CN104868233B - 一种左右旋圆极化可重构的微带行波天线阵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种左右旋圆极化可重构的微带行波天线阵，属于天线技术领域。本发明以传统的正方形切角圆极化微带天线结构为基础，并考虑到阵元间的阻抗匹配特性，采用级联方式将各个子阵元进行连接，组成微带行波天线阵，并进一步利用开关控制馈电网络的馈电方式，由此达到左右旋圆极化可重构的目的。本发明将微带行波天线阵、Wilkinson功分器以及圆极化技术相结合，既继承了传统圆极化微带贴片天线的低剖面、低成本、低交叉极化的特性，又具有宽频带，高增益的优点；可应用于雷达和通讯系统等方面，如飞行器、舰船、车载装置等系统上。

Description

一种左右旋圆极化可重构的微带行波天线阵

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种左右旋圆极化可重构的微带行波天线阵，实现根据需要在左右旋圆极化之间进行切换的要求。

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性能，且同一天线阵面在接收与发射模式下同时工作，这就要求天线具备左旋圆极化和右旋圆极化的工作能力。军用方面，在空间目标预警领域，各国也普遍采用圆极化天线作为基本辐射单元。因此圆极化技术在军用和民用领域都有广泛应用。

天线的极化表征的是在天线辐射时，空间给定点上电场强度矢量的取向随时间变化的特性，并用电场强度矢量的端点随时间变化的轨迹来描述。天线的极化分为线极化、圆极化和椭圆极化三种形式，若采用线极化天线作为接收端时，易产生极化失配现象，从而影响天线收发质量。而圆极化天线具有如下优点：圆极化天线能收任意线极化的来波，圆极化天线辐射的圆极化波也可以由任意极化的天线接收；圆极化天线具有旋向正交性，若天线辐射右旋圆极化波，则只接收右旋圆极化波而不接收左旋圆极化波，反之亦然；利用旋向正交性可达到比较理想的极化隔离；圆极化波入射到对称目标，反射波变换旋向等。正是由于这些特点使圆极化天线具有较强的抗干扰能力，已被广泛应用于电子侦察和干扰、通信和雷达的极化分集工作以及电子对抗等领域。

Matthias K.Fires等人在文献【A reconfigurable slot antenna withswitchable polarization，IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2003,13(11)：490-492】提供了一种可实现线极化和圆极化转换的多极化可重构天线。该天线主要由一个带有微扰结构的圆环缝隙组成，采用微带短截线耦合馈电，微扰结构通过多个PIN二极管控制其工作状态。例如，控制一些特定的开关闭合和断开可产生左旋圆极化波，而控制另一部分特定的开关闭合和断开可产生右旋圆极化波。这种结构的极化可重构天线布有多个开关，偏置网络设计繁琐，也增大了整体尺寸，无法满足工程实际要求。

Boyon Kim等人在文献【A Novel Single-Feed Circular Microstrip AntennaWith Reconfigurable Polarization Capability，IEEE Transactions on Antennas andPropagation,2008,55(3)：630-638】给出了一种通过微带线馈电的多极化可重构微带天线，能实现线极化、左旋圆极化、右旋圆极化之间的切换。但是该天线使用了多个集总元件，并且其微带馈线部分有多个匹配枝节，成本较高且结构复杂。

Xue-Xia Yang等人在文献【A Polarization Reconfigurable Patch AntennaWith Loop Slots on the Ground Plane，IEEE Antennas and Wireless PropagationLetters,2012,11(2):69-72】设计了一种极化可重构方形微带天线。该天线在方形辐射贴片同一边的两个角落对应的接地金属板分别开有一个槽，并在两个槽中分别放置一个开关二极管，通过控制开关的开、闭状态实现极化可重构。但此天线带宽太窄，性能上无优势。

