CN106299688B - 宽带双频双圆极化小频比的微带天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带双频双圆极化小频比的微带天线阵列，包括介质基板11和设置在介质基板11上的2N+1个子阵列，2N个奇数序号子阵列工作在第一工作频率，2N个偶数序号子阵列工作在第二工作频率，N为自然数，两个工作频率的子阵列交替排列。本发明采用分布参数的微带线设计，具有单层平面结构易加工、易集成、易组阵、成本低、损耗低、辐射特性好、稳定度高、适合大批量生产等优点，可应用于卫星通信等通信系统。

Description

宽带双频双圆极化小频比的微带天线阵列
技术领域
本发明涉及一种微带天线阵列，特别是一种宽带双频双圆极化小频比的微带天线阵列。
背景技术
近年来，随着卫星通讯的高速发展，圆极化天线以其对多路效应好的抑制以及收发高极化隔离度受到广泛关注，并且随着天线多频带工作的发展趋势，对于双频圆极化天线阵列的需求也在日益增多。
文献1(A new design of dual band dual circular-polarized micro-stripantenna array,in Proc.IEEE ICMTCE,Beijing,China,May.2011,pp.203–205.)公开了一种是双频双圆极化2×2微带天线阵列，工作在2.0GHz以及2.2GHz，但是天线阵列与馈电网络分布在不同的层面从而使得加工工艺复杂、成本增高。文献2(Dual-band and dual-circularly polarized shared-aperture array antennas with single-layersubstrate,IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.64,no.1,pp.109–116,Jan.2016.)公开了一种单口馈电的双频双圆极化微带天线阵列，但由于其单口馈电的限制从而无法实现小频比的双频天线阵列。还有其他基于多层介质板结构的层叠微带天线，多层介质板结构可以实现不同频段之间的隔离，但其加工工艺复杂，不利于加工，成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单层平面结构、易加工、辐射特性好、稳定度高的宽带双频双圆极化小频比的微带天线阵列。
实现本发明目的的技术方案为：一种宽带双频双圆极化小频比的微带天线阵列，包括介质基板11和设置在介质基板11上的2N+1个子阵列，其中2N个奇数序号子阵列工作在第一工作频率，2N个偶数序号子阵列工作在第二工作频率，N为自然数，两个工作频率的子阵列交替排列；
每个奇数序号子阵列包括三个单元，每个单元包括第一微带线、第二微带线、第三微带线、第一四分之一波长阻抗转换器、第一方形微带天线、第二方形微带天线、第一窄型缝隙和第二窄型缝隙；所述第一四分之一波长阻抗转换器的一端与第一微带线的一端连接，第一四分之一波长阻抗转换器的另一端分别与第二微带线和第三微带线的一端连接，第二微带线和第三微带线的另一端分别与第二方形微带天线的上边中点和第一方形微带天线的右边中点连接，所述第三微带线比第二微带线在工作频率处滞后90°电长度，所述第二方形微带天线和第一方形微带天线关于第一微带线左右对称，所述第一窄型缝隙刻画在第二方形微带天线上，关于第二方形微带天线中心点中心对称，且第一窄型缝隙长度方向与水平方向夹角为+45°，所述第二窄型缝隙刻画在第一方形微带天线上，与第一窄型缝隙关于第一微带线左右对称；每个奇数序号子阵列的三个第一微带线之间通过两个微带蛇形线移相器串联，最后一个单元的第一微带线通过一个第二四分之一波长阻抗转换器与一个第四微带线连接；
