CN106684546A - C波段极化可重构的微带平面阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种通信技术领域的C波段极化可重构的微带平面阵列天线。C波段微带平面阵列天线包括三层介质基板，极化可重构的网络包括一个3dB定向耦合器和两个二选一射频开关。通过二选一射频开关通断可以自由选择天线工作的极化方式。天线采用该极化可重构网络可以实现水平极化、垂直极化、左旋圆极化和右旋圆极化的特性，具有高增益、低剖面、小型化等特点以及良好的方向图一致性，可用于卫星、雷达通信以及一些需要多极化、小型化的应用场合。

Description

C波段极化可重构的微带平面阵列天线

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体地，涉及极化可重构的微带平面阵列天线，尤其是一种C波段极化可重构的微带平面阵列天线。

背景技术

信息技术快速发展，为了更好的适应无线通信大容量、多元化的发展需求，针对天线的设计也提出更高的要求。可重构天线按照实际功能可分为，频率可重构、极化可重构、方向图可重构以及多种性能参数任意切换的可重构。针对天线极化可重构，就是重构天线辐射的极化状态，避免多径效应带来的信号衰落，提高无线通信质量和抗干扰能力。根据应用环境的不同需求来选择合适的极化方式。天线极化可重构一方面提供了多元化的极化选择方案，能够更好的满足实时环境的应用需求，另一方面极化可重构可以有效的减少极化适配带来的损耗，同时增强抗干扰能力，进一步提高了天线的辐射效率。

经现有技术文献检索发现，Shih-Hsun Hsu等人设计了一种圆极化可重构天线。天线单元是微带贴片，为了实现圆极化波，设计了两个与电介质材料相连接的压电换能器(VDC)实现简并模分离，按下某一侧的VDC同时抬起另外一侧的VDC，从而实现左旋极化波或者右旋极化波。这样就完成了天线极化可重构。2010年清华大学设计了一种开槽结构的线极化可重构天线。切换馈电方式的控制系统采用二极管，该天线通过两种不同的共面波导和槽线的馈电方式实现了线极化可重构。这两种极化可重构天线只提供了两种极化的选择，实际应用中可能需要更多的极化选择方式，比如水平极化、垂直极化、左旋圆极化和右旋圆极化都可切换的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足和缺陷。提供一种C波段极化可重构的微带平面阵列天线，可以通过重构实现两种正交的线极化和两种圆极化的工作模式，可解决无线通信中天线极化单一、低增益、抗干扰能力差等问题。

根据本发明提供的一种C波段极化可重构的微带平面阵列天线，包括极化天线阵列、极化重构网络、极化重构网络控制器；

极化重构网络包括二选一射频开关K1、二选一射频开关K2、定向耦合器；

二选一射频开关K1、K2的输入端口分别记为端口A、端口B；

二选一射频开关K1的一个输出端口通过通道C连接至端口Port1；

二选一射频开关K1的另一个输出端口连接定向耦合器的输入端口P1；

定向耦合器的输出端口P2通过通道D连接至端口Port2；

二选一射频开关K2的一个输出端口连接定向耦合器的输入端口P4；

二选一射频开关K2的另一个输出端口通过通道F连接至端口Port4；

定向耦合器的输出端口P3通过通道E连接至端口Port3；

极化重构网络控制器用于对端口A、端口B进行激励的控制；

极化天线阵列的双端口分别连接端口A、端口B。

优选地，极化天线阵列包括多个天线单元；

天线单元采用双端口馈电，所述双端口分别为两种正交的线极化工作模式馈电，使得极化天线阵列能够分别实现两个正交线极化；

极化天线阵列为2×2天线单元的并馈天线阵；

极化天线阵列、天线单元均是工作在C波段的双线极化天线；

定向耦合器使得极化天线阵列的双端口之间等幅值且相位差90°的馈电效果。

优选地，当端口A激励，端口B不激励时，二选一射频开关K1只有一路通道能够工作：当通道C工作且通道D不工作，端口Port1产生水平极化波或垂直极化波；当通道C不工作且通道D工作，端口Port2产生左旋圆极化波或右旋圆极化波；

当端口A不激励，端口B激励时，二选一射频开关K2只有一路通道能够工作：当通道E工作且通道F不工作时，端口Port3产生左旋圆极化波或右旋圆极化波；当通道E不工作且通道F工作时，端口Port4产生水平极化波或垂直极化波；

