CN106816694A

CN106816694A - 一种低剖面低交叉极化的双极化宽带天线

Info

Publication number: CN106816694A
Application number: CN201611053747.9A
Authority: CN
Inventors: 周子成; 李雁; 姚雨帆; 卢晓鹏
Original assignee: CETC 38 Research Institute
Current assignee: CETC 38 Research Institute
Priority date: 2016-11-25
Filing date: 2016-11-25
Publication date: 2017-06-09

Abstract

本发明涉及一种低剖面低交叉极化的双极化宽带天线。包括谐振腔、上层微带板、下层微带板、四根馈电探针和同轴介质。上层微带板的顶面中部设有矩形的上层铜箔贴片，下层微带板的底面中部设有矩形的下层铜箔贴片；四根馈电探针均布位于谐振腔内，四根馈电探针将上层铜箔贴片馈电垂直过渡到谐振腔的底部，并通过同轴介质形成同轴射频连接端口；上层铜箔贴片的每一侧边与谐振腔的每一侧边呈45度角。双极化宽带天线的剖面高度为0.1‑0.15λ ₀，λ ₀为中心频率点的自由空间波长。本发明可显著提高天线单元性能，使其工作带宽达到60%。由两个以上的低剖面低交叉极化的双极化宽带天线并联组成低剖面低交叉极化的双极化宽带天线阵。

Description

一种低剖面低交叉极化的双极化宽带天线

技术领域

本发明属于微波技术领域，也可用于微波通信、现代雷达系统、电子设备等领域，具体涉及一种双极化宽带天线。

背景技术

天线是无线广播、无线通信和无线探测等系统最重要的组件之一，作为无线技术的核心，天线系统的结构和特性在很大程度上决定了整个系统的工作性能。随着有源相控阵技术的飞速发展，雷达等系统对频带宽度和扫描角的要求越来越高，这对天线的功能和性能也提出越来越多的要求。

微带贴片天线因其重量轻、体积小、成本低、加工难度低等优点在天线设计中得到广泛应用，但是受限于它的平面形式，传统的微带天线带宽常常不到10%，在需要一定频带宽度和宽角扫描时性能受到制约。其次，因为微带形式容易产生寄生辐射，传统宽带微带天线的交叉极化一般仅为-10dB～-20dB。针对这些问题，出现了宽带双极化双层微带贴片天线，其剖面高度约0.2λ ₀（λ ₀为中心工作频率在自由空间的波长），工作带宽达到40%以上，寄生贴片与天线罩一体化设计。

发明内容

为了在不需要天线罩的系统中进一步降低天线的剖面高度，并改进宽带性能，本发明提供了一种低剖面低交叉极化的双极化微带天线。

一种低剖面低交叉极化的双极化宽带天线包括顶部敞口的矩形扁盒状的谐振腔11、上层微带板31、下层微带板21、四根馈电探针41和同轴介质13；所述上层微带板31和下层微带板21上下层叠设于谐振腔11的顶部敞口处；所述上层微带板31的顶面中部设有矩形的上层铜箔贴片32，所述下层微带板21的底面中部设有矩形的下层铜箔贴片22；四根馈电探针41均布位于谐振腔11内，四根馈电探针41将上层铜箔贴片32馈电垂直过渡到谐振腔11的底部，并通过同轴介质13形成同轴射频连接端口；

所述谐振腔11采用良好导电的金属材料，其外部长度和宽度根据天线单元间距确定，天线单元的中心间距一般为0.5～0.9λ _H，λ _H为最高工作频率在自由空间的波长；内腔深度约0.05-0.1λ ₀，内腔长宽约0.4-0.6λ ₀，所述λ ₀为中心频率点的自由空间波长；

