CN109273838A - 一种圆极化相控阵天线阵元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆极化相控阵天线阵元，该天线阵元包括辐射板、馈电板和第一馈电导体，辐射板上部依次设置有四块正方形的辐射贴片，四块辐射贴片的内侧设置有直线排列且间距相等的若干接地孔和第一馈电孔；馈电板下部设置有一分四微带功分器、第二馈电孔和四个与第一馈电孔相对应的第三馈电孔，四个第三馈电孔与四个第一馈电孔依次通过第一馈电导体电连接，一分四微带功分器通过设置相应的金属馈线长度使得第二馈电孔与四个第三馈电孔之间的信号依次移相，在不增加现有天线阵元尺寸的基础上实现了不圆度极低、轴比角度大的圆极化相控阵天线阵元设计，有效解决圆极化相控阵天线不圆度大、轴比角度小导致圆极化相控阵天线整机波束指向精度偏差较大的问题。

Description

一种圆极化相控阵天线阵元

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种圆极化相控阵天线阵元。

背景技术

相控阵天线是一种以阵列天线为基本架构，配合数字移相器来实现能进行波束在全空域高速扫描的大型综合天线阵列，其被广泛地应用于现代雷达、通信、遥测和遥感等领域。相比于机械扫描雷达来说，相控阵天线反应速度快、波束成形方便、扫描范围广且定位精度高，其能同时跟踪处理多个目标。

现有相控阵天线一般利用微带天线作为阵元，其体积小、重量轻、成本低，便于和载体表面共形，从而便于后端电路集成制造，容易实现双频和双极化天线。同时，在卫星通信、遥感遥测领域，圆极化天线因其可抑制雨雾的去极化效应和抗多径反射效应被广泛地应用。

利用微带天线作为圆极化相控阵天线阵元时，由于微带天线存在承受功率小、工作带宽窄、轴比带宽窄、增益底和方向图不圆度大的缺点，由此造成不圆度大、轴比角度小无法满足系统需求，导致相控阵天线整机波束指向精度偏差较大，无法实现不同应用场合对宽轴比和低不圆度的需要。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种圆极化相控阵天线阵元，其中通过对其关键组件包括辐射板、辐射贴片、馈电板和一份四功分器的结构及其设置方式的优化设计，通过一分四功分器对辐射贴片的收发信号依次移相0°、90°、180°、270°，在不增加现有天线阵元尺寸的基础上实现了不圆度极低、轴比角度大的圆极化相控阵天线阵元设计，有效解决圆极化相控阵天线不圆度大、轴比角度小导致圆极化相控阵天线整机波束指向精度偏差较大的问题。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种圆极化相控阵天线阵元，该天线阵元包括辐射板、馈电板和第一馈电导体，辐射板为矩形的板体结构，馈电板为与辐射板相对应的矩形的板体结构，辐射板下部的接地面与馈电板上部的接地面通过两者对应设置的通孔紧固连接；

辐射板上部依次设置有四块正方形的辐射贴片，每块辐射贴片靠近辐射板中心的一边设置有直线排列且间距相等的若干接地孔，每块辐射贴片还设置有一个第一馈电孔；

馈电板下部设置有一分四微带功分器、第二馈电孔和四个与第一馈电孔相对应的第三馈电孔，四个第三馈电孔与四个第一馈电孔依次通过四个第一馈电导体电连接，第二馈电孔和四个第三馈电孔通过一分四微带功分器电连接，一分四微带功分器通过设置相应的金属馈线长度使得第二馈电孔与四个第三馈电孔之间传送的信号依次进行0°、90°、180°、270°的移相，以此方式实现圆极化相控阵天线阵元发送和接收圆极化天线信号。

作为本发明的进一步改进，四块辐射贴片围绕辐射板中心旋转对称。

作为本发明的进一步改进，辐射贴片的边长为圆极化相控阵天线阵元工作波长的四分之一。

作为本发明的进一步改进，接地孔的间距小于圆极化相控阵天线阵元工作波长的二十分之一。

作为本发明的进一步改进，第一馈电孔设置在接地孔的同侧中间位置，调整第一馈电孔的边距以实现圆极化相控阵天线阵元的阻抗匹配。

作为本发明的进一步改进，调整四块辐射贴片的间距以实现圆极化相控阵天线阵元波束宽度的调节。

作为本发明的进一步改进，圆极化相控阵天线阵元还设置有第二馈电导体，第二馈电导体的一端穿过第二馈电孔焊接在馈电板上，第二馈电导体的另一端位于在馈电板下方用于连接外接设备。

作为本发明的进一步改进，辐射板的介电常数设定为1.96～6，且其长宽厚的规格尺寸依次为40mm×40mm×2.5mm～60mm×60mm×2.5mm，辐射贴片优选为辐射板表面镀铜处理。

