CN108336491B - 基于微带巴伦馈电的双频双极化叠层贴片天线及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于微带巴伦馈电的双频双极化叠层贴片天线及其设计方法，与现有技术相比解决了双频双极化天线阻抗带宽过窄、隔离度较低、交叉极化大的缺陷。本发明的第一方形贴片上镶嵌有四个矩形帽，四个馈电探针分别位于四个矩形帽内，四个馈电探针均穿过上微波介质基板、中微波介质基板和下微波介质基板且4个馈电探针的上端分别与四个矩形帽相连，其中2个馈电探针的下端分别与第一微带巴伦两个输出端口相连，另2个馈电探针的下端分别与第二微带巴伦两个输出端口相连。本发明具有相对带宽大、隔离度高、交叉极化小、辐射方向图对称的优点，适用于WiMAX、WLAN无线通信系统。
Description
技术领域
本发明涉及微波无源器件技术领域，具体来说是基于微带巴伦馈电的双频双极化叠层贴片天线及其设计方法。
背景技术
天线作为无线电通讯的发射和接收设备，直接影响电波信号的质量，因而，天线在无线电通讯中占有极其重要的地位。一个结构合理、性能优良的天线系统可以最大限度地降低对整个无线系统的要求，从而可以节约系统成本，同时可以提高整个无线系统的性能。微带天线由于具有低剖面、结构轻巧、小型化、低损耗、成本低等优点成为一些无线领域的首选天线。早在1953年G.A.DcDhamps教授提出利用微带线的辐射来制成微带微波天线的概念。但是，在接下来的近20年里，对此只有一些零星的研究。直到1972年，由于微波集成技术的发展和空间技术对低剖面天线的迫切需求，芒森(R.E.Munson)和豪威尔(J.Q.Howell)等研究者制成了第一批实用的微带天线。随之，国际上展开了对微带天线的广泛研究和应用。
当前随着全球通信业务的迅速发展，作为未来个人通信主要手段的无线移动通信技术己引起了人们的极大关注，在整个无线通讯系统中，天线是将射频信号转化为无线信号的关键器件，其性能的优良对无线通信工程的成败起到重要作用。现代无线通信技术和雷达技术的快速发展，无线通信系统对于具有多频带、大带宽等特性的天线需求增大。为了解决这个问题，双频天线应运而生，双频微带天线具有结构紧凑、低损耗、高性能、多模式的特性而被广泛用于无线通信的各个领域。
同样，发展日益迅速的无线通信市场对于具有双极化特性的天线需求增大，因为具有极化多样性的天线一定程度上节约了安装成本，而且如果双极化天线能够同时接受两个互相正交的极化波，由极化多样性带来的极化增益就可以最大化。在这种情况下具有双频带双极化特性的天线刺激了市场对于此类天线的需求。
现有技术中，通过在天线辐射贴片周围加载寄生导带的形式，使用短路开口环作为辐射贴片以及在贴片上蚀刻矩形槽的传统方法都可以使天线具有双频带特性，但对于这些方法都存在两个谐振频带内阻抗带宽过小的缺陷而不能满足现代无线通信的要求。使天线获得双极化特性的方法也有很多，例如使用不同形状的馈电探针或者不同的馈电结构都可以获得双极化的特性，但是由于馈电探针的形状多样化使得一些天线虽然具有了双极化的特性，但是天线的辐射方向图存在不对称的情况，以及一些变形的馈电探针使得天线体积变大，很大程度上限制了天线的使用条件。
同时，对于传统的具有双频双极化特性的天线都普遍存在一个问题，即为获得双频带的特性而牺牲了高阻抗带宽的特性，无疑这将会限制天线的使用范围。此外，仅通过改变天线辐射结构或者馈电形状来获得双极化特性这一点，在一定程度上对天线的辐射方向图造成了影响以及使得整个天线体积变大这些都是不容忽视的问题。
因此，如何在天线同时具有双频带双极化特性的前提下提高天线的阻抗带宽、隔离度、交叉极化抑制能力，同时能够辐射对称的方向图、减小天线体积已经成为急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中双频双极化天线阻抗带宽过窄、隔离度较低、交叉极化大的缺陷，提供一种基于微带巴伦馈电的双频双极化叠层贴片天线及其设计方法来解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于微带巴伦馈电的双频双极化叠层贴片天线，包括天线辐射组件和天线馈电组件，天线辐射组件包括第一谐振单元组件和第二谐振单元组件，
