场合，还有重量的要求。这要求天线在满足波束宽度、增益、极化、隔离、扫描能力等指标时还要尽可能的轻便可靠。天线的高度也需要尽可能的小，以免改变飞行器的气动特性和带来不必要的机械干涉。

常见的双圆极化相控阵天线单元主要有以下三种形式：一、振子天线。包括十字交叉分布的微带振子和金属振子。其主要的优点在于带宽宽，波束宽度宽可达120°，可以适应大角度扫描的要求（张健鑫，傅光，陈曦，张涛，李东超，圆极化十字交叉振子的设计，微波学报，Vol.S2，2010.8，pp:183-186.）。其缺点在于剖面高，不适合机载、星载等场合的使用。二、背腔式缝隙天线。该类天线通过在背腔激励的金属板上开环形或十字形的槽实现了圆极化的性能（Sievenpiper D, Hsu H P, Riley R M. Low -profile cavity-backed crossed-slot antenna with a single-probe feed designed for 2.34 GHz satellite radio applications，IEEE Trans Antennas Propagat, 2004, 52(3) : 873-879）。其主要的缺点在于对地面对方向图的影响大，可能出现波纹。三、微带天线。微带天线具有低成本、低剖面、易于集成和共形的特点，适于设计低剖面圆极化天线。目前已知的双圆极化微带天线阵，其实现方式有两种：一是四点馈电的方式，需要结合定向耦合器和不等相位功分器组成馈电网络（汪雪刚，李瑞，吴多龙，李庚禄，GPS双频圆极化微带天线的设计，广州工业大学学报，Vol.28，No.2，2011.6,pp:43-46）。其优点是，贴片表面电流分布更符合圆极化特性，可以有效抑制高阶模式产生的交叉极化分量，轴比性能较好。缺点是，馈电网络复杂、庞大，成本高。二是双点馈电的方式，需要定向耦合器或者不等相位功分器组成馈电网络。对于多次反射有所抑制，亦可容忍馈电相位的误差。相比四点馈电方案，其优势在于实现简单，易于组阵。（薛欣，张福顺，冯昕罡，冯睿，双圆极化微带天线的设计，电波科学学报，Vol.25，No.2，2010.4，pp:393-396.）。

发明内容

为了解决圆极化微带天线的双点馈电微带天线阵的馈电网络与贴片单元同层设计的问题，本发明的目的在于提供一种双圆极化微带天线阵，使其具有、低交叉极化、结构简单牢固、加工便利的特点，并且具有实现宽角扫描双圆极化天线阵的工程潜力。

通过背景技术可以得知：微带贴片型双圆极化天线的馈电网络复杂，且需要与微带阵面集成，在组阵时必然出现互耦、谐振等不可避免的恶化天线阵性能的问题。现有技术通过缝隙耦合馈电技术的方法予以规避。（Rostan, F.; Wiesbeck, W., Dual polarized microstrip patch arrays for the next generation of spaceborne synthetic aperture radars, 1995International Geoscience and Remote Sensing Symposium, IGARSS '95. Quantitative Remote Sensing for Science and Applications ,vol.3, pp. 2277-2279.）其缺点是额外增加了一张微带板和一张泡沫板。本发明所需解决的具体问题就是如何选择合适的贴片形式、馈电网络、去谐振、去耦合结构来解决上述问题。

一种双圆极化微带天线阵包括由上至下依次贴合的辐射微带板2、泡沫板4、馈电微带板5和金属地板6，并由两个以上的金属柱3贯穿固定连接，形成一块双圆极化微带天线阵板；

所述辐射微带板包括上层的辐射介质层23和下层的辐射铜箔层24，辐射铜箔层24与泡沫板4的上表面粘接；馈电微带板5包括上馈电铜箔层59、馈电介质板510和下馈电铜箔层511，上馈电铜箔层59与泡沫板4的下表面粘接, 下馈电铜箔层511与金属地板6焊接连接；

所述辐射微带板的顶面上均布设有两个以上的焊盘片22，所述两个以上的金属柱3的顶端分别对应连接着两个以上的焊盘片22；辐射微带板的底面均布设有八块以上偶数的辐射贴片21，八块以上偶数的辐射贴片21排列成两行以上；