当端口A激励，端口B激励时：当通道C工作且通道D不工作、通道F工作且通道E不工作时，端口Port1和端口Port4同时分别产生垂直极化波或水平极化波；当通道D工作且通道C不工作、通道E工作且通道F不工作时，端口Port2和端口Port3同时分别产生左旋圆极化波或右旋圆极化波。

优选地，所述天线单元包括依次叠加的第一层介质层基板、第二层介质层基板、第三层介质层基板；

第一层介质层基板是寄生贴片层；

第二层介质层基板的正面设置有辐射贴片和接收端口馈电网络，接收端口馈电网络连接辐射贴片的接收端口；

第二层介质层基板的背面与第三层介质层基板的正面之间设置有金属地；

第三层介质层基板的背面设置有发射端口馈电网络，发射端口馈电网络通过探针连接辐射贴片的发射端口；其中，金属地设置有通孔，探针穿过通孔且不与通孔接触。

优选地，定向耦合器包括耦合器介质基板，耦合器介质基板的一面是金属面，耦合器介质基板的另一面设置有定向耦合器网络；定向耦合器是对称结构，两个输出的端口P2、P4输出等幅值且相位差90度的能量。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明一方面通过可重构网络实现天线极化可重构的特性。使得该2×2天线阵列同时具备双线极化波和双圆极化波，完成了天线极化可重构的性能。另一方面将天线、极化可重构网络、极化重构控制器集成起来，这样可以进一步为有源集成天线的小型化做铺垫，为有源集成天线的设计提供了可行性方案。本发明提供的C波段极化可重构微带平面阵列天线具有高增益、低剖面、小型化等特点以及良好的方向图一致性，可用于卫星、雷达通信以及一些需要多极化、小型化的应用场合。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明中C波段极化可重构微带平面阵列天线系统流程示意图。

图2是本发明中C波段极化可重构网络系统结构示意图。

图3是本发明中C波段天线单元三维结构示意图。

图4是本发明中C波段天线单元辐射贴片三维结构示意图。

图5是本发明中C波段天线单元的寄生贴片层三维结构示意图。

图6是本发明中C波段2×2天线阵列的寄生贴片层三维结构示意图。

图7是本发明中C波段2×2天线阵列接收端口馈电网络三维结构示意图。

图8是本发明中C波段2×2天线阵列发射端口馈电网络三维结构示意图。

图9是本发明中C波段微带平面阵列天线收发网络的透视图。

图10是本发明中C波段的3dB定向耦合器。

图11是本发明中C波段天线单元的接收端口和发射端口的回波损耗。

图12是本发明中C波段天线单元接收端口和发射端口的隔离度。

图13是本发明中C波段天线单元接收端口的仿真方向图。

图14是本发明中C波段天线单元发射端口的仿真方向图。

图15是本发明中C波段2×2天线阵列接收和发射端口的回波损耗。

图16是本发明中C波段2×2天线阵列接收端口和发射端口的隔离度。

图17是本发明中C波段2×2天线阵列接收端口的仿真方向图。

图18是本发明中C波段2×2天线阵列发射端口的仿真方向图。

图19是本发明中C波段的3dB定向耦合器的回波损耗及隔离度。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明设计的是一种通信技术领域的C波段极化可重构微带平面阵列天线。C波段微带平面阵列天线包括三层介质基板，极化可重构的网络包括一个3dB定向耦合器和两个二选一射频开关。极化可重构的网络设计如图9所示，通过二选一射频开关通断可以自由选择天线工作的极化方式。天线采用该极化可重构网络可以实现水平极化、垂直极化、左旋圆极化和右旋圆极化的特性。

本发明首先设计了一种C波段微带平面阵列天线实现了双线极化的特性，然后利用可重构网络中的3dB定向耦合器等分功率相移90°的特点，将3dB定向耦合器与2×2微带天线阵列的双端口自由组合，可以实现左旋圆极化波和右旋圆极化波。最后，为了进一步提高天线的工作效率，降低系统的复杂度。引入两个二选一射频开关，天线端口对接射频开关输入端口，射频开关输出端口和3dB定向耦合器端口对接。使用该技术，构成了一个完整的极化可重构的网络，实现了极化可重构的多频、多极化、宽带、小型化的微带平面阵列天线。

