CN108923122B - 一种基于电谐振器的具有高隔离度的圆极化微带阵列天线 - Google Patents

一种基于电谐振器的具有高隔离度的圆极化微带阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电谐振器的具有高隔离度的圆极化微带阵列天线，包括:两副圆极化单元天线,以及加载于两副圆极化单元天线中间的电谐振器。两副圆极化单元天线和电谐振器印制于同一背面有金属地板的介质基板。圆极化单元天线采用同轴探针馈电，其辐射体是顶点加载不同半径圆形贴片的正方形微带贴片。电谐振器由一对背靠背的开口谐振环和两个与金属地板短接的金属化过孔构成。工作频带内，电谐振器呈现负的等效介电常数，能够有效抑制两副圆极化单元天线的电磁耦合，提高单元天线的隔离度。本发明的圆极化微带阵列天线具有圆极化辐射性能良好、单元隔离度高、结构剖面低，制作简单方便的优点。

Description

一种基于电谐振器的具有高隔离度的圆极化微带阵列天线
技术领域
本发明属于天线技术和电磁超材料技术领域，特别涉及一种基于电谐振器的具有高隔离度的圆极化微带阵列天线。
背景技术
1.天线是无线通信系统接收和发射电磁波的关键器件，起到导行电磁波与辐射电磁波间的转换作用。与线极化天线相比，圆极化天线具有抵抗雨雾衰减、抑制多径干扰信号和放宽接收与发射天线的安装方位限制的突出优势。微带天线结构简单、制作方便、成本低廉、剖面低、易实现多频带、多极化和圆极化、便于与有源电路和无源电路集成。因此，圆极化微带天线广泛应用于移动通信、卫星通信、卫星导航、电子对抗和电子侦察领域。
2.阵列单元天线间的互耦效应一直是制约阵列天线性能的重要因素。相比较于孤立的单元天线，互耦效应会改变阵列中单元天线的输入阻抗、辐射方向图、辐射效率和极化特性，导致阵列天线的性能严重恶化。如何降低阵列单元天线的互耦效应是国内外电磁学领域的热点研究问题。电磁超材料由周期性单元结构组成，能够灵活地调控电磁波的幅度、相位、极化和传播模式，实现异常反射与透射、极化转换、非对称性传输、理想吸波与透波、表面波耦合诸多新颖的物理效应。基于电磁超材料，可以构造具有负等效磁导率或者负等效介电常数特性的物理结构，阻止表面波和空间波的传播，为改善阵列单元天线的互耦效应提供了一种行之有效的技术途径。
3.2016年，Z.Qamar等学者在“IEEE Transactions on Antennas andPropagation”上发表题为“Mutual Coupling Reduction for High-Performance DenselyPacked Patch Antenna Arrays on Finite Substrate”的文章。文章采用改进的互补开口谐振环构造具有负等效磁导率的去耦结构，显著提高了二元微带阵列天线的单元隔离度。但是，该去耦技术仅适用线极化微带阵列天线。2013年，A.A.Gheethan等学者在“IEEETransactions on Antennas and Propagation”上发表题为“Compact 2×2CoupledDouble Loop GPS Antenna Array Loaded with Broadside Coupled Split RingResonators”的文章。文章一共采用八组四十个开口谐振环单元结构，加载于合适的位置，使圆极化微带阵列天线的单元隔离度提高了近10dB。但是，该圆极化微带阵列天线的剖面高、结构复杂、制作成本高昂，不利于大规模批量生产。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术的缺点和不足，提出一种基于电谐振器的具有高隔离度的圆极化微带阵列天线，具有制作简单、成本低廉、剖面低、隔离度高的优点。
本发明通过以下技术方案实现：
一种基于电谐振器的具有高隔离度的圆极化微带阵列天线，包括两副圆极化单元天线和加载于两副圆极化单元天线中间的电谐振器。两副圆极化单元天线和电谐振器印制于同一块介质基板的正面，介质基板的背面印制有金属地板。
进一步的，所述圆极化微带单元天线采用同轴探针馈电，其主辐射体是正方形微带贴片，且顶点加载有四个不同半径的圆形贴片，以实现圆极化辐射特性。
进一步的，所述电谐振器由一对背靠背的开口谐振环和两个与金属地板短接的金属化过孔构成。工作频带内，电谐振器呈现负的等效介电常数，可以抑制表面波和空间波的传播，提高两副单元天线间的隔离度。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：本发明具有负等效介电常数的电谐振器，能够阻止表面波和空间波的传播，显著提高两副圆极化单元天线的隔离度。此外，电谐振器与两副单元天线共面，整体结构简单、剖面低、便于制作生产。
