CN105990676B - 宽轴比带宽双频双圆极化微带阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽轴比带宽双频双圆极化微带阵列天线。该装置包括单层微波介质基板、4个工作频率为f₁的圆极化辐射贴片、4个工作频率为f₂的圆极化辐射贴片、以及1个双频共用的微带功分网络；其中，所述工作频率为f₁、f₂的圆极化辐射贴片分别均匀分布于以点O为圆心的圆周上，工作频率为f₁、f₂的圆极化辐射贴片间隔分布；所述双频共用的微带功分网络包含2个威尔金森功分器、1个T型功分器、以及由微带线构成的2个工作频率为f₁的90°移相器、2个工作频率为f₂的90°移相器和1个双频共用的180°移相器；本发明有效增加了双频圆极化轴比带宽，采用微带线馈电能够方便地扩展成具有更大口径的高增益阵列，结构简单、剖面低、易实现。

Description

宽轴比带宽双频双圆极化微带阵列天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别是一种宽轴比带宽双频双圆极化微带阵列天线。

背景技术

随着技术的进步和电磁环境的日益复杂，当前的雷达和通信系统所承担的功能越来越多，多功能集成成为一个重要的发展趋势。然而，对雷达和移动通信等无线系统来说，每一项功能都需要一个单独的天线。这不仅造成天线体积庞大，而且压缩了系统其他硬件的可用空间，不利于系统的小型化和集成化。在此背景下，天线的多频、多极化共孔径设计成为天线领域的一个重要研究方向，其中又以双频双极化天线最为常见。

在很多场合，采用圆极化工作可以避免极化对准难题，这对于安装于运动载体上的无线系统来说尤其重要，所以很多卫星工作于圆极化方式(如中星九号)。现在的双频双圆极化天线主要是采用反射面天线，然而反射面天线剖面高，体积笨重，不满足很多场合的要求。所以当前的研究热点集中在轻量化的平面天线，包括波导缝隙阵列、径向线馈电阵列、微带天线阵列等等。其中前两类天线在获取单频、单极化高增益方面已经较为成熟，但在实现双频双圆极化方面还有很大的不足。

微带天线是平板天线的重要类型，它是通过在覆铜介质板上刻蚀图形来实现。由于刻蚀图形加工精度高、设计自由度大，可以实现的功能多样。此外介质板厚度仅为毫米级，不仅体积小、重量轻，还容易实现与载体的共形。上述优点使得微带天线成为实现双频双圆极化功能的重要类型。微带天线单元实现双频双圆极化已经有较多的文献报道。例如中国专利公开的“三频宽波束圆极化天线”(申请号：200620078410.9)、“小型双频双圆极化宽波束多层微带天线”(申请号：200910024114.9)，“单层双频圆极化微带阵列天线”(申请号：201410649033.9)，以及文献P.Nayeri,K.-F.Lee,A.Z.Elsherbeni,and F.Yang,“Dual-band circularly polarized antennas using stacked patches with asymmetric U-Slots,”IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,vol.10,pp.492-495,2011.”等等。然而虽然当前对该天线的研究较多，但是它们都有一个共同的缺点，即天线的双频圆极化轴比带宽太窄。对微带天线来说，圆极化轴比带宽往往小于天线的驻波比带宽，所以较窄的轴比带宽会严重限制天线的工作带宽。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、成本低的宽轴比带宽双频双圆极化微带阵列天线。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种宽轴比带宽双频双圆极化微带阵列天线，包括单层微波介质基板、4个工作频率为f₁的圆极化辐射贴片、4个工作频率为f₂的圆极化辐射贴片、以及1个双频共用的微带功分网络；其中，所述4个工作频率为f₁的圆极化辐射贴片均匀分布于以点O为圆心的圆周上，同样所述4个工作频率为f₂的圆极化辐射贴片也均匀分布于以点O为圆心的圆周上，且工作频率为f₁的圆极化辐射贴片和工作频率为f₂的圆极化辐射贴片间隔分布，但两个圆周的半径不一定相等；所述双频共用的微带功分网络包含2个威尔金森功分器、1个T型功分器、以及由微带线构成的2个工作频率为f₁的90°移相器、2个工作频率为f₂的90°移相器，和1个双频共用的180°移相器；

