CN107994325A - 一种用于u波段和s波段的三模宽带双圆极化微带天线 - Google Patents
一种用于u波段和s波段的三模宽带双圆极化微带天线 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于U波段和S波段的三模宽带双圆极化微带天线,包括S波段2×2相控阵天线和UHF波段天线。其具有大带宽,宽波束,低的宽角度轴比,建构简单等特点,其中U波段可通过外接环形器实现收发右旋圆极化,S波段可根据需要分别连接天线的两个端口,实现所需的左旋圆极化或右旋圆极化特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于U波段和S波段的三模宽带双圆极化微带天线,其可用于U波段和S波段的卫星移动通信领域。
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。
低频段的应用可追溯到上世纪,从上世纪六七十年代以来,美国为了适应全球战略需求逐步建立了一些军事卫星通信系统,采用UHF频段中的200-400MHz作为工作频段,主要是利用了U波段的一下优点:信号穿透性强,能适应恶略的环境;传播损耗比较小;易于与地面军用短波电台组网;波束覆盖范围大等。
针对微带天线的优点和缺点,本发明设计出了一款工作带宽大、高增益、双圆极化、低轴比、扫描范围±70°的S波段微带天线和大带宽、高增益、低轴比的U波段微带天线。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能同时工作于U波段和S波段的微带天线,其中工作于U波段的微带天线具有结构简单,大带宽,高增益,低轴比的特点;工作于S波段的天线具有结构简单,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U波段和S波段的三模宽带双圆极化微带天线,
所述天线包括S波段2×2相控阵天线(1)和UHF波段天线(2),所述S波段2×2相控阵天线包括顶部介质层(3),中间介质层(4),底部介质层(5),位于顶部介质层(3)之上的第一环形结构(13),位于中间介质层(4)之上的矩形贴片(6)和第二环形结构(12),位于第一地板(14)之上的第一缝隙(7),位于底部介质层(5)之下的第一馈线(8)和第二馈线(11),第一馈线(8)和第二馈线(11)两端分别端接左旋圆极化端口(9)和右旋圆极化端口(10),所述S波段2×2相控阵天线的左旋圆极化通过左旋圆极化端口(9)获得,右旋圆极化通过右旋圆极化端口(10)获得;
所述UHF波段天线包括第二地板(15),所述第二地板(15)上设置有第二缝隙(16),第三馈线(17),L形的第一条带(18)、第二条带(19)、第三条带(20)、第四条带(21)、第五条带(23)、第六条带(24)以及圆(22),L形的第一条带(18)、第二条带(19)、第三条带(20)、第四条带(21)、第五条带(23)和第六条带(24)两两之间不相交,第一条带(18)和第二条带(19)方向一致,第三条带(20)和第四条带(21)方向一致,第五条带(23)和第六条带(24)方向一致;所述圆(22)的半径可调整,通过控制圆形的半径调整所述UHF波段天线的工作频率,L形的所述第一条带(18)、第二条带(19)、第三条带(20)、第四条带(21)、第五条带(23)和第六条带(24)的长度和宽度可调整,通过控制第一条带(18)和第二条带(19)的长度和宽度调整天线的带宽,通过控制第三条带(20),第四条带(21),第五条带(23)和第六条带(24)的长度和宽度调整天线的轴比。
其中,所述S波段2×2相控阵天线的第一馈线(8)和第二馈线(11)分别通过第一地板(14)之上的第一缝隙(7)给天线馈电,并通过控制所述第一缝隙(7)的位置和大小调整耦合到天线能量的大小。
其中,所述S波段2×2相控阵天线的第二环形结构(12)和第一环形结构(13)分别位于中间介质层(4)和顶部介质层(3)之上用来拓展天线的波束宽度。
其中,所述UHF波段天线通过第三馈线(17)馈电。
本发明与现有技术相比,其显著优点为:
首先本发明在各个频段都实现了较大的带宽,U波段-10dB带宽为262MHz--415MHz,S波段-15dB带宽完全覆盖S波段及其拓展波段;其次是S波段相控阵天线在一个单元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,并且实现了相控阵对天线的要求,在宽角度电扫描范围内保持高的增益和低的轴比;再次,通常U波段为低频频段,其对应的天线一般尺寸较大,而本发明的U波段天线尺寸仅约为0.4 ( 为中心频率所对应的自由空间波长)。
附图说明
图1是本发明一种用于U波段和S波段的三模宽带双圆极化微带天线构成图。
图2是本发明一种用于U波段和S波段的三模宽带双圆极化微带天线S波段天线侧视图。
图3是本发明一种用于U波段和S波段的三模宽带双圆极化微带天线S波段天线俯视图。
图4是本发明一种用于U波段和S波段的三模宽带双圆极化微带天线U波段天线俯视图。
图5是本发明S波段天线采用HFSS进行仿真的S参数图。
图6是本发明S波段天线在端口(10)激励中心频率为2.1GHz时仿真辐射方向图。
图7是本发明S波段天线在端口(9)激励中心频率为2.1GHz时仿真辐射方向图。
图8是本发明S波段天线在宽角范围内轴比。
图9是本发明S波段天线在全频段内轴比。
图10是本发明S波段天线组成2×2阵列时扫描θ=±70°时的仿真辐射方向图。
图11是本发明U波段天线采用HFSS进行仿真的S参数图。
图12是本发明U波段天线在中心频率为0.37GHz时仿真辐射方向图。
图13是本发明U波段天线在全频段内的轴比。
图14是本发明U波段天线在全频段内右旋圆极化增益。
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:
实施例中出现的不同的地板,间隙,缝隙,馈线,L形的条带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,撰写为第一地板(14),第二地板(15),第一缝隙(7),第二缝隙(16),第一馈线(8),第二馈线(11),第三馈线(17),L形的第一条带(18)、第二条带(19)、第三条带(20)、第四条带(21)、第五条带(23)、第六条带(24)仅仅是为了区分。
