CN104852158A - P波段宽带高隔离度双圆极化薄膜阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明属于通信技术领域，具体为一种P波段宽带高隔离度双圆极化薄膜阵列天线。该阵列天线结构从上往下依次为：寄生贴片层、辐射贴片层、起支撑作用的蜂窝状纸板介质层、栅格化金属反射板层；其中寄生贴片层和辐射贴片层上表面均有M×N个正方形铜贴片；蜂窝状介质层的上表面为地层，上面刻蚀了M×N对相互垂直的H型缝隙，下表面为馈电网络层，馈电网络由M个3dB电桥和M对一分为八的T型功分器连接组成。信号经馈电网络传输，由H型缝隙耦合到辐射贴片和寄生贴片；栅格化金属反射层置于距离馈电网络层下方四分之一波长处。本阵列天线为柔性可折叠可展开结构，重量降低，带宽增加，且能实现左旋圆极化和右旋圆极化。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体地涉及一种P波段宽带高隔离度双圆极化薄膜阵列天线。
背景技术
随着通信技术的不断发展，人们对通信的质量也提出了更高的要求，比如在恶劣的多径、拥塞和干扰的情况下，人们希望依旧保持较好的通信质量。这就要求阵列天线有很高的带宽和极强的抗干扰能力。然而一般的微带阵列天线带宽很窄，抗干扰能力弱，同时由于P波段的信号波长较长，常规的设计尺寸过于庞大，使得阵列天线的整体过重，无法满足现代通信的需求。所以设计性能优良的宽带圆极化微带阵列天线成为研究的热点。
目前圆极化微带天线主要实现方法有三种：（a）单馈法，基于空腔模型理论，利用简并模分离元产生的两个简并模工作；（b）多馈法，多个馈点馈电微带天线，由馈电网络保证圆极化工作条件；（c）使用多个线极化辐射贴片元，按照一定的方式合理分布辐射贴片元。实现宽频带的技术主要有：（a）降低等效电路Q值，如增大介质厚度h，使用低介电常数的介质，增加介质损耗等；（b）修改等效电路为多调谐回路，如附加寄生贴片贴片，加载U型缝隙等；（c）改进馈电方法，如采用电磁耦合，利用L型探针馈源，附加阻抗匹配网络等；（d）利用阵列技术。
本发明采用了多馈法馈电，通过附加寄生贴片，加载H型缝隙，加入空气层的方法降低了等效电路的Q值，是电路成为多调谐回路，从而提高了圆极化带宽。同时金属反射板经过栅格化处理，大大减轻了阵列天线的整体质量。
通过对现有技术文献的检索发现，詹珍贤等人在2014年9月的雷达与对抗第34卷第3期上发表了“可收拢展开的宽带双圆极化柔性薄膜天线”，该天线的阵列在360MHz～495MHz频率范围内电压驻波比小于2。经研究，该阵列天线为常规的金属反射板，质量较重，同时电压驻波比在440MHz～480MHz范围内起伏较大，电压驻波比小于1.5的带宽仅为80MHz。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种宽带高隔离度双圆极化薄膜阵列可展开天线，使天线在具有宽带圆极化高隔离度特性的同时，其整体呈柔性可折叠可展开，减小存储体积和质量。
本发明提供的宽带高隔离度双圆极化薄膜阵列可展开天线，馈电网络通过接地层（5）开的H型缝隙给辐射贴片层耦合馈电，同时附加的寄生贴片层增大了带宽。阵列天线中心频率433MHz，电压驻波比小于1.5的带宽大于125MHz，左旋/右旋圆极化轴比小于3的带宽均大于90MHz。具体来说本发明提供的宽带双圆极化薄膜阵列天线，其结构如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，包括：一寄生贴片层（1）、一辐射贴片层（2）、一蜂窝状纸板介质层（3）、一栅格化金属反射板层（4）；所述的寄生贴片层（1）和辐射贴片层（2）上均分布有M×N个(M可取范围4~8,N可取范围6~10,下同；优选取6×8)正方形铜贴片单元；蜂窝状纸板介质层（3）的上表面有镀铜的接地层（5），并刻蚀有M×N对相互垂直的H型缝隙；H型缝隙用于激励出空间正交的场，且H型缝隙结构将辐射贴片层（2）和馈电网络层（6）隔离开；蜂窝状纸板介质层（3）的下表面为微带线组成的馈电网络层（6）；栅格化金属反射板层（4）位于馈电网络层（6）下方，用于减小H型耦合槽（就是H型缝隙）引起的背向辐射。