作为本发明的进一步改进，馈电板的介电常数被设定为3.5～9.6，且其长宽厚的规格尺寸依次为40mm×40mm×0.5mm～60mm×60mm×0.5mm，一分四微带功分器优选为馈电板表面镀铜处理。

作为本发明的进一步改进，圆极化相控阵天线阵元正常工作频段为1.2GHz～3.8GHz。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明中的圆极化相控阵天线阵元，其中通过对其关键组件包括辐射板、辐射贴片、馈电板和一份四功分器的结构及其设置方式的优化设计，通过一分四功分器对辐射贴片的收发信号依次移相0°、90°、180°、270°，在不增加现有天线阵元尺寸的基础上实现了不圆度极低、轴比角度大的圆极化相控阵天线阵元设计，有效解决圆极化相控阵天线不圆度大、轴比角度小导致圆极化相控阵天线整机波束指向精度偏差较大的问题

2、本发明的圆极化相控阵天线阵元区别于常规四点馈电圆极化贴片天线，基于四分之一波长微带贴片天线实现原理，将四块尺寸相同的矩形贴片围绕辐射板中心旋转对称地刻蚀在辐射板上，采用四贴片旋转组阵的方式可提高天线交叉极化鉴别率，同时提高了天线的驻波小于2的带宽及轴比小于3dB的带宽，在调试阻抗匹配时只需调节辐射板矩形辐射贴片远离馈电点的一边即可，调试简单易于实现。

3、本发明的圆极化相控阵天线阵元不仅适用于相控阵天线系统，而且适用于其他对天线不圆度、轴比要求较高的导航接收系统，该圆极化相控阵天线阵元工作于S波段，也可用于L、C、X等波段。

附图说明

图1是本发明优选实施例中的圆极化相控天线阵元的结构示意图；

图2是本发明优选实施例中的圆极化相控天线阵元辐射板的结构示意图；

图3是本发明优选实施例中的圆极化相控天线阵元辐射板的结构示意图；

图4是本发明优选实施例中的圆极化相控天线阵元辐射板介电常数为6时的天线增益方向图；

图5是本发明优选实施例中的圆极化相控天线阵元辐射板介电常数为6时的天线轴比方向图；

图6是本发明优选实施例中的圆极化相控天线阵元辐射板介电常数为1.96时的天线增益方向图；

图7是本发明优选实施例中的圆极化相控天线阵元辐射板介电常数为1.96时的天线轴比方向图；

在所有附图中，同样的附图标记用来表示相同的元件或结构，具体为：1-辐射板、101-辐射贴片、102-接地孔、103-第一馈电孔、2-馈电板、201-微带功分器、202-第二馈电孔、203-第三馈电孔、3-第一馈电导体、4-第二馈电导体。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1～2分别是本发明优选实施例中的圆极化相控天线阵元和圆极化相控天线阵元辐射板的结构示意图。如图1所示，该圆极化相控阵天线阵元包括辐射板1、馈电板2、第一馈电导体3、第二馈电导体4。如图2所示，辐射板1为矩形的板体结构，优选为正方形，辐射板1一面刻蚀制备有四块独立的正方形辐射贴片101，选取矩形辐射贴片101靠近辐射板1中心的一边刻蚀有依次成直线排列且间距相等的若干接地孔102(优选是多个，例如5个或其他数量)和一个与若干接地孔102并行排列位于一边的中间的第一馈电孔103，接地孔102的间距小于工作波长的二十分之一，接地孔102的位置分布可以降低各四个矩形辐射贴片101的互耦，提高天线阵元整体增益，接地孔102还可以降低天线阵元尺寸。馈电孔103优选位于矩形辐射贴片101的同侧，四块正方形辐射贴片101优选绕天线阵元中心旋转对称，即以辐射板的中心为直角坐标轴的圆心，四块正方形辐射贴片刻蚀有接地孔的一边依次分别处于0°、90°、180°、270°相位角方向，辐射板1设置有呈矩形分布的通孔(优选是多个，例如四个或其他数量)，可以通过呈矩形分布的通孔将辐射板1的另一面即接地面与馈电板2的接地面紧固安装。

图3是本发明优选实施例中的圆极化相控天线阵元辐射板的结构示意图。如图3所示，馈电板2刻蚀制备有一分四微带功分器201、一个用于天线阵元馈电的第二馈电孔202和四个用于与辐射板的第一馈电孔103对应连接的第三馈电孔203，其中，一分四微带功分器201通过设置相应的馈线长度使得第二馈电孔202与四个第三馈电孔203之间的信号相位依次进行0°、90°、180°、270°的移相，辐射板1的四个第一馈电孔103与馈电板2的对应的四个第三馈电孔203通过馈电导体4焊接连接，使得辐射板1上矩形辐射贴片101与馈电板2上的一分四微带功分器201连接，实现天线阵元矩形辐射贴片101馈电，辐射贴片101的电磁波信号相位并依次为0°、90°、180°、270°，从而实现天线阵元圆极化特性。第二馈电导体4穿过馈电2上的馈电孔203，第二馈电导体4的一端则穿过第二馈电孔202通过焊锡固定在馈电板2的馈电印制线上，第二馈电导体4另一端位于在馈电板2下方用于连接外接设备，从而实现天线阵元馈电。

