CN105356070A - 一种双频共口面阵列天线 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种双频共口面阵列天线，属于天线技术领域。天线包括四层，从上到下依次为第一辐射层、第二辐射层、泡沫层和金属反射板层；通过L波段贴片阵列和P波段缝隙阵列复合而成，低频缝隙采用“哑铃形”缝隙结构，大大减小了阵列尺寸；此外，底部通过加载泡沫层起到了支撑缓冲的作用；通过在缝隙背面加载金属反射板实现了共口面单向辐射，并进一步提高了天线的增益。本发明旨在改善传统双频阵列天线结构复杂、尺寸大的问题。

Description

一种双频共口面阵列天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种双频共口面阵列天线的设计。

背景技术

近年来，随着无线通信技术的迅猛发展，人类的生产生活方式产生了巨大的变化。天线作为辐射和接收电磁波的关键部件，其性能的好坏对无线通信系统有着至关重要的影响。在许多情况下，如移动通信、雷达通信中，需要使用的天线具有较尖锐的方向图和较高的增益，如抛物面天线，或者由许多单元天线按一定的方式排列起来组成的阵列天线。阵列天线本身具备面积大，增益高，功率大等特点。一般来讲，大型的阵列天线主要用于军用、科研单位和通信基站等领域，像飞机或者战船上的火控雷达，预测天气的大型气象雷达等，都需要阵列天线。

相比于传统阵列天线，双频阵列天线不仅具有较高的增益，而且能同时工作在两个频段，减小了不同频段间信息的相互干扰，具有很大的应用优势。双频工作模式下的阵列天线大体来说分为两类，共口面和非共口面。共口面就是天线不同的频段采用同一个口径进行工作。比如无线通信中的基站天线就采用了这种方式，同时为PCS和IMT系统服务。同一个天线采用多个天线系统来实现多频段的工作方式属于非共口面，如美国的SRI-C中不同频段采用不同天线系统。与非共口面天线相比，共口面天线可以把频率、极化特性不同的多个天线合理设计在同一口径内，在保持天线结构紧凑的同时，还具有多频、多极化工作的性能，是卫星通信天线未来的发展趋势。

双频共口面阵列天线设计的关键在于辐射单元结构和形式的确立。一个辐射性能良好、尺寸小、频带宽的辐射单元是构成阵列天线的基础。辐射单元的结构形式主要有微带贴片、微带振子、缝隙等。传统双频阵列天线的结构形式多种多样，但大都存在着尺寸大、辐射单元结构复杂、难于加工等问题，这都限制了其在无线通信领域中的应用。此外，在实际设计过程中还要考虑辐射单元间距和互耦的影响，不同频率间的隔离度，以及如何提高阵列增益和带宽等诸多问题。

2012年张申等人在《微带双频天线的研究与设计》一文中提出了一种工作在UHF/X频段内的双频共口面微带天线阵的设计方案。其中，UHF频段辐射单元采用窄缝结构，微带线中心耦合馈电；X频段辐射单元采用微带贴片结构，同轴馈电。但由于UHF频段波长太长，采用窄缝辐射会导致整体结构偏大，重量增加。而且X频段辐射单元采用同轴馈电的方式，使得阵列的匹配难度加大，结构更加复杂。

发明内容

本发明公开了一种双频共口面阵列天线，该天线通过L波段贴片阵列和P波段缝隙阵列复合而成，低频缝隙采用“哑铃形”缝隙结构，大大减小了阵列尺寸。此外，底部通过加载泡沫层起到了支撑缓冲的作用。通过在缝隙背面加载金属反射板实现了共口面单向辐射，并进一步提高了天线的增益。本发明旨在改善传统双频阵列天线结构复杂、尺寸大的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种双频共口面阵列天线，天线包括四层，从上到下依次为第一辐射层、第二辐射层、泡沫层和金属反射板层，各层之间均采用固定连接方式。

所述第一辐射层为L波段阵列辐射层，包括第一介质基板以及刻蚀于其正面的四个尺寸相同的单元辐射贴片及其馈电网络；所述馈电网络包括折叠微带线、“T”字形馈电线；

所述单元辐射贴片为朝向一致且均匀分布四角的“凹”字形金属贴片，一对单元辐射贴片之间通过一条两端弯折90度的折叠微带线连接，所述折叠微带线的弯折段连接单元辐射贴片的凹槽底部；所述“T”字形馈电线一条边位于第一介质基板的中线上，其两端分别连接于两折叠微带线的中间位置，另一条边延伸至第一介质基板的边沿，为馈电端口；

所述第二辐射层为P波段阵列辐射层，包括第二介质基板、覆盖其正面刻蚀有四个相同尺寸“哑铃型”缝隙的金属地板、以及设置于其背面的微带馈线；所述微带馈线的形状与第一辐射层的馈电网络相同，其馈电端口的方向相反；