沿顺时针方向，将相邻的工作频率为f₁的圆极化辐射贴片和工作频率为f₂的圆极化辐射贴片作为一组，依次为第一组、第二组、第三组、第四组；每一组中工作频率为f₁的圆极化辐射贴片和工作频率为f₂的圆极化辐射贴片通过微带线连接到一个公共点，与第一组、第二组、第三组、第四组对应的公共点依次为A点、B点、C点、D点；所述T型功分器的输出端为天线的输出端，T型功分器的一个输入端接入一个威尔金森功分器，该威尔金森功分器的输出端分别接入A点、D点；T型功分器的另一个输入端通过双频共用的180°移相器接入另外一个威尔金森功分器，该威尔金森功分器的输出端分别接入B点、C点。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：(1)有效增加了双频双圆极化的双频轴比带宽；(2)结构简单，可以在单层介质板上实现宽带双频双圆极化阵列。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例宽轴比带宽双频双圆极化微带阵列天线的结构示意图。

图2为本发明实施例实现双频双圆极化的原理示意图，(a)单频圆极化原理图，(b)双频双圆极化原理图，(c)具有简单馈电结构的双频双圆极化原理图。

图3为本发明实施例宽轴比带宽双频双圆极化微带阵列天线的S₁₁参数。

图4为本发明实施例宽轴比带宽双频双圆极化微带阵列天线的轴比曲线。

图5为本发明实施例宽轴比带宽双频双圆极化微带阵列天线的方向图曲线，(a)为12.1GHz方向图，(b)为17.5GHz方向图。

具体实施方式

下面结合附图1～5及具体实施例对本发明做进一步详细说明。

参见图1，本发明宽轴比带宽双频双圆极化微带阵列天线，包括单层微波介质基板1、4个工作频率为f₁的圆极化辐射贴片2、4个工作频率为f₂的圆极化辐射贴片3、以及1个双频共用的微带功分网络；其中，所述4个工作频率为f₁的圆极化辐射贴片2均匀分布于以点O为圆心的圆周上，同样所述4个工作频率为f₂的圆极化辐射贴片3也均匀分布于以点O为圆心的圆周上，但两个圆周的半径未必相等；且工作频率为f₁的圆极化辐射贴片2和工作频率为f₂的圆极化辐射贴片3间隔分布，但两个圆周的半径不一定相等；所述双频共用的微带功分网络包含2个威尔金森功分器4、1个T型功分器5、以及由微带线构成的2个工作频率为f₁的90°移相器6、2个工作频率为f₂的90°移相器7，和1个双频共用的180°移相器8；

沿顺时针方向，将相邻的工作频率为f₁的圆极化辐射贴片2和工作频率为f₂的圆极化辐射贴片3作为一组，依次为第一组、第二组、第三组、第四组；每一组中工作频率为f₁的圆极化辐射贴片2和工作频率为f₂的圆极化辐射贴片3通过微带线连接到一个公共点，与第一组、第二组、第三组、第四组对应的公共点依次为A点、B点、C点、D点；所述T型功分器5的输出端为天线的输出端，T型功分器5的一个输入端接入一个威尔金森功分器4，该威尔金森功分器4的输出端分别接入A点、D点；T型功分器5的另一个输入端通过双频共用的180°移相器8接入另外一个威尔金森功分器4，该威尔金森功分器4的输出端分别接入B点、C点。

示例性的，所述宽轴比带宽双频双圆极化微带阵列天线可以扩展成其他需要规模的阵列，例如可以将4个图1所示的阵列扩展成4×4单元，利用相同的方法也可以扩展成4×8单元、8×8单元、8×16单元、16×16单元等其他阵列，本发明实施例不进行限制。

为了获取较大的增益，同时避免栅瓣，相邻两个工作频率为f₁的圆极化辐射贴片2的中心间距小于λ₁，λ₁为频率f₁对应的波长；相应的，相邻两个工作频率为f₂的圆极化辐射贴片3的中心间距也小于λ₂，λ₂为频率f₂对应的波长。

参见图2，为4个工作频率为f₁的圆极化辐射贴片2实现宽轴比带圆极化的原理示意图。它是利用顺序旋转相位法获取宽轴比带宽。该方法不是通过单元，而是通过子阵来实现较宽的圆极化轴比带宽，其基本工作原理如图2(a)所示。4个相同的贴片绕着一点顺序旋转构成一个子阵，4个单元的相位分别为180°，90°，0°，270°，则电场在空间中必然形成等幅但相位差为90°的两个分量，从而实现圆极化。图中4个贴片2的相位按照逆时针逐渐增大，所以实现的圆极化方向为右旋圆极化。

本发明进一步利用相位顺序旋转法实现了双频双圆极化，其原理如图2(b)所示。与图2(a)相比，在同一空间内另外安排了4个工作频率为f₂的贴片3构成圆极化子阵，4个单元的相对相位分别为270°，0°，90°，180°。由于4个贴片3的相位按照顺时针逐渐增大，从而实现的圆极化方向为左旋圆极化，与工作频率为f₁的圆极化辐射贴片2组成的子阵圆极化方向相反。从图2(b)可以看出，左侧两组贴片有共同的180°相位，为了减小馈电的复杂度，该相位可以通过馈电网络实现，因此图2(b)所示结构可以进一步简化成如图2(c)所示的结构。

