CN106997986B - 一种x波段的圆极化天线阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种X波段的圆极化天线阵列，所述阵列由多个相同的天线单元排列而成，所述天线单元包括天线单元贴片，所述天线单元贴片覆盖在FR4基板上，所述FR4基板的下层敷有地板层，所述地板层的下方为罗杰斯基板，在罗杰斯基板的下层设置有馈电网络，所述馈电网络与天线单元贴片之间通过同轴线贯穿FR4基板、地板层、罗杰斯基板进行连接。本发明在保证圆极化性能的同时达到小型化、易加工、高增益、宽频带等要求，通过将天线单元的性能优化、天线阵列的馈电网络的合理匹配，保证了阵列性能的优异。
Description
技术领域
本发明涉及一种X波段的圆极化天线阵列，属于通信技术领域。
背景技术
在现代无线应用系统中，单纯线极化天线已很难满足需求，而圆极化天线以其抗多径干扰的优点被广泛应用于射频识别阅读器、卫星导航、遥感遥测、雷达、电子侦察与电子干扰等方面。随着现代无线通讯技术的迅猛发展，圆极化天线被要求满足更多新的性能指标。由于射频电路不断小型化、高集成化的发展要求，促使圆极化天线向小型化、高增益、宽频带工作发展的需要日益紧迫。研究并设计小型化、高增益、宽频带天线具有十分积极的意义和工程应用价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种X波段的圆极化天线阵列，在保证圆极化性能的同时达到小型化、易加工、高增益、宽频带等要求，通过将天线单元的性能优化、天线阵列的馈电网络的合理匹配，保证了阵列性能的优异。
为解决上述技术问题，本发明提供一种X波段的圆极化天线阵列，其特征是，所述阵列由多个相同的天线单元排列而成，所述天线单元包括天线单元贴片，所述天线单元贴片覆盖在FR4基板上，所述FR4基板的的下层敷有地板层，所述地板层的下方为罗杰斯基板，在罗杰斯基板的下层设置有馈电网络，所述馈电网络与天线单元贴片之间通过同轴线贯穿FR4基板、地板层、罗杰斯基板进行连接。
进一步地，所述天线单元贴片为正方形，所述天线单元贴片的一角被挖去圆角，所述圆角的圆心位于天线单元贴片的对角线上。
进一步地，所述天线单元贴片的尺寸为6.5mm×6.5mm。
进一步地，所述圆角的半径为1.6mm。
进一步地，所述阵列由16个相同的天线单元形成4×4的排列方式。
进一步地，所述天线单元贴片、地板层、馈电网络和同轴线的材质均为铜。
进一步地，所述FR4基板的体积为56mm×56mm×1.6mm，材质为环氧玻璃纤维板。
进一步地，所述罗杰斯基板的型号为RO4003C，材质为碳氢化合物陶瓷板。
进一步地，所述同轴线的半径为0.5mm。
进一步地，所述地板层在同轴线贯穿的圆面设有半径为1.5mm的同心圆孔。
本发明所达到的有益效果：
（1）天线单元结构简单、天线阵列体积小、易于加工等实际优点，适用于当前射频电路不断小型化、高集成的要求。
（2）天线阵列性能优异，满足当前对圆极化天线要求高增益、宽频带等性能指标。
（3）天线阵列应用范围广，可以用在卫星导航、雷达对抗、射频接收机等多个方面。
（4）馈电网络与天线单元贴片之间通过同轴线贯穿FR4基板、地板层、罗杰斯基板进行连接，达到对天线阵列进行馈电的效果 。
（5）FR4基板层是决定天线贴片的辐射性能的因素之一，辐射性能包括S参数、增益、轴比等。FR4基板与天线贴片构成整个单元天线结构，基板介电常数过小会使得天线尺寸增大，不利于天线阵列的小型化，而过大的介电常数会使得天线尺寸减小，不利于天线实物的加工制作，加大制作成本，本发明FR4基板的介电常数为4.4，损耗角正切为0.02。罗杰斯基板层影响天线阵列整体的辐射性能，板材介电常数过大会使天线阵列整体增益变小，达不到高增益的要求；而过小的介电常数会使馈电网络的馈线变窄，进而增大天线阵列的损耗，降低阵列增益，且增大加工难度与制作成本，本发明罗杰斯基板的介电常数为3.55,损耗角正切为0.0027。
（6）天线单元贴片的一角被挖去圆角后，可实现天线的圆极化性能。圆角的圆心位置位于天线贴片的对角线上，圆心位置的改变影响天线贴片的圆极化效果。将圆心位置由贴片顶角沿对角线移动的过程中，天线贴片的轴比AR<3dB的带宽先增大后减小，在图3中描述的位置能够达到最好的圆极化效果。
附图说明
图1是天线阵列主视图；
图2是天线单元主视图；