所述的第一谐振单元组件包括上微波介质基板，上微波介质基板的上表面蚀刻有第一方形贴片，第二谐振单元组件包括中微波介质基板，中微波介质基板的上表面蚀刻有第二方形贴片，天线馈电组件包括下微波介质基板，金属接地板印刷在下微波介质基板的上表面，第一微带巴伦和第二微带巴伦印刷在微波介质基板的下表面，第一微带巴伦和第二微带巴伦上均焊接有贴片电阻，第一微带巴伦与第二微带巴伦的结构相同，第一微带巴伦在贴片电阻的后端通过功分器分为两个输出端口；
上微波介质基板安装在中微波介质基板上，中微波介质基板安装在下微波介质基板上，馈电探针的数量为四个；
第一方形贴片上镶嵌有四个矩形帽，四个馈电探针分别位于四个矩形帽内，四个馈电探针均穿过上微波介质基板、中微波介质基板和下微波介质基板且4个馈电探针的上端分别与四个矩形帽相连，其中2个馈电探针的下端分别与第一微带巴伦两个输出端口相连，另2个馈电探针的下端分别与第二微带巴伦两个输出端口相连。
所述的第一方形贴片的四条边上均镶嵌有两个矩形槽，第二方形贴片和金属接地板上位于矩形帽的正下方处均蚀刻有圆孔，馈电探针穿过圆孔。
所述的馈电探针为圆柱形。
所述的微波介质基板和微波介质基板的四条边上规则性设有金属化过孔。
所述的第一微带巴伦上在功分器后端的部分为宽带移相器。
所述的四个矩形帽中与第一微带巴伦两个输出端口相连的2个馈电探针位于第一方形贴片的横向中心线上，四个矩形帽中与第二微带巴伦两个输出端口相连的2个馈电探针位于第一方形贴片的纵向中心线上。
所述的矩形槽的长边均朝向第一方形贴片的中心线且矩形槽的长边与第一方形贴片的边相垂直。
基于微带巴伦馈电的双频双极化叠层贴片天线的设计方法，包括以下步骤：
第一方形贴片和第二方形贴片尺寸的设计；
设第一方形贴片的长度为L1、宽度为W1，第二方形贴片的长度为L2、宽度为W2；
获取待设计第一方形贴片的中心频率f1和待设计第二方形贴片的中心频率f2；
根据中心频率分别计算出第一方形贴片和第二方形贴片尺寸，其计算公式如下：
其中：L为第一方形贴片或第二方形贴片长度，W为第一方形贴片或第二方形贴片宽度，λe为第一方形贴片或第二方形贴片介质内的导波波长，c为自由空间中的光速，f为第一方形贴片或第二方形贴片的中心频率，h为第一方形贴片或第二方形贴片的介质材料厚度，εr为第一方形贴片或第二方形贴片的介质材料有效介电常数，εe为有效介电常数，ΔL为等效辐射缝隙长度；
计算微波介质基板和微波介质基板的尺寸；
设微波介质基板的长度为LG1、宽度为WG1，微波介质基板的长度为LG2、宽度为WG2；
根据第一方形贴片或第二方形贴片的中心频率f计算，其计算公式如下：
LG＝L+0.2λe，
WG＝W+0.2λe，
其中，c为自由空间中的光速，f为第一方形贴片或第二方形贴片的中心频率，εe为微波介质基板或微波介质基板的介质材料有效介电常数，λe为微波介质基板或微波介质基板的介质内导波波长，L为第一方形贴片或第二方形贴片的长度，W为第一方形贴片或第二方形贴片的宽度。
还包括金属化过孔的间距和直径设计和第一微带巴伦和第二微带巴伦枝节长度的设计，其包括以下步骤：
金属化过孔的间距和直径设计；
设相邻金属化过孔的间距为dp，金属化过孔的直径为dr；
建立金属化过孔的设计表达式，其表达式如下：
2dr＞dp＞dr，
0.25＞dp/λc＞0.05，
其中λc为截止频率；
根据金属化过孔设计表达式生成dp和dr的尺寸；
第一微带巴伦和第二微带巴伦枝节长度的设计；
获取微带巴伦的工作中心频率；
根据微带巴伦的工作中心频率确定波长，
设定第一微带巴伦或第二微带巴伦功分器中阻抗变换器枝节长度为四分之一波长、宽带移相器中短路枝节长度为八分之一波长、断路枝节长度为八分之一波长、主微带线长度为二分之一波长、参考线枝节长度为一个波长；
计算第一微带巴伦或第二微带巴伦各微带枝节的阻抗，其计算公式如下：
R＝2·Zb，
Z2＝1.27·Zb，
Z3＝1.61·Zb，
Z4＝Zb，
其中，Za、Zb分别代表输入、输出阻抗，Z1代表第一微带巴伦或第二微带巴伦功分器中四分之一波长微带线的特性阻抗，Z2代表第一微带巴伦或第二微带巴伦中移相器短路、断路枝节八分之一波长微带线的特性阻抗，Z3代表第一微带巴伦或第二微带巴伦中移相器中二分之一波长主微带线的特性阻抗，Z4代表第一微带巴伦或第二微带巴伦中移相器中单个波长微带参考线的特性阻抗，R代表焊接在第一微带巴伦或第二微带巴伦上的贴片电阻的阻值；