示例性的，4个工作频率为f₁的圆极化辐射贴片2和4个工作频率为f₂的圆极化辐射贴片3实现的圆极化方向可以相反，也可以相同。只要对4个工作频率为f₁的圆极化辐射贴片2和4个工作频率为f₁的圆极化辐射贴片3安排合理的不同的馈电相位就可以实现不同的功能，也就是说它们既可以实现双频双极化，也可以实现双频单极化，本发明实施例不进行限制。

示例性的，该阵列4个工作频率为f₁的圆极化辐射贴片2和4个工作频率为f₂的圆极化辐射贴片3既可以采用圆极化贴片，也可以采用线极化贴片，还可以混合使用，本发明实施例对此不进行限制。利用圆极化单元时需要注意的是，圆极化贴片本身的极化方向应该与它所在的子阵利用相位顺序旋转法所实现的极化方向相同。

示例性的，本发明中工作频率为f₁的圆极化辐射贴片2和工作频率为f₂的圆极化辐射贴片3可以是任意一种单馈点圆极化微带辐射贴片，本发明实施例不进行限制。

实施例

在制作的实施例设计中，我们选定的阵列规模为2×2单元，工作频率f₁和f₂分别为12.1GHz和17.5GHz。所述工作频率为f₁的圆极化辐射贴片2和工作频率为f₂的圆极化辐射贴片3都是单馈点圆极化微带贴片，且工作频率为f₁的圆极化辐射贴片2的极化状态为右旋圆极化，工作频率为f₂的圆极化辐射贴片3的极化状态为左旋圆极化。结合图1，所述第一组、第二组、第三组、第四组中工作频率为f₁的圆极化辐射贴片2的相对相位分别为180°、90°、0°、270°，该相位安排使此四个贴片组成的阵列实现右旋圆极化；所述第一组、第二组、第三组、第四组中工作频率为f₂的圆极化辐射贴片3的相对相位分别为270°、0°、90°、180°，该相位安排使此四个贴片组成的阵列实现左旋圆极化。所述4个工作频率为f₁的圆极化辐射贴片2组成的阵列的圆极化态与每个工作频率为f₁的圆极化辐射贴片2自身的圆极化态相同；所述4个工作频率为f₂的圆极化辐射贴片3组成的阵列的圆极化态与每个工作频率为f₂的圆极化辐射贴片3自身的圆极化态相同。所述第一组中的工作频率为f₂的圆极化辐射贴片3通过一个工作频率为f₂的90°移相器7接入A点，第二组中的工作频率为f₁的圆极化辐射贴片2通过一个工作频率为f₁的90°移相器6接入B点，第三组中的工作频率为f₂的圆极化辐射贴片3通过另一个工作频率为f₂的90°移相器7接入C点，第四组中的工作频率为f₁的圆极化辐射贴片2通过另一个工作频率为f₁的90°移相器6接入D点。

工作在12.1GHz的贴片为右旋圆极化，工作在17.5GHz的贴片为左旋圆极化，它们都是采用中间刻蚀缝隙的方形贴片实现圆极化。两个方形贴片的边长分别为7.3mm和4.85mm，刻蚀缝隙尺寸分别为3mm×0.5mm、2.6mm×0.5mm。为了避免栅瓣，4个工作频率为12.1GHz的贴片中心绕坐标原点O的旋转半径13.4mm，4个工作频率为17.5GHz的贴片中心绕坐标原点O的旋转半径13.2mm，微带天线的口径尺寸为30mm×30mm。天线介质板采用介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为0.762mm的Arlon 880商用板材。

参见图3，为本发明实施例宽轴比带宽双频双圆极化微带阵列天线的S₁₁参数曲线。天线带宽覆盖了10.4-12.7GHz以及15.9-18.8GHz。

参见图4，为本发明实施例宽轴比带宽双频双圆极化微带阵列天线的轴比曲线。轴比小于3dB的带宽范围覆盖了11.7-13.4GHz以及16.2-18.3GHz。

参见图5，为本发明实施例宽轴比带宽双频双圆极化微带阵列天线的方向图曲线。图中实线为主极化，虚线为交叉极化。在12.1GHz处天线主极化为右旋圆极化，在17.5GHz处天线主极化为左旋圆极化。图中可以看出天线的实测的天线增益在12.1GHz和17.5GHz分别为11.1dB和12.7dB，交叉极化分别为30dB和19dB。

