CN107342458A - 一种角馈式宽带高隔离度双极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微波天线技术领域，特别涉及一种角馈式宽带高隔离度双极化天线。天线包括：由上至下依此层叠的第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板、第四介质基板以及第五介质基板；以及在第一介质基板下表面的寄生贴片；在第三介质基板的上表面辐射贴片；在第四介质基板上表面的开缝隙金属片，且开缝隙金属片上开设有两个正交的H型缝隙；在第五介质基板上表面的两条微带馈线；在第五介质基板下表面的金属反射片；两个同轴线，每个同轴线的内导体与一条微带馈线连接；第一金属隔离过孔和第二金属隔离过孔。本发明的角馈式宽带高隔离度双极化天线，具有工作频带宽、端口隔离度高、交叉极化电平低、驻波小、剖面低、重量轻的优点。

Description

一种角馈式宽带高隔离度双极化天线
技术领域
本发明涉及微波天线技术领域，特别涉及一种角馈式宽带高隔离度双极化天线。
背景技术
相控阵天线辐射器是决定相控阵雷达性能最关键的分机系统之一，在设计相控阵天线时，通过将辐射器单元按照一定的排布，以达到低副瓣等性能要求，进而提高天线性能。通常，天线的端口隔离度和交叉极化直接影响系统的灵敏度和分辨率，而大部分天线中端口交叉极化隔离度相对较低，从而导致交叉极化隔离度电平低。
现有的辐射器单元主要有Vivaldi天线、探针耦合的微带天线以及缝隙耦合天线。Vivaldi天线单元可以满足辐射器的基本性能，但是其剖面相对较高，同时辐射单元的曲率不易加工，且重量较重。探针耦合的微带天线可以达到双极化功能，但是探针会引入电感，从而减小带宽。
发明内容
本发明的目的是提供了一种角馈式宽带高隔离度双极化天线，以解决现有相控阵天线存在的至少一个问题。
本发明的技术方案是：
一种角馈式宽带高隔离度双极化天线，包括：
由上至下依此层叠的第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板、第四介质基板以及第五介质基板；以及
寄生贴片，为截面呈方形的金属贴片，设置在所述第一介质基板的下表面；
辐射贴片，为截面呈方形的金属贴片，设置在所述第三介质基板的上表面，所述辐射贴片和寄生贴片共同作用，以增加天线工作带宽；
开缝隙金属片，为截面呈方形的金属贴片，设置在所述第四介质基板的上表面，且所述开缝隙金属片上沿垂直板面方向贯穿开设有两个正交的H型缝隙，所述H型缝隙与所述开缝隙金属片的直角边成45°夹角，所述H型缝隙是用于将能量耦合到所述辐射贴片；
两条微带馈线，设置在所述第五介质基板的上表面，且分别位于每个所述H型缝隙中心的正下方，用于将能量耦合到所述开缝隙金属片上的对应的H型缝隙；
金属反射片，设置在所述第五介质基板的下表面；
两个同轴线，其内导体贯穿所述第五介质基板上，每个所述同轴线的内导体与一条所述微带馈线连接；
第一金属隔离过孔，沿垂直板面方向贯穿开设在所述第四介质基板和第五介质基板上，且一部分所述第一金属隔离过孔沿所述第四介质基板和第五介质基板周围均匀分布，另一部分所述第一金属隔离过孔位于所述两条微带馈线之间，沿所述第四介质基板中心线呈S型均匀分布；
第二金属隔离过孔，贯穿所述第五介质基板，均匀分布在所述同轴线的内导体周围。
可选的，所述第一介质基板、第三介质基板以及第五介质基板为Rogers5880材料的介质基板；
所述第二介质基板为硬质泡沫板；
所述第四介质基板采用陶瓷材料制成。
可选的，两根所述微带馈线末端到相对应的所述H型缝隙中心的长度为四分之一波长。
可选的，所述第四介质基板和第五介质基板周围的所述第一金属隔离过孔中，任意相邻的两个所述第一金属隔离过孔之间的间距为天线单元边长的八分之一；
呈S型均匀分布所述第一金属隔离过孔中，任意相邻的两个所述第一金属隔离过孔之间的间距为天线单元边长的六分之一。
可选的，所述辐射贴片的截面面积大于所述寄生贴片的截面面积。
发明效果：
本发明的角馈式宽带高隔离度双极化天线，具有工作频带宽、端口隔离度高、交叉极化电平低、驻波小、剖面低、重量轻的优点，并且结构简单、加工方便、成本低廉；进一步，能够有效节省天线的结构空间，减轻天线重量，同时满足天线的电性能要求。
附图说明
图1是本发明角馈式宽带高隔离度双极化天线的分体结构示意图；
图2是本发明角馈式宽带高隔离度双极化天线的俯视图；
图3是本发明角馈式宽带高隔离度双极化天线中同轴线部分的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