第一微带巴伦和第二微带巴伦枝节宽度的设计，根据微带巴伦的工作中心频率和各微带枝节的阻抗值利用仿真软件自动生成各微带枝节的宽度。
有益效果
本发明的基于微带巴伦馈电的双频双极化叠层贴片天线，与现有技术相比通过使用在介质板上再叠加介质板的方式构成叠层贴片结构引入双频带特性，采用低剖面的微带巴伦网络进行馈电，贴片开槽以及引入电容抵消电感来增加阻抗带宽，在微带巴伦中加入180°移相器引入等幅反相信号实现提高隔离度，降低交叉极化。
基于微带巴伦馈电的双频双极化叠层贴片天线的设计方法，能够设计出高宽带、高隔离度、低交叉极化、低剖面高性能的双频双极化微带天线。
基于本发明设计的微带天线，天线的两个谐振带宽为：2.75-4.01GHz，(相对带宽37.3％)，4.4-5.21GHz，(相对带宽16.9％)。两个带宽内的峰值增益为8.1dBi，5.8dBi。在整个谐振带宽内天线的隔离度大于35dB，交叉极化抑制能力高于20dB。与传统双频双极化天线相比，具有相对带宽大、隔离度高、交叉极化小、辐射方向图对称的优点，适用于WiMAX、WLAN无线通信系统。
附图说明
图1为本发明的结构立体图；
图2为本发明的结构俯视图；
图3为本发明的结构侧视图；
图4为本发明天线馈电组件的结构示意图；
图5为本发明中天线馈电组件的电路原理图；
图6为本发明中天线辐射组件搭载天线馈电组件的结构示意图；
图7为本发明天线馈电组件中微带巴伦输出相位差仿真图；
图8为本发明天线馈电组件中微带巴伦S参数仿真图；
图9为本发明的天线S参数仿真与测试比较图；
图10为本发明的天线增益仿真与测试比较图；
图11a为本发明天线第一微带巴伦激励时仿真与测试的辐射方向图；
图11b为本发明天线第二微带巴伦激励时仿真与测试的辐射方向图；
其中，101-第一方形贴片、102-第二方形贴片、103-金属接地板、201-矩形帽、301-矩形槽、401-圆孔、501-金属化过孔、601-上微波介质基板、602-中微波介质基板、603-下微波介质基板、701-第一微带巴伦、702-第二微带巴伦、801-贴片电阻、901-馈电探针。
具体实施方式
为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：
如图1、图2和图3所示，本发明所述的基于微带巴伦馈电的双频双极化叠层贴片天线，包括天线辐射组件和天线馈电组件。天线辐射组件包括第一谐振单元组件和第二谐振单元组件。
第一谐振单元组件包括上微波介质基板601，上微波介质基板601的上表面蚀刻有第一方形贴片101，第二谐振单元组件包括中微波介质基板602，中微波介质基板602的上表面蚀刻有第二方形贴片102。上微波介质基板601和中微波介质基板602可以为F4B，微波介质基板的介电常数为2.65、损耗角正切为0.003、厚度为5mm。通过分别蚀刻在上微波介质基板601和中微波介质基板602上的第一方形贴片101和第二方形贴片102形成第一谐振单元组件和第二谐振单元组件，由两个谐振单元组件实现天线双频特性。
天线馈电组件包括下微波介质基板603，下微波介质基板603可以为FR4，微波介质基板的介电常数为4.4、损耗角正切为0.02、厚度为1mm。金属接地板103印刷在下微波介质基板603的上表面，第一微带巴伦701和第二微带巴伦702印刷(蚀刻)在微波介质基板603的下表面，第一微带巴伦701和第二微带巴伦702按传统方式与SMA同轴接头匹配用于激励天线。第一微带巴伦701和第二微带巴伦702分别工作时，单个微带巴伦控制着一种极化特性，以此实现双极化特性。
如图4和图5所示，第一微带巴伦701和第二微带巴伦702上均焊接有贴片电阻801，第一微带巴伦701与第二微带巴伦702的结构相同，第一微带巴伦701在贴片电阻801的后端通过功分器分为两个输出端口。在此，功分器可以为3dB Wilkinson功分器，Wilkinson功分器将输入信号等分地分配到两个输出端口，并保持相同的输出相位。
为了使天线输入端口间的隔离度最大化并提高交叉极化抑制能力，第一微带巴伦701上在功分器后端的部分可以为宽带移相器，宽带移相器可以180°宽带移相器，即两个微带巴伦具有相同的结构，由一个3dB Wilkinson功分器和一个180°宽带移相器构成。Wilkinson功分器输出两路等幅度等相位的信号再经过180°宽带移相器，两个微带巴伦输出端口输出幅度相等相位相反的信号。
