CN106356644B - 双端口双频双圆极化微带阵列天线 - Google Patents

双端口双频双圆极化微带阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种双端口双频双圆极化微带阵列天线，包括介质基板(1)和设于所述介质基板(1)上表面的4个双频共用的辐射贴片(21、22、23、24)和第一馈电端口(3)、第二馈电端口(4)，所述4个辐射贴片(21、22、23、24)的第一频率输出端通过一串馈功分网络(5)与第一馈电端口3相连，所述4个辐射贴片(21、22、23、24)的第二频率输出端通过一并馈功分网络(6)与第二馈电端口(4)相连。本发明的双端口双频双圆极化微带阵列天线，结构简单、低剖面，带宽良好，交叉极化低，方便扩展成大型阵列，对于频率挨得较近的两个频点的双圆极化应用有独特的优势，且两个端口拥有良好的隔离。

Description

双端口双频双圆极化微带阵列天线
技术领域
本发明属于卫星天线技术领域，特别是一种结构简单、剖面低、带宽宽、交叉极化低、隔离度好的双端口双频双圆极化微带阵列天线。
背景技术
微带天线因其体积小、重量轻、成本低、易集成等优点，已成为天线领域一个重要的分支。而圆极化天线可接收任意极化波，抗干扰性强，在卫星、通信等系统中得到越来越广泛的应用。圆极化微带天线兼具两者的优点，应用前景广阔。
常规圆极化微带天线是一种高Q谐振天线，工作频带很窄。展宽圆极化带宽的方法主要有：采用宽频带微带天线元，例如采用低Q、双层贴片等结构，此类结构往往剖面高，尺寸大，构造复杂；利用顺序旋转馈电技术可使得圆极化微带天线拥有良好的圆极化带宽和驻波比带宽，同时也能够方便构造大型阵列，获取高增益。
随着卫星通信技术的不断发展，双频双圆极化的应用需求不断增加。一种简单的方法是通过反射面天线和馈电喇叭实现，但是这种天线剖面很高，不易与系统集成；而一般的微带天线通过堆叠多层结构也可以实现双频双圆极化，但是这种天线结构复杂，加工困难，成本昂贵。中国专利公开的“单层双频圆极化微带阵列天线”(申请号：201410649033.9，公开日：2015.2.4)通过工作频率分别为f1，f2的两个圆极化辐射贴片分别接一段微带线，两段微带线连接于一点，通过设置连接点的位置，即可使两个贴片在各自频率正常工作而互不影响，然而这种方法在两个工作频率f1、f2挨得较近(即f2/f1接近1)时无法隔离，难以实现双频双圆极化性能。
因此，现有技术存在的问题：双频双圆极化天线剖面高，频带较窄，结构多层复杂，难以在挨得较近的两个工作频率上实现双频双圆极化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双端口双频双圆极化微带阵列天线，结构简单、低剖面，带宽良好，方便扩展成大型阵列，对于频率挨得较近的两个频点的双圆极化应用有独特的优势，且两个端口拥有良好的隔离。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种双端口双频双圆极化微带阵列天线，包括介质基板和设于所述介质基板上表面的4个双频共用的辐射贴片和第一馈电端口、第二馈电端口，所述4个辐射贴片的第一频率输出端通过一串馈功分网络与第一馈电端口相连，所述4个辐射贴片的第二频率输出端通过一并馈功分网络与第二馈电端口相连。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
在挨得较近的两个工作频率上实现了双频双圆极化性能，两个端口隔离良好；以O点为中心，顺序旋转放置4个辐射贴片，串馈功分网络和并馈功分网络共用一套辐射贴片，保证4个辐射贴片之间的位置和相位依次相差90°，改善了阵列天线的阻抗带宽和轴比带宽，提高了极化纯度，从而实现了良好的双频双圆极化性能；单层介质结构加工方便，适合大批量生产；采用微带线馈电，使得天线扩展成大型阵列方便，易获取高增益。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明双端口双频双圆极化微带阵列天线的结构示意图。
图2是本发明实现双频双圆极化的原理示意图。
图3是本发明采用HFSS进行仿真的S参数图。
图4是本发明天线在工作频率为8.2GHz时的轴比随频率变化曲线。
图5是本发明天线在工作频率为8.6GHz时的轴比随频率变化曲线。
图6是本发明天线在中心频率8.2GHz处的仿真辐射方向图。
图7是本发明天线在中心频率8.6GHz处的仿真辐射方向图。
图中，
介质基板1，辐射贴片21、22、23、24，第一馈电端口3、第二馈电端口4，
串馈功分网络5，f1T型功分51、52、53，f190°移相器54、55、56，
并馈功分网络6，f2T型功分61、62、63，f290°移相器64、65，
f2180°移相器66，阻抗变换器81、82、83、84。
具体实施方式
如图1所示，本发明双端口双频双圆极化微带阵列天线，包括介质基板1和设于所述介质基板1上表面的4个双频共用的辐射贴片21、22、23、24和第一馈电端口3、第二馈电端口4，所述4个辐射贴片21、22、23、24的第一频率输出端通过一串馈功分网络5与第一馈电端口3相连，所述4个辐射贴片21、22、23、24的第二频率输出端通过一并馈功分网络6与第二馈电端口4相连。
如图1所示，所述介质基板1为矩形，其几何中心为O点，所述4个辐射贴片21、22、23、24等间距矩阵分布，矩阵中心与O点重合，以逆时针方向看，相邻的后一个辐射贴片22相对于前一个辐射贴片21逆时针旋转90°。
本发明利用顺序旋转馈电技术实现双频双圆极化性能，如图2所示，4个矩形贴片顺序旋转形成子阵，从a边馈电时相位依次为0°、90°、180°和270°，子阵形成左旋圆极化波；从b边馈电时相位依次为0°、-90°、-180°和-270°，子阵形成右旋圆极化波。