最早的可重构圆极化微带天线采用正交馈电的方式，但这种天线构成天线阵元时，需要复杂的馈电网络来形成圆极化馈电，不易实现，组阵困难。为了解决可重构圆极化微带天线阵馈电网络复杂、增益低、带宽窄、效率低、组阵难等问题，本发明的目的在于提供一种实现左右旋圆极化可重构的微带行波天线阵，使其具有馈电网络简单、宽带、低交叉极化、结构紧凑、易于实现等特点。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明通过选取合适的辐射贴片、布阵形式以及简单的馈电网络来解决问题，采用的技术方案为：

一种实现左右旋圆极化可重构的微带行波天线阵，其结构示意图如图1所示，包括微带行波天线阵列和馈电网络，所述馈电网络由两个一分N的功分网络构成分别记第一功分网络、第二功分网络，所述微带行波天线阵列由N×M个子阵元构成，子阵元形状为切角正方形，每M个阵元构成一个阵元行，阵元行内子阵元之间通过微带传输线相级联，各阵元行最右端的子阵元与所述第一功分网络的输出端一一对应连接，各阵元行最左端的子阵元与所述第二功分网络的输出端一一对应连接；若信号从第一功分网络馈入，第二功分网络不馈电，则产生右旋圆极化波；若信号从第二功分网络馈入，第一功分网络不馈电，则产生左旋圆极化波。

进一步的，所述左右旋圆极化可重构的微带行波天线阵还包括2个匹配负载152、153，4个开关159、160、161、162；所述第一功分网络的输入端通过第一开关159与信号输入端的馈线相连，所述第二功分网络的输入端通过第二开关160与信号输入端的馈线相连；所述第一功分网络的输入端通过第四开关162与末端接地的第一匹配负载153连接，所述第二功分网络的输入端通过第三开关161与末端接地的第二匹配负载154连接；通过控制所述开关的通断状态即可实现天线阵左、右旋圆极化之间的切换：

第一开关159、第三开关161导通，第二开关160、第四开关162断开，此时天线阵工作于右旋圆极化状态；第一开关159、第三开关161断开，第二开关160、第四开关162导通，此时天线阵工作于左旋圆极化状态。

进一步的，从可实现角度，本发明提供的左右旋圆极化可重构的微带行波天线阵的具体结构如图2至图7所示，还包括：两层介质基片、2×N个贯穿两层介质基片的金属柱和金属接地板；微带行波天线阵列和连接阵元的微带传输线设置于上层介质基片的上表面；所述金属接地板位于上、下层介质基片之间，并与上层介质基片的下表面及下层介质基片的上表面紧密贴合，形成共用地；馈电网络、开关与信号输入端馈线设置于下层介质基片的下表面，金属柱充当连接两层基片的最上层与最下层的连接器；

微带行波天线阵列各阵元行最右端的子阵元分别依次通过一段微带传输线、一个金属柱与第一功分网络的各输出端相连，各阵元行最左端的子阵元分别依次通过一段微带传输线、一个金属柱与第二功分网络的各输出端相连。

所述第一功分网络、第二功分网络可以为一分N的Wilkinson功分器，或者由多个一分二Wilkinson功分器构成的级联网络。

所述所子阵元为切角是等腰直角三角形的正方形辐射单元。

所述阵元行内用于连接相邻子阵元的微带传输线的长度为工作频率对应的波导波长的整数倍。

所述开关为PIN二极管开关。

本发明带来的有益效果：

本发明提供了一种实现左右旋圆极化可重构的微带行波天线阵，其结构紧凑，具有高增益、宽频带等特性；本发明以传统的正方形切角圆极化微带天线结构为基础，并考虑到阵元间的阻抗匹配特性，从而采用级联方式将各个子阵元进行连接，组成微带行波天线阵，提高天线性能；本发明所述的微带行波天线阵易于加工，可由普通的平面电路加工技术实现，成本低、可靠性高，通过调节方形辐射贴片的尺寸，即可方便地调节天线的工作频率。

