CN107978865A - 一种用于相控阵的宽扫描角s波段双圆极化微带天线及其阵列 - Google Patents

一种用于相控阵的宽扫描角s波段双圆极化微带天线及其阵列 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于相控阵的宽扫描角S波段双圆极化微带天线及其阵列，其包括顶部介质层，中间介质层，底部介质层，位于顶部介质层之上的环形结构，位于中间介质层之上的矩形贴片和环形结构，位于地板之上的缝隙，位于底部介质层之下的第一馈线和第二馈线，其两端分别端接左旋圆极化端口和右旋圆极化端口，天线的左旋圆极化通过端口获得，右旋圆极化通过端口获得。其具有扫描范围±70°,宽带宽，大的波束宽度，低的宽角度轴比，结构简单等特点，天线有两个端口，可方便选择任意的左旋或右旋极化方式，并可扩展为任意多的大型相控阵。

Description

一种用于相控阵的宽扫描角S波段双圆极化微带天线及其 阵列
技术领域
本发明涉及一种用于相控阵的宽扫描角S波段双圆极化微带天线及其阵列，是基于相控阵的应用，尤其是相控阵天线技术领域。
背景技术
双极化技术是无线通信领域十分重要的技术，可用来实现极化分集和极化复用，极化分集是解决无线信道多径衰落的有效方法，而极化复用则可以更加有效地利用有限的频谱资源。且微带天线具有低轮廓、小体积、重量轻、极化特性多样化的特点，极易与馈电网络和有源电路集成，故而得到了广泛的应用。但其窄频带的缺点严重制约着现代无线通信对大带宽的需求。
针对微带天线的优点和缺点，本发明设计出了一款工作于扫描范围±70°，大带宽，高增益，双圆极化，低轴比，可应用于相控阵的宽扫描角S波段双圆极化微带天线及其阵列。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双端口双圆极化宽扫描角S波段微带天线及其阵列，该天线具有结构简单，扫描范围±70°，宽带宽，高增益，低轴比，端口隔离度高，交叉极化性能优越，且方便扩展为任意的大型阵列。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种用于相控阵的宽扫描角S波段双圆极化微带天线,
所述天线包括顶部介质层（1），中间介质层（2），底部介质层（3），位于顶部介质层（1）之上的第一环形结构（11），位于中间介质层（2）之上的矩形贴片（4）和第二环形结构（10），位于地板（12）之上的缝隙（5），位于底部介质层（3）之下的第一馈线（6）和第二馈线（9），第一馈线（6）和第二馈线（9）两端分别端接左旋圆极化端口（7）和右旋圆极化端口（8），所述天线的左旋圆极化通过左旋圆极化端口（7）获得，右旋圆极化通过右旋圆极化端口（8）获得。
其中，所述第一馈线（6）和所述第二馈线（9）分别通过地板（12）之上的缝隙（5）给天线馈电，并通过控制所述缝隙（5）的位置和大小调整耦合到天线能量的大小。
其中，所述第二环形结构（10）和所述第一环形结构（11）分别位于所述中间介质层（2）和所述顶部介质层（1）之上用来拓展天线的波束宽度。
其中，所述天线为矩形形状、圆形形状或三角形形状。
其中，所述缝隙（5）为两条交叉的十字缝隙或三条交叉的缝隙或四条交叉的米字形缝隙。
由上述的宽扫描角S波段双圆极化微带天线组成的天线阵列，所述天线阵列由若干天线单元组成，相邻任意两个天线单元的中心间距小于λ，其中，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。
其中，所述天线阵列是由天线单元组成2*2相控阵阵列，其扫描70度时，增益为4.44dB。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
首先是实现了大的带宽，完全能覆盖S频段及其拓展频段；其次是在一个天线上实现了双端口双圆极化性能，使用者可根据所需的极化方式自主选择；再次是实现了相控阵对天线的要求，在±70°扫描范围内保持高的增益和低的轴比。
附图说明
图1是本发明一种用于相控阵的宽扫描角S波段双圆极化微带天线及其阵列的结构顶视图。
图2是本发明一种用于相控阵的宽扫描角S波段双圆极化微带天线及其阵列的结构侧视图。
图3是采用HFSS进行仿真的S参数图。
图4是本发明天线在端口（8）激励时中心频率为2.1GHz时仿真辐射方向图。
图5是本发明天线在端口（7）激励时中心频率为2.1GHz时仿真辐射方向图。
图6是本发明天线在宽角范围内轴比。
图7是本发明天线在全频段内轴比。
图8是本发明天线组成2×2阵列时扫描θ=±70°时的仿真辐射方向图。
具体实施方式
下面结合图以及具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
以下参照附图，进一步描述本发明具体技术方案，以便本领域的技术人员进一步理解本发明，而不构成对其权利的限制。
需要进行说明的是：
实施例中出现的馈线（6）和馈线（9），端口（7）和端口（8）可以通过不同的附图标记加以区别，而在权利要求书中，附图标记由于不起到限定作用，因此，为了进一步明确其不同，撰写为第一馈线（6）和第二馈线（9），左旋圆极化端口（7）和右旋圆极化端口（8），仅仅是为了区分。
如图1所示，本发明一种用于相控阵的宽扫描角S波段双圆极化微带天线及其阵列包括顶部介质层（1），中间介质层（2），底部介质层（3），位于顶部介质层（1）之上的环形结构（11），位于中间介质层（2）之上的矩形贴片（4）和环形结构（10），位于地板（12）之上的缝隙（5），位于底部介质层（3）之下的馈线（6）和馈线（9），馈线（6）和馈线（9）两端分别端接左旋圆极化端口（7）和右旋圆极化端口（8），所述天线的左旋圆极化通过端口（7）获得，右旋圆极化通过端口（8）获得。
