CN107331973B - 一种c波段收发一体微带阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明主要属于通信天线技术领域，尤其是卫星天线技术领域，具体涉及一种C波段收发一体微带阵列天线。所述微带阵列天线包括多个由收发共用驱动贴片和收发共用寄生贴片构成的收发共用天线单元，所述收发共用天线单元用于实现C波段收发天线的一体化；所述微带阵列天线还包括馈电网络、接收馈电端口和发射馈电端口，所述接收馈电端口和所述发射馈电端口均与所述馈电网络连接，所述馈电网络为所述收发共用驱动贴片馈电。本发明所述C波段收发一体微带阵列天线具有大的带宽，结构简单，增益高，端口隔离度好，交叉极化性能优越，且方便扩展为更大的大型阵列，对于C波段的卫星通信应用有着无可比拟的优势。

Description

一种C波段收发一体微带阵列天线
技术领域
本发明主要属于通信天线技术领域，尤其是卫星天线技术领域，具体涉及一种C波段收发一体微带阵列天线。
背景技术
传统卫星通信天线大多使用抛物面天线，但其体积大，质量重，携带移动极其不方便，尤其是要适应现代便携通信设备，更突显了它的缺点。因此，体积小，质量轻，剖面低，制作简单，价格优，易共形，能够得到单方向的宽瓣方向图，最大辐射方向在平面的法线方向，易于实现线极化、圆极化等特点的微带天线，得到了广泛的研究和应用。但微带天线是一种谐振类天线，相对带宽较窄，功率容量小等特点使它的使用范围受到限制。
目前工作在C波段的微带天线存在着带宽窄、只能覆盖C波段一部分、只能实现单极化收发天线要分开、以及交叉极化水平太高的技术问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种C波段收发一体天线。目的在于提供一种双端口双频双线极化的实用的超材料C波段收发一体微带阵列天线，该天线具有大的带宽，结构简单，增益高，端口隔离度好，交叉极化性能优越，且方便扩展为更大的大型阵列，对于C波段的卫星通信有着无可比拟的优势。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种C波段收发一体微带阵列天线，所述微带阵列天线包括多个由收发共用驱动贴片和收发共用寄生贴片构成的收发共用天线单元，所述收发共用天线单元用于实现C波段收发天线的一体化；
所述微带阵列天线还包括馈电网络、接收馈电端口和发射馈电端口，所述接收馈电端口和所述发射馈电端口均与所述馈电网络连接，所述馈电网络为所述收发共用驱动贴片馈电。
进一步地，每个收发共用天线单元均由一个所述收发共用驱动贴片和一个所述收发共用寄生贴片对应平行设置构成；所述微带阵列天线中所有所述收发共用天线单元等间距设置，组成微带天线阵列。
进一步地，所述收发共用驱动贴片和收发共用寄生贴片形状相同，为矩形、三角形、圆形或方形。
进一步地，在同一微带阵列天线中，任意相邻的两个收发共用天线单元的中心间距小于λ，λ为收发工作频段的中心频率中的高频对应的自由空间波长。
进一步地，所述微带阵列天线还包括开槽地板以及从上到下依次叠放的寄生贴片介质基板、驱动贴片介质基板和馈电网络介质基板；
所述收发共用寄生贴片设置在所述寄生贴片介质基板上部；所述收发共用驱动贴片设置在所述驱动贴片介质基板和所述寄生贴片介质基板之间；所述开槽地板设置在所述馈电网络介质基板和所述驱动贴片介质基板之间、所述馈电网络设置在所述馈电网络介质基板的底部。