附图说明

图1是本发明原理示意图。

图2是本发明提供的可实现左右旋圆极化的可重构微带行波天线阵结构示意图。

图3是本发明提供的可实现左右旋圆极化的2×4单元可重构微带行波天线阵具体实施方式的阵列结构示意图。

图4是本发明提供的可实现左右旋圆极化的2×4单元可重构微带行波天线阵具体实施方式的馈电网络结构示意图。

图5是本发明提供的可实现左右旋圆极化的2×4单元可重构微带行波天线阵具体实施方式的馈电网络功分器结构示意图。

图6是本发明提供的可实现左右旋圆极化的2×4单元可重构微带行波天线阵具体实施方式的馈电网络开关与负载部分电路结构示意图。

图7是本发明提供的可实现左右旋圆极化的2×4单元可重构微带行波天线阵具体实施方式的馈电网络偏置电路示意图。

图8是本发明提供的可实现左右旋圆极化的4×4单元可重构微带行波天线阵原理图。

图9是本发明提供的可实现左右旋圆极化的4×4单元可重构微带行波天线阵具体实施方式的阵列结构示意图。

图10是本发明提供的可实现左右旋圆极化的4×4单元可重构微带行波天线阵具体实施方式的馈电网络结构示意图。

图11是本发明提供的可实现左右旋圆极化的4×4单元可重构微带行波天线阵具体实施方式的馈电网络一级功分器结构示意图。

图12是本发明实施例天线左旋圆极化的反射系数仿真曲线。

图13是本发明实施例天线左旋圆极化的轴比仿真曲线。

图14是本发明实施例天线左旋圆极化在5.6GHz，Phi＝0°的仿真增益曲线。

图15是本发明实施例天线左旋圆极化在5.6GHz，Phi＝90°的仿真增益曲线。

图16是本发明实施例天线右旋圆极化的轴比仿真曲线。

图17是本发明实施例天线右旋圆极化在5.6GHz的仿真增益曲线。

图18是本发明实施例天线右旋圆极化在5.6GHz，Phi＝0°的仿真增益曲线。

图19是本发明实施例天线右旋圆极化在5.6GHz，Phi＝90°的仿真增益曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述：本发明的保护范围包括但不限于下述实施例。

本实施均例采用微带线馈电方式，介质基板厚度h＝1mm，其相对介电常数ε_r＝2.65，中心频率5.6GHz。

实施例一：

参见图2至图7，一个基本的2×4天线阵，贴片间距采用常规阵列天线的设计方法确定：水平向，阵元间距0.52λ₀，用传输线9将贴片阵元级联；垂直向，阵元间距0.47λ₀，其中λ₀为中心频率5.6GHz对应的自由空间波长。

图2为可实现左右旋圆极化的2×4单元可重构微带行波天线阵结构，由上至下依次为微带行波天线阵列、上层介质基片1、金属接地板3、下层介质基片4和Wilkinson功分馈电网络；金属柱2贯穿两层介质基板；金属接地板上对应金属柱的位置分别有通孔6，保证金属柱不与接地板接触；上层介质基片1上表面与下层介质基片4下表面对应金属柱的位置分别有焊盘5、7。所述微带行波天线阵列位于上层介质基片1的上表面，天线阵元为切角的正方形微带贴片8，阵列总分为两行，每行四个阵元，同行阵元之间用微带传输线9级联；天线阵最左端与最右端同列的微带贴片通过传输线10与功分器11相连。

图3为可实现左右旋圆极化的2×4单元可重构微带行波天线阵的具体实施方式的阵列结构示意图。该微带行波天线阵位于上层介质基片1的上表面，而其功分器11则置于下层介质基片4的下表面，并用金属柱2将微带行波天线阵与功分器11相连。

图4为可实现左右旋圆极化的2×4单元可重构微带行波天线阵具体实施方式的馈电网络结构示意图，Wilkinson功分馈电网络位于下层介质基片4的下表面，馈电网络由两个Wilkinson功分器11、隔直电容16、馈线14、开关与负载部分电路15和偏置电路17组成。

图5为可实现左右旋圆极化的2×4单元可重构微带行波天线阵具体实施方式的馈电网络中功分器结构示意图，功分器包括微带传输线111、113、114，隔离电阻115与耦合区112。

