CN109509964A - 一种宽带圆极化阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带圆极化阵列天线，包括辐射层、固定层、反射层、第一介质层、馈电网络层、第二介质层及接地层，辐射层包括2m×2n个微带天线单元，其中一对微带天线单元之间互相垂直呈T型设置，微带天线单元均垂直设置在固定层上，固定层、反射层、第一介质层、馈电网络层、第二介质层及接地层依次堆叠设置；馈电网络层包括若干带状电桥，带状电桥包括第一馈电微带和若干第二馈电微带，第一馈电微带用于若干带状电桥之间的馈电连接，第二馈电微带用于带状电桥与微带天线单元的馈电连接，第一馈电微带与第二馈电微带匹配连接。该天线有效的提高了天线的轴比带宽，结构简单，尺寸小，安装方便，便于组阵，具有更好的带宽，驻波及增益。

Description

一种宽带圆极化阵列天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体为一种宽带圆极化阵列天线。
背景技术
近年来动中通系统成为通信的热点，对产品的增益，轴比，带宽等性能的要求也越来越高。动中通是“移动中的卫星地面站通信系统”的简称。在卫星通信天线系统中，多频天线可以提高通信的容量、降低地面站的搭建成本，因此被广泛应用。
相对于传统的抛物面天线，微带天线具有低剖面、重量轻、易加工、易组阵、成本低等诸多优点，可以通过合理地设计辐射单元结构和馈电方式实现多极化工作模式；然而，通常情况下，微带天线的阻抗带宽很窄（2-4%）,这严重限制了其在多频/宽带通信领域的应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种宽带圆极化阵列天线。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种宽带圆极化阵列天线，包括辐射层、固定层、反射层、第一介质层、馈电网络层、第二介质层及接地层，所述辐射层包括2m×2n个微带天线单元，m、n均为自然数,所述微带天线单元成对设置，所述一对微带天线单元之间互相垂直呈T型设置，所述微带天线单元均垂直设置在固定层上，所述固定层、反射层、第一介质层、馈电网络层、第二介质层及接地层依次堆叠设置；
所述馈电网络层包括若干带状电桥，所述带状电桥包括第一馈电微带和若干第二馈电微带，第一馈电微带用于若干带状电桥之间的馈电连接，第二馈电微带用于带状电桥与微带天线单元的馈电连接，第一馈电微带与第二馈电微带匹配连接。
进一步的，所述微带天线单元包括辐射元、馈电针及介质板，所述辐射元及馈电针分别设置在介质板的正、反面；所述辐射元与馈电针耦合，馈电针与带状电桥的第二馈电微带连接。
进一步的，所述辐射元为金属贴片。
进一步的，所述辐射元为偶极子。
进一步的，所述介质板为PCB板。
进一步的，所述带状电桥包括四个第二馈电微带，所述四个第二馈电微带均与第一馈电微带匹配连接；所述第二馈电微带分别与一个微带天线单元连接，每两个微带天线单元组成一个T型阵子，每两个T型阵子组成一个天线单元；所述第一馈电微带还连接有阻抗变换器，所述天线单元之间通过阻抗变换器匹配连接。
进一步的，所述阻抗变换器选用四分之一波长阻抗变换器。
本发明的有益效果是：
1. 通过PCB偶极子天线和电桥馈电网络，满足天线的辐射带宽的同时，拓展了天线的轴比带宽。
2.微带天线单元采用T型结构，安装方便，便于组阵。
3.该宽带圆极化阵列天线结构简单，尺寸小，实现难度低。
4.相对于常规的动中通贴片阵列天线，该宽带圆极化阵列天线的带宽更宽，驻波更好，增益更高。
附图说明
图1是本发明一种宽带圆极化阵列天线的结构示意图；
图2是微带天线单元的结构示意图；
图3是带状电桥结构示意图；
图4是网络单元阵列示意图；
图5是天线单元示意图；
图6是天线阵列网络示意图；
图7是辐射层反射系数图；
图8是左右旋极化方向图；
图9是天线单元轴比辐射率图；