进一步地，所述馈电网络包括接收天线馈电网络和发射天线馈电网络；所述接收天线馈电网络包括多个接收频段的T型微带功分器和驱动贴片接收馈电端口；所述发射天线馈电网络包括多个发射频段的T型微带功分器和驱动贴片发射馈电端口；
所述驱动贴片接收馈电端口和所述驱动贴片发射馈电端口分别通过所述开槽地板上的接口馈电缝隙和发射馈电缝隙为该收发共用天线单元中的所述收发共用驱动贴片馈电。
进一步地，所述驱动贴片接收馈电端口和所述驱动贴片发射馈电端口的数量均与所述收发共用天线单元数量相同；每个所述收发共用天线单元对应一个所述驱动贴片接收馈电端口和一个所述驱动贴片发射馈电端口。
进一步地，所述馈电网络介质基板采用铁氧体超材料、铁电体超材料、液晶超材料或其它电磁超材料。
本发明的有益技术效果：
(1)本发明所述C波段收发一体微带阵列天线最大可能的减小了天线的体积，实现了C波段收发天线的一体化；
(2)本发明所述C波段收发一体微带阵列天线在收发频段上实现双频双线极化，两个端口隔离度好，交叉极化性能优越；解决了传统C波段微带天线带宽窄，增益低，收发分置的问题；
(3)采用耦合孔径馈电，减少了馈电网络对天线辐射性能的影响，并降低了天线与馈电网络匹配的复杂度；
(4)本发明介质基板采用液晶超材料，由于超材料的介电常数和损耗正切可根据外界所加条件在一定范围内改变，因此还可通过改变外界条件控制超材料的介电常数和损耗正切，从而改变或拓宽天线的频段或带宽，实现可重构天线的效果。
附图说明
图1是本发明实施例1中C波段收发一体微带阵列天线的结构俯视图。
图2是本发明实施例1中C波段收发一体微带阵列天线的结构侧视图。
图3是本发明实施例1中微带阵列天线采用HFSS进行仿真的S参数图。
图4是本发明实施例1中微带阵列天线在接收频段频率为4GHz时仿真辐射方向图。
图5是本发明实施例1中微带阵列天线在发射频段频率为6GHz时仿真辐射方向图。
图6是本发明实施例1中微带阵列天线在接收馈电端口的共极化与交叉极化图。
图7是本发明实施例1中微带阵列天线在发射馈电端口的共极化与交叉极化图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
实施例1
一种C波段收发一体微带阵列天线，如图1-2所示，所述微带阵列天线包括多个由收发共用驱动贴片3和收发共用寄生贴片2构成的收发共用天线单元，所述收发共用天线单元用于实现C波段收发天线的一体化；所述微带阵列天线还包括馈电网络9、接收馈电端口13和发射馈电端口14，所述接收馈电端口13和所述发射馈电端口14均与所述馈电网络9连接，所述馈电网络9为所述收发共用驱动贴片3馈电。
每个收发共用天线单元均由一个所述收发共用驱动贴片3和一个所述收发共用寄生贴片2对应平行设置构成；所述微带阵列天线中所有所述收发共用天线单元等间距设置，组成微带天线阵列。在本实施例中，所述收发共用天线单元为4*4微带天线阵列。
在本实施例中，所述收发共用驱动贴片3和收发共用寄生贴片2均为矩形，在其他实施例中，也可采用圆形、三角形或方形。
在同一微带阵列天线中，任意相邻的两个收发共用天线单元的中心间距小于λ，λ为收发工作频段的中心频率中的高频对应的自由空间波长，相邻的两个收发共用天线单元的中心间距小于λ能够避免出现栅瓣和获得高的增益。
所述微带阵列天线还包括开槽地板8以及从上到下依次叠放的寄生贴片介质基板6、驱动贴片介质基板7和馈电网络介质基板12；
所述收发共用寄生贴片2设置在所述寄生贴片介质基板6上部；所述收发共用驱动贴片3设置在所述驱动贴片介质基板7和所述寄生贴片介质基板6之间；所述开槽地板8设置在所述馈电网络介质基板12和所述驱动贴片介质基板7之间、所述馈电网络9设置在所述馈电网络介质基板12的底部。