当第一微带巴伦701正常工作，第二微带巴伦702连接匹配负载时，第一微带巴伦701通过馈电探针901直接连接两个平行于x轴的矩形帽201，进行激励，此时天线的极化方式为水平极化。当第二微带巴伦702正常工作，第一微带巴伦701连接匹配负载时，第二微带巴伦702通过馈电探针901直接连接两个平行于y轴的矩形帽201，进行激励，此时天线的极化方式为垂直极化。与传统双极化天线相比，采用的两个微带巴伦在提高天线阻抗带宽的同时也在很大程度上提高了天线的隔离度和交叉极化抑制特性。
在此，为解决传统双频双极化微带天线带宽窄、隔离度低、交叉极化大、体积大的缺陷，本发明提出了天线与功分器集成在一起高度集成化的天线。天线与功分器集成在一起大大降低了射频电路的体积，节约了制作成本，同时使天线能够发挥出更好的性能。功分器作为微带巴伦的一种除了可以实现非平衡信号到平衡信号的转换之外，还可以起到阻抗变换的作用，因此功分器的引入解决了现有微带天线阻抗带宽过窄的缺陷，相比传统wilkinson功分器仅仅是在输出端口输出等幅同相或不等幅同相信号，我们在传统wilkinson功分器基础上级联180°移相器用于在输出端口能够输出等幅反相信号即我们所需要的差分信号，使得本发明天线与传统天线相比拥有更大的带宽，更高的隔离度和更小的交叉极化。
上微波介质基板601安装在中微波介质基板602上，中微波介质基板602安装在下微波介质基板603上，三者之间的安装为层叠结构，通过传统的塑料螺丝固定。即实现了第一方形贴片101和第二方形贴片102组成的叠层贴片结构，实现双频带特性同时层叠结构起到了增加阻抗带宽的作用。
本发明利用平面微带巴伦的低剖面特性，采用三个介质板(上微波介质基板601、中微波介质基板602和下微波介质基板603)叠加在一起的层叠结构避免了空气层的引入，电流由底层微带巴伦激励通过同轴探针(馈电探针901)穿过叠层的介质板直接连接上下贴片(第一方形贴片101和第二方形贴片102)，大大降低了天线的高度，进一步减小了天线的体积，符合当前射频电路的小型化，高集成度要求。同时本发明天线的层叠结构相比传统的单层微带天线也具有增大阻抗带宽的特点。
馈电探针901的数量为四个，馈电探针901为圆柱形。传统双极化天线大多利用变形的如L形、H形同轴探针作为激励单元实现双极化特性，但是这些变形的同轴线通过引入空气层以电磁耦合的方式激励天线，引入的空气层占据了很大空间，使得天线高度增大，限制了天线的使用范围。
第一方形贴片101上镶嵌有四个矩形帽201，四个馈电探针901分别位于四个矩形帽201内，其功能等效于引入了电容减弱了馈电探针901带来的感抗进而增加了阻抗带宽。
优选地，四个矩形帽201中与第一微带巴伦701两个输出端口相连的2个馈电探针901位于第一方形贴片101的横向中心线上，四个矩形帽201中与第二微带巴伦702两个输出端口相连的2个馈电探针901位于第一方形贴片101的纵向中心线上。在此，一个贴片的任何位置都可以与馈电探针连接，之所以选择在贴片(第一方形贴片101、第二方形贴片102)的两个中心轴线上连接馈电探针，一是因为在这两个中心轴线的特定位置可以达到更好的匹配，在设计初期，位置不确定时只能通过仿真软件不停地进行优化来确定在哪个位置下贴片阻抗与探针阻抗匹配进而使天线达到更好的性能，不选在贴片对角线位置也是这个原因，选在对角线的位置贴片阻抗与探针阻抗不匹配，贴片没法产生谐振就不会产生谐振频率也就不存在对外辐射电磁波，天线无法工作；另一个原因是在能达到阻抗匹配的基础上，分别位于横向轴线和纵向轴线上，激励横向矩形帽时，电流沿着贴片横向方向流动，形成横向辐射也就是一种极化方式，激励纵向矩形帽时，电流沿着贴片纵向流动，形成纵向辐射，又是一种极化方式。
四个馈电探针901均穿过上微波介质基板601、中微波介质基板602和下微波介质基板603且4个馈电探针901的上端分别与四个矩形帽201相连，为了保证馈电探针901与上微波介质基板601、中微波介质基板602和下微波介质基板603不接触，可以在第二方形贴片102和金属接地板103上位于矩形帽201的正下方处均蚀刻有圆孔401，馈电探针901从圆孔401中穿过。其中2个馈电探针901的下端分别与第一微带巴伦701两个输出端口相连，另2个馈电探针901的下端分别与第二微带巴伦702两个输出端口相连。矩形帽201直接与馈电探针901相连接，电流直接通过馈电探针901送入矩形帽201，矩形帽201通过电磁耦合的方式激励第一方形贴片101(第一谐振单元组件)。第二方形贴片102(第二谐振单元组件)的激励方式是通过馈电探针901的电磁耦合进行耦合激励，电流由底层微带巴伦激励通过探针穿过叠层的介质板直接连接上下贴片。