所述馈电微带板5的顶面上均布设有八块以上偶数的馈电贴片51，所述八块以上偶数的馈电贴片51和所述八块以上偶数的辐射贴片21一一对应；八块以上偶数的馈电贴片51排列成两行以上，相邻两行馈电贴片51之间均布开设有一行隔离孔58；每行馈电贴片自左向右两两组成一对馈电贴片，每行中部的馈电微带板5上设有一个定向耦合器53，两对以上偶数对的馈电贴片对称分布在定向耦合器53的两侧；

每对馈电贴片的同向端之间连接着一字形的二级同向功分网络57，反向端之间连接着弓字形的二级反向功分网络55；

偶数对馈电贴片的两个二级同向功分网络57并联形成一级功分网络连接着定向耦合器53的一个输出端；

偶数对馈电贴片的两个二级反向功分网络55并联形成一级功分网络连接着定向耦合器53的另一个输出端，定向耦合器53的两个输入端与两个连接器7的内导体连接；

所述两个连接器7的外导体位于金属地板6下，介质层穿过金属地板6，内导体穿过金属地板6和馈电微带板5焊接于上馈电铜箔层59。

所述双圆极化天线阵在9％左右的带宽内，驻波优于1.5，交叉极化性能优于－15dB；还包括一个矩形的金属框1，所述双圆极化微带天线阵板嵌装在金属框1内。

一种优化的结构是：辐射微带板2的底面均布设有十二块辐射贴片21，十二块辐射贴片21排列成三行；馈电微带板5的顶面上均布设有十二块馈电贴片51，十二块馈电贴片51排列成三行；所述十二块辐射贴片21和十二块馈电贴片51一一对应。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1.本发明全阵面实现了双圆极化的功能，具有9%左右的阻抗带宽（驻波1.5），-15dB的交叉极化性能，可用于要求一维扫描的通讯或雷达领域；

2.辐射贴片在辐射微带板下方，倒置设计有效保护微带贴片免受外界侵蚀，也利于贴片形式保密；

3.馈电网络与下层微带贴片共面设计，结构紧凑，与耦合馈电形式相比节省了1层微带板和1层泡沫板，而不增加微带板加工难度；

4.两种形式的二级功分网络设计适应了贴片单元馈电的需要，节省了布局空间；

5.金属化通孔隔断非同一馈电网络馈电的微带贴片，可以减小不同线阵之间的互耦，有利于改善阵列的扫描性能；

6.金属围框包裹天线阵侧面和上表面边缘，在不恶化电性能的前提下，加强了天线的结构强度；

7.每个末级“T”形功分网络馈电的两个微带贴片之间设置金属柱。在结构上充当支撑柱，加强了天线的结构强度；在工艺上充当定位销，保证了多层板材之间的位置关系；在电性能上分割阵面空间，改变了阵列内部的耦合关系，消除了谐振效应。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明爆炸示意图。

图3为辐射微带板结构示意图。

图4为泡沫板结构示意图。

图5为馈电微带板结构示意图。

图6为金属地板结构示意图。

图7为局部剖视图。

图8为一个4（非扫描向）×3（扫描向）单元的双圆极化天线阵示意图。

图9为实施例2中天线两个圆极化端口驻波实测曲线图。

图10为实施例2中频典型波瓣图的扫描向主面测试结果图。

图11为实施例2中频典型波瓣图的非扫描向主面测试结果图。

图12为一个8（非扫描向）×4（扫描向）单元的双圆极化天线阵示意图。

图1-7中序号：金属框1、辐射微带板2、金属柱3、泡沫板4、馈电微带板5、金属地板6、连接器7、辐射贴片21、焊盘片22、辐射介质层23、辐射铜箔层24、通孔41、馈电贴片51、一级功分网络52、定向耦合器53、馈电通孔54、二级反向功分网络55、金属柱通孔56、二级同向功分网络57、隔离通孔58、上馈电铜箔层59、馈电介质板510、下馈电铜箔层511、连接器过孔61、金属柱过孔62、螺栓通孔63。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明：