天线单元设计包括三层介质基板，对天线辐射贴片双端口馈电，接收端口及馈电网络和天线辐射贴片在同一层介质面。发射端口通过引入探针，将发射端口及馈电网络设计在第三层介质基板。收发网络分别设计在不同的介质基板上，可以很好的提高端口隔离度，降低耦合。寄生贴片层，由于引入了空气层，降低等效介电常数，很好的实现了拓展带宽、提高天线增益。

第二层和第三层介质基板共用同一块金属地，发射端口通过探针馈电，因此上述第二层和第三层共用的金属地需要开孔，探针需要穿过该孔，并且该孔不能与探针接触，避免辐射贴片和地板短路。

第一层寄生贴片介质基板一侧是全介质面，另外一侧是金属贴片，第二层和第三层介质基板都是双面板，并且第二层和第三层介质基板共用同一块金属地。

采用并馈的馈电网络进行组阵，完成2×2微带天线阵列。该天线阵列工作在C波段，并且实现了高增益、宽带、双线极化的特性。

3dB定向耦合器可以实现功率等分相移90度的性能。利用该定向耦合器的输出端口与天线端口连接，天线辐射贴片通过等幅相位差90度的双端口馈电就可以实现左旋圆极化波和右旋圆极化波，天线既可以完成双线极化功能又可以实现圆极化特性。

采用两个二选一射频开关和3dB定向耦合器构建了极化可重构网络。如图9所示，该极化可重构网络有四个输出端口，其中，通过二选一射频开关控制Port1和Port4，可以实现水平极化和垂直极化的自由切换。通过二选一射频开关和3dB定向耦合器控制Port 2和Port3，可以实现左旋圆极化波结合右旋圆极化波的自由切换。

更为具体地，本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：极化天线阵列、极化重构网络、极化重构网络控制器。天线阵列包括天线单元，天线阵列优选为2×2双线极化天线阵列。

极化重构网络包括两个二选一射频开关和3dB定向耦合器。天线单元和2×2双线极化天线阵列均是工作在C波段的双线极化天线。天线单元采用双端口馈电，2×2双线极化天线阵列采用并馈技术进行组阵，并由两个端口分别为两种正交的线极化工作模式馈电，使得该天线阵列可以分别实现两个正交线极化。同时针对该双线极化天线阵列，利用3dB定向耦合器分别对接2×2天线阵列的双端口(输出端口和接收端口)。使得该2×2天线阵列的两个端口产生90°相移差，通过3dB定向耦合器实现了等幅值且相位差90°的馈电效果，因此该2×2天线阵列不仅可以实现水平极化波和垂直极化波，而且通过极化重构网络又可以进一步实现左旋圆极化波和右旋圆极化波。

所述的天线单元采用三层介质基板，第一层介质基板是寄生层，第二层介质基板是天线辐射贴片层，第三层介质基板是天线的发射端口馈电网络。天线单元采用双端口馈电，发射端口通过探针馈电，接收端口馈电网络和辐射贴片在同一层介质基板表面。收/发馈电网络分别设计在第二层介质基板和第三层介质基板。这样可以有效的提高天线单元的隔离度，降低耦合效应。其中：

三层介质基板都是同样的材料。

第一层介质基板是寄生层，引入空气介质可以降低等效介电常数，从而较好的拓展带宽，提高天线增益。

第二层介质基板的正面是天线贴片，介质基板的背面是金属地。天线辐射贴片采用双端口馈电，接收端口馈电网络和辐射贴片在同一层，发射端口引入探针馈电将发射馈电网络设计在第三层介质基板上。

第三层介质基板的正面是金属地，第三层介质基板的背面是发射端口馈电网络。

第二层介质基板和第三层介质基板共用金属地，这样可以将发射和接收的馈电网络分别设计在不同的介质基板上，从而避免耦合提高隔离度。

在天线单元的基础之上，采用并馈的技术对天线单元进行组阵，实现了2×2天线阵列。

本发明首先对C波段的双线极化天线单元进行建模和仿真，完成了工作在C波段的双线极化天线单元。同时采用并馈的馈电技术对天线单元进行组阵，实现了2×2双线极化天线阵列，该阵列可以产生水平极化波和垂直极化波。在此基础之上，又设计了工作在C波段的极化可重构网络，可重构网络包括3dB定向耦合器和二选一射频开关。