本发明中，所述寄生贴片层（1）和所述辐射贴片层（2）均含有M×N个正方形铜贴片单元，寄生铜贴片和辐射铜贴片在x轴向和y轴向均为等间距分布，间距约为波长（即中心频率对应波长，下同）的七分之二到七分之五，辐射铜贴片均垂直设置于寄生铜贴片正下方；寄生贴片层（1）上的正方形铜贴片尺寸约为波长的六分之一到二分之一，辐射贴片层（2）上的正方形铜贴片尺寸约为波长七分之一到七分之五；寄生贴片层（1）和辐射贴片层（2）均采用柔性薄膜材料，材料的介电常数较低。该两个微带贴片层谐振两个相近的频率，从而拓宽了阵列天线整体带宽。
本发明中，所述蜂窝状纸板介质层（3）的上表面为镀铜的地层（5），地层（5）上刻蚀有M×N对相互垂直的H型缝隙；所述H型缝隙的长缝和两个短缝的宽度相等，H型缝隙的长缝和两个短缝长度之和约为波长的八分之一到二分之一；每一对H型缝隙均关于x轴对称；两个相互垂直的H型缝隙的中心间距约为波长的八分之一到二分之一。通过相互垂直的H型缝隙激励出空间正交的场，从而实现双极化；通过H型缝隙结构将辐射贴片层（2）和馈电网络隔离开，减小了由馈电网络带来的寄生辐射，同时降低了交叉极化。
本发明中，所述蜂窝状纸板介质层（3）的下表面为馈电网络层（6），馈电网络层（6）由M个3dB电桥和M对一分为八T型功分器连接而成；3dB电桥使信号等分，并提供90度相位差；一对T型功分器与一个3dB电桥连接，并通过H型缝隙将3dB电桥传输的信号再等分给八个辐射铜贴片单元，天线单元在得到一对幅度相等、相位差90度的信号激励后，实现纯度较高的圆极化。
所述栅格化金属反射板层（4）由金属反射板周期性地挖去正方形孔得到，正方形孔的间距约为波长的六十分之一到八十分之一，栅格化金属反射板层（4）置于馈电网络层（6）下方约为十分之一到七分之一波长处，以减小H型耦合槽（就是H型缝隙）引起的背向辐射，提高阵列天线的增益和辐射方向图的前后比，同时降低阵列天线的整体重量。
本发明中，层与层之间均为空气层，层与层之间通过对位孔对位。
本发明天线寄生贴片层(1)和辐射贴片层(2)的介质采用柔性薄膜材料制作，介质板层采用蜂窝状纸板，相邻层间为空气层，因此阵列天线整体为柔性可折叠可展开结构，减小存储体积和重量。
本发明与常规的圆极化微带贴片阵列天线相比，通过引入空气层降低了天线的Q值；增加寄生贴片层使电路等效为多调谐回路，从而提高了天线的带宽；采用H型缝隙耦合馈电的结构将辐射贴片和馈电网络隔离开，减小了由馈电网络带来的寄生辐射；同时H型缝隙呈正交放置，激励出空间正交场，实现双圆极化并提高了隔离度。栅格化的金属反射板减小了由耦合槽引起的背向辐射。阵列天线电压驻波比小于1.5的频带范围为365MHz~490MHz，阵列天线尺寸为2.4m×3.6m×0.16m(长×宽×高)。阵列天线整体达到了体积小、质量轻、超宽带、高隔离度、双圆极化、柔性可展开、抗干扰能力强的性能。
附图说明
图1为本发明宽带双极化薄膜阵列天线整体示意图。
图2为本发明宽带双极化薄膜阵列天线寄生贴片层示意图。
图3为本发明宽带双极化薄膜阵列天线辐射贴片层示意图。
图4为本发明宽带双极化薄膜阵列天线介质板层上表面示意图。
图5为本发明宽带双极化薄膜阵列天线介质板层下表面示意图。
图6为本发明宽带双极化薄膜阵列天线栅格化反射板示意图。