每个偶数序号子阵列包括三个单元，每个单元包括第五微带线、第六微带线、第七微带线、第三四分之一波长阻抗转换器、第三方形微带天线、第四方形微带天线、第三窄型缝隙和第四窄型缝隙；所述第三四分之一波长阻抗转换器的一端与第五微带线的一端连接，第三四分之一波长阻抗转换器的另一端分别与第六微带线和第七微带线的一端连接，第六微带线和第七微带线的另一端分别与第三方形微带天线的上边中点和第四方形微带天线的左边中点连接，所述第七微带线比第六微带线在工作频率处滞后90°电长度，所述第四方形微带天线和第三方形微带天线关于第五微带线左右对称，所述第三窄型缝隙刻画在第四方形微带天线上，关于第四方形微带天线中心点中心对称，且第三窄型缝隙长度方向与水平方向夹角为+45°，所述第四窄型缝隙刻画在第三方形微带天线上，与第三窄型缝隙关于第五微带线左右对称；每个偶数序号子阵列的三个第五微带线之间通过两个微带蛇形线移相器串联，最后一个单元的第五微带线通过一个第二四分之一波长阻抗转换器与一个第四微带线连接；
当N＝1，两个奇数序号子阵列的第四微带线并联，两个偶数序号子阵列的第四微带线并联；
当N≥2，相邻两个奇数序号子阵列为一组，两个奇数序号子阵列的第四微带线并联，构成2N-1个第一级奇数子阵列，2N-1个第二级奇数子阵列中相邻两个第一级奇数子阵列通过第二四分之一波长阻抗转换器、第四微带线进行并联，逐级并联直至构成1个第N级奇数子阵列；相邻两个偶数序号子阵列为一组，两个偶数序号子阵列的第四微带线并联，构成2N-1个第一级偶数子阵列，2N-1个第一级偶数子阵列中相邻两个第一级偶数子阵列通过第二四分之一波长阻抗转换器、第四微带线进行并联，逐级并联直至构成1个第N级偶数子阵列。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：
(1)本发明为单层平面结构的微带天线阵列，具有易加工、易集成、易组阵、成本低、损耗低、辐射特性好、稳定度高、适合大批量生产等优点等优点；(2)本发明采用双端口馈电，两个工作频率的频比较小；(3)本发明采用旋转序列技术增大双频带宽。
下面结合附图对本发明做进一步说明。
附图说明
图1是本发明宽带双频双圆极化小频比的微带天线的奇数序号子阵列的单元结构图。
图2是本发明宽带双频双圆极化小频比的微带天线的偶数序号子阵列的单元结构图。
图3是本发明宽带双频双圆极化小频比的微带天线阵列的结构图。
图4是本发明实施例中宽带双频双圆极化小频比的奇数子阵列的单元尺寸示意图。
图5是本发明实施例中宽带双频双圆极化小频比的微带天线阵列的尺寸示意图。
图6是本发明实施例中仿真的反射系数与端口隔离系数图。
图7是本发明实施例的天线阵列轴比图。
图8是本发明实施例在6.83GHz时的以及的辐射方向图。
图9是本发明实施例在7.14GHz时的以及的辐射方向图。
图10是本发明实施例在6.83GH以及7.14GHz处左右旋极化的增益峰值图。
具体实施方式
结合图1、图2和图3，本发明的一种宽带双频双圆极化小频比的微带天线阵列，包括介质基板11和设置在介质基板11上的2N+1个子阵列，其中2N个奇数序号子阵列工作在第一工作频率，2N个偶数序号子阵列工作在第二工作频率，N为自然数，两个工作频率的子阵列交替排列；
每个奇数序号子阵列包括三个单元，每个单元包括第一微带线5、第二微带线7、第三微带线8、第一四分之一波长阻抗转换器6、第一方形微带天线1、第二方形微带天线2、第一窄型缝隙3和第二窄型缝隙4；所述第一四分之一波长阻抗转换器6的一端与第一微带线5的一端连接，第一四分之一波长阻抗转换器6的另一端分别与第二微带线7和第三微带线8的一端连接，第二微带线7和第三微带线8的另一端分别与第二方形微带天线2的上边中点和第一方形微带天线1的右边中点连接，所述第三微带线8比第二微带线7在工作频率处滞后90°电长度，所述第二方形微带天线2和第一方形微带天线1关于第一微带线5左右对称，所述第一窄型缝隙3刻画在第二方形微带天线2上，关于第二方形微带天线2中心点中心对称，且第一窄型缝隙3长度方向与水平方向夹角为+45°，所述第二窄型缝隙4刻画在第一方形微带天线1上，与第一窄型缝隙3关于第一微带线5左右对称；每个奇数序号子阵列的三个第一微带线5之间通过两个微带蛇形线移相器9串联，最后一个单元的第一微带线5通过一个第二四分之一波长阻抗转换器10与一个第四微带线12连接；
