CN106450714B - 一种适用于阵列的宽带圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及圆极化天线。本发明克服了传统微带圆极化天线带宽较窄的不足，提出了一种宽带圆极化微带天线，将通常情况带宽不足5％提高至25％，并且保证天线优良的圆极化特性。本发明天线采用平衡式4端口馈电，保证天线在较宽的角度范围内具有良好的圆极化特性,同时在Theta≥60°时亦能轴比小于3dB实现很好的圆极化，为DOA和波束成形提供了实现的可能。

Description

一种适用于阵列的宽带圆极化天线
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及圆极化天线。
背景技术
天线是无线电通信和探测系统中不可缺少的重要组成部分,它是发射和接收电磁波的一种设备。作为发射天线,它将被馈线引导的高频电流转换为电磁波并向特定的方向发射出去；而作为接收天线,它又要做相反的变换,从而在任意两点之间实现了电磁信号的传递。从上世纪初的单一点对点通信到现在覆盖全球的卫星通信系统,天线技术无疑承担了最基本、最前端的角色,它在社会生活中的重要性与日俱增,如今已成为现代文明中不可缺少的部分。随着科学技术的飞速发展,现代社会己经进入信息时代,信息的快速而广泛的传递形成了现代社会最重要的特征。无线通信技术的发展和无线应用产品的普及,特别是近几年手持通信设备的普及和各种无线通信技术的发展,电子设备的功能越来越强大,信号带宽也在不断提高。人们对无线通信中必不可少的天线性能提出了更高的要求。自从20世纪70年代中期微带天线理论得到大的发展以来,由于微带天线体积小、重量轻、馈电方式灵活、成本低、易于与目标共形等优点而深受人们亲睐,在移动通信、卫星通信、全球卫星定位系统(GPS)等领域得到广泛的应用。圆极化作为微带天线理论和技术应用的一个重要分支,在通信及电子对抗中广泛采用圆极化天线的旋向正交性。例如圆极化波入射到对称目标(平面,球面等)时具有旋向逆转的特性,这一特性在移动通信和GPS领域中用来抗雨雾干扰和多径反射；圆极化天线可以接收任意极化的来波,而其辐射波也能被任意极化的天线收到,其特性在电子侦察和电子干扰中也普遍使用。因此研究宽带圆极化技术对于微带天线技术的发展是非常重要的。
发明内容
本发明克服了传统微带圆极化天线带宽较窄的不足，提出了一种宽带圆极化微带天线，将通常情况带宽不足5％提高至25％，并且保证天线优良的圆极化特性。本发明天线采用平衡式4端口馈电，保证天线在较宽的角度范围内具有良好的圆极化特性,同时在Theta≥60°时亦能轴比小于3dB实现很好的圆极化，为DOA和波束成形提供了实现的可能。
一种适用于阵列的宽带圆极化天线，包括：
一阵列单元模块，
所述阵列单元模块采用平衡馈电增厚型圆形贴片微带天线，所述微带天线介质基片采用rogers 4350板材，采用所述平衡馈电增厚型圆形贴片可以增加天线的厚度以此增加天线带宽，所述阵列单元模块为多个天线单元组合放置，所述天线单元组合包括水平向天线单元、倾角为θ′天线单元和顶向天线单元，所述天线单元通过单刀三掷开关分时工作，所述天线单元之间间隙为5mm，所述水平向天线单元覆盖倾角θ＝80°～100°空间(顶向为θ＝0°点)，所述倾角为θ′天线单元覆盖θ＝40°～80°空间，所述顶向天线单元覆盖θ＝0°～40°范围，
所述平衡馈电增厚型圆形贴片微带天线包括一天线辐射腔，所述天线辐射腔由介质层一、介质层二、空气层构成，所述空气层用于扩展宽带圆极化微带阵列天线带宽，所述介质层一和介质层二合称为介质层，所述介质层介电常数εr为3.48，所述介质层一上表面与平衡馈电增厚型圆形贴片相连，所述介质层一下表面与空气层接触，所述介质层二上表面通过一层金属片接地，所述介质层二下表面与馈电微带线相连，4个馈电金属柱在所述平衡馈电增厚型圆形贴片内呈对称分布，4馈电端口同时提供不同的相位，实现平衡馈电，所述4个馈电端口与4根馈电金属柱顶端相接，所述4根馈电金属柱通过过孔与所述微带馈电线相连，用于抵消所述天线辐射腔的高次模，提供良好的圆极化特性，