所述上层铜箔贴片32的每一侧边与谐振腔11的每一侧边呈45度角；

所述双极化宽带天线的剖面高度为0.1-0.15λ ₀。

进一步限定的技术方案如下：

上层铜箔贴片32和上层微带板31上开设有贯通二者的4个上层探针孔34；以每个上层探针孔34为圆心，在上层铜箔贴片32的每个上层探针孔34外周蚀刻出阻抗匹配环槽33，以优化阻抗匹配，形成容性电抗以匹配馈电探针引入的感性电抗分量。与4个上层探针孔34对应的下层微带板21上开设有4个下层探针孔24；每根所述四根馈电探针41的上端对应连接着上层探针孔34和下层探针孔24；对于一个天线单元的4个上层探针孔34即形成4个馈电点，激励上下两馈电点对应的探针，形成垂直极化电磁波；激励左右两馈电点的探针，形成水平极化电磁波。

所述馈电探针41两端的直径小于中部主体45的直径，馈电探针41的下端44和主体45之间设有过渡环43；每只馈电探针41的上端42与对应的上层探针孔34配合连接；所述谐振腔11的底部均布设有贯通的阶梯状的4个同轴孔12；所述同轴介质13为环状，设于同轴孔12中部的台阶处；每只馈电探针41的下端44与对应的同轴孔12配合连接，且所述过渡环43与台阶处的同轴介质13配合连接；保证馈电探针41无法向两边滑动。每只馈电探针41的下端44作为同轴射频连接的内导体。

所述馈电探针41的过渡环43的环宽小于同轴介质13的环宽，同轴介质13的材料为特氟龙材料等。

组成天线阵列时，可独立优化各天线单元的馈电探针41直径、位置（通过调节探针间距sx和sy实现）及阻抗匹配环33，以补偿不同互耦环境导致的阻抗失配。

由两个以上的低剖面低交叉极化的双极化宽带天线单元并排组成低剖面低交叉极化的双极化宽带天线阵，天线单元的中心间距一般取0.5-1.0λ _H，所述λ _H为最高频率点的自由空间波长。

本发明的有益技术效果体现在：本发明不仅保留了宽带双极化双层微带贴片天线低剖面、低交叉极化、适合阵列整体加工、适用于恶劣气候条件和剧烈振动工作环境等优点，还不需集成天线罩，使天线面高度进一步减少到0.1-0.15λ ₀，将主辐射贴片旋转45°使得馈电探针间距的优化范围更大，可显著提高天线单元性能，使其工作带宽达到60%。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为图1的A-A’面剖视图。

图3为图2的安装分解图。

图4为图1的俯视图。

图5为谐振腔11的俯视图。

图6为图5的B-B’面剖视图。

图7为下层微带板21的结构示意图。

图8为上层微带板31的结构示意图。

图9为实施例2的天线结构爆炸图。

图10为实施例2的微带板结构示意图。

上图中序号：谐振腔11、同轴孔12、同轴介质13、螺钉14、中央支撑柱15、下层微带板21、下层铜箔贴片22、下层探针孔24、上层微带板31、上层铜箔贴片32、阻抗匹配环33、上层探针孔34、馈电探针41、上端42、过渡环43、下端44、主体45。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。

实施例1

一种低剖面低交叉极化的双极化宽带天线，工作频率为1.0～1.9GHz，极化方式为水平极化和垂直极化，中心频率点的自由空间波长λ ₀约为207mm。

参见图1，一种低剖面低交叉极化的双极化宽带天线包括顶部敞口的矩形扁盒状的谐振腔11、上层微带板31、下层微带板21、四根馈电探针41和同轴介质13；谐振腔11的内腔长宽均为122mm，腔体深15mm。