每个偶数序号子阵列包括三个单元，每个单元包括第五微带线13、第六微带线14、第七微带线15、第三四分之一波长阻抗转换器16、第三方形微带天线17、第四方形微带天线18、第三窄型缝隙19和第四窄型缝隙20；所述第三四分之一波长阻抗转换器16的一端与第五微带线13的一端连接，第三四分之一波长阻抗转换器16的另一端分别与第六微带线14和第七微带线15的一端连接，第六微带线14和第七微带线15的另一端分别与第三方形微带天线17的上边中点和第四方形微带天线18的左边中点连接，所述第七微带线15比第六微带线14在工作频率处滞后90°电长度，所述第四方形微带天线18和第三方形微带天线17关于第五微带线13左右对称，所述第三窄型缝隙19刻画在第四方形微带天线18上，关于第四方形微带天线18中心点中心对称，且第三窄型缝隙19长度方向与水平方向夹角为+45°，所述第四窄型缝隙20刻画在第三方形微带天线17上，与第三窄型缝隙19关于第五微带线13左右对称；每个偶数序号子阵列的三个第五微带线13之间通过两个微带蛇形线移相器9串联，最后一个单元的第五微带线13通过一个第二四分之一波长阻抗转换器10与一个第四微带线12连接；
当N＝1，两个奇数序号子阵列的第四微带线并联，两个偶数序号子阵列的第四微带线并联；
当N≥2，相邻两个奇数序号子阵列为一组，两个奇数序号子阵列的第四微带线并联，构成2N-1个第一级奇数子阵列，2N-1个第二级奇数子阵列中相邻两个第一级奇数子阵列通过第二四分之一波长阻抗转换器、第四微带线进行并联，逐级并联直至构成1个第N级奇数子阵列；相邻两个偶数序号子阵列为一组，两个偶数序号子阵列的第四微带线并联，构成2N-1个第一级偶数子阵列，2N-1个第一级偶数子阵列中相邻两个第一级偶数子阵列通过第二四分之一波长阻抗转换器、第四微带线进行并联，逐级并联直至构成1个第N级偶数子阵列。
进一步的，所述介质基板11的材料为Rogers RT/duroid 5880，介质基板11的上表面敷铜。
进一步的，所述介质基板11的相对介电常数为2.2，厚度为0.508mm。
进一步的，所述第一微带线5、第二微带线7、第三微带线8、第四微带线12、第五微带线13、第六微带线14、第七微带线15和微带蛇形线移相器9线宽均为0.1mm。
进一步的，每个单元内相邻两方形微带天线之间的间距为0.56个工作频率处频率波的波长，相邻的奇数序号子阵列之间和偶数序号子阵列之间间距均为40mm。
进一步的，工作在第一工作频率和第二工作频率的第N级奇数子阵列和第N级偶数子阵列双端口分开馈电。
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例
结合图1、图2和图3，一种宽带双频双圆极化小频比的微带天线阵列，包括第一子阵列、第二子阵列、第三子阵列和第四子阵列，四个子阵列均设置在介质基板11上表面；第一子阵列和第三子阵列工作在第一工作频率，第二子阵列和第四子阵列工作在第二工作频率，所述第一工作频率和第二工作频率不同；