示例性的，本发明的双频共用辐射贴片可以采用线极化单元，也可以采用椭圆极化单元和圆极化单元，本发明实施例不进行限制。
示例性的，本发明的微带功分网络，也可以采用其他馈电结构得到顺序旋转所需馈电相位，本发明实施例不进行限制。
如图1所示，
所述串馈功分网络5包括工作频率为第一频率f1的3个f1T型功分51、52、53和3个f190°移相器54、55、56，
所述并馈功分网络6包括工作频率为第二频率f2的3个f2T型功分61、62、63、2个f290°移相器64、65和1个f2180°移相器66，
所述3个f1T型功分51、52、53中的第一f1T型功分51的输入端接第一馈电端口3，其一个输出端(A点)通过串联的两节阻抗变换器81、82与第一辐射贴片21的第一频率输出端(b边)相连，其另一个输出端通过第一f190°移相器54与第二f1T型功分52的输入端相连，
所述第二f1T型功分52的一个输出端(B点)通过串联的两节阻抗变换器81、82与第二辐射贴片22的第一频率输出端(b边)相连，其另一个输出端通过第二f190°移相器55与第三f1T型功分53的输入端相连，
所述第三f1T型功分53的一个输出端(C点)通过串联的两节阻抗变换器81、82与第三辐射贴片23的第一频率输出端(b边)相连，其另一个输出端通过第三f190°移相器56(末端为D点)和串联的两节阻抗变换器81、82与第四辐射贴片24的第一频率输出端(b边)相连，
3个f2T型功分61、62、63中的第一f2T型功分61的输入端接第二馈电端口4，其一个输出端接第二f2T型功分62的输入端，其另一个输出端通过f2180°移相器66接第三f2T型功分63的输入端，
所述第三f2T型功分63的一个输出端(G点)通过串联的两节阻抗变换器83、84与第四辐射贴片24的第二频率输出端(a边)相连，其另一个输出端通过第二f290°移相器65(末端为H点)和串联的两节阻抗变换器83、84与第三辐射贴片23的第二频率输出端(a边)相连，
所述第二f2T型功分62的一个输出端(E点)通过串联的两节阻抗变换器83、84与第二辐射贴片22的第二频率输出端(a边)相连，其另一个输出端通过第一f290°移相器64(末端为F点)和串联的两节阻抗变换器83、84与第一辐射贴片21的第二频率输出端(a边)相连。
由于采用上述布置，工作频率为f1的天线极化为右旋圆极化，工作频率为f2的天线极化为左旋圆极化。
工作频率为f1给第一馈电端口3馈电，电流从馈电端口3流入，A点、B点、C点和D点产生0°、-90°、-180°、-270°的相对馈电相位，该安排使四个贴片组成的阵列形成右旋圆极化波；工作频率为f2给第二馈电端口4馈电，电流从馈电端口4流入，E点、F点、G点和H点产生0°、90°、180°、270°的相对馈电相位，该安排使四个贴片组成的阵列形成左旋圆极化波。
所述第一馈电端口3、第二馈电端口4采用微带线馈电。
所述串馈功分网络和并馈功分网络相互独立，分别接馈电端口3和4，馈电端口3和4采用微带线馈电方式，便于扩成大型阵列。
所述4个辐射贴片21、22、23、24中，相邻两个辐射贴片的中心间距小于λ，λ为工作频率f1、f2中的高频对应的自由空间波长。
相邻两个辐射贴片的中心间距小于λ，以避免栅瓣和获取高增益。
本发明所述双端口单层介质的双频双圆极化微带阵列天线可以扩展成其他规模的阵列，例如将4个图1所示的阵列扩展成4×4阵列，16个图1所示的阵列扩展成8×8阵列，64个图1所示的阵列扩展成16×16阵列等等，本发明实施例不进行限制。
实施例
如图1所示2×2阵列，双频工作频率f1＝8.2GHz，f2＝8.6GHz，频率比f2/f1＝1.05。双频共用辐射贴片为矩形贴片，a边长为11.66mm，对应低频谐振f1，b边长为11.04mm，对应高频谐振f2。双频共用辐射贴片为线极化单元，在两个工作频率处分别产生TM01模和TM10模。采用顺序旋转馈电技术，4个矩形贴片顺序旋转形成子阵，工作频率为f1，给第一馈电端口3馈电，电流从馈电端口3流入，A点、B点、C点和D点产生0°、-90°、-180°、-270°的相对馈电相位，该安排使四个贴片组成的阵列形成右旋圆极化波；工作频率为f2，给第二馈电端口4馈电，电流从馈电端口4流入，E点、F点、G点和H点产生0°、90°、180°、270°的相对馈电相位，该安排使四个贴片组成的阵列形成左旋圆极化波。
工作于f1＝8.2GHz的阵列为右旋圆极化，工作于f2＝8.6GHz的阵列为左旋圆极化。为了避免栅瓣及获取高增益，相邻两个贴片中心的间距为22mm，微带天线的口径尺寸为50×50mm。介质基板采用介电常数为2.2，厚度为0.787mm的Rogers RT/duriod 5880。
图3为本发明实施例采用HFSS进行仿真的S参数图。-15dB带宽分别为3.92％(8.0～8.32GHz)和3.15％(8.43～8.7GHz)；两个端口工作频率处的隔离分别为-19.4dB和-19.3dB。
图4和图5是本发明天线分别在两个工作频率时轴比随频率变化曲线，3dB轴比带宽分别为3.42％(8.03～8.31GHz)和1.28％(8.53～8.64GHz)。
图6是本发明天线在中心频率8.2GHz处的仿真辐射方向图，图6a为方向，图6b为方向。图中实线为主极化右旋圆极化，虚线为交叉极化左旋圆极化。图中增益为10.5dB，交叉极化为-29.9dB。
图7是本发明天线在中心频率8.6GHz处的仿真辐射方向图，图7a为方向，图7b为方向。图中实线为主极化左旋圆极化，虚线为交叉极化右旋圆极化。图中增益为11.1dB，交叉极化在-28.3dB。
本发明公开的低剖面双端口微带阵列天线，采用两套微带功分网络共用一套辐射贴片，在挨得较近的两个工作频率上实现了良好的双频双圆极化性能，同时两个端口隔离良好；采用顺序旋转馈电技术改善了阵列天线的带宽和方向图，交叉极化低；此外单层介质结构加工方便，适合大批量生产；采用微带线馈电，使得天线扩展成大型阵列方便，易获取高增益。