本发明公开的微带天线阵列不仅在单层介质板上实现了双频圆极化工作，而且有效增加了双频圆极化轴比带宽。此外，由于所述阵列采用微带线馈电，因此可以很方便的扩展成具有更大口径的高增益阵列。该天线结构简单、剖面低、易实现。

Claims (5)

1.一种宽轴比带宽双频双圆极化微带阵列天线，其特征在于，包括单层微波介质基板(1)、4个工作频率为f₁的圆极化辐射贴片(2)、4个工作频率为f₂的圆极化辐射贴片(3)、以及1个双频共用的微带功分网络；其中，所述4个工作频率为f₁的圆极化辐射贴片(2)均匀分布于以点O为圆心的圆周上，同样所述4个工作频率为f₂的圆极化辐射贴片(3)也均匀分布于以点O为圆心的圆周上，且工作频率为f₁的圆极化辐射贴片(2)和工作频率为f₂的圆极化辐射贴片(3)间隔分布，但两个圆周的半径不一定相等；所述双频共用的微带功分网络包含2个威尔金森功分器(4)、1个T型功分器(5)、以及由微带线构成的2个工作频率为f₁的90°移相器(6)、2个工作频率为f₂的90°移相器(7)，和1个双频共用的180°移相器(8)；

沿顺时针方向，将相邻的工作频率为f₁的圆极化辐射贴片(2)和工作频率为f₂的圆极化辐射贴片(3)作为一组，依次为第一组、第二组、第三组、第四组；每一组中工作频率为f₁的圆极化辐射贴片(2)和工作频率为f₂的圆极化辐射贴片(3)通过微带线连接到一个公共点，与第一组、第二组、第三组、第四组对应的公共点依次为A点、B点、C点、D点；所述T型功分器(5)的输出端为天线的输出端，T型功分器(5)的一个输入端接入一个威尔金森功分器(4)，该威尔金森功分器(4)的输出端分别接入B点、C点；T型功分器(5)的另一个输入端通过双频共用的180°移相器(8)接入另外一个威尔金森功分器(4)，该威尔金森功分器(4)的输出端分别接入A点、D点；

所述第一组中的工作频率为f₂的圆极化辐射贴片(3)通过一个工作频率为f₂的90°移相器(7)接入A点，第二组中的工作频率为f₁的圆极化辐射贴片(2)通过一个工作频率为f₁的90°移相器(6)接入B点，第三组中的工作频率为f₂的圆极化辐射贴片(3)通过另一个工作频率为f₂的90°移相器(7)接入C点，第四组中的工作频率为f₁的圆极化辐射贴片(2)通过另一个工作频率为f₁的90°移相器(6)接入D点。

2.根据权利要求1所述的宽轴比带宽双频双圆极化微带阵列天线，其特征在于，所述工作频率为f₁的圆极化辐射贴片(2)和工作频率为f₂的圆极化辐射贴片(3)都是单馈点圆极化微带贴片，且工作频率为f₁的圆极化辐射贴片(2)的极化状态为右旋圆极化，工作频率为f₂的圆极化辐射贴片(3)的极化状态为左旋圆极化。

3.根据权利要求1所述的宽轴比带宽双频双圆极化微带阵列天线，其特征在于，所述第一组、第二组、第三组、第四组中工作频率为f₁的圆极化辐射贴片(2)的相对相位分别为180°、90°、0°、270°，该相位安排使此四个贴片组成的阵列实现右旋圆极化；所述第一组、第二组、第三组、第四组中工作频率为f₂的圆极化辐射贴片(3)的相对相位分别为270°、0°、90°、180°，该相位安排使此四个贴片组成的阵列实现左旋圆极化。

4.根据权利要求1所述的宽轴比带宽双频双圆极化微带阵列天线，其特征在于，所述4个工作频率为f₁的圆极化辐射贴片(2)组成的阵列的圆极化态与每个工作频率为f₁的圆极化辐射贴片(2)自身的圆极化态相同；所述4个工作频率为f₂的圆极化辐射贴片(3)组成的阵列的圆极化态与每个工作频率为f₂的圆极化辐射贴片(3)自身的圆极化态相同。

5.根据权利要求1所述的宽轴比带宽双频双圆极化微带阵列天线，其特征在于，相邻两个工作频率为f₁的圆极化辐射贴片(2)的中心间距小于λ₁，λ₁为频率f₁对应的波长；相应的，相邻两个工作频率为f₂的圆极化辐射贴片(3)的中心间距也小于λ₂，λ₂为频率f₂对应的波长。