第一方形贴片101的四条边上均镶嵌有两个矩形槽301，矩形槽的引入延展了电流路径，在低频处产生新的谐振起到了增加阻抗带宽的作用。优选地，矩形槽301的长边均朝向第一方形贴片101的中心线且矩形槽301的长边与第一方形贴片101的边相垂直。通常情况下，槽也是可以开在贴片的任何位置，但是开槽的一个前提是不能影响到贴片与探针的阻抗匹配，如果将槽的位置开在离贴片与探针连接位置的附近可能会影响天线原本的匹配，也可能会达不到延展电流路径进而产生新谐振的效果。根据我们已经确定的探针与贴片相连接的位置即贴片的馈电位置，我们知道电流在贴片上流动方式有两种，一种由馈电位置向贴片边长流动即纵向或者横向流动，另一种是由贴片边长向馈电位置流动，基于这样的电流路径，最好的延展电流的方法就是在不截断原电流流动路径基础上，增加电流路径，在边长向内开槽为最高效方法。在贴片边长处开槽，每个槽对应于其他槽能达到横向和纵向的对称，既不影响天线的双极化特性，也能辐射对称的方向图。
微波介质基板601和微波介质基板602的四条边上规则性设有金属化过孔501，周期性排列的过孔很逼近连续的金属壁进而可等效为在天线四周加载了反射板，从而增加了天线的辐射增益。同时金属化过孔501的尺寸、数量及排列规则满足能量泄露和介质基板结构的牢固性要求，金属化过孔501结构的采用很大程度上提高天线的辐射增益。
在此，针对基于微带巴伦馈电的双频双极化叠层贴片天线，还提供针对其的设计方法，包括以下步骤：
第一步，第一方形贴片101和第二方形贴片102尺寸的设计。
(1)设第一方形贴片101的长度为L1、宽度为W1，第二方形贴片102的长度为L2、宽度为W2。
(2)获取待设计第一方形贴片101的中心频率f1和待设计第二方形贴片102的中心频率f2，根据其中心频率设计出其相应尺寸。
(3)根据中心频率分别计算出第一方形贴片101和第二方形贴片102尺寸，其计算公式如下：
其中：L为第一方形贴片101或第二方形贴片102长度(L1或L2)，W为第一方形贴片101或第二方形贴片102宽度(W1或W2)，λe为第一方形贴片101或第二方形贴片102介质内的导波波长，c为自由空间中的光速，f为第一方形贴片101或第二方形贴片102的中心频率(f1或f2)，h为第一方形贴片101或第二方形贴片102的介质材料厚度，εr为第一方形贴片101或第二方形贴片102的介质材料有效介电常数，εe为有效介电常数，ΔL为等效辐射缝隙长度。
第二步，计算微波介质基板601和微波介质基板602的尺寸。
(1)设微波介质基板601的长度为LG1、宽度为WG1，微波介质基板602的长度为LG2、宽度为WG2。
(2)根据第一方形贴片101或第二方形贴片102的中心频率f计算，其计算公式如下：
LG＝L+0.2λe，
WG＝W+0.2λe，
其中，c为自由空间中的光速，f为第一方形贴片101或第二方形贴片102的中心频率，εe为微波介质基板601或微波介质基板602的介质材料有效介电常数，λe为微波介质基板601或微波介质基板602的介质内导波波长，L为第一方形贴片101或第二方形贴片102的长度，W为第一方形贴片101或第二方形贴片102的宽度。
第三步，金属化过孔501的间距和直径设计。
(1)设相邻金属化过孔501的间距为dp，金属化过孔501的直径为dr。
(2)建立金属化过孔501的设计表达式，其表达式如下：
2dr＞dp＞dr，
0.25＞dp/λc＞0.05，
其中λc为截止频率。
相邻过孔距离dp大于过孔直径dr为了保证打孔的可实现性，即两个相邻金属化过孔501的圆心距离大于直径。dp小于2dr和dp/λc小于0.25是为了保证在过孔间隙泄露出去的能量可以忽略不计；dp/λc大于0.05是为了保证加工后基板波导结构的牢固性。
(3)根据金属化过孔501设计表达式生成dp和dr的尺寸。
第四步，第一微带巴伦(701)和第二微带巴伦(702)枝节长度的设计。
(1)获取微带巴伦的工作中心频率；
(2)根据微带巴伦的工作中心频率确定波长，