信号从入口处进入，经过3个Wilkinson功分器功分出四个馈电端口，再经过4个金属柱(金属柱半径r＝1.5mm)与上层介质的上表面金属片连接。4个金属柱以平衡馈电增厚型圆形贴片的圆心为中心等间距(间距d＝4.675mm)对称分布，两层介质和接地金属片均留有四个过孔供4个金属柱穿过。通过功分器输出微带线不等长使对立两个馈电口形成90°相位差，从而形成一个宽带圆极化天线。
一导体墙，所述导体墙底部与所述介质层二上表面相接，所述导体墙设置于每个单元天线沿接地面边缘周围，所述导体墙高度为3mm，所述导体墙用于降低天线单元之间的耦合。
进一步地，所述平衡馈电增厚型圆形贴片采用平衡式4端口馈电，所述馈电网络由3个Wilkinson功分器组成，实现1分4结构，所述平衡式4端口馈电同时提供不同的相位，4路输出通过不等长微带线实现了π/2、π和3π/2的相位差，采用所述平衡式4端口馈电可以保证在较宽的角度范围内具有良好的圆极化特性。
进一步地，所述空气层高度大于介质层厚度。
进一步地，所述空气层高度为3.8mm，所述介质层厚度为0.76mm。
进一步地，所述θ′＝30°。
进一步地，设置所述水平向天线单元和倾角为θ′天线单元为有源激励，其余单元无激励，即无源单元。
有益效果：
本天线采用平衡式4端口馈电模式，能获得更好的圆极化特性。本天线在较宽的扫描角内(60°内)均能实现很好的圆极化。本天线将普通圆极化天线带宽不足5％提高到25％。本发明天线增加导体墙，使天线在阵列中不恶化单元特性情况下减小单元之间的耦合效应，使其更适合于组阵。
附图说明
图1为正交双馈矩形圆极化微带天线。
图2为正交双馈圆形圆极化微带天线。
图3为单馈开缝矩形圆极化微带天线。
图4为带微扰块的矩形圆极化微带天线。
图5为宽带圆极化微带天线结构示意图。
图6为宽带圆极化微带天线馈电网络示意图。
图7为宽带圆极化微带天线仿真结构图。
图8为宽带圆极化微带天线输入特性。
图9为宽带圆极化微带天线轴比特性。
图10为宽带圆极化微带天线增益特性。
图11为宽带圆极化微带天线三维方向图特性。
图12为宽带圆极化微带天线E面方向图特性(Φ＝0°)。
图13为宽带圆极化微带天线E面方向图特性(Φ＝90°)。
图14为宽带圆极化微带天线主方向轴比特性。
图15为宽带圆极化微带天线交叉极化特性。
图16为宽带圆极化微带天线分时工作的3天线单元组合示意图。
具体实施方式
实现圆极化的天线结构有多种，如螺旋天线、十字交叉天线、带微扰块的微带天线等(见图1～图4)。考虑到小型化应用要求，本方案首选微带天线作阵列单元。微带天线中，圆极化的实现方法主要有：带微扰块的矩形或圆形贴片、开缝贴片、多馈方式产生圆极化的贴片等等，见图1～图4。微带天线属于谐振式辐射单元，通常情况下其带宽小于5％，要实现大于10％的带宽，必须采取特别方法，如增加厚度、双层或多层叠加、加载等。
一种适用于阵列的宽带圆极化天线，包括：
一阵列单元模块，
所述阵列单元模块采用平衡馈电增厚型圆形贴片微带天线，所述微带天线介质基片采用rogers 4350板材，采用所述平衡馈电增厚型圆形贴片可以增加天线的厚度以此增加天线带宽，所述阵列单元模块为多个天线单元组合放置，所述天线单元组合包括水平向天线单元、倾角为θ′天线单元和顶向天线单元，所述天线单元通过单刀三掷开关分时工作，所述天线单元之间间隙为5mm，所述水平向天线单元覆盖倾角θ＝80°～100°空间(顶向为θ＝0°点)，所述倾角为θ′天线单元覆盖θ＝40°～80°空间，所述顶向天线单元覆盖θ＝0°～40°范围，