如图2所示，C波段微带平面阵列天线的双端口端口分别对接二选一射频开关的输入端口A、B。首先，通过极化重构网络控制器分别控制二选一射频开关的两个输入端口A、B。当端口A激励，端口B不激励时，二选一射频开关K1只有一路通道可以工作。此时，当通道C工作且通道D不工作，端口Port1产生水平极化波或垂直极化波；当通道C不工作且通道D工作，端口Port2产生左旋圆极化波或右旋圆极化波。同理，当端口A不激励，端口B激励时，二选一射频开关K2只有一路通道可以工作。此时，当通道E工作且通道F不工作时，端口Port3产生左旋圆极化波或右旋圆极化波；当通道E不工作且通道F工作时，端口Port4产生水平极化波或垂直极化波。

因此对2×2天线阵列引入极化可重构网络和极化重构网络控制器就可以实现四种天线极化工作方式，分别是水平极化波、垂直极化波、左旋圆极化波和右旋圆极化波。上述工作方式是激励射频开关的单通道实现了天线的单极化波。同样也可以同时激励射频开关的双通道产生双线极化波或双圆极化波。因此，极化重构网络控制器可以同时激励端口A、B。此时，当通道C工作且通道D不工作、通道F工作且通道E不工作时，Port1和Port4可以同时分别产生垂直极化波或水平极化波；当通道D工作且通道C不工作、通道E工作且通道F不工作时，端口Port2和Port3可以同时分别产生左旋圆极化波或右旋圆极化波。

下面结合附图进行更为具体的说明。

如图1所示，是C波段极化可重构微带平面阵列天线系统流程示意图，主要是两部分组成，天线阵列和极化可重构网络。输出端口Port1～4可以实现的极化方式分别有水平极化波、垂直极化波、左旋圆极化波和右旋圆极化波。

如图2所示，极化可重构网络主要包括两个二选一射频开关和一个3dB定向耦合器。通过3dB定向耦合器的输出端口Port2、Port3可以产生左旋圆极化波和右旋圆极化波。通过射频开关的输出端口Port1、Port4可以实现水平极化波和垂直极化波。

如图3所示，是C波段天线单元的三维结构示意图。其中，第一层介质基板1是单面板，一面是全介质面，寄生贴片2在另一面。辐射贴片5在第二层介质基板3上，接收端口馈电网络6和辐射贴片5在同一层介质基板上。第三层介质基板7和第二层介质基板3共用同一块金属地4。

如图4所示，是C波段天线单元辐射贴片俯视图。其中，Feed Port1是天线单元发射端口的馈电位置，此处通过探针馈电。Feed Port2是天线单元接收端口的馈电位置，接收端口馈电网络和辐射贴片在同一层介质基板上，即第二层介质基板上。

如图5所示，是C波段天线单元的形成寄生贴片层的第一层介质基板，此第一层介质基板是单面板。一侧是全介质面，另一侧是寄生贴片。

如图6所示，是C波段2×2天线阵列的寄生贴片层，此第一层介质基板是单面板。一侧是全介质面，另一侧是寄生贴片。

如图7所示，是C波段2×2天线阵列接收端口馈电网络。其中，第二层介质基板3是双面板，一层是接收端口馈电网络4，另一侧是金属地。辐射贴片2有两个馈电端口，发射端口8和接收端口9。

如图8所示，是C波段2×2天线阵列发射端口馈电网络。其中，第三层介质基板7是双面板，一侧是发射端口馈电网络10，另一侧是金属地。发射端口8通过探针11对辐射贴片5馈电，发射端口8采用侧馈。

如图9所示，是C波段微带平面阵列天线收发网络的透视图，收/发馈电网络分别设计在不同的介质基板，可以有效提高端口隔离度，降低耦合。

如图10所示，是C波段的3dB定向耦合器。耦合器介质基板12是双面板，一侧是金属面，另一侧是定向耦合器网络13；该定向耦合器是对称结构，端口P1、P4输入，端口P2、P3输出等幅值且相位差90度的能量。