设定第一微带巴伦(701)或第二微带巴伦(702)功分器中阻抗变换器枝节长度为四分之一波长、宽带移相器中短路枝节长度为八分之一波长、断路枝节长度为八分之一波长、主微带线长度为二分之一波长、参考线枝节长度为一个波长。
在此，每个枝节的长度大小是根据宽带移相器要实现的功能确定的，这个宽带移相器也就是180°移相器因为要实现两个输出端口的相位相差180度，所以短路枝节跟断路枝节长度都是八分之一波长，如果换成90°移相器，短路枝节跟断路枝节长度就不是八分之一波长。
(3)计算第一微带巴伦701或第二微带巴伦702各微带枝节的阻抗，两个微带巴伦不同枝节的长度、宽度由不同枝节所对应的阻抗大小和天线谐振频率来计算出，其计算公式如下：
R＝2·Zb，
Z2＝1.27·Zb，
Z3＝1.61·Zb，
Z4＝Zb，
其中，Za、Zb分别代表输入、输出阻抗，Z1代表第一微带巴伦701或第二微带巴伦702功分器中四分之一波长微带线的特性阻抗，Z2代表第一微带巴伦701或第二微带巴伦702中移相器短路、断路枝节八分之一波长微带线的特性阻抗，Z3代表第一微带巴伦701或第二微带巴伦702中移相器中二分之一波长主微带线的特性阻抗，Z4代表第一微带巴伦701或第二微带巴伦702中移相器中单个波长微带参考线的特性阻抗，R代表焊接在第一微带巴伦701或第二微带巴伦702上的贴片电阻801的阻值。
(4)第一微带巴伦701和第二微带巴伦702枝节宽度的设计，根据微带巴伦的工作中心频率和各微带枝节的阻抗值利用仿真软件自动生成各微带枝节的宽度。
在制作时，将贴片电阻801分别焊接在第一微带巴伦701和第二微带巴伦702上，再将印刷有第一方形贴片101的上微波介质基板601、印刷有第二方形贴片102的中微波介质基板602、印刷有金属接地板103、第一微带巴伦701、第二微带巴伦702的下微波介质基板603依次有序堆叠在一起，并通过塑料螺丝将三层微波介质基板固定在一起，保证上微波介质基板601、中微波介质基板602周期性排列的金属化过孔互相对应，构成了具有双频带双极化特性的叠层贴片天线。
如图7所示，其提供了根据本发明设计的微带巴伦输出端口的相位差。根据180°宽带移相器的作用，两路等幅同相的信号进入移相器，随着其中一路信号经过八分之一波长短路枝节和八分之一波长开路枝节后，相位滞后使得两端口输出信号等幅反相。根据图7所示，本发明设计的微带巴伦在其谐振频率内输出端口的相位差Phase Balance稳定在180°±5°，符合我们的设计要求。
如图8所示，其提供了根据本发明设计的微带巴伦仿真的S参数。由图8看出微带巴伦在2.5-5.5GHz频带内，回波损耗S11小于-10dB，满足天线的工作频带，且工作频段内微带巴伦的插入损耗S21、S31均在5dB以内，整体性能满足我们的使用要求。
如图9所示，其提供了根据本发明的天线S参数仿真与测试比较图，将第一微带巴伦701外接SMA同轴接头作为Port1，第二微带巴伦702外接SMA同轴接头作为Port2，当第一微带巴伦701工作时，第二微带巴伦702接匹配负载。(当第一微带巴伦701工作时，天线输入端口Port1的回波损耗为S11，当第二微带巴伦702工作时，天线输入端口Port2的回波损耗为S22。为使天线在两个频段内都能实现双极化的性能，我们取Port1和Port2分别工作时其共同覆盖的频段)由图9可知，测试结果与仿真结果基本吻合，天线工作在两个谐振频带，符合我们的双频带特性。第一微带巴伦工作701与第二微带巴伦702分别工作时，天线谐振频带整体变化不大，综合考虑天线满足双频双极化工作性能的要求得到本天线工作低频频带为2.75-4.01GHz,回波损耗S11和S22均小于-10dB，相对带宽为37.3％，高频频带为4.4-5.21GHz，回波损耗S11和S22均小于-10dB，相对带宽为16.9％，两个频带的带宽远大于传统双频双极化天线的带宽，显示出优良的宽带特性，而且在加载了两个微带巴伦作为馈电网络时，在天线的整个谐振带宽内其两个输入端口隔离度S21达到35dB，尤其在整个高频频带内达到了38dB，解决了传统双频双极化天线隔离度较低的问题。
