CN109494457A - 一种高效低剖面宽轴比带宽大规模圆极化阵列天线 - Google Patents

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唐政华
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Abstract

本发明涉及了一种高效低剖面宽轴比带宽大规模圆极化阵列天线，具体地说，提供一种由带耦合缝隙的金属地板、印刷辐射贴片及顺序旋转微带馈电网络的薄膜、主馈电网络和用于支撑薄膜的泡沫或中空介质板组成的圆极化阵列天线。其中，每四个顺序旋转放置的切角辐射金属贴片和顺序旋转微带馈电网络共同组成一个子阵列，通过金属地板上的缝隙与主馈电网络耦合，依次90度相差等幅激励子阵列各阵元，从而实现宽轴比圆极化辐射。增加主馈电网络的功分器级数和子阵列数量，可以构建大规模圆极化阵列天线。与现有圆极化阵列天线技术相比，本发明具有轴比带宽宽、结构简单、辐射效率高、剖面低、重量轻、成本低廉及易于扩展至大规模阵列等优点，特别适合移动终端、卫星终端。

Description

一种高效低剖面宽轴比带宽大规模圆极化阵列天线
技术领域
本发明涉及移动通信、卫星通信以及微波通信等技术领域中天线阵列，更具体地说，涉及一种高效平面圆极化天线阵列。
背景技术
高增益圆极化天线阵列被广泛应用于移动通信、卫星通信，可以避免收发天线间的极化失配，实现高速稳定可靠通信。对于移动卫星终端，如车辆、船舶、飞机等，由于终端不断运动，不仅要求天线增益高，而且对天线的重量、剖面等有极多限制。早期的卫星接收终端采用伺服机构控制的反射面天线，虽然可以获得宽带宽圆极化甚至双圆极化辐射特性，但剖面高、笨重，只能用于大型船舶、列车等，无法用于小车、飞机等。目前普遍应用的波导缝隙天线阵列，可大大降低天线剖面。为进一步减小重量和降低成本，阵列馈电波导采用注塑成型并金属化表面组装而成，组装精度要求高，成品率低，产品可靠性低，系统仍然存在剖面高、笨重等不足。
平面圆极化阵列在移动卫星通信中具有低剖面、轻量化的优势。然而，与反射面天线、波导缝隙天线阵列相比，往往存在馈电网络复杂，损耗高，天线效率低等缺点。早期天线阵列将辐射阵元与馈电网络同层布局，阵列剖面低，但馈电网络损耗较大。当阵元增加到一定规模后的增益提升被网络损耗抵消，不适合制作大规模阵列；第二类阵列将馈电网络和与辐射阵元分层制作，电路布局更为合理，可以构建大规模天线阵列，但是天线阵列结构过于复杂，馈电损耗太高，难以制作要求增益的天线阵列。
此外，如何提高阵列的效率也是至关重要的。一方面，通过各种方法简化、缩短馈电网络，减少馈电网络的介质损耗和导体损耗。采用SIW等封闭导波结构减小馈电网络的辐射损耗；另一方面，在提高阵列馈电网络效率的同时，阵元损耗特别是介质损耗也是不容忽视。只有综合提高阵元辐射效率和馈电网络效率，才可获得期望阵列效率和增益。
发明内容
本发明的目的在于克服现有平面圆极化天线阵列的缺点与不足，提供一种高效低剖面宽轴比带宽大规模圆极化阵列天线。该阵列的主馈电网络位于金属地板下面，辐射阵元位于金属地板的上面；每四个切角金属贴片与一个顺序旋转微带馈电网络组成一个子阵列，通过金属地板上的缝隙与另一面的主馈电网络耦合，大大简化馈电网络，缩短馈电路径，拓宽了轴比带宽，提升辐射效率。该阵列天线结构简单、剖面低、重量轻，适合构建大规模高增益圆极化阵列天线，用于高速卫星、移动通信。
为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种高效低剖面宽轴比带宽大规模圆极化阵列天线，其特征在于：采用切角-101的金属贴片-102为圆极化辐射部件，每四个切角辐射贴片顺序旋转90度摆放；两对微带线-201、-202组成顺序旋转微带馈电网络2，-201的电长度较-202多90度；四个切角辐射贴片与序旋转微带馈电网络连接，共同组成子阵列-1，印刷于薄膜-3上；薄膜-3通过泡沫(或中空介质板)-8与金属地板-4粘结在一起；顺序旋转微带馈电网络-2通过金属地板-4上的矩形缝隙-5与金属地板另一面的主馈电网络-6耦合。主馈电网络末级为一分二反相功分器-7，分别激励两个子阵列，使得两子阵列等幅同相激励，在天线面法向获得最大辐射获得等幅等相圆极化信号。进一步增加主馈电网络中的功分器级数及子阵列数量，可将阵列天线扩展至需要规模，获得需要增益。主馈电网络可采用集成介质波导或微带等平面电路，也可以采用金属波导等封闭传输线。