所述缝隙分布于四个角，形状为两端是矩形的“哑铃形”缝隙，且平行于“T”字形馈电线延伸至边沿的一条边；

所述“T”字形馈电线延伸至第一介质基板边沿的一条边分为宽度不同的两段，其位于边沿的一段宽度较窄，靠近中心的一段宽度较宽；

本发明通过采用在贴片阵列地板上开缝隙的形式实现了双频结构，高频贴片阵列和低频缝隙阵列共用一个金属地板，在不影响天线性能的前提下，合理利用了天线的有限空间，使得天线更加紧凑。通过引入“哑铃形”缝隙，大大减小了天线的尺寸和重量。底部通过加载泡沫层起到支撑缓冲的作用。通过加载金属反射板，除了起屏蔽保护作用之外，还可以起到减小背向辐射，提高增益的作用。相比于传统阵列天线，本发明在实现双频共口面的同时，减小了天线尺寸和重量，使得整体更加结构简单，更有利于机械加工和制造。

附图说明

图1是本发明实施例天线阵列的立体结构示意图；

图2是本发明实施例天线阵列第一辐射层的结构示意图；

图3是本发明实施例天线阵列第二辐射层的结构示意图；

图4是本发明实施例辐射单元的S11、S22仿真曲线图。

图中标记说明：第一辐射层(1)，第二辐射层(2)，泡沫层(3)，金属反射板层(4),单元辐射贴片(1-1)，第一介质基板(1-2)，折叠微带线(1-3)，“T”字形微带线(1-4)，金属地板(2-1)，第二介质基板(2-2)，馈电网络(2-3)。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本实施例所述的双频共口面阵列天线的长×宽为L0×W0，L0＝300mm，W0＝400mm，采用的介质基板材料是介电常数εr＝4.4，厚度为1.6mm的FR-4环氧树脂板，金属层均采用厚度为0.8mm的覆铜设计。

如图2所示，第一辐射层为L波段阵列，其中四个大小为a1×b1的“凹”字形单元辐射贴片分别位于第一介质基板(1-2)正面的四个角，a1＝28mm，b1＝37.2mm；折叠微带线(1-3)为50Ω微带线，通过对单元辐射贴片开矩形槽，实现了和50Ω微带线的匹配与连接，槽的大小为a2×b2，a2＝7mm，b2＝6mm，折叠微带线的尺寸为b3＝3mma3＝11mm，m＝80mm。馈电网络采用50Ω-25Ω-35.35Ω的T型网络实现匹配，馈线的宽度分别为b3＝3mm，b4＝8.36mm，b5＝8.5mm，垂直方向上的长度为n＝70mm。

如图3所示，第二辐射层为P波段阵列，其中四个“哑铃形”辐射缝隙刻蚀于第一辐射层地板的四个角，缝隙尺寸如图所示，L1＝7mm，W1＝80mm，L2＝5.2mm，W2＝64mm。这种结构充分利用了有限的地板空间，大大减小了天线尺寸，使整体结构更加紧凑。另外，馈电方式采用微带线耦合馈电，馈电网络刻蚀于第二介质层背面，能量通过第二介质层耦合进辐射缝隙。微带馈线的尺寸如图所示，分别为L3＝20mm，W3＝3mm，P＝180mm，W4＝8.36mm，L5＝43.5mm，W5＝8.47mm，Q＝180mm。

由于缝隙天线的双向辐射特性，因此在馈电网络下面加一个金属反射板，从而实现双频阵列的单向共口面辐射，并且进一步提高了天线的增益。金属反射板的厚度为1mm。金属反射板和第二辐射层之间添加了一层厚度为30mm的泡沫材料，可以起到支撑和缓冲的作用，使天线结构更加稳定。

图4是本发明实施例辐射单元的S11和S22仿真曲线图，辐射单元在900MHz频段S11＜-10dB，相应的反射系数小于0.3，带宽约为40MHz左右，基本覆盖了ISM900MHz频段和GSM下行通信频段；在2.4GHz频段时，S22＜-10dB带宽约为80MHz，基本覆盖了ISM2.4GHz频段，满足设计要求并可适用于多种应用。

Claims (2)

1.一种双频共口面阵列天线，包括四层，从上到下依次为第一辐射层、第二辐射层、泡沫层和金属反射板层，各层之间均采用固定连接方式；

所述第一辐射层为L波段阵列辐射层，包括第一介质基板以及刻蚀于其正面的四个尺寸相同的单元辐射贴片及其馈电网络；所述馈电网络包括折叠微带线、“T”字形馈电线；所述单元辐射贴片为朝向一致且均匀分布四角的“凹”字形金属贴片，一对单元辐射贴片之间通过一条两端弯折90度的折叠微带线连接，所述折叠微带线的弯折段连接单元辐射贴片的凹槽底部；所述“T”字形馈电线一条边位于第一介质基板的中线上，其两端分别连接于两折叠微带线的中间位置，另一条边延伸至第一介质基板的边沿，为馈电端口；

所述第二辐射层为P波段阵列辐射层，包括第二介质基板、覆盖其正面刻蚀有四个相同尺寸“哑铃型”缝隙的金属地板、以及设置于其背面的微带馈线；所述微带馈线的形状与第一辐射层的馈电网络相同，其馈电端口的方向相反；所述缝隙分布于四个角，形状为两端是矩形的“哑铃形”缝隙，且平行于“T”字形馈电线延伸至边沿的一条边。

2.如权利要求1所述的一种双频共口面阵列天线，其特征在于：所述“T”字形馈电线延伸至第一介质基板边沿的一条边分为宽度不同的两段，其位于边沿的一段宽度较窄，靠近中心的一段宽度较宽。