如图5所示，所述平衡馈电增厚型圆形贴片微带天线包括一天线辐射腔，所述天线辐射腔由介质层一、介质层二、空气层构成，所述空气层用于扩展宽带圆极化微带阵列天线带宽，所述介质层一和介质层二合称为介质层，所述介质层介电常数εr为3.48，所述介质层一上表面与平衡馈电增厚型圆形贴片相连，所述介质层一下表面与空气层接触，所述介质层二上表面通过一层金属片接地，所述介质层二下表面与馈电微带线相连，4个馈电金属柱在所述平衡馈电增厚型圆形贴片内呈对称分布，4馈电端口同时提供不同的相位，实现平衡馈电，所述4个馈电端口与4根馈电金属柱顶端相接，所述4根馈电金属柱通过过孔与所述微带馈电线相连，用于抵消所述天线辐射腔的高次模，提供良好的圆极化特性，
信号从入口处进入，经过3个Wilkinson功分器功分出四个馈电端口，再经过4个金属柱(r＝1.5mm)与上层介质的上表面金属片连接。4个金属柱以圆心为中心等间距(d＝4.675mm)对称分布，两层介质和接地金属片均留有四个孔供4个金属柱穿过。通过功分器输出微带线不等长使对立两个馈电口形成90°相位差，从而形成一个宽带圆极化天线，如图7。
一导体墙，所述导体墙底部与所述介质层二上表面相接，所述导体墙设置于每个单元天线沿接地面边缘周围，所述导体墙高度为3mm，所述导体墙用于降低天线单元之间的耦合。
所述平衡馈电增厚型圆形贴片采用平衡式4端口馈电，所述馈电网络由3个Wilkinson功分器组成，实现1分4结构，所述平衡式4端口馈电同时提供不同的相位，4路输出通过不等长微带线实现了π/2、π和3π/2的相位差，采用所述平衡式4端口馈电可以保证在较宽的角度范围内具有良好的圆极化特性。4根馈电柱通过过孔与微带馈电线相连，馈电柱顶端与圆形贴片相接，4馈电点在圆形贴片内呈对称分布，实现了平衡馈电，能够充分抵消辐射腔的高次模，提供了良好的圆极化特性，空气层则充分扩展了天线带宽。微带线馈电网络由3个Wilkinson功分器组成，4路输出通过不等长微带线实现了π/2、π和3π/2的相位差，见图6所示。具体尺寸见表1。
表1 圆形宽带圆极化微带天线参数
在仿真软件上通过建立宽带圆极化微带天线仿真模型(见图7，天线法向(辐射方向)为Z轴)，得到的仿真结果如图8～图14。仿真结果表明，该天线具有宽带工作频段和极佳的圆极化特性，S11≤-10dB带宽为4.25～5.5GHz(图8)，轴比≤3dB带宽为4.25～5.5GHz(图9)，带宽完全满足4.4～5.0GHz需求。天线增益最大8.8dBi(4.7GHz)，最小增益7.3dBi(4.4GHz)。方向图关于Z轴对称，3dB波束宽度≥60°。在辐射方向内，3dB轴比波束宽度均达到60°(图13)，交叉极化(左旋圆极化)电平≤-15dB(图14)。
图14所示的轴比特性包含了4.4GHz、4.7GHz、5GHz在俯仰面(图中Φ＝0°曲线)和方位面(图中Φ＝90°曲线)的轴比随角度的变化特性，三个频点两个剖面的轴比≤3dB的波束宽度均能达到60°。
图15显示了三个频点(4.4、4.7和5GHz)左旋圆极化和右旋圆极化的方向图，在辐射方向上，左旋圆极化增益比右旋圆极化增益均小15dB以上。
经过综合比较，本方案采用平衡馈电增厚型圆形贴片微带天线作为阵列单元，介质基片选用高频特性好且损耗较低的rogers 4350板材。圆形贴片容易实现较好的圆极化特性。在常规圆形贴片基础上，采取提高天线厚度的方法增加天线带宽，为保证优良的圆极化特性，采用平衡式4端口馈电，这样能够保证在较宽的角度范围内具有良好的圆极化特性。馈电网络由3个Wilkinson功分器组成，实现1分4结构，4馈电端口同时提供不同的相位。