参见图2和图3，上层微带板31和下层微带板21上下重叠粘合安装于谐振腔11的顶部敞口处，边缘用螺钉14固定。上层微带板31和下层微带板21的材料为相对介电常数D _k=3.48的Rogers^® RO4350型微波复介板，上层微带板31的厚度h2=3.05mm；下层微带板21的厚度h1为0.76mm。上层微带板31的顶面中部覆设有矩形的上层铜箔贴片32，上层铜箔贴片32的长宽均为67.0mm。参见图4，上层铜箔贴片32的每一侧边与谐振腔11的每一侧边呈45度角。参见图7，下层微带板21的底面中部覆设有矩形的下层铜箔贴片22，下层微带板21的长宽均为34.5mm。上层铜箔贴片32的厚度和下层铜箔贴片22的厚度均不超过0.04mm。

参见图8，上层铜箔贴片32和上层微带板31上开设有贯通二者的4个上层探针孔34；此外，加工上层铜箔贴片32时以每个上层探针孔34为圆心，在上层铜箔贴片32的每个上层探针孔34外周蚀刻出阻抗匹配环槽33，以优化阻抗匹配。阻抗匹配环槽33的中心直径为10.2mm，槽宽为2.3mm。与4个上层探针孔34对应的下层微带板21上开设有4个下层探针孔24。

四根馈电探针41均布位于谐振腔11内，馈电探针41两端的直径小于中部主体45的直径，起到限位作用以防探针上下滑动；馈电探针41的下端44和主体45之间设有过渡环43，以增加对振动冲击中可能产生的切向应力的承受能力。其中馈电探针的上端42的直径2mm，高度约为4.8mm，安装时馈电探针41的上端42穿过对应的上层探针孔34和下层探针孔24配合连接，且延伸至上层微带板31外部1mm以供焊接；馈电探针的过渡环43直径3mm，高度2mm；馈电探针的下端44直径2mm，高度2mm，适当延长作为同轴射频连接器的内导体。参见图5和图6，谐振腔11的底部均布开设有贯通的阶梯状的4个同轴孔12。同轴介质13为环状，安装于同轴孔12中部的台阶处；每只馈电探针41的下端44与对应的同轴孔12配合连接，且过渡环43与台阶处的同轴介质13配合连接；过渡环43的环宽小于同轴介质13的环宽。每只馈电探针41的下端44作为同轴射频连接的内导体。

四根馈电探针41将上层铜箔贴片32馈电垂直过渡到谐振腔11的底部，并通过同轴介质13形成同轴射频连接端口，共有4个同轴射频连接端口，这4个端口中，反相激励（即相位差180°）对角位置的两个端口，天线即辐射相应方向的线极化电磁波。例如图8中一个天线的4个上层探针孔34即形成4个馈电点，激励上下两馈电点对应的探针，可形成垂直极化电磁波；激励左右两馈电点的探针，可形成水平极化电磁波。

低剖面低交叉极化的双极化宽带天线依如下次序组装：①将同轴介质13安装到谐振腔底部的同轴孔12内，②将4根馈电探针的下端44分别插入4只同轴介质13中，③将上层微带板31和下层微带板21上下重叠粘合安装于谐振腔11的顶部敞口处，并使馈电探针的上端42穿过下层探针孔24和上层探针孔34，④利用焊锡将馈电探针的上端42外露部分焊接到上层微带板的上层铜箔贴片32上。

此外，考虑到进一步强化振动冲击的承受能力，在谐振腔11的中央安装有支撑柱15。本天线中央处的电磁场，理论上与导体外壳的地电势一致，因此，支撑柱15的材质为金属，与谐振腔11作为整体加工。

双极化宽带天线的剖面高度为0.11λ ₀，具体高度为22.8mm。

本实施例1天线的相对阻抗带宽达到62%，交叉极化优于-50dB。本双极化宽带天线具有低剖面、低交叉极化、抗振动冲击能力强等优点，且适合作为阵列天线整体加工。

实施例2

参见图9，由3个天线单元构成的天线阵列，相邻天线单元的中心距离为121mm；相邻天线的谐振腔11之间的金属壁厚为6mm。此天线阵的设计工作带宽为15%，因此采用单层辐射微带板，即仅设置上层微带板31及上层铜箔贴片32，而不需下层微带板21及下层铜箔贴片22。