如图11所示，是C波段天线单元的接收端口的回波损耗S11和发射端口的回波损耗S22。

如图12所示，是C波段天线单元接收端口的隔和发射端口的隔离度S12、S21。

如图13所示，是C波段天线单元接收端口的方向图。分别是Phi＝0°和Phi90°两个不同切面的方向图。

如图14所示，是C波段天线单元发射端口的方向图。分别是Phi＝0°和Phi90°两个不同切面的方向图。

如图15所示，是C波段2×2天线阵列接收端口回波损耗S11和发射端口的回波损耗S22。

如图16所示，是C波段2×2天线阵列接收端口和发射端口的隔离度S12、S21。

如图17所示，是C波段2×2天线阵列接收端口的方向图。分别是Phi＝0°和Phi90°两个不同切面的方向图。

如图18所示，是C波段2×2天线阵列发射端口的方向图。分别是Phi＝0°和Phi90°两个不同切面的方向图。

如图19所示，是C波段的3dB定向耦合器的回波损耗S11、S14及隔离度S12、S13。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种C波段极化可重构的微带平面阵列天线，其特征在于，包括极化天线阵列、极化重构网络、极化重构网络控制器；

极化重构网络包括二选一射频开关K1、二选一射频开关K2、定向耦合器；

二选一射频开关K1、K2的输入端口分别记为端口A、端口B；

二选一射频开关K1的一个输出端口通过通道C连接至端口Port1；

二选一射频开关K1的另一个输出端口连接定向耦合器的输入端口P1；

定向耦合器的输出端口P2通过通道D连接至端口Port2；

二选一射频开关K2的一个输出端口连接定向耦合器的输入端口P4；

二选一射频开关K2的另一个输出端口通过通道F连接至端口Port4；

定向耦合器的输出端口P3通过通道E连接至端口Port3；

极化重构网络控制器用于对端口A、端口B进行激励的控制；

极化天线阵列的双端口分别连接端口A、端口B。

2.根据权利要求1所述的C波段极化可重构的微带平面阵列天线，其特征在于，极化天线阵列包括多个天线单元；

天线单元采用双端口馈电，所述双端口分别为两种正交的线极化工作模式馈电，使得极化天线阵列能够分别实现两个正交线极化；

极化天线阵列为2×2天线单元的并馈天线阵；

极化天线阵列、天线单元均是工作在C波段的双线极化天线；

定向耦合器使得极化天线阵列的双端口之间等幅值且相位差90°的馈电效果。

3.根据权利要求1所述的C波段极化可重构的微带平面阵列天线，其特征在于，

当端口A激励，端口B不激励时，二选一射频开关K1只有一路通道能够工作：当通道C工作且通道D不工作，端口Port1产生水平极化波或垂直极化波；当通道C不工作且通道D工作，端口Port2产生左旋圆极化波或右旋圆极化波；

当端口A不激励，端口B激励时，二选一射频开关K2只有一路通道能够工作：当通道E工作且通道F不工作时，端口Port3产生左旋圆极化波或右旋圆极化波；当通道E不工作且通道F工作时，端口Port4产生水平极化波或垂直极化波；

当端口A激励，端口B激励时：当通道C工作且通道D不工作、通道F工作且通道E不工作时，端口Port1和端口Port4同时分别产生垂直极化波或水平极化波；当通道D工作且通道C不工作、通道E工作且通道F不工作时，端口Port2和端口Port3同时分别产生左旋圆极化波或右旋圆极化波。

4.根据权利要求1所述的C波段极化可重构的微带平面阵列天线，其特征在于，所述天线单元包括依次叠加的第一层介质层基板、第二层介质层基板、第三层介质层基板；

第一层介质层基板是寄生贴片层；

第二层介质层基板的正面设置有辐射贴片和接收端口馈电网络，接收端口馈电网络连接辐射贴片的接收端口；

第二层介质层基板的背面与第三层介质层基板的正面之间设置有金属地；

第三层介质层基板的背面设置有发射端口馈电网络，发射端口馈电网络通过探针连接辐射贴片的发射端口；其中，金属地设置有通孔，探针穿过通孔且不与通孔接触。

5.根据权利要求1所述的C波段极化可重构的微带平面阵列天线，其特征在于，定向耦合器包括耦合器介质基板，耦合器介质基板的一面是金属面，耦合器介质基板的另一面设置有定向耦合器网络；定向耦合器是对称结构，两个输出的端口P2、P4输出等幅值且相位差90度的能量。