每个子阵列包括三个单元，第一子阵列和第三子阵列中的每个单元包括第一微带线5、第二微带线7、第三微带线8、第一四分之一波长阻抗转换器6、第一方形微带天线1、第二方形微带天线2、第一窄型缝隙3和第二窄型缝隙4；所述第一四分之一波长阻抗转换器6的一端与第一微带线5的一端连接，第一四分之一波长阻抗转换器6的另一端分别与第二微带线7和第三微带线8的一端连接，第二微带线7和第三微带线8的另一端分别与第二方形微带天线2的上边中点和第一方形微带天线1的右边中点连接，所述第三微带线8比第二微带线7在工作频率处滞后90°电长度，所述第二方形微带天线2和第一方形微带天线1关于第一微带线5左右对称，所述第一窄型缝隙3刻画在第二方形微带天线2上，关于第二方形微带天线2中心点中心对称，且第一窄型缝隙3长度方向与水平方向夹角为+45°，所述第二窄型缝隙4刻画在第一方形微带天线1上，与第一窄型缝隙3关于第一微带线5左右对称；第一子阵列和第三子阵列中每个子阵列的三个第一微带线5之间通过两个微带蛇形线移相器9串联，最后一个单元的第一微带线5通过一个第二四分之一波长阻抗转换器10与一个第四微带线12连接；
第二子阵列和第四子阵列中的每个单元包括第五微带线13、第六微带线14、第七微带线15、第三四分之一波长阻抗转换器16、第三方形微带天线17、第四方形微带天线18、第三窄型缝隙19和第四窄型缝隙20；所述第三四分之一波长阻抗转换器16的一端与第五微带线13的一端连接，第三四分之一波长阻抗转换器16的另一端分别与第六微带线14和第七微带线15的一端连接，第六微带线14和第七微带线15的另一端分别与第三方形微带天线17的上边中点和第四方形微带天线18的左边中点连接，所述第七微带线15比第六微带线14在工作频率处滞后90°电长度，所述第四方形微带天线18和第三方形微带天线17关于第五微带线13左右对称，所述第三窄型缝隙19刻画在第四方形微带天线18上，关于第四方形微带天线18中心点中心对称，且第三窄型缝隙19长度方向与水平方向夹角为+45°，所述第四窄型缝隙20刻画在第三方形微带天线17上，与第三窄型缝隙19关于第五微带线13左右对称；第二子阵列和第四子阵列中每个子阵列的三个第五微带线13之间通过两个微带蛇形线移相器9串联，最后一个单元的第五微带线13通过一个第二四分之一波长阻抗转换器10与一个第四微带线12连接；
第一子阵列和第三子阵列的两个第四微带线12并联，第二子阵列和第四子阵列的两个第四微带线12并联。
图4、图5为本实施例天线阵列的介质基板、各微带线以及微带贴片的尺寸参数，使用的介质基板为Rogers RT/duroid 5880，且上表面敷铜，介质基板的厚度为0.508mm，相对介电常数为2.2。第一微带线5、第二微带线7、第三微带线8、第四微带线12、第五微带线13、第六微带线14和第七微带线15的阻抗为155欧姆。
其中，Wa、La分别为介质基板11的宽度和长度，L为第一方形微带天线1与第二方形微带天线2的边长，Ws、Ls分别为第一窄型缝隙3和第二窄型缝隙4的宽度和长度，Wt、Lt分别为第一四分之一波长阻抗转换器6和第二四分之一波长阻抗转换器10的宽度和长度，Wf为第一微带线5、第二微带线7、第三微带线8、第四微带线12、微带蛇形线移相器9的宽度，L1为第二微带线7和第二方形微带天线2连接部分的长度，连接部分与第二方形微带线上边垂直，L2为第二微带线7和第一四分之一波长阻抗转换器6连接部分的长度，连接部分与第二方形微带天线上边平行，L3为第三微带线8与第一方形微带天线上边平行方向部分的长度，L4为第三微带线8与第二方形微带天线右边平行部分的长度，L5为第三微带线8与第二方形微带天线2右边连接部分的长度，与第二微带天线2右边垂直，dx为相邻的奇数序号子阵列之间和偶数序号子阵列之间的间距，dy为每个单元内相邻微带天线之间的间距，各参数值具体如下：
对于第一频率6.83GHz的第一子阵列和第三子阵列，L＝14mm，Ls＝4.7mm，Ws＝0.2mm，L1＝2.05mm，L2＝12.35mm，L3＝24.35mm，L4＝9.1mm，L5＝5.05mm，Wf＝0.1mm，Lt＝8.15mm，Wt＝0.35mm,dx＝40mm,dy＝24.6mm。