图10是本发明的垂直面归一化方向仿真图；
图11是本发明的水平面归一化方向仿真图。
图中，1-辐射元，2-馈电针，3-介质板，4-阻抗变换器，5-第一馈电微带，6-第二馈电微带，7-微带天线单元，8-固定层，9-反射层，10-第一介质层，11-带状电桥，12-第二介质层，13接地层。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种宽带圆极化阵列天线，包括辐射层、固定层8、反射层9、第一介质层10、馈电网络层、第二介质层12及接地层13。
如图4所示，所述辐射层包括2m×2n个微带天线单元7，m、n均为自然数。本实施例中，m=3，n=4，即在宽边设置有八个微带天线单元7，长边设置有十六个微带天线单元7，微带天线单元7垂直设置在固定层8上，该固定层8用于加固辐射层的物理结构，对辐射层起到保护和校准天线位置的作用。固定层8、反射层9、第一介质层10、馈电网络层、第二介质层12及接地层13依次堆叠设置，各层一体化设置。具体实施时，所述微带天线单元7成对设置，两个微带天线单元7互相垂直呈T型设置。第一介质层10和第二介质层12均为介电常数为2.2的Rogers5880，反射层9选用金属铜层。
如图3所示，所述馈电网络层包括若干带状电桥11，带状电桥11包括第一馈电微带5及第二馈电微带6，第一馈电微带5用于若干带状电桥11之间的馈电连接，第二馈电微带6用于带状电桥11与微带天线单元7的馈电连接，第一馈电微带5与第二馈电微带6匹配连接。
如图3、图5、图6所示，带状电桥11通过阻抗变换器4组成天线阵列网络。本实施例中，所述带状电桥11为多个，每个带状电桥11包括四个第二馈电微带6，四个第二馈电微带6分别与第一馈电微带5匹配连接；每个第二馈电微带6连接一个微带天线单元7，每两个微带天线单元7组成一个T型阵子，每两个阵子组成一个天线单元。如图4所示，本实施例中，一共设置六十四个微带天线单元7，三十二个T型阵子，十六个天线单元，该十六个天线单元阵列尺寸为800mm*400mm*50mm。如图5所示，所述第一馈电微带5还连接有阻抗变换器4，每个天线单元之间通过阻抗变换器4匹配连接；所述阻抗变换器4为四分之一波长阻抗变换器。
如图3所示，带状电桥11还包括3db电桥和两个等功分器，3db电桥的两个输出口分别和两个等功分器的输入口连接，两个等功分器的两个输出口分别与两个第二馈电微带6连接，3db电桥的输入口与第一馈电微带5连接。
带状电桥11可以屏蔽网络辐射对辐射层的影响，同时使得四个第二馈电微带6端口的隔离度更好，相位相差90°，带宽更宽，可以保证辐射单元的圆极化特性的实现并且轴比更好。由于带状线设计抑制了网络辐射损耗，对天线整体的增益也具有提升作用。
如图2所示，所述微带天线单元7包括辐射元1、馈电针2及介质板3。辐射元1及馈电针2分别设置在介质板3的正、反面。辐射元1与馈电针2耦合，馈电针2与带状电桥11的第二馈电微带6连接。优选的，该介质板3选用PCB板，辐射元1为金属贴片，所述辐射元1为偶极子。
为达到最佳优化，采用ANSOFT公司的专业电磁仿真软件HFSS对辐射层进行仿真，因为是定向天线，所以联合地板进行一体化设计。如图2所示，辐射元1为偶极子，理论上偶极子的辐射臂长度为波长的1/2，高度为波长的1/4。本设计采用εr为6.15mm，厚度h为1mm，铜皮厚度为0.035mm的介质板材。通过调整馈电层的宽度和辐射层中的高度、长度和缝隙宽度，使最终优化结果在2.5Ghz频率附近达到最优辐射效果。
此时，如图7所示，辐射层的反射系数小于-16.5dB。辐射层最终的优化尺寸为偶极子臂长24.5mm，宽6mm；缝隙宽为1mm，深27mm。
根据仿真结果，电桥的驻波在辐射层的带宽，电桥的相位在辐射层的频率范围内相差在89°-91°。