实施例1：

参见图1和图2，一个基本的4（非扫描向）×2（扫描向）天线阵。贴片的间距根据扫描要求，采用业内所共知的常规阵列天线的设计方法确定。在实施例1中非扫描向单元间距选为0.59λ₀，扫描向单元间距选为0.52λ₀。其中λ₀为自由空间波长。

天线阵在结构上由金属框1、辐射微带板2、金属柱3、泡沫板4、馈电微带板5、金属地板6和连接器7组成。

如图3所示，辐射微带板2上表面有4个左右对称、前后均匀排列的焊盘片22，下表面有8个呈4行2列均匀排布的辐射贴片21，在焊盘对应位置的上下方向贯穿了4个通孔。

如图4所示，泡沫板4是均匀介质，沿上下方向贯穿了4个通孔41。其中心与辐射微带板上表面的4个焊盘片22中心重合，孔径与焊盘的内径相同。

如图5所示，馈电微带板5上表面蚀刻了馈电贴片51、一级功分网络52、定向耦合器53、二级反向功分网络55、二级同向功分网络57。馈电贴片51呈4行2列均匀排布，其中心位置与辐射贴片21的中心位置对应。定向耦合器53位于每一行中间两个贴片之间，输入端与连接器7内导体垂直互联，2个输出端各接1个一级功分网络52的总口。1个一级功分网络的总口与定向耦合器53相连，2个分口分别与2个二级反向功分网络55的总口相连。另1个一级功分网络的总口也与定向耦合器53相连，2个分口则分别与2个二级同向功分网络57的总口相连。每个二级反向功分网络55和二级同向功分网络57的总口均与一个一级功分网络52的分口相连；分口则与一个馈电贴片51连接。每个馈电贴片51与1个二级反向功分网络55和1个二级同向功分网络57的分口连接。

馈电微带板5的下表面在连接器过孔处的6个圆形区域无金属，其余部分金属完整。馈电微带板5上共打了4个馈电通孔54、4个金属柱通孔56和若干个隔离通孔58。馈电通孔54非金属化，位于微带板两组中心贴片之间，是连接器内导体的过孔，孔径与内导体直径相同。另外金属柱通孔56对称分布于两侧每个由馈电贴片51、二级反向功分网络55和二级同向功分网络57包围的区域内，上下位置与辐射微带板上表面的4个焊盘中心重合，孔径与焊盘的内径相同。隔离通孔58需要金属化，孔间均匀分布，将天线阵在上下方向分成了2个部分。

如图6所示，金属地板6位于全阵面最下方，紧贴馈电微带板的下表面，开有4个连接器过孔61、4个金属柱过孔62和若干个螺栓通孔63。4个连接器过孔61的中心与馈电微带板的4个馈电通孔54的中心对应，用于安装连接器7。4个金属柱过孔62中心与馈电微带板5的金属柱通孔56中心、泡沫板4的通孔41中心和辐射微带板2的焊盘片22中心重合，孔径与金属柱3内径相同，用于固定金属柱。若干个螺栓通孔63位于金属地板边缘，用于连接金属围框。

图7是天线阵面的一个侧面截图。金属框1上部卡在辐射介质层23上表面，下部开有若干个与金属地板6边缘孔位对应的螺纹孔位，与金属地板通过螺栓连接。金属柱3与辐射微带板上表面焊盘片22焊接，下缘有小段螺纹，贯穿辐射微带板2、泡沫板4和馈电微带板5后与金属地板6连接，其上缘在辐射微带板2上表面焊盘片22处焊接。连接器7选择商用SMA连接器，内导体穿过金属地板6和馈电微带板5后焊接，介质层穿过金属地板6，法兰与金属地板6下表面连接。

辐射微带板2包括两层，上层为辐射介质层23；下层为辐射铜箔层24，与泡沫板4上表面粘接。馈电微带板5由馈电上铜箔层59、馈电介质层510和馈电下铜箔层511构成。馈电上铜箔层59与泡沫板4下表面粘接, 馈电上铜箔层511与金属地板6焊接。