下面结合附图1至图3对本发明角馈式宽带高隔离度双极化天线做进一步详细说明。
本发明提供了一种角馈式宽带高隔离度双极化天线，可以包括采用半固化片热压成型、由上至下依此层叠的第一介质基板11、第二介质基板12、第三介质基板13、第四介质基板14以及第五介质基板15；还可以包括寄生贴片2、辐射贴片3、开缝隙金属片4以及金属反射片6等。
进一步，第一介质基板11、第二介质基板12、第三介质基板13、第四介质基板14以及第五介质基板15的材料和厚度可以根据需要进行适合的选择。本实施例中，优选第一介质基板11、第三介质基板13以及第五介质基板15为Rogers5880材料的介质基板；其中，第一介质基板厚度为10mil、第三介质基板厚度为20mil以及第五介质基板厚度为20mil。第二介质基板12为低介电常数的硬质泡沫板；第四介质基板14采用高介电常数的陶瓷材料制成。
寄生贴片2为截面呈方形的金属贴片，采用金属刻蚀方法成型在第一介质基板11的下表面；辐射贴片3为截面呈方形的金属贴片，采用金属刻蚀方法成型在第三介质基板13的上表面，而第二介质基板12位于寄生贴片2与辐射贴片3之间。其中，辐射贴片3与寄生贴片2相互之间的尺寸可以根据需要进行适合的选择；本实施例中，优选寄生贴片2的截面面积大于辐射贴片3的截面面积。本发明的角馈式宽带高隔离度双极化天线中，通过寄生贴片2产生另一个谐振点，当调整寄生贴片2和辐射贴片3的尺寸，使得寄生贴片2与辐射贴片3产生的谐振点相接近时，就可以产生宽频带特性，以增加天线工作带宽。
开缝隙金属片4为截面呈方形的金属贴片，采用半固化片热压成型方式设置在第四介质基板14的上表面；并且，在开缝隙金属片4上沿垂直板面方向贯穿开设有两个正交的H型缝隙41，H型缝隙41与开缝隙金属片4的直角边成45°夹角(即两缝隙呈T型放置)，H型缝隙41是用于将下层传输来的能量耦合到辐射贴片3。
本发明的角馈式宽带高隔离度双极化天线中，还可以包括两条微带馈线5；两条微带馈线5设置在第五介质基板15的上表面，且分别位于每个H型缝隙41中心的正下方，形成带状线结构，用于将能量耦合到开缝隙金属片4上的对应的H型缝隙41。微带馈线5的形状以及安装位置等可以根据需要进适合的设置，本实施例中，两根微带馈线5末端到相对应的H型缝隙41中心的长度为四分之一波长。同时，上述第四介质基板14由于采用高介电常数的陶瓷材料制成，从而有利于将从微带馈线5传输的能量通过H型缝隙41耦合到上层的辐射贴片3上。
金属反射片6是采用半固化片热压成型方式设置在第五介质基板15的下表面；优选金属反射片6为Rogers Rt5880的介质基板，从而有利于将背向辐射反射到主方向上，有利于提高天线增益。
本发明的角馈式宽带高隔离度双极化天线中，还可以包括两个同轴线7，其中，同轴线7为现有机构，包括内导体、外导体以及中间介质，此处不再赘述。其内导体71贯穿第五介质基板15，且每个同轴线7的内导体71与一条微带馈线5连接。
本发明的角馈式宽带高隔离度双极化天线中，还可以包括第一金属隔离过孔81和第二金属隔离过孔82。
第一金属隔离过孔81内部镀金属，沿垂直板面方向贯穿开设在第四介质基板14和第五介质基板15上，且一部分第一金属隔离过孔81沿第四介质基板14和第五介质基板15周围均匀分布，另一部分第一金属隔离过孔81位于两条微带馈线5之间，沿第四介质基板14中心线呈S型均匀分布。
两部分第一金属隔离过孔81的孔与孔之间的间距可以根据需要进行适合的设置；本实施例中，优选第四介质基板14和第五介质基板15周围的第一金属隔离过孔81中，任意相邻的两个第一金属隔离过孔81之间的间距为天线单元边长的八分之一，从而能够增加天线隔离度，为后续组成阵列提供便利；而呈S型均匀分布第一金属隔离过孔81中，任意相邻的两个第一金属隔离过孔81之间的间距为天线单元边长的六分之一。
第二金属隔离过孔82贯穿第五介质基板15，均匀分布在同轴线7的内导体71周围；当微带馈线5与同轴线7直接相连时，会在介质板之内产生能量耦合，所以，在两个同轴线7的内导体71周围插入第二金属隔离过孔82，用于两个馈电端口之间的隔离，从而增加天线的端口隔离度，有利于能量的传输。
本发明角馈式宽带高隔离度双极化天线的工作原理如下：
通过寄生贴片2产生另一个谐振点，当与天线的辐射贴片3产生的谐振点相接近时，就可以产生宽频带特性。由于微带馈线5和H型缝隙41可以组成一个三端口网络，所以可以通过缝隙耦合，将微带馈线5上的能量耦合到辐射贴片3上。另外，本发明的微带馈线5处于同一介质板下，则两个微带馈线5间会在介质之间产生能量耦合，通过在两个微带馈线5之间以及天线单元周围插入金属隔离过孔，则相当于形成两个独立的腔体结构，即通过牺牲部分带宽，从而达到高隔离度和低交叉极化电平的特性。