将辐射层与网络层组合一起进行仿真优化即可以得到天线阵列的辐射单元。因为网络采用电桥设计，在激励不同端口时，天线可以实现左右旋圆极化。图8所示为左右旋圆极化的方向图，如图9所示天线单元的轴比辐射频率内均小于1。
本实施例采用二节四分之一波长阻抗变换器设计馈电匹配网络将十六个天线单元组合到一起形成阵列。
四分之一波长阻抗变换器是匹配纯电阻负载的简单而实用的电路，是连接在特性阻抗为Z0的传输线和阻抗为Z2的负载之间的长为四分之一波长，特性阻抗为Z1的传输线。微带馈电网络的作用是对宽带圆极化天线阵列实现馈电及等功分，且馈电网络可以很容易地利用50Ω的SMA接头实现同轴馈电。
本实施例的四分之一波长阻抗变换段特性阻抗为70.7Ω，采用两节匹配，第一节阻抗为84Ω，第二节阻抗为59.5Ω。在通过HFSS调整阻抗变换段的长度实现馈电网络的阻抗匹配。
如图10、图11所示为该宽带圆极化阵列天线垂直面和水平面正面180度方向的归一化方向图仿真结果和测试结果。
本实施例利用电桥网络配合介质偶极子天线实现了S波段宽带圆极化天线（左右旋同时实现），结合二节四分之一波长阻抗变换器可实现多种阵列组合；采用带状线网络，网络的结构安装更好方便，电磁波辐射对阵列的影响降到最低；同时仿真结果显示天线单元在2.0Ghz-3.0Ghz匹配良好，轴比带宽也达到了40%；天线的实测方向图与理论方向吻合。该宽带圆极化阵列天线的结构简单，加工难度低，具有良好的宽频段和圆极化特性，同时优化的辐射单元利于组阵使用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种宽带圆极化阵列天线，其特征在于，包括辐射层、固定层（8）、反射层（9）、第一介质层（10）、馈电网络层、第二介质层（12）及接地层（13），所述辐射层包括2m×2n个微带天线单元（7），m、n均为自然数,所述微带天线单元（7）成对设置，所述一对微带天线单元（7）之间互相垂直呈T型设置，所述微带天线单元（7）均垂直设置在固定层（8）上，所述固定层（8）、反射层（9）、第一介质层（10）、馈电网络层、第二介质层（12）及接地层（13）依次堆叠设置；
所述馈电网络层包括若干带状电桥（11），所述带状电桥（11）包括第一馈电微带（5）和若干第二馈电微带（6），第一馈电微带（5）用于若干带状电桥（11）之间的馈电连接，第二馈电微带（6）用于带状电桥（11）与微带天线单元（7）的馈电连接，第一馈电微带（5）与第二馈电微带（6）匹配连接。
2.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化阵列天线，其特征在于，所述微带天线单元（7）包括辐射元（1）、馈电针（2）及介质板（3），所述辐射元（1）及馈电针（2）分别设置在介质板（3）的正、反面；所述辐射元（1）与馈电针（2）耦合，馈电针（2）与带状电桥（11）的第二馈电微带（6）连接。
3.根据权利要求2所述的一种宽带圆极化阵列天线，其特征在于，所述辐射元（1）为金属贴片。
4.根据权利要求2所述的一种宽带圆极化阵列天线，其特征在于，所述辐射元（1）为偶极子。
5.根据权利要求根据权利要求2所述的一种宽带圆极化阵列天线，其特征在于，所述介质板（3）为PCB板。
6.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化阵列天线，其特征在于，所述带状电桥（11）包括四个第二馈电微带（6），所述四个第二馈电微带（6）均与第一馈电微带（5）匹配连接；所述第二馈电微带（6）分别与一个微带天线单元（7）连接，每两个微带天线单元（7）组成一个T型阵子，每两个T型阵子组成一个天线单元；所述第一馈电微带（5）还连接有阻抗变换器（4），所述天线单元之间通过阻抗变换器（4）匹配连接。
7.根据权利要求6所述的一种宽带圆极化阵列天线，其特征在于，所述阻抗变换器（4）选用四分之一波长阻抗变换器。
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