实施例2：

参见图8，一个4（非扫描向）×3（扫描向）单元的双圆极化天线阵，其它结构与实施例1相同，采用相同的单元间距，区别在于天线单元数量。

图9给出了实施例2天线两个圆极化端口驻波实测曲线，表明该天线阵在相对带宽约9％的工作频带内端口驻波优于1.6。

图10和图11给出实施例2中频典型波瓣图的测试结果。该天线阵在整个工作频带内法向交叉极化优于-15dB。

实施例3：

参见图12，一个8（非扫描向）×4（扫描向）单元的双圆极化天线阵，其它结构与实施例1相同，区别在于天线单元数量，天线单元采用圆形微带贴片单元。非扫描向单元间距选为0.6λ₀，扫描向单元间距选为0.8λ₀。对此天线阵采用业内所公认的HFSS11.0（由Ansoft公司研发的高频结构仿真软件）进行仿真，结果表明该天线阵在10%带宽内，驻波比优于1.5，交叉极化优于-15dB。

本发明天线包括可产生两个正交圆极化的双极化辐射元件，还包括功分网络末级反向馈电、金属化孔阵增加隔离、金属柱去谐振等技术，从而提供一种高性能的双圆极化天线阵的工程实现方法。尽管本发明在此参照一个优选实施例方案进行了描述，但本领域技术人员应认识到在不脱离所附权利要求书中阐明的本发明的精神和范围情况下，可对其简单替换，如使用开槽的微带贴片单元，增加金属柱的数量，改变金属柱的位置等，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的发明保护范围。

Claims (3)

1.一种双圆极化微带天线阵，其特征在于：包括由上至下依次贴合的辐射微带板（2）、泡沫板（4）、馈电微带板（5）和金属地板（6），并由两个以上的金属柱（3）贯穿固定连接，形成一块双圆极化微带天线阵板；

所述辐射微带板包括上层的辐射介质层（23）和下层的辐射铜箔层（24），辐射铜箔层（24）与泡沫板（4）的上表面粘接；馈电微带板（5）包括上馈电铜箔层（59）、馈电介质板（510）和下馈电铜箔层（511），上馈电铜箔层（59）与泡沫板（4）的下表面粘接, 下馈电铜箔层（511）与金属地板（6）焊接连接；

所述辐射微带板的顶面上均布设有两个以上的焊盘片（22），所述两个以上的金属柱（3）的顶端分别对应连接着两个以上的焊盘片（22）；辐射微带板的底面均布设有八块以上偶数的辐射贴片（21），八块以上偶数的辐射贴片（21）排列成两行以上；

所述馈电微带板（5）的顶面上均布设有八块以上偶数的馈电贴片（51），所述八块以上偶数的馈电贴片（51）和所述八块以上偶数的辐射贴片（21）一一对应；八块以上偶数的馈电贴片（51）排列成两行以上，相邻两行馈电贴片（51）之间均布开设有一行隔离通孔（58）；每行馈电贴片自左向右两两组成一对馈电贴片（51），每行中部的馈电微带板（5）上设有一个定向耦合器（53），两对以上偶数对的馈电贴片对称分布在定向耦合器（53）的两侧；

每对馈电贴片的同向端之间连接着一字形的二级同向功分网络（57），反向端之间连接着弓字形的二级反向功分网络（55）；

偶数对馈电贴片的两个二级同向功分网络（57）并联形成一级功分网络连接着定向耦合器（53）的一个输出端；

偶数对馈电贴片的两个二级反向功分网络（55）并联形成一级功分网络连接着定向耦合器（53）的另一个输出端，定向耦合器（53）的两个输入端与两个连接器（7）的内导体连接；

所述两个连接器（7）的外导体位于金属地板（6）下，介质层穿过金属地板（6），内导体穿过金属地板（6）和馈电微带板（5）焊接于上馈电铜箔层（59）。

2.根据权利要求1所述的一种双圆极化微带天线阵，其特征在于：还包括一个矩形的金属框（1），所述双圆极化微带天线阵板嵌装在金属框（1）内。

3.根据权利要求1所述的一种双圆极化微带天线阵，其特征在于：所述辐射微带板的底面均布设有十二块辐射贴片（21），十二块辐射贴片（21）排列成三行；所述馈电微带板（5）的顶面上均布设有十二块馈电贴片（51），十二块馈电贴片（51）排列成三行；所述十二块辐射贴片（21）和十二块馈电贴片（51）一一对应。