图7为本发明宽带双极化薄膜阵列天线电压驻波比仿真结果示意图。
图8为本发明宽带双极化薄膜阵列天线轴比仿真结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的作进一步说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本发明提供了一种宽带高隔离度双圆极化薄膜阵列天线，整体尺寸2.4m×3.6m×0.16m（长×宽×高），本实施例包括：一层寄生贴片层（1）、一层辐射贴片层（2）、一层蜂窝状纸板介质层（3）、一层栅格化金属反射板层（4）。
如图2所示，本实施例所述的寄生贴片层（1）含有6×8个正方形贴片单元，寄生贴片的初始尺寸根据公式 得到，再经过的全波仿真软件优化，最终得到的寄生正方形铜贴片尺寸为234mm×234mm，辐射方形铜贴片尺寸为250mm×250mm。
如图3所示，本实施例所述的辐射贴片层（2）含有6×8个正方形贴片单元，辐射贴片单元的尺寸略大于寄生贴片单元尺寸，寄生贴片和辐射贴片在x轴向和y轴向均呈400mm等间距分布，辐射贴片均垂直置于寄生贴片正下方。寄生贴片层（1）和辐射贴片层（2）的介质均为柔性介质聚酰亚胺，厚度仅0.1mm，介电常数3.4。寄生贴片层与辐射贴片层之间为空气层，厚度为43mm。
如图4所示，本实施例所述的蜂窝状纸板介质层（3）的上表面为镀铜的地层（5），地层（5）刻蚀了6×8对相互垂直的H型缝隙。蜂窝状纸板介质层（3）的厚度为2.3mm，介电常数1.45。其中H型缝隙的长缝和短缝的宽度相等，H型缝隙的长缝和两个短缝长度之和约为阵列天线中心频率对应波长的四分之一。每一对H型缝隙关于x轴对称。两个相互垂直的H型缝隙的中心间距120mm。
如图5所示，本实施例所述的蜂窝状纸板介质层（3）的下表面为馈电网络层（6）。由6个3dB电桥和6对一分为八T型功分器连接而成。3dB电桥使激励信号等分成两路，并产生90度相位差，幅度相等的两路信号再经过一对一分为八的T型功分器等幅激励8个辐射贴片单元。
所述的3dB电桥阻抗分别为35欧姆、50欧姆、70.7欧姆和120.7欧姆，对应的微带线宽度分别为14.6mm，9.1mm， 5.38mm和1.9mm。
所述的T型功分器50欧姆微带线宽度为9.1mm，70.7欧姆微带线宽度为5.38mm。其中T型功分器的50欧姆输入端与3db电桥输出端连接，T型功分器输出端通过H型缝隙给天线耦合馈电，T型功分器枝节超出H型缝隙34mm。每个辐射贴片获得一对幅度相等、相位差90度的激励信号，产生圆极化电磁波。信号从3dB电桥的两个不同端口输入可以分别获得两种不同的圆极化方式。
如图6所示，本实施例所述的栅格化金属反射板层（4）由普通的金属反射板周期性地挖去尺寸为70mm×70mm的正方形孔得到，正方形孔间距10mm。栅格化金属反射板层（4）置于馈电网络层（6）下方80mm处。
本实施例所述的每一层之间均为空气层，其中辐射贴片层（2）与蜂窝状纸板介质层（3）间距34mm，层与层之间通过对位孔对位。
如图7所示，本实施例所述的频率特性包括电压驻波比参数。其中横坐标代表频率变量，单位为MHz，纵坐标代表电压驻波比变量。本发明的宽带高隔离度圆极化薄膜阵列天线电压驻波比小于1.5的带宽范围是365MHz~490MHz。
如图8所示，本实施例所述的频率特性包括圆极化轴比参数。其中横坐标代表频率变量，单位为MHz，纵坐标代表轴比变量。本发明的宽带高隔离度圆极化薄膜阵列天线左旋圆极化轴比小于3的带宽范围是400MHz~500MHz，右旋圆极化轴比小于3的带宽范围是400MHz~490MHz。
Claims (7)