圆极化相控天线阵元可用于收发圆极化的天线信号，具体为：圆极化相控天线阵元作为发送天线发送电磁波信号时，外界设备提供的天线信号通过馈电导体3将电磁波信号发送给一分四微带功分器201，该一分四微带功分器201设置有相应长度的馈电线，电磁波信号通过四个设置相应长度的馈电线被分解为相同的四路信号后产生0°、90°、180°、270°相位的移相，移相后的四路电磁波信号通过第一馈电孔103和第二馈电孔202之间的馈电导体4分别发送给四个辐射贴片101，四个辐射贴片101将四路相位为0°、90°、180°、270°的电磁波信号辐射出去，四路相位为0°、90°、180°、270°的电磁波信号合路即生成圆极化电磁波信号，从而圆极化相控天线阵元发送的信号为圆极化电磁波信号；同样地，圆极化相控天线阵元作为接收天线接收圆极化电磁波信号时，圆极化电磁波信号被分解为四路相位为270°、180°、90°、0°的电磁波信号分别被四个辐射贴片101接收，辐射贴片101将接收的四路相位为270°、180°、90°、0°的电磁波信号通过馈电导体4和一分四微带功分器201，该一分四微带功分器201设置有相应长度的馈电线分别产生0°、90°、180°、270°的移相，使得馈电导体3接收到四路电磁波信号的相位相同，从而合成后相位相同的四路电磁波信号被馈电导体3发送给外接设备接收，从而实现圆极化相控天线阵元可接收圆极化电磁波信号。相应地，辐射板1正面刻蚀的四块独立的矩形辐射贴片101间距为d，通过更改间距d，可以实现天线阵元波束宽度的调节，具体为：当间距d减小时，辐射贴片对应的反射面变小，相应的波束宽度变宽；而间距d增大时，辐射贴片对应的反射面变小，相应的波束宽度变窄。

作为本发明的一个优选的实施例，正方形辐射贴片101的边长优选设置为工作波长的四分之一，将辐射贴片的边长设置为波长的四分之一的原理在于，对于工作于主模的矩形微带天线来说，场分布在波长的四分之一处为电场零点，在该处将贴片与地导通不会影响内场分布。而天线的匹配阻抗调节是通过调节辐射贴片101上的第一馈电孔103的边距来实现的，实现方法为：从麦克斯韦方程出发对天线的阻抗分布进行仿真，使得第一馈电孔103的位置处于理想匹配阻抗50欧姆的范围内即可。

作为本发明的一个优选的实施例，辐射板1采用介电常数较小的板材，介电常数优选的范围为1.96～6，馈电板2则选用介电常数相对辐射板较大的板材，介电常数优选范围为3.5～9.6，辐射贴片101优选为辐射板1表面镀铜处理，一分四微带功分器201优选为馈电板2表面镀铜处理，可使得天线阵元具有较宽的工作带宽和轴比扫描角度，即提高了天线的驻波小于2的带宽及轴比小于3dB的带宽，同时提高天线交叉极化鉴别率，该圆极化相控阵天线阵元正常工作频段为1.2GHz～3.8GHz。

本发明对天线阵元进行了S频段的仿真及实物测试，其中，辐射板1采用ROGERSTMM6板材(介电常数为6)，辐射板1的长宽高的规格尺寸依次为40mm×40mm×2.5mm，矩形辐射贴片101间距d为7.825mm，馈电板2采用泰州旺灵微波复合介质覆铜箔基片TP-2板材，介电常数为9.6，其长宽高的规格尺寸为40mm×40mm×0.5mm，辐射贴片101优选为辐射板1表面镀铜处理，一分四微带功分器201优选为馈电板2表面镀铜处理，对天线进行仿真结果如下：

图4和图5分别是本发明优选实施例中的圆极化相控天线阵元辐射板介电常数为6时的天线增益方向图和天线轴比方向图。如图4所示，该圆极化相控天线阵元E面(Phi＝0°)和H面(Phi＝90°)增益方向图在±60°内不圆度在0.5dB以内；如图5所示，该圆极化相控天线阵元E面(Phi＝0°)和H面(Phi＝90°)的天线轴比在5dB以内的范围不小于±80°。