本发明专利与现有技术相比，具有宽轴比带宽、剖面低、馈电结构简单、辐射效率高、制作简单、成本低廉及易于扩展为大规模高增益阵列等优点，可用于各种移动卫星终端高速宽带无线通信系统。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是实施例1的结构示意图；
附图标记说明：
1、矩形辐射贴片-102及其切角-101；
2、由微带-201、202组成的顺序旋转微带馈电网络-2；
3、由四个顺序旋转90º摆放的辐射贴片-102及顺序旋转微带馈电网络-2组成的圆极化子阵列-1；
4、印刷辐射贴片-101及顺序旋转微带馈电网络-2的薄膜-3；
5、金属地板-4
6、耦合缝隙-5；
7、主馈电网络-6；
8、等幅反相功分器-7，过孔-701调整功分器特性；
9、用于支撑薄膜-3的泡沫或中空介质板-8。
图2是实施例1的2×4宽轴比带宽平面圆极化天线阵列结构示意图；
图3是实施例1的反射曲线结果；
图4是实施例1的左旋增益结果;
图5是实施例1的轴比结果；
图6是实施例1的2维方向图；
图7是实施例2 的6×16平面圆极化天线阵列结构图；
图8是实施例2 的6×16宽轴比带宽平面圆极化天线阵列回波损耗；
图9是实施例2的6×16宽轴比带宽平面圆极化天线阵列轴比及增益；
图10是实施例2的6×16宽轴比带宽平面圆极化天线阵列辐射模式；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步说明。
实施例1：
本实施例的2×4宽轴比带宽平面圆极化天线阵列如图2所示，薄膜-3上印刷带切角-101的辐射贴片-102及顺序旋转微带馈电网络-2，每四个切角矩形辐射贴片-102与一个顺序旋转微带馈电网络-2构成一个圆极化子阵列-1；采用传统PCB工艺用短路过孔-501阵列在介质板-6上构建SIW馈电网络-5，并通过蚀刻在SIW上的矩形缝隙-4激励圆极化子阵列-1；SIW等幅反相功分器-8激励两个圆极化子阵列，保证2×4个辐射贴片等幅同相激励。过孔-501调整圆极化子阵列-1的匹配特性，过孔-801、802调整SIW功分器-8的匹配特性和功分比；整个天线阵列采用同轴端口-7馈电，并可通过过孔-701调整激励端口的匹配特性。
该2×4宽轴比带宽平面圆极化天线阵列的匹配特性、增益、轴比及辐射模式仿真结果分别如图3-6。
实施例2：
本实施例的6×16宽轴比带宽平面圆极化天线阵列如图7所示，薄膜-3上印刷6×16个带切角-101的辐射贴片-102及3×8个微带馈电网络-2，每四个辐射贴片顺序旋转90º摆放，与一个微带馈电网络-2构成一个圆极化子阵列-1。采用传统PCB工艺用短路过孔-501阵列在介质板-6上构建SIW馈电网络-5，并通过蚀刻在SIW上的矩形缝隙-4激励圆极化子阵列-1；每两个子阵列-1用一个SIW等幅反相功分器-8激励，保证2×4个辐射贴片等幅同相激励。再通过SIW等幅等相功分器-9和一比二等相功分器-10进一步扩展，最后通过同轴端口-7对整个天线阵列馈电。
该宽轴比带宽平面圆极化天线阵列的仿真及实物测试结果如图8-10：
本说明书列举的仅为本发明的较佳实施方式之一，凡在本发明的工作原理和思路下做的等同 技术变换，均视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种高效低剖面宽轴比带宽大规模圆极化阵列天线，采用切角金属贴片为辐射部件，与顺序旋转微带馈电网络印刷于金属地板上的薄膜，处于金属地板另一面的主馈电网络通过金属地板上的缝隙与顺序旋转微带馈电网络耦合并激励切角贴片获得圆极化辐射；
每四个切角金属贴片和一个顺序旋转微带馈电网络共同组成一个子阵列。
2.切角金属贴片顺序旋转90度摆放；顺序旋转微带馈电网络由两对奇对称的微带线组成，每对微带线的电长度相差90º，利用槽线-微带的反相输出实现顺序旋转90º相差馈电，激励子阵列中切角矩形辐射贴片，大大拓宽子阵列的轴比带宽。
3.薄膜与金属地板间采用泡沫或中空的介质支撑，确保辐射贴片与金属地板间准确间距；同时降低阵列的介质损耗，提高阵列的效率并减轻阵列重量。
4.主馈电网络的末级为等幅反相功分器，确保各子阵列的等幅同相激励，并使阵列天线在法向获得最大增益。
5.辐射部分与主馈电网络处于金属地板的两面，增加功分网络级数和辐射贴片数量，可以进一步扩展阵列天线规模，实现目标增益。
6.主馈电网络可采用集成介质波导或微带等平面电路，也可以采用金属波导等封闭传输线。
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