如图1所示，天线贴片采用矩形贴片实现圆极化，馈电方式采用缝隙耦合馈电。
位于底层介质板（3）背部的馈线（6）和馈线（9）为天线的馈电部分，微带线采用50欧姆阻抗，馈线（6）和馈线（9）两端分别端接一个端口，分别实现左旋圆极化和右旋圆极化，当从端口（7）馈电时，能量通过缝隙耦合到贴片，使天线产生左旋圆极化波，当从端口（8）馈电时，产生右旋圆极化波，原理与从端口（7）馈电的情形完全相同，因此只需调整一个端口的参数，另一个端口的参数即可得到；采用这种形式的馈电方式不但能方便的产生两种极化特性，并且能提高天线两个端口之间的隔离度。
馈线（6）和馈线（9）通过地板上的缝隙（5）给矩形贴片馈电，缝隙的大小和位置决定耦合到贴片的能量大小和极化方式，合理的选择缝隙的位置和大小可调整天线的增益及轴比，
位于中间介质层（2）之上的环形结构及位于顶层介质层（1）之上的环形结构主要作用是展宽天线的波束，并适当的调整天线的增益。
示例性的，本发明所使用的天线贴片不仅仅局限于矩形形状，也可采用圆形或三角形等辐射单元，本发明实施实例不进行限制。
示例性的，本发明所使用的开槽数量不仅仅局限于两条交叉的十字缝隙，也可使用三条或四条交叉的米字形或其它形式，需根据实际性能进行调整，本发明实施例不进行限制。
示例性的，本发明的耦合馈电形式，也可以采用其它开槽形式，例如哑铃形、H形等、并不局限与本发明所用的矩形，本发明实施例不进行限制。
图3是本发明实施例采用HFSS进行仿真的S参数图。-15dB带宽为：1.8GHz--2.0GHz、2.1GHz--2.46GHz，
图4是本发明实施例激励端口（8）在中心频率为2.1GHz时的仿真辐射方向图，主极化为右旋圆极化，两条曲线中不带符号的实线和带圆形符号的虚线分别为phi=0°和phi=90°两个平面，图中最大增益为5.5dB，在θ∈[-70,70]时增益>-1.43dB。
图5是本发明实施例激励端口（7）在中心频率为2.1GHz时的仿真辐射方向图，主极化为左旋圆极化，两条曲线中不带符号的实线和带三角形符号的虚线分别为phi=90°和phi=0°两个平面，图中最大增益为5.5dB，在θ∈[-70,70]时增益>-1.49dB。
图6是本发明实施例在宽角度范围内的轴比，两条曲线分别为phi=0°和phi=90°两个平面，图中在θ∈[-70,70]最大轴比为4.4dB。
图7是本发明实施例在全频段内的轴比，图中在全频段内最大轴比为5.1dB。
图8是本发明天线单元组成2×2相控阵天线阵列时，扫描角为70°时的增益，最低增益为4.4dB。
由天线单元组成任意所需的阵列时，相邻任意两个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）。
相邻两个单元的中心间距小于λ，以避免出现栅瓣和获得高的增益。
由天线单元组成2*2相控阵阵列时，扫描70度时增益为4.44dB。
本发明公开的宽扫描角S波段双圆极化微带天线及其阵列，采用两个端口分别实现两个圆极化，扫描范围±70°，在较宽的工作频段上实现了双圆极化性能，且两个端口隔离度好；采用微带馈电，使得结构简单，便于加工，适合大批量生产，易于天线扩展成任意大型阵列，获取高的增益。
以上所述仅是本发明优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术员来说，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型，这些改进和变型也应该视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于相控阵的宽扫描角S波段双圆极化微带天线,其特征在于：
所述天线包括顶部介质层（1），中间介质层（2），底部介质层（3），位于顶部介质层（1）之上的第一环形结构（11），位于中间介质层（2）之上的矩形贴片（4）和第二环形结构（10），位于地板（12）之上的缝隙（5），位于底部介质层（3）之下的第一馈线（6）和第二馈线（9），第一馈线（6）和第二馈线（9）两端分别端接左旋圆极化端口（7）和右旋圆极化端口（8），所述天线的左旋圆极化通过左旋圆极化端口（7）获得，右旋圆极化通过右旋圆极化端口（8）获得。
2.根据权利要求1所述的一种用于相控阵的宽扫描角S波段双圆极化微带天线，其特征在于：
所述第一馈线（6）和所述第二馈线（9）分别通过地板（12）之上的缝隙（5）给天线馈电，并通过控制所述缝隙（5）的位置和大小调整耦合到天线能量的大小。
3.根据权利要求1所述的一种用于相控阵的宽扫描角S波段双圆极化微带天线，其特征在于：
所述第二环形结构（10）和所述第一环形结构（11）分别位于所述中间介质层（2）和所述顶部介质层（1）之上用来拓展天线的波束宽度。
4.根据权利要求1所述的一种用于相控阵的宽扫描角S波段双圆极化微带天线，其特征在于：
所述天线为矩形形状、圆形形状或三角形形状。
5.根据权利要求1所述的一种用于相控阵的宽扫描角S波段双圆极化微带天线，其特征在于：
所述缝隙（5）为两条交叉的十字缝隙或三条交叉的缝隙或四条交叉的米字形缝隙。
6.由权利要求1-5之一所述的宽扫描角S波段双圆极化微带天线组成的天线阵列，其特征在于：
所述天线阵列由若干天线单元组成，相邻任意两个天线单元的中心间距小于λ，其中，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。
7.根据权利要求6所述的天线阵列，其特征在于：
所述天线阵列是由天线单元组成2*2相控阵阵列，其扫描70度时，增益为4.44dB。
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