由于单元天线的定向性，仅由水平向单元组成的阵列在系统DOA和波束成形时无法覆盖整个半空区域，因此，需要将多个天线单元组合放置，单元天线的组合示意图见图16所示，在水平向单元之外，增加了倾角为θ′(30°)单元和顶向单元，单元之间的间隙5mm(D1、D2)，在实际工作中，这三个单元通过单刀三掷开关分时工作，水平向单元覆盖θ＝80°～100°空间(顶向为θ＝0°点)、倾斜单元覆盖θ＝40°～80°空间，顶向单元覆盖θ＝0°～40°范围。
为了得到天线单元组合情况下每个单元的辐射特性，构建了由9个单元组成的阵列进行仿真，在俯仰面(θ＝0°-90°)的组合如图16所示，在方位面(θ＝90°)的组合单元间隙为5mm。实际仿真时，为考察单个单元在阵列中的特性，所以设置中间的水平向单元和倾斜向单元为有源激励，其余单元无激励(为无源单元)。由于单元天线厚度与间隙相比较大，导致相互之间的耦合较严重，为了降低互相耦合影响，在每个单元天线周围(沿接地面边缘)增加导体墙，导体墙底部与接地面相接，高度为3mm。增加导体墙后再进行仿真。
S参数结果显示，两个单元激励时，在阵列中每个单元的输入阻抗与无阵列单元(以下称独立单元)较一致，两单元间S21≤-30dB，说明单元之间的耦合小于-30dB。

Claims (5)

1.一种适用于阵列的宽带圆极化天线，其特征在于，包括：
一阵列单元模块，
所述阵列单元模块采用平衡馈电增厚型圆形贴片微带天线，所述微带天线介质基片采用rogers 4350板材，采用所述平衡馈电增厚型圆形贴片可以增加天线的厚度以此增加天线带宽，所述阵列单元模块为多个天线单元组合放置，所述天线单元组合包括水平向天线单元、倾角为θ′天线单元和顶向天线单元，所述天线单元通过单刀三掷开关分时工作，所述天线单元之间间隙为5mm，所述水平向天线单元覆盖倾角θ＝80°～100°空间，顶向为θ＝0°点，所述倾角为θ′天线单元覆盖θ＝40°～80°空间，所述顶向天线单元覆盖θ＝0°～40°范围，
所述平衡馈电增厚型圆形贴片微带天线包括一天线辐射腔，所述天线辐射腔由介质层一、介质层二、空气层构成，所述空气层用于扩展宽带圆极化微带阵列天线带宽，所述介质层一和介质层二合称为介质层，所述介质层介电常数εr为3.48，所述介质层一上表面与平衡馈电增厚型圆形贴片相连，所述介质层一下表面与空气层接触，所述介质层二上表面通过一层金属片接地，所述介质层二下表面与馈电微带线相连，4个馈电金属柱在所述平衡馈电增厚型圆形贴片内呈对称分布，4个馈电端口同时提供不同的相位，实现平衡馈电，所述4个馈电端口与4根馈电金属柱顶端相接，所述4根馈电金属柱通过过孔与所述微带馈电线相连，用于抵消所述天线辐射腔的高次模，提供良好的圆极化特性，
信号从入口处进入，经过3个Wilkinson功分器功分出四个馈电端口，再经过4个金属柱与上层介质的上表面金属片连接，金属柱半径r＝1.5mm，4个金属柱以平衡馈电增厚型圆形贴片的圆心为中心等间距对称分布，间距d＝4.675mm，两层介质和接地金属片均留有四个过孔供4个金属柱穿过，通过功分器输出微带线不等长使对立两个馈电口形成90°相位差，从而形成一个宽带圆极化天线；
一导体墙，所述导体墙底部与所述介质层二上表面相接，所述导体墙设置于每个单元天线沿接地面边缘周围，所述导体墙高度为3mm，所述导体墙用于降低天线单元之间的耦合。
2.根据权利要求1所述的一种适用于阵列的宽带圆极化天线，其特征在于：所述空气层高度大于介质层厚度。
3.根据权利要求1或2所述的一种适用于阵列的宽带圆极化天线，其特征在于：所述空气层高度为3.8mm，所述介质层厚度为0.76mm。
4.根据权利要求1所述的一种适用于阵列的宽带圆极化天线，其特征在于：所述θ′＝30°。
5.根据权利要求1所述的一种适用于阵列的宽带圆极化天线，其特征在于：设置所述水平向天线单元和倾角为θ′天线单元倾斜向天线单元为有源激励，其余单元无激励，即无源单元。
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