对于第二频率7.14GHz的第二子阵列和第四子阵列，第三方形微带天线与第四方形微带天线的边长为13.3mm，第三窄型缝隙和第四窄型缝隙的宽度和长度分别为0.2mm和4.3mm，第三四分之一波长阻抗转换器和第二四分之一波长阻抗转换器10的宽度和长度分别为0.3mm和7.38mm，第五微带线13、第六微带线14、第七微带线15、第四微带线和微带蛇形线移相器的宽度为0.1mm，第六微带线14与第三方形微带天线连接部分的长度为7.38mm，上述连接部分与第三方形微带线上边垂直，第六微带线14与第三四分之一波长阻抗转换器连接部分的长度为11.2mm，上述连接部分与第三方形微带天线上边平行，第七微带线15与第四方形微带天线上边平行方向部分的长度为22.55mm，第七微带线15与第四方形微带天线左边平行方向部分的长度为8.75mm，第七微带线15与第四方形微带天线左边连接部分的长度为4.75mm，该连接部分与第四方形微带天线左边垂直，第二子阵列和第四子阵列之间的间距为40mm，第二子阵列和第四子阵列的中相邻的微带天线的间距为22.29mm。
介质板的宽度和长度分别为Wa＝180mm,La＝90mm，微带天线阵列的整体尺寸为90×180×0.508mm3。选择以上微带线和微带贴片的长度和宽度，以获得目标工作频段的中心频率，以及最优的阻抗带宽和反射系数。
本实施例使用ANSYS公司的全波电磁仿真软件HFSS进行仿真，所得仿真反射系数与端口隔离系数曲线如图6所示。由图6可以看出，本发明实例在两个工作频段的-10dB阻抗带宽分别为6.58–7.12GHz(7.9％)以及6.95–7.42GHz(6.58％)。两端口之间的隔离系数可以达到-18dB。
图7是本发明实施例的天线阵列轴比图，由图7可以看出，轴比低于-3dB的工作频段为6.71-6.93GHz(3.2％)和7.07-7.38GHz(4.3％)。
图8是本发明实施例在6.83GHz时的以及的辐射方向图，由图8可以看出，在6.83GHz工作频率处，本发明实例极化为右旋圆极化，增益可以达到15.9dBic，并且交叉极化低于-15dB。
图9是本发明实施例在7.14GHz时的以及的辐射方向图，由图9可以看出，在7.14GHz工作频率处，本发明实例极化为左旋圆极化，增益可以达到16.3dBic，并且交叉极化低于-15dB。
图10是本发明实施例在6.83GH以及7.14GHz处左右旋极化的增益峰值图。由图10可以看出，本发明实例在两个工作频段内的增益差值大约为2dB。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种宽带双频双圆极化小频比的微带天线阵列，其特征在于：包括介质基板(11)和设置在介质基板(11)上的2N+1个子阵列，其中2N个奇数序号子阵列工作在第一工作频率，2N个偶数序号子阵列工作在第二工作频率，N为自然数，两个工作频率的子阵列交替排列；
每个奇数序号子阵列包括三个单元，每个单元包括第一微带线(5)、第二微带线(7)、第三微带线(8)、第一四分之一波长阻抗转换器(6)、第一方形微带天线(1)、第二方形微带天线(2)、第一窄型缝隙(3)和第二窄型缝隙(4)；所述第一四分之一波长阻抗转换器(6)的一端与第一微带线(5)的一端连接，第一四分之一波长阻抗转换器(6)的另一端分别与第二微带线(7)和第三微带线(8)的一端连接，第二微带线(7)和第三微带线(8)的另一端分别与第二方形微带天线(2)的上边中点和第一方形微带天线(1)的右边中点连接，所述第三微带线(8)比第二微带线(7)在工作频率处滞后90°电长度，所述第二方形微带天线(2)和第一方形微带天线(1)关于第一微带线(5)左右对称，所述第一窄型缝隙(3)刻画在第二方形微带天线(2)上，关于第二方形微带天线(2)中心点中心对称，且第一窄型缝隙(3)长度方向与水平方向夹角为+45°，所述第二窄型缝隙(4)刻画在第一方形微带天线(1)上，与第一窄型缝隙(3)关于第一微带线(5)左右对称；每个奇数序号子阵列的三个第一微带线(5)之间通过两个微带蛇形线移相器(9)串联，最后一个单元的第一微带线(5)通过一个第二四分之一波长阻抗转换器(10)与一个第四微带线(12)连接；