图6为可实现左右旋圆极化的2×4单元可重构微带行波天线阵具体实施方式的馈电网络中开关与负载部分电路的结构示意图，该电路结构包括：PIN二极管开关159、160、161、162，焊盘,151、152、156、157，负载153、154和金属柱157、158。

图7为可实现左右旋圆极化的2×4单元可重构微带行波天线阵具体实施方式的馈电网络中偏置电路示意图，所述的偏置电路17包括对应5.6GHz的四分之一波长高阻线171、控制开关的直流接入点172、焊盘174、滤波电容173、金属接地孔175。

实施例二：

参见图1、图5至图11，一个可实现左右旋圆极化的4×4单元可重构微带行波天线阵，阵元间距与实施实例1所示天线阵元间距相同。

图8为可实现左右旋圆极化的4×4单元可重构微带行波天线阵原理图。其结构由两个相同(如图2所示)2×4微带行波天线阵上下排列组成，垂直方向上各单元间距为0.47λ₀，其余天线结构与图2所示天线结构相同。

图9为可实现左右旋圆极化的4×4单元可重构微带行波天线阵具体实施方式的阵列结构示意图。其结构由两个相同(如图3所示)2×4微带行波天线阵上下排列组成，垂直方向上各单元间距为0.47λ₀，其余天线结构与图3所示天线结构相同。

图10为可实现左右旋圆极化的4×4单元可重构微带行波天线阵具体实施方式的馈电网络结构示意图。与图4所示馈电网络相比，本实例中馈电网络包括四个二级功分器11与两个一级功分器14，其中，该馈电网络中的二级功分器与实例一中的功分器相同。

图11为可实现左右旋圆极化的4×4单元可重构微带行波天线阵具体实施方式的馈电网络中第一级功分器结构示意图，其结构包括微带传输线121、123、124、隔离电阻125与耦合区122，其中传输线123连接功分器11的传输线111。

隔直电容16、馈线14、开关与负载部分电路15和偏置电路17等其他结构与实施实例1相同。

各个部分参数具体如下：

1、4为介质基板，厚度1mm，其相对介电常数ε_r＝2.65；

2为金属柱，直径0.51mm，高度2.03mm；

3为金属接地板；

5、7为金属焊盘，半径1.2mm；

6为金属通孔，半径1.5mm；

8为阵列天线的贴片单元，其形状为正方形，边长为16.5mm，所切角为等腰直角三角形，其直角边长5.7mm；其中水平向贴片中心相距28mm，且相位相同；垂直向贴片中心相距25mm，且相位相同；

9为贴片单元之间的传输线，宽度为2.3mm，长度为22.85mm。各段传输线两端分别连接于相邻贴片边缘中心；

10为贴片与焊盘之间的传输线，宽度2.3mm，长度为8mm。

11为一分二Wilkinson功分器；

111、113、114为功分器的传输线，宽2.3mm；

112为功分结构的耦合区，外圆半径3.4mm，内圆半径2.1mm；

115为隔离电阻，其阻值为100欧姆；

12为第一级一分二Wilkinson功分器；

121、123、124为功分器的传输线，宽2.3mm；

122为功分结构的耦合区，外圆半径5.5mm，内圆半径3.5mm；

125为隔离电阻，其阻值为100欧姆；

14为馈线，宽度为2.3mm，长度为30mm；

15为开关与负载部分电路；

151、152为焊盘，宽度与长度均为1mm；

153、154为负载电阻，阻值46欧姆；

155、156为焊盘，宽度与长度均为1.5mm；

157、158为金属过孔，半径0.6mm；

开关1至开关4为DSG9500系列开关二极管，根据该二极管的数据手册可知：当开关为正偏或负偏时，分别等效于一个4Ω的电阻或一个0.025pF的电容；

16为隔直电容，大小10pF；

17为偏置电路；

171为四分之一波长高阻线，线宽0.2mm，线长8mm；

172为控制开关状态的直流接入点；

173为滤波电容，大小33pF；

174为金属焊盘，长宽均为1.5mm；

175为金属过孔，半径0.6mm；

图12为本发明实施例天线左旋圆极化的反射系数仿真曲线，，此时开关159、161断开，开关160、162导通，天线阵工作于左旋圆极化状态，对应阻抗带宽(|S₁₁|<-10dB)为5.35GHz-6.21GHz。