其中所述收发共用寄生贴片2的目的是为了增加天线的工作带宽和增益。
所述馈电网络9包括接收天线馈电网络和发射天线馈电网络；所述接收天线馈电网络包括多个接收频段的T型微带功分器11和驱动贴片接收馈电端口；所述发射天线馈电网络包括多个发射频段的T型微带功分器10和驱动贴片发射馈电端口；
其中，每一个所述接收频段的T型微带功分器11和每一个所述发射频段的T型微带功分器10均为一个阻抗变换节点；通过所述接收频段的T型微带功分器11将与所述馈电网络9连接的所述接收馈电端口13变换为等功率的驱动贴片接收馈电端口；通过所述发射频段的T型微带功分器10将与所述馈电网络9连接的所述发射馈电端口14变换为等功率的驱动贴片发射馈电端口。
所述驱动贴片接收馈电端口和所述驱动贴片发射馈电端口分别通过所述开槽地板8上的接口馈电缝隙4和发射馈电缝隙5为该收发共用天线单元中的所述收发共用驱动贴片3馈电。接口馈电缝隙4和发射馈电缝隙5的位置和大小直接影响耦合到驱动贴片能量多少，在本实施例中，由于矩形缝隙已经满足性要求，故采用矩形缝隙，若开槽地板8的面积有限，则接口馈电缝隙4和发射馈电缝隙5可以采用哑铃状或H形缝隙，本实施例中采用的矩形缝隙在两个正交方向。
即所述收发共用驱动贴片3的第一频率通过馈电网络9的接收天线馈电网络耦合馈电与接收馈电端口13相连，即所述收发共用驱动贴片3的第二频率通过馈电网络9的发射天线馈电网络耦合馈电与发射馈电端口14相连。
所述驱动贴片接收馈电端口和所述驱动贴片发射馈电端口的数量均与所述收发共用天线单元数量相同；每个所述收发共用天线单元对应一个所述驱动贴片接收馈电端口和一个所述驱动贴片发射馈电端口；
馈电网络9设置在所述馈电网络介质基板12的底部，能量经由开槽地板8上的接口馈电缝隙4和发射馈电缝隙5耦合到驱动贴片，为了尽可能多的使能量向正向辐射，尽最大可能使能量不向背向辐射，但电磁波为双向辐射，为了使设计的天线在增大正向辐射的同时减小背向辐射，馈电网络9的介质基板12必须选择高介电常数以使电磁波束缚于介质基板中，从而降低背向辐射；又由于考虑到能量在馈电网络9上的损耗要尽量小，所以所述馈电网络介质基板12需要选择低损耗的材料。在本实施例中，所述馈电网络介质基板12采用液晶超材料。在其他实施例中，所述馈电网络介质基板还可以使用铁氧体超材料、铁电体超材料、罗杰斯、聚四氟乙烯等其他满足要求的材料。
收发共用驱动贴片3长边的长度约为其对应工作频率波长的二分之一，依据此条件可初步确定驱动贴片的尺寸。因天线设计为收发一体，正交极化，故矩形驱动贴片3的长边的长度约为接收频率对应波长的二分之一，短边的长度约为发射频率对应波长的二分之一。
在本实施例中的天线由地板另一侧的馈电网络9通过开槽地板8上的缝隙进行耦合馈电给收发共用驱动贴片3，馈电网络9中微带线的阻抗选定为50欧；馈电网络9中微带线开路段的长度影响天线的电抗，具体公式为：
Figure BDA0001298658310000081
式中Z0为馈电网络9中微带线的特性阻抗，j为虚数符号，β为相位常数，ls为开路段的长度，通过调节馈电网络9中微带线开路段的长度对天线的电抗进行调整。
在本实施例中根据已设计出的天线单元组成4*4微带天线阵列，收发馈电网络9在同一平面，采用并联馈电形式，利用T型一分二微带功分器，收发频段分别采用四个一分二微带功分器,分别把一路分为16路，上述32路均用于为所述收发共用驱动贴片3馈电。