图3是天线单元尺寸图，单位mm；
图4是天线贴片层尺寸图，单位mm；
图5是馈电网络层尺寸图，单位mm；
图6是天线单元的回波损耗；
图7是天线单元轴比；
图8是天线单元的增益；
图9是天线单元在10GHz时的方向图；
图10是天线阵列的回波损耗；
图11是天线阵列的轴比；
图12是天线阵列的增益 ；
图13是天线阵列在10GHz的方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
图1是天线阵列的整体结构，该阵列由16个相同的天线单元排成4×4的排列方式。整体由上到下分别是天线单元贴片1（材质为铜）、FR4基板2（材质为环氧玻璃纤维板）、地板层3（材质为铜）、罗杰斯RO4003C基板4（材质为碳氢化合物陶瓷板）、馈电网络层7（材质为铜）。馈电网络层7与天线单元贴片1之间通过同轴线5（材质为铜）贯穿FR4基板2、地板层3、罗杰斯RO4003C基板4进行连接，同轴线5的半径为0.5mm。
图2与图3分别给出了天线单元的整体结构与具体尺寸。天线单元贴片1（6.5mm×6.5mm）覆盖在体积为56mm×56mm×1.6mm的FR4基板2上。天线单元贴片1的一角被挖去半径为1.6mm的圆角6，其圆心位于天线单元贴片1的对角线上。FR4基板2的背面整面贴有材质为铜的地板层3，地板层3在同轴线5贯穿的圆面位置挖有半径为1.5mm的同心圆孔。
图4是了天线贴片层的尺寸，图5是馈电网络层尺寸。其中16个天线单元位于FR4基板2（56mm×56mm×1.6mm）上，贴片与贴片之间的距离均为7.5mm，外围贴片与FR4基板2的距离均为3.5mm。地板层3被夹在FR4基板2与罗杰斯RO4003C基板4之间，罗杰斯RO4003C基板4的尺寸为56mm×56mm×1mm。罗杰斯RO4003C基板4的下层是馈电网络层7。
图6、图7、图8与图9分别给出了天线单元的S参数、轴比、增益与方向图。从图中可以看出天线单元工作频带宽、圆极化性能好、单元辐射有定向性。
图10、图11、图12与图13分别给出天线阵列的S参数、轴比、增益与方向图。从图中可以看出天线阵列的工作频带宽、圆极化性能高、增益高，可以满足当前对圆极化天线的种种新的特性要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种X波段的圆极化天线阵列，其特征是，所述阵列由多个相同的天线单元排列而成，所述天线单元包括天线单元贴片，所述天线单元贴片覆盖在FR4基板上，所述FR4基板的下层敷有地板层，所述地板层的下方为罗杰斯基板，在罗杰斯基板的下层设置有馈电网络，所述馈电网络与天线单元贴片之间通过同轴线贯穿FR4基板、地板层、罗杰斯基板进行连接；
所述FR4基板的介电常数为4.4，损耗角正切为0.02；
所述罗杰斯基板的介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027；
所述天线单元贴片为正方形，所述天线单元贴片的一角被挖去圆角，所述圆角的圆心位于天线单元贴片的对角线上。
2.根据权利要求1所述的一种X波段的圆极化天线阵列，其特征是，所述天线单元贴片的尺寸为6.5mm×6.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种X波段的圆极化天线阵列，其特征是，所述圆角的半径为1.6mm。
4.根据权利要求1所述的一种X波段的圆极化天线阵列，其特征是，所述阵列由16个相同的天线单元形成4×4的排列方式。
5.根据权利要求1所述的一种X波段的圆极化天线阵列，其特征是，所述天线单元贴片、地板层、馈电网络和同轴线的材质均为铜。
6.根据权利要求1所述的一种X波段的圆极化天线阵列，其特征是，所述FR4基板的体积为56mm×56mm×1.6mm，材质为环氧玻璃纤维板。
7.根据权利要求1所述的一种X波段的圆极化天线阵列，其特征是，所述罗杰斯基板的型号为RO4003C，材质为碳氢化合物陶瓷板。
8.根据权利要求1所述的一种X波段的圆极化天线阵列，其特征是，所述同轴线的半径为0.5mm。
9.根据权利要求1所述的一种X波段的圆极化天线阵列，其特征是，所述地板层在同轴线贯穿的圆面设有半径为1.5mm的同心圆孔。
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