如图1所示,本发明一种用于U波段和S波段的三模宽带双圆极化微带天线包括S波段2×2相控阵天线(1)和UHF波段天线(2),S波段天线单元包括顶部介质层(3),中间介质层(4),底部介质层(5),位于顶部介质层(3)之上的环形结构(13),位于中间介质层(4)之上的矩形贴片(6)和环形结构(12),位于地板(14)之上的缝隙(7),位于底部介质层(5)之下的馈线(8)和馈线(11),馈线(8)和馈线(11)两端分别端接左旋圆极化端口(9)和右旋圆极化端口(10),所述天线的左旋圆极化通过端口(9)获得,右旋圆极化通过端口(10)获得;U波段天线包括地板(15),缝隙(16),馈线(17),L形的条带(18)、(19)、(20)、(21),圆(22),通过控制圆形的半径调整天线的工作频率,通过控制条带(18)和条带(19)的长度和宽度调整天线的带宽,通过控制条带(20)、(21)、(23)、(24)的长度和宽度调整天线的轴比。
如图3所示,S波段天线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(5)之下的馈线(8)和馈线(11)为天线的馈电部分,微带线采用50欧姆阻抗,馈线(8)和馈线(11)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(9)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(10)馈电时,产生右旋圆极化波,原理与从端口(9)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(8)和馈线(11)通过地板上的缝隙(7)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(4)之上的环形结构及位于顶层介质层(3)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5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6是本发明实施例激励端口(10)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7是本发明实施例激励端口(9)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8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9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10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。
图11的天线S参数可以看出,天线的-10dB带宽在262MHz-415MHz,带宽百分比达到45%,
图12是本发明在中心频率0.37GHz时phi=0°和phi=90°的仿真辐射方向图,图中最大增益为3.5dB,在θ=±70°时的增益大于-3.8dB。
图13是本发明在全频段内频率随轴比变化的曲线,图中在326MHz--450MHz范围内,轴比小于3dB。
图14是本发明在全频段内频率随增益的变化曲线,图中在330MHz--400MHz范围内,增益大于3dB。
本发明公开的一种用于U波段和S波段的三模宽带双圆极化微带天线,S波段天线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;U波段圆极化微带天线,在较低频段实现了较大的工作带宽和较大的轴比带宽,且结构简单,加工方便,成本低廉,便于与电路集成。
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 (4)
1.一种用于U波段和S波段的三模宽带双圆极化微带天线,其特征在于:
所述天线包括S波段2×2相控阵天线(1)和UHF波段天线(2),所述S波段2×2相控阵天线包括顶部介质层(3),中间介质层(4),底部介质层(5),位于顶部介质层(3)之上的第一环形结构(13),位于中间介质层(4)之上的矩形贴片(6)和第二环形结构(12),位于第一地板(14)之上的第一缝隙(7),位于底部介质层(5)之下的第一馈线(8)和第二馈线(11),第一馈线(8)和第二馈线(11)两端分别端接左旋圆极化端口(9)和右旋圆极化端口(10),所述S波段2×2相控阵天线的左旋圆极化通过左旋圆极化端口(9)获得,右旋圆极化通过右旋圆极化端口(10)获得;
所述UHF波段天线包括第二地板(15),所述第二地板(15)上设置有第二缝隙(16),第三馈线(17),L形的第一条带(18)、第二条带(19)、第三条带(20)、第四条带(21)、第五条带(23)、第六条带(24)以及圆(22),L形的第一条带(18)、第二条带(19)、第三条带(20)、第四条带(21)、第五条带(23)和第六条带(24)两两之间不相交,第一条带(18)和第二条带(19)方向一致,第三条带(20)和第四条带(21)方向一致,第五条带(23)和第六条带(24)方向一致;所述圆(22)的半径可调整,通过控制圆形的半径调整所述UHF波段天线的工作频率,L形的所述第一条带(18)、第二条带(19)、第三条带(20)、第四条带(21)、第五条带(23)和第六条带(24)的长度和宽度可调整,通过控制第一条带(18)和第二条带(19)的长度和宽度调整天线的带宽,通过控制第三条带(20),第四条带(21),第五条带(23)和第六条带(24)的长度和宽度调整天线的轴比。
2.根据权利要求1所述的一种用于U波段和S波段的三模宽带双圆极化微带天线,其特征在于:
所述S波段2×2相控阵天线的第一馈线(8)和第二馈线(11)分别通过第一地板(14)之上的第一缝隙(7)给天线馈电,并通过控制所述第一缝隙(7)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U波段和S波段的三模宽带双圆极化微带天线,其特征在于:
所述S波段2×2相控阵天线的第二环形结构(12)和第一环形结构(13)分别位于中间介质层(4)和顶部介质层(3)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U波段和S波段的三模宽带双圆极化微带天线,其特征在于:
所述UHF波段天线通过第三馈线(17)馈电。
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