本实施例中的馈电网络9，也可以使用收发频段馈电网络不共面结构，例如采用两层板，微带与同轴波导结合的方式，本发明实施专利不进行限制。
由图3-7可知：天线接收频段工作范围为3.57GHz--4.31GHz，发射频段工作范围为5.84GHz-6.43GHz，接收增益17.29dBi，发射增益19.68dBi，接收交叉极化小于-19dB，发射交叉极化小于-30dB。
在本实施例中不仅降低了收发天线分置的复杂麻烦，还大大降低了生产成本。相比现有技术，天线收发带宽完全覆盖C波段，且收发一体，增益可观，极大的方便了C波段卫星通信设备的使用者，有利于使用者多场合、多用途使用。

Claims (4)

1.一种C波段收发一体微带阵列天线，其特征在于，所述微带阵列天线包括多个由收发共用驱动贴片（3）和收发共用寄生贴片（2）构成的收发共用天线单元，所述收发共用天线单元用于实现C波段收发天线的一体化；
所述微带阵列天线还包括馈电网络（9）、接收馈电端口（13）和发射馈电端口（14），所述接收馈电端口（13）和所述发射馈电端口（14）均与所述馈电网络（9）连接，所述馈电网络（9）为所述收发共用驱动贴片（3）馈电；
每个收发共用天线单元均由一个所述收发共用驱动贴片（3）和一个所述收发共用寄生贴片（2）对应平行设置构成；所述微带阵列天线中所有所述收发共用天线单元等间距设置，组成微带天线阵列；
所述收发共用驱动贴片（3）和收发共用寄生贴片（2）形状相同，为矩形；
矩形驱动贴片的长边的长度为接收频率对应波长的二分之一，短边的长度为发射频率对应波长的二分之一；
天线接收频段工作范围为3.57GHz-4.31GHz，发射频段工作范围为5.84GHz-6.43GHz，接收增益17.29dBi，发射增益19.68dBi，接收交叉极化小于-19dB，发射交叉极化小于-30dB；
所述微带阵列天线还包括开槽地板（8）以及从上到下依次叠放的寄生贴片介质基板（6）、驱动贴片介质基板（7）和馈电网络介质基板（12）；
所述收发共用寄生贴片（2）设置在所述寄生贴片介质基板（6）上部；所述收发共用驱动贴片（3）设置在所述驱动贴片介质基板（7）和所述寄生贴片介质基板（6）之间；所述开槽地板（8）设置在所述馈电网络介质基板（12）和所述驱动贴片介质基板（7）之间、所述馈电网络（9）设置在所述馈电网络介质基板（12）的底部；
所述馈电网络介质基板（12）采用液晶超材料。
2.根据权利要求1所述一种C波段收发一体微带阵列天线，其特征在于，在同一微带阵列天线中，任意相邻的两个收发共用天线单元的中心间距小于λ，λ为收发工作频段的中心频率中的高频对应的自由空间波长。
3.根据权利要求1所述一种C波段收发一体微带阵列天线，其特征在于，所述馈电网络（9）包括接收天线馈电网络和发射天线馈电网络；所述接收天线馈电网络包括多个接收频段的T型微带功分器（11）和驱动贴片接收馈电端口；所述发射天线馈电网络包括多个发射频段的T型微带功分器（10）和驱动贴片发射馈电端口；
所述驱动贴片接收馈电端口和所述驱动贴片发射馈电端口分别通过所述开槽地板（8）上的接收馈电缝隙（4）和发射馈电缝隙（5）为该收发共用天线单元中的所述收发共用驱动贴片（3）馈电。
4.根据权利要求3所述一种C波段收发一体微带阵列天线，其特征在于，所述驱动贴片接收馈电端口和所述驱动贴片发射馈电端口的数量均与所述收发共用天线单元数量相同；每个所述收发共用天线单元对应一个所述驱动贴片接收馈电端口和一个所述驱动贴片发射馈电端口。
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