如图10所示，其提供了根据本发明的天线增益仿真与测试比较图。由图10可知，测试增益趋势与仿真增益趋势大致吻合，低频频带内的增益整体高于高频频带增益，当第一微带巴伦701工作时天线工作在水平极化模式其低频、高频内的平均增益分别为6.6、4.9dBi峰值增益分别为8.3、6dBi。当第二微带巴伦702工作时天线工作在垂直极化模式其低频、高频内的平均增益分别为6.3、4.2dBi峰值增益分别为8.1、5.8dBi。
如图11a和图11b所示，显示了根据本发明天线第一微带巴伦701激励时仿真与测试的辐射方向图和第二微带巴伦702激励时仿真与测试的辐射方向图。由图11a和图11b都可以得知，天线的仿真与测试方向图基本吻合，在整个谐振带宽内天线方向图对称以及交叉极化x-pol均小于-20dB，与传统天线相比具有辐射方向图对称，交叉极化小的优点。对比图11a和图11b得到天线可以高效率的工作在水平极化和垂直极化两种模式。
本发明提供的基于微带巴伦馈电的双频双极化叠层贴片天线设计方法，可设计宽带、高隔离度，低交叉极化，低剖面高性能双频双极化微带天线。与传统设计方法相比，在介质板上再叠加介质板的方式构成叠层贴片结构，采用低剖面的微带巴伦网络进行馈电，贴片开槽以及引入电容抵消电感来增加阻抗带宽，在微带巴伦中加入180°移相器实现提高隔离度，降低交叉极化。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (8)
1.一种基于微带巴伦馈电的双频双极化叠层贴片天线，包括天线辐射组件和天线馈电组件，天线辐射组件包括第一谐振单元组件和第二谐振单元组件，其特征在于：
所述的第一谐振单元组件包括上微波介质基板(601)，上微波介质基板(601)的上表面蚀刻有第一方形贴片(101)，第二谐振单元组件包括中微波介质基板(602)，中微波介质基板(602)的上表面蚀刻有第二方形贴片(102)，天线馈电组件包括下微波介质基板(603)，金属接地板(103)印刷在下微波介质基板(603)的上表面，第一微带巴伦(701)和第二微带巴伦(702)印刷在下微波介质基板(603)的下表面，第一微带巴伦(701)和第二微带巴伦(702)上均焊接有贴片电阻(801)，第一微带巴伦(701)与第二微带巴伦(702)的结构相同，第一微带巴伦(701)在贴片电阻(801)的后端通过功分器分为两个输出端口；
上微波介质基板(601)安装在中微波介质基板(602)上，中微波介质基板(602)安装在下微波介质基板(603)上，馈电探针(901)的数量为四个；
第一方形贴片(101)上镶嵌有四个矩形帽(201)，四个馈电探针(901)分别位于四个矩形帽(201)内，四个馈电探针(901)均穿过上微波介质基板(601)、中微波介质基板(602)和下微波介质基板(603)且4个馈电探针(901)的上端分别与四个矩形帽(201)相连，其中2个馈电探针(901)的下端分别与第一微带巴伦(701)两个输出端口相连，另2个馈电探针(901)的下端分别与第二微带巴伦(702)两个输出端口相连；
所述的第一微带巴伦(701)上在功分器后端的部分为宽带移相器，由一个3dBWilkinson功分器和一个180°宽带移相器构成；Wilkinson功分器输出两路等幅度等相位的信号再经过180°宽带移相器，两个微带巴伦输出端口输出幅度相等相位相反的信号。
2.根据权利要求1所述的基于微带巴伦馈电的双频双极化叠层贴片天线，其特征在于：所述的第一方形贴片(101)的四条边上均镶嵌有两个矩形槽(301)，第二方形贴片(102)和金属接地板(103)上位于矩形帽(201)的正下方处均蚀刻有圆孔(401)，馈电探针(901)穿过圆孔(401)。
3.根据权利要求1所述的基于微带巴伦馈电的双频双极化叠层贴片天线，其特征在于：所述的馈电探针(901)为圆柱形。
4.根据权利要求1所述的基于微带巴伦馈电的双频双极化叠层贴片天线，其特征在于：所述的上微波介质基板(601)和中微波介质基板(602)的四条边上规则性设有金属化过孔(501)。
5.根据权利要求1所述的基于微带巴伦馈电的双频双极化叠层贴片天线，其特征在于：所述的四个矩形帽(201)中与第一微带巴伦(701)两个输出端口相连的2个馈电探针(901)位于第一方形贴片(101)的横向中心线上，四个矩形帽(201)中与第二微带巴伦(702)两个输出端口相连的2个馈电探针(901)位于第一方形贴片(101)的纵向中心线上。