图13为本发明实施例天线左旋圆极化的轴比仿真曲线。对应轴比带宽AR<3dB为5.38GHz-5.84GHz。

图14、15为本发明实施例天线左旋圆极化在5.6GHz的仿真增益曲线。最大增益在θ＝0°处，最大增益值为15.92dB。

图16为本发明实施例天线右旋圆极化的反射系数仿真曲线，此时开关159、161导通，开关160、162断开，天线阵工作于右旋圆极化状态，，对应阻抗带宽(|S₁₁|<-10dB)为5.34GHz-6.20GHz。

图17为本发明实施例天线右旋圆极化的轴比仿真曲线。对应轴比带宽AR<3dB为5.37GHz-5.84GHz。

图18、19为本发明实施例天线右旋圆极化在5.6GHz的仿真增益曲线。最大增益在θ＝0°处，最大增益值为15.77dB。

从仿真结果可知，本实施例中可根据实际需求，通过调节开关的切换，能够实现天线左、右旋圆极化之间的切换，而且在左旋和右旋模式下都有良好的极化特性。

Claims (3)

1.一种左右旋圆极化可重构的微带行波天线阵，包括微带行波天线阵列和馈电网络，所述馈电网络由两个一分N的功分网络构成分别记第一功分网络、第二功分网络，所述微带行波天线阵列由N×M个子阵元构成，子阵元形状为切角正方形，每M个阵元构成一个阵元行，阵元行内子阵元之间通过微带传输线相级联，各阵元行最右端的子阵元与所述第一功分网络的输出端一一对应连接，各阵元行最左端的子阵元与所述第二功分网络的输出端一一对应连接；若信号从第一功分网络馈入，第二功分网络不馈电，则产生右旋圆极化波；若信号从第二功分网络馈入，第一功分网络不馈电，则产生左旋圆极化波；

其特征在于，所述左右旋圆极化可重构的微带行波天线阵还包括2个匹配负载(153、154)和4个开关(159、160、161、162)；所述第一功分网络的输入端通过第一开关(159)与信号输入端的馈线相连，所述第二功分网络的输入端通过第二开关(160)与信号输入端的馈线相连；所述第一功分网络的输入端通过第四开关(162)与末端接地的第一匹配负载(153)连接，所述第二功分网络的输入端通过第三开关(161)与末端接地的第二匹配负载(154)连接；通过控制所述开关的通断状态即可实现天线阵左、右旋圆极化之间的切换：第一开关(159)和第三开关(161)导通、第二开关(160)和第四开关(162)断开，此时天线阵工作于右旋圆极化状态，第一开关(159)和第三开关(161)断开、第二开关(160)和第四开关(162)导通，此时天线阵工作于左旋圆极化状态。

2.根据权利要求1所述的左右旋圆极化可重构的微带行波天线阵，其特征在于，所述开关(159、160、161、162)为PIN二极管开关。

3.根据权利要求1所述的左右旋圆极化可重构的微带行波天线阵，其特征在于，所述左右旋圆极化可重构的微带行波天线阵还包括两层介质基片、2×N个贯穿两层介质基片的金属柱和金属接地板；微带行波天线阵列和连接阵元的微带传输线设置于上层介质基片的上表面；所述金属接地板位于上、下层介质基片之间，并与上层介质基片的下表面及下层介质基片的上表面紧密贴合，形成共用地；馈电网络、开关与信号输入端馈线设置于下层介质基片的下表面，金属柱充当连接两层基片的最上层与最下层的连接器；

微带行波天线阵列各阵元行最右端的子阵元分别依次通过一段微带传输线、一个金属柱与第一功分网络的各输出端相连，各阵元行最左端的子阵元分别依次通过一段微带传输线、一个金属柱与第二功分网络的各输出端相连。