1.一种P波段宽带高隔离度双圆极化薄膜阵列天线，其特征在于，包括：一寄生贴片层（1）、一辐射贴片层（2）、一蜂窝状纸板介质层（3）、一栅格化金属反射板层（4）；
所述的寄生贴片层（1）和辐射贴片层（2）上均分布有M×N个正方形铜贴片单元；蜂窝状纸板介质层（3）的上表面有镀铜的接地层（5），并刻蚀有M×N对相互垂直的H型缝隙；H型缝隙用于激励出空间正交的场，且H型缝隙结构将辐射贴片层（2）和馈电网络层（6）隔离开；蜂窝状纸板介质层（3）的下表面为微带线组成的馈电网络层（6）；栅格化金属反射板层（4）位于馈电网络层（6）下方，用于减小H型耦合槽即H型缝隙引起的背向辐射；其中，M取4~8，N取6~10。
2.根据权利要求1所述的阵列天线，其特征在于，所述寄生贴片层（1）和所述辐射贴片层（2）均含有M×N个正方形铜贴片单元，寄生铜贴片和辐射铜贴片在x轴向和y轴向均为等间距分布，间距为波长即中心频率对应波长的七分之二到七分之五，辐射铜贴片均垂直设置于寄生铜贴片正下方；寄生贴片层（1）上的正方形铜贴片尺寸为波长的六分之一到二分之一，辐射贴片层（2）上的正方形铜贴片尺寸为波长七分之一到七分之五。
3.根据权利要求1所述的阵列天线，其特征在于，所述蜂窝状纸板介质层（3）的上表面为镀铜的地层（5），地层（5）上刻蚀有M×N对相互垂直的H型缝隙；所述H型缝隙的长缝和两个短缝的宽度相等，H型缝隙的长缝和两个短缝长度之和为波长的八分之一到二分之一；每一对H型缝隙均关于x轴对称；两个相互垂直的H型缝隙的中心间距为波长的八分之一到二分之一；通过相互垂直的H型缝隙激励出空间正交的场，从而实现双极化；通过H型缝隙结构将辐射贴片层（2）和馈电网络隔离开，以减小由馈电网络带来的寄生辐射，同时降低交叉极化。
4.根据权利要求书1所述的阵列天线，其特征在于，所述蜂窝状纸板介质层（3）的下表面为馈电网络层（6），馈电网络层（6）由M个3dB电桥和M对一分为八T型功分器连接而成；3dB电桥使信号等分，并提供90度相位差；一对T型功分器与一个3dB电桥连接，并通过H型缝隙将3dB电桥传输的信号再等分给八个辐射铜贴片单元，天线单元在得到一对幅度相等、相位差90度的信号激励后，实现纯度较高的圆极化。
5.根据权利要求书4所述的阵列天线，其特征在于，所述的3dB电桥阻抗分别为35欧姆、50欧姆、70.7欧姆和120.7欧姆，对应的微带线宽度分别为14.6mm，9.1mm， 5.38mm和1.9mm；所述的T型功分器50欧姆微带线宽度为9.1mm，70.7欧姆微带线宽度为5.38mm；其中T型功分器的50欧姆输入端与3db电桥输出端连接，T型功分器的输出端通过H型缝隙给天线耦合馈电，T型功分器枝节超出H型缝隙34mm；每个辐射贴片获得一对幅度相等、相位差90度的激励信号，其中从3dB电桥的一端口输入信号可以实现一种圆极化方式，从3dB电桥的另一端口输入信号可以实现另一种圆极化方式。
6.根据权利要求书1所述的阵列天线，其特征在于，所述栅格化金属反射板层（4）由金属反射板周期性地挖去正方形孔得到，正方形孔的间距为波长的六十分之一到八十分之一，栅格化金属反射板层（4）置于馈电网络层（6）下方十分之一到七分之一波长处，以减小H型耦合槽即H型缝隙引起的背向辐射，提高阵列天线的增益和辐射方向图的前后比，同时降低阵列天线的整体重量。
7.根据权利要求1至7之一所述的阵列天线，其特征在于，层与层之间为空气层，层与层通过对位孔实现对位。
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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Application publication date: 20150819 |