6.根据权利要求2所述的基于微带巴伦馈电的双频双极化叠层贴片天线，其特征在于：所述的矩形槽(301)的长边均朝向第一方形贴片(101)的中心线且矩形槽(301)的长边与第一方形贴片(101)的边相垂直。
7.根据权利要求4和5所述的基于微带巴伦馈电的双频双极化叠层贴片天线的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
71)第一方形贴片(101)和第二方形贴片(102)尺寸的设计；
711)设第一方形贴片(101)的长度为L1、宽度为W1，第二方形贴片(102)的长度为L2、宽度为W2；
712)获取待设计第一方形贴片(101)的中心频率f1和待设计第二方形贴片(102)的中心频率f2；
713)根据中心频率分别计算出第一方形贴片(101)和第二方形贴片(102)尺寸，其计算公式如下：
其中：L为第一方形贴片(101)或第二方形贴片(102)长度，W为第一方形贴片(101)或第二方形贴片(102)宽度，λe为第一方形贴片(101)或第二方形贴片(102)介质内的导波波长，c为自由空间中的光速，f为第一方形贴片(101)或第二方形贴片(102)的中心频率，h为第一方形贴片(101)或第二方形贴片(102)的介质材料厚度，εr为第一方形贴片(101)或第二方形贴片(102)的介质材料有效介电常数，εe为有效介电常数，ΔL为等效辐射缝隙长度；
72)计算上微波介质基板(601)和中微波介质基板(602)的尺寸；
721)设上微波介质基板(601)的长度为LG1、宽度为WG1，中微波介质基板(602)的长度为LG2、宽度为WG2；
722)根据第一方形贴片(101)或第二方形贴片(102)的中心频率f计算，其计算公式如下：
LG＝L+0.2λe，
WG＝W+0.2λe，
其中，c为自由空间中的光速，f为第一方形贴片(101)或第二方形贴片(102)的中心频率，εe为上微波介质基板(601)或中微波介质基板(602)的介质材料有效介电常数，λe为上微波介质基板(601)或中微波介质基板(602)的介质内导波波长，L为第一方形贴片(101)或第二方形贴片(102)的长度，W为第一方形贴片(101)或第二方形贴片(102)的宽度。
8.根据权利要求7所述的基于微带巴伦馈电的双频双极化叠层贴片天线的设计方法，其特征在于，还包括金属化过孔(501)的间距和直径设计和第一微带巴伦(701)和第二微带巴伦(702)枝节长度的设计，其包括以下步骤：
81)金属化过孔(501)的间距和直径设计；
811)设相邻金属化过孔(501)的间距为dp，金属化过孔(501)的直径为dr；
812)建立金属化过孔(501)的设计表达式，其表达式如下：
2dr＞dp＞dr，
0.25＞dp/λc＞0.05，
其中λc为截止频率；
813)根据金属化过孔(501)设计表达式生成dp和dr的尺寸；
82)第一微带巴伦(701)和第二微带巴伦(702)枝节长度的设计；
821)获取微带巴伦的工作中心频率；
822)根据微带巴伦的工作中心频率确定波长，
设定第一微带巴伦(701)或第二微带巴伦(702)功分器中阻抗变换器枝节长度为四分之一波长、宽带移相器中短路枝节长度为八分之一波长、断路枝节长度为八分之一波长、主微带线长度为二分之一波长、参考线枝节长度为一个波长；
823)计算第一微带巴伦(701)或第二微带巴伦(702)各微带枝节的阻抗，其计算公式如下：
R＝2·Zb，
Z2＝1.27·Zb，
Z3＝1.61·Zb，
Z4＝Zb，
其中，Za、Zb分别代表输入、输出阻抗，Z1代表第一微带巴伦(701)或第二微带巴伦(702)功分器中四分之一波长微带线的特性阻抗，Z2代表第一微带巴伦(701)或第二微带巴伦(702)中移相器短路、断路枝节八分之一波长微带线的特性阻抗，Z3代表第一微带巴伦(701)或第二微带巴伦(702)中移相器中二分之一波长主微带线的特性阻抗，Z4代表第一微带巴伦(701)或第二微带巴伦(702)中移相器中单个波长微带参考线的特性阻抗，R代表焊接在第一微带巴伦(701)或第二微带巴伦(702)上的贴片电阻(801)的阻值；
824)第一微带巴伦(701)和第二微带巴伦(702)枝节宽度的设计，根据微带巴伦的工作中心频率和各微带枝节的阻抗值利用仿真软件自动生成各微带枝节的宽度。
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