Claims (1)

1.一种双端口双频双圆极化微带阵列天线，
包括介质基板(1)和设于所述介质基板(1)上表面的4个双频共用的辐射贴片(21、22、23、24)和第一馈电端口(3)、第二馈电端口(4)，
所述4个辐射贴片(21、22、23、24)的第一频率输出端通过一串馈功分网络(5)与第一馈电端口3相连，所述4个辐射贴片(21、22、23、24)的第二频率输出端通过一并馈功分网络(6)与第二馈电端口(4)相连；
所述介质基板(1)为矩形，其几何中心为O点，所述4个辐射贴片(21、22、23、24)等间距矩阵分布，矩阵中心与O点重合，以逆时针方向看，相邻的后一个辐射贴片(22)相对于前一个辐射贴片(21)逆时针旋转90°；
其特征在于：
所述串馈功分网络(5)包括工作频率为第一频率f1的3个f1T型功分(51、52、53)和3个f190°移相器(54、55、56)，
所述并馈功分网络(6)包括工作频率为第二频率f2的3个f2T型功分(61、62、63)、2个f290°移相器(64、65)和1个f2180°移相器(66)，
所述3个f1T型功分(51、52、53)中的第一f1T型功分51的输入端接第一馈电端口(3)，其一个输出端通过串联的两节阻抗变换器(81、82)与第一辐射贴片(21)的第一频率输出端相连，其另一个输出端通过第一f190°移相器(54)与第二f1T型功分(52)的输入端相连，
所述第二f1T型功分(52)的一个输出端通过串联的两节阻抗变换器(81、82)与第二辐射贴片(22)的第一频率输出端相连，其另一个输出端通过第二f190°移相器(55)与第三f1T型功分(53)的输入端相连，
所述第三f1T型功分(53)的一个输出端通过串联的两节阻抗变换器(81、82)与第三辐射贴片(23)的第一频率输出端相连，其另一个输出端通过第三f190°移相器(56)和串联的两节阻抗变换器(81、82)与第四辐射贴片(24)的第一频率输出端相连，
3个f2T型功分(61、62、63)中的第一f2T型功分(61)的输入端接第二馈电端口(4)，其一个输出端接第二f2T型功分(62)的输入端，其另一个输出端通过f2180°移相器(66)接第三f2T型功分(63)的输入端，
所述第三f2T型功分(63)的一个输出端通过串联的两节阻抗变换器(83、84)与第四辐射贴片(24)的第二频率输出端相连，其另一个输出端通过第二f290°移相器(65)和串联的两节阻抗变换器(83、84)与第三辐射贴片(23)的第二频率输出端相连，
所述第二f2T型功分(62)的一个输出端通过串联的两节阻抗变换器(83、84)与第二辐射贴片(22)的第二频率输出端相连，其另一个输出端通过第一f290°移相器(64)和串联的两节阻抗变换器(83、84)与第一辐射贴片(21)的第二频率输出端相连。
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