每个偶数序号子阵列包括三个单元，每个单元包括第五微带线(13)、第六微带线(14)、第七微带线(15)、第三四分之一波长阻抗转换器(16)、第三方形微带天线(17)、第四方形微带天线(18)、第三窄型缝隙(19)和第四窄型缝隙(20)；所述第三四分之一波长阻抗转换器(16)的一端与第五微带线(13)的一端连接，第三四分之一波长阻抗转换器(16)的另一端分别与第六微带线(14)和第七微带线(15)的一端连接，第六微带线(14)和第七微带线(15)的另一端分别与第三方形微带天线(17)的上边中点和第四方形微带天线(18)的左边中点连接，所述第七微带线(15)比第六微带线(14)在工作频率处滞后90°电长度，所述第四方形微带天线(18)和第三方形微带天线(17)关于第五微带线(13)左右对称，所述第三窄型缝隙(19)刻画在第四方形微带天线(18)上，关于第四方形微带天线(18)中心点中心对称，且第三窄型缝隙(19)长度方向与水平方向夹角为+45°，所述第四窄型缝隙(20)刻画在第三方形微带天线(17)上，与第三窄型缝隙(19)关于第五微带线(13)左右对称；每个偶数序号子阵列的三个第五微带线(13)之间通过两个微带蛇形线移相器(9)串联，最后一个单元的第五微带线(13)通过一个第二四分之一波长阻抗转换器(10)与一个第四微带线(12)连接；
当N＝1，两个奇数序号子阵列的第四微带线并联，两个偶数序号子阵列的第四微带线并联；
当N≥2，相邻两个奇数序号子阵列为一组，两个奇数序号子阵列的第四微带线并联，构成2N-1个第一级奇数子阵列，2N-1个第一级奇数子阵列中相邻两个第一级奇数子阵列通过第二四分之一波长阻抗转换器、第四微带线进行并联，逐级并联直至构成1个第N级奇数子阵列；相邻两个偶数序号子阵列为一组，两个偶数序号子阵列的第四微带线并联，构成2N-1个第一级偶数子阵列，2N-1个第一级偶数子阵列中相邻两个第一级偶数子阵列通过第二四分之一波长阻抗转换器、第四微带线进行并联，逐级并联直至构成1个第N级偶数子阵列。
2.根据权利要求1所述的宽带双频双圆极化小频比的微带天线阵列，其特征在于：所述介质基板(11)的材料为Rogers RT/duroid 5880，介质基板(11)的上表面敷铜。
3.根据权利要求1或2所述的宽带双频双圆极化小频比的微带天线阵列，其特征在于，所述介质基板(11)的相对介电常数为2.2，厚度为0.508mm。
4.根据权利要求1所述的宽带双频双圆极化小频比的微带天线阵列，其特征在于，所述第一微带线(5)、第二微带线(7)、第三微带线(8)、第四微带线(12)、第五微带线(13)、第六微带线(14)、第七微带线(15)和微带蛇形线移相器(9)线宽均为0.1mm。
5.根据权利要求1所述的宽带双频双圆极化小频比的微带天线阵列，其特征在于，每个单元内相邻两方形微带天线之间的间距为0.56个工作频率处频率波的波长，相邻的奇数序号子阵列之间和偶数序号子阵列之间间距均为40mm。
6.根据权利要求1所述的宽带双频双圆极化小频比的微带天线阵列，其特征在于，工作在第一工作频率和第二工作频率的第N级奇数子阵列和第N级偶数子阵列双端口分开馈电。
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