在本发明角馈式宽带高隔离度双极化天线一个优选实施例中，在输入驻波小于1.5的条件下，频带宽度可以达到24％以上，辐射器单元的端口隔离度均小于-52dB，交叉极化电平均小于-30dB。辐射器单元剖面高度小于6mm，而且辐射器单元结构简单，对工艺要求不高，不仅大大减小辐射器的重量以及成本，而且性能优越，利于阵列设计。
本发明角馈式宽带高隔离度双极化天线的工作流程如下：
当天线工作于水平极化模式时，对端口1的同轴进行馈电，能量通过同轴线7传输到第四层介质基板14的微带馈线5上，再通过带有正交的H型缝隙41的开缝隙金属片4，将微带线5上传输的能量耦合到上层的辐射贴片3上，再通过辐射贴片3和寄生贴片2，将能量辐射出去，形成天线的功能。
当天线工作于垂直极化模式时，对端口2的同轴进行馈电，工作流程可参见水平极化工作模式。通过引入金属隔离过孔，将两种极化方式隔离开，从而形成高端口隔离度特性以及低交叉极化电平特性。寄生贴片2的引入，可以产生新的谐振点，当配合辐射贴片共同工作时，便可以产生宽带特性。
综上所述，本发明通过在缝隙耦合技术的基础上，同时运用角馈式馈电结构、隔离过孔的引入以及同轴馈电技术，实现了一款角馈式宽带高隔离度双极化天线天线，具有工作频带宽、端口隔离度高、交叉极化电平低、驻波小、剖面低、重量轻的优点，并且结构简单、加工方便、成本低廉。并且，能够有效节省天线的结构空间，减轻天线重量，同时满足天线的电性能要求。适用于有源相控阵的天馈设计以及其他无线运用。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种角馈式宽带高隔离度双极化天线，其特征在于，包括：
由上至下依此层叠的第一介质基板(11)、第二介质基板(12)、第三介质基板(13)、第四介质基板(14)以及第五介质基板(15)；以及
寄生贴片(2)，为截面呈方形的金属贴片，设置在所述第一介质基板(11)的下表面；
辐射贴片(3)，为截面呈方形的金属贴片，设置在所述第三介质基板(13)的上表面，所述辐射贴片(3)和寄生贴片(2)共同作用，以增加天线工作带宽；
开缝隙金属片(4)，为截面呈方形的金属贴片，设置在所述第四介质基板(14)的上表面，且所述开缝隙金属片(4)上沿垂直板面方向贯穿开设有两个正交的H型缝隙(41)，所述H型缝隙(41)与所述开缝隙金属片(4)的直角边成45°夹角，所述H型缝隙(41)是用于将能量耦合到所述辐射贴片(3)；
两条微带馈线(5)，设置在所述第五介质基板(15)的上表面，且分别位于每个所述H型缝隙(41)中心的正下方，用于将能量耦合到所述开缝隙金属片(4)上的对应的H型缝隙(41)；
金属反射片(6)，设置在所述第五介质基板(15)的下表面；
两个同轴线(7)，其内导体(71)贯穿所述第五介质基板(15)上，每个所述同轴线(7)的内导体(71)与一条所述微带馈线(5)连接；
第一金属隔离过孔(81)，沿垂直板面方向贯穿开设在所述第四介质基板(14)和第五介质基板(15)上，且一部分所述第一金属隔离过孔(81)沿所述第四介质基板(14)和第五介质基板(15)周围均匀分布，另一部分所述第一金属隔离过孔(81)位于所述两条微带馈线(5)之间，沿所述第四介质基板(14)中心线呈S型均匀分布；
第二金属隔离过孔(82)，贯穿所述第五介质基板(15)，均匀分布在所述同轴线(7)的内导体(71)周围。
2.根据权利要求1所述的角馈式宽带高隔离度双极化天线，其特征在于，所述第一介质基板(11)、第三介质基板(13)以及第五介质基板(15)为Rogers5880材料的介质基板；
所述第二介质基板(12)为硬质泡沫板；
所述第四介质基板(14)采用陶瓷材料制成。
3.根据权利要求1所述的角馈式宽带高隔离度双极化天线，其特征在于，两根所述微带馈线(5)末端到相对应的所述H型缝隙(41)中心的长度为四分之一波长。
4.根据权利要求1所述的角馈式宽带高隔离度双极化天线，其特征在于，所述第四介质基板(14)和第五介质基板(15)周围的所述第一金属隔离过孔(81)中，任意相邻的两个所述第一金属隔离过孔(81)之间的间距为天线单元边长的八分之一；
呈S型均匀分布所述第一金属隔离过孔(81)中，任意相邻的两个所述第一金属隔离过孔(81)之间的间距为天线单元边长的六分之一。
5.根据权利要求1所述的角馈式宽带高隔离度双极化天线，其特征在于，所述辐射贴片(3)的截面面积大于所述寄生贴片(2)的截面面积。
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