附图说明
图1是本发明所述基于电谐振器的具有高隔离度的圆极化微带阵列天线的俯视图；
图2是本发明所述基于电谐振器的具有高隔离度的圆极化微带阵列天线的侧视图；
图3是本发明所述电谐振器的示意图；
图4是本发明实施例电谐振器的等效介电常数；
图5是本发明实施例有无电谐振器时单元天线的回波损耗；
图6是本发明实施例有无电谐振器时单元天线的法向轴比；
图7是本发明实施例有无电谐振器时单元天线的隔离度。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明实施方式不限于此。
本发明的基于电谐振器的具有高隔离度的圆极化微带阵列天线制作于双面敷铜的介质基板，可以使用电路板腐蚀、激光刻制或机械刻制类成熟技术方便地加工。本发明的核心思想在于利用电谐振器的负等效介电常数特性，阻止两副圆极化单元天线之间表面波和空间波的传播，进而提高单元天线的隔离度。
图1和图2分别是本发明所述的基于电谐振器的具有高隔离度的圆极化微带阵列天线的俯视图和侧视图，包括两副圆极化单元天线1和2和加载于两副圆极化单元天线1和2中间的电谐振器3，一般还包括介质基板4。两副圆极化单元天线1和2和电谐振器3印制于同一块介质基板4的正面，介质基板4的背面印制有金属地板5。圆极化单元天线1和2采用同轴探针15馈电，而且其主辐射体是正方形微带贴片16，且顶点加载有四个不同半径的圆形贴片11、12、13和14。图3是本发明所述电谐振器的示意图，它由一对背靠背的开口谐振环和两个与金属地板5短接的金属化过孔31和32构成。
本发明实施例基于电谐振器的具有高隔离度的圆极化微带阵列天线采用印制电路板工艺制作于尺寸为40mm×80mm，介电常数为6.15，损耗角正切为0.0028，厚度为3.18mm的双面敷铜Taconic RF-60介质基板。该阵列天线的设计目标为覆盖北斗一代卫星导航系统的S频段，即2491.75±4.08MHz。经过三维电磁仿真软件Ansoft HFSS的仿真和优化设计，各物理尺寸为：L＝17.6mm，D＝22.4mm，r1＝3.3mm，r2＝2.4mm，r3＝r4＝3.0mm，d＝5.5mm，a1＝24.9mm，b1＝3.0mm，b2＝0.5mm和ds＝0.5mm。
图4是本发明实施例电谐振器的等效介电常数。在2491MHz频率附近，电谐振器的等效介电常数实部为负数，虚部为正数，可以抑制电磁波的传播。
图5和图6是本发明实施例有无电谐振器时单元天线的回波损耗和法向轴比。由于结构的对称性，两副单元天线具有近乎相同的回波损耗和法向轴比。具体地，不加载电谐振器时，单元天线的10dB回波损耗带宽为2400MHz至2540MHz，法向轴比的3dB带宽为2452MHz至2503MHz；加载电谐振器时，单元天线的回波损耗带宽为2425MHz至2560MHz，法向轴比的3dB带宽为2468MHz至2517MHz。对比可知，加载电谐振器后，单元天线的工作频率仅略微向高频方向移动，而且两者都可以完全覆盖北斗一代卫星导航系统的S频段。
图7是本发明实施例有无电谐振器时单元天线的隔离度。不加载电谐振器时，单元天线的隔离度保持在约10dB左右；加载电谐振器时，单元天线的隔离度降低为18dB至25dB，即：全频段整体提高8dB以上，最大可以提高15dB。
上述实施例是本发明的优选实施方式，但不能认定本发明的实施方式仅限于此，本领域普通技术人员在不脱离本发明精神实质与技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，都应视为属于由本发明所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (1)

1.一种基于电谐振器的具有高隔离度的圆极化微带阵列天线，其特征在于，包括：两副圆极化单元天线，以及加载于两副圆极化单元天线中间的电谐振器；两副圆极化单元天线和电谐振器印制于同一块介质基板的正面；介质基板的背面印制有金属地板；
所述圆极化微带单元天线采用同轴探针馈电，其主辐射体是正方形微带贴片，且顶点加载有四个不同半径的圆形贴片，以实现圆极化辐射特性；
所述电谐振器由一对背靠背的开口谐振环和两个与金属地板短接的金属化过孔构成；工作频带内，电谐振器呈现负的等效介电常数。
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