作为一个优选的实施例，辐射板1采用OGERS RT/duroid 5880LZ板材(介电常数为1.96)，辐射板1的长宽高的规格尺寸依次为60mm×60mm×2.5mm，矩形辐射贴片101间距d为7.825mm，馈电板2采用泰州旺灵微波复合介质覆铜箔基片TP-2板材，介电常数为9.6，其长宽高的规格尺寸为60mm×60mm×2.5mm，辐射贴片101优选为辐射板1表面镀铜处理，一分四微带功分器201优选为馈电板2表面镀铜处理，对天线进行仿真结果如下：

图6和图7分别是本发明优选实施例中的圆极化相控天线阵元辐射板介电常数为1.96时的天线增益方向图和天线轴比方向图。如图6所示，该圆极化相控天线阵元E面(Phi＝0°)和H面(Phi＝90°)增益方向图在±60°内不圆度在0.5dB以内；如图7所示，该圆极化相控天线阵元E面(Phi＝0°)和H面(Phi＝90°)的天线轴比在5dB以内的范围不小于±80°。

本发明圆极化相控天线阵元可用于5×5阵列S频段相控阵天线中，通过实物加工和测量，该天线阵元低不圆度、宽角轴比、易调试的特点得到体现，对相控阵天线25个阵元的驻波和方向图进行全部测试后发现，天线阵元驻波和方向图具有较好的一致性，达到了相控阵天线整体使用要求。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种圆极化相控阵天线阵元，该天线阵元包括辐射板(1)、馈电板(2)和第一馈电导体(3)，所述辐射板(1)为矩形的板体结构，所述馈电板(2)为与所述辐射板(1)相对应的矩形的板体结构，所述辐射板(1)下部的接地面与所述馈电板(2)上部的接地面通过两者对应设置的通孔紧固连接；其特征在于，

所述辐射板(1)上部依次设置有四块正方形的辐射贴片(101)，每块辐射贴片(101)靠近辐射板(1)中心的一边设置有直线排列且间距相等的若干接地孔(102)，每块辐射贴片(101)还设置有一个第一馈电孔(103)；

所述馈电板(2)下部设置有一分四微带功分器(201)、第二馈电孔(202)和四个与第一馈电孔(103)相对应的第三馈电孔(203)，四个第三馈电孔(203)与四个第一馈电孔(103)依次通过四个第一馈电导体(3)电连接，第二馈电孔(202)和四个第三馈电孔(203)通过所述一分四微带功分器(201)电连接，所述一分四微带功分器(201)通过设置相应的金属馈线长度使得第二馈电孔(202)与四个第三馈电孔(203)之间传送的信号依次进行0°、90°、180°、270°的移相，以此方式实现所述圆极化相控阵天线阵元发送和接收圆极化天线信号。

2.根据权利要求1所述的一种圆极化相控阵天线阵元，其特征在于，四块辐射贴片(101)围绕所述辐射板(1)中心旋转对称。

3.根据权利要求2所述的一种圆极化相控阵天线阵元，其特征在于，所述辐射贴片(101)的边长为所述圆极化相控阵天线阵元工作波长的四分之一。

4.根据权利要求3所述的一种圆极化相控阵天线阵元，其特征在于，所述接地孔(102)的间距小于所述圆极化相控阵天线阵元工作波长的二十分之一。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种圆极化相控阵天线阵元，其特征在于，所述第一馈电孔(103)设置在所述接地孔(102)的同侧中间位置，调整第一馈电孔(103)的边距以实现圆极化相控阵天线阵元的阻抗匹配。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种圆极化相控阵天线阵元，其特征在于，调整四块辐射贴片(101)的间距以实现所述圆极化相控阵天线阵元波束宽度的调节。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的一种圆极化相控阵天线阵元，其特征在于，所述圆极化相控阵天线阵元还设置有第二馈电导体(4)，所述第二馈电导体(4)的一端穿过第二馈电孔(202)焊接在馈电板(2)上，所述第二馈电导体(4)的另一端位于在馈电板(2)下方用于连接外接设备。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种圆极化相控阵天线阵元，其特征在于，辐射板(1)的介电常数设定为1.96～6，且其长宽厚的规格尺寸依次为40mm×40mm×2.5mm～60mm×60mm×2.5mm，辐射贴片(101)优选为辐射板(1)表面镀铜处理。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的一种圆极化相控阵天线阵元，其特征在于，馈电板(2)的介电常数被设定为3.5～9.6，且其长宽厚的规格尺寸依次为40mm×40mm×0.5mm～60mm×60mm×0.5mm，所述一分四微带功分器(201)优选为馈电板(2)表面镀铜处理。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的一种圆极化相控阵天线阵元，其特征在于，所述圆极化相控阵天线阵元正常工作频段为1.2GHz～3.8GHz。