参见图10，sx1、sx2、sx3分别为第1个、第2个、第3个天线单元辐射微带板上水平极化方向两个馈电点的相对距离，sy1、sy2、sy3分别为第1个、第2个、第3个天线单元辐射微带板上垂直极化方向两个馈电点的相对距离。由于阵列较小，两边单元与中央单元的电磁场耦合程度不同，因此微带贴片不再关于天线中心旋转对称，不同单元的馈点间距sx1、sx2、 sy1、sy2不相等，各馈电点的阻抗匹配环的大小也不相等。

本实施例2天线的法向波束相对阻抗带宽达到25%，交叉极化优于-45dB；天线阵列的扫描带宽为20%，扫描角达到45°。

Claims

1.一种低剖面低交叉极化的双极化宽带天线，包括顶部敞口的矩形扁盒状的谐振腔（11）、上层微带板（31）、下层微带板（21）、四根馈电探针（41）和同轴介质（13）；所述上层微带板（31）和下层微带板（21）上下层叠设于谐振腔（11）的顶部敞口处；所述上层微带板（31）的顶面中部设有矩形的上层铜箔贴片（32），所述下层微带板（21）的底面中部设有矩形的下层铜箔贴片（22）；四根馈电探针（41）均布位于谐振腔（11）内，四根馈电探针（41）将上层铜箔贴片（32）馈电垂直过渡到谐振腔（11）的底部，并通过同轴介质（13）形成同轴射频连接端口；其特征在于：所述谐振腔（11）采用良好导电的金属材料，内腔深度约0.05-0.1λ ₀，内腔长宽约0.4-0.6λ ₀，所述λ ₀为中心频率点的自由空间波长；

所述上层铜箔贴片（32）的每一侧边与谐振腔（11）的每一侧边呈45度角；

所述双极化宽带天线的剖面高度为0.1-0.15λ ₀。

2.根据权利要求1所述一种低剖面低交叉极化的双极化宽带天线，其特征在于：上层铜箔贴片（32）和上层微带板（31）上开设有贯通二者的4个上层探针孔（34）；以每个上层探针孔（34）为圆心，在上层铜箔贴片（32）的每个上层探针孔（34）外周蚀刻出阻抗匹配环槽（33），以优化阻抗匹配；与4个上层探针孔（34）对应的下层微带板（21）上开设有4个下层探针孔（24）；每根馈电探针（41）的上端分别对应连接着上层探针孔（34）和下层探针孔（24）；一个天线单元的4个上层探针孔（34）即形成4个馈电点，反相激励垂直方向上两馈电点对应的探针，形成垂直极化电磁波；反相激励水平方向上两馈电点的探针，形成水平极化电磁波。

3.根据权利要求2所述一种低剖面低交叉极化的双极化宽带天线，其特征在于：所述馈电探针（41）两端的直径小于中部主体（45）的直径，馈电探针（41）的下端（44）和主体（45）之间设有过渡环（43）；每只馈电探针（41）的上端（42）与对应的上层探针孔（34）配合连接；所述谐振腔（11）的底部均布设有贯通的阶梯状的4个同轴孔（12）；所述同轴介质（13）为环状，设于同轴孔（12）中部的台阶处；每只馈电探针（41）的下端（44）与对应的同轴孔（12）配合连接，且所述过渡环（43）与台阶处的同轴介质（13）配合连接；每只馈电探针（41）的下端（44）作为同轴射频连接的内导体。

4.根据权利要求3所述一种低剖面低交叉极化的双极化宽带天线，其特征在于：所述馈电探针（41）的过渡环（43）的环宽小于同轴介质（13）的环宽。

5.由权利要求1所述天线构成的一种低剖面低交叉极化的双极化宽带天线阵，其特征在于：由两个以上的低剖面低交叉极化的双极化宽带天线单元并排组成低剖面低交叉极化的双极化宽带天线阵。