CN109524771B - 一种基于gcpw馈电的双极化正弦天线装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微波与天线技术领域，具体的说是一种可用于卫星遥感、导航、飞行器遥控遥测、移动通信、雷达探测等无线电系统中的基于GCPW馈电的双极化正弦天线装置，其特征在于，由两个相同的单极化正弦振子天线垂直交叉放置组成，其中每一个单极化正弦振子天线均设有单层介质基板，单层介质基板的两侧对称设置正弦印刷振子，并采用对称的异面带状双线直接馈电，天线的输入端采用接地共面波导GCPW馈电，便于和同轴线接头直接焊接在一起，接地共面波导为非平衡结构，具有加工和装配方便、设计灵活、成本低廉，易于阻抗调配，具有较好的辐射特性，适合于工程应用等显著的优点。

Description

一种基于GCPW馈电的双极化正弦天线装置
技术领域：
本发明涉及微波与天线技术领域，具体的说是一种可用于卫星遥感、导航、飞行器遥控遥测、移动通信、雷达探测等无线电系统中的基于GCPW馈电的双极化正弦天线装置。
背景技术：
通常情况下，无线电电子系统采用单极化工作模式，天线也为单极化工作状态；为了有效提升无线电系统的性能，电磁波的极化特性日益获得重要关注，极化信息的利用越来越多。双极化天线是双极化电子系统的传感器装置，在实际工程中，双极化天线的设计十分关键。在超宽带电子系统中，需要采用具有超宽带阻抗和辐射方向图性能的天线。常用的超宽带双极化天线有双极化渐变缝隙天线、双极化加脊喇叭天线、双极化对数周期天线和双极化正弦天线等。
1982年，Sinuous天线首先由R.H.Duhamel提出来，它被认为是最新的频率无关天线之一，是第一个具有平面化、宽频带、全极化和单孔径特点的天线。在低剖面的平面结构里，它不但可以提供一个宽的工作频带，而且可以实现全极化(即双线极化或双圆极化)，具备了前面两种平面天线不具备的特性，这种特性不管是在军事领域还是在民用领域，特别是在目标搜索和反射馈源中，都有很强的吸引力。
正弦天线(也称为曲折臂天线)是平衡对称结构，其馈电系统也应采用平衡馈电方式。同轴线是传统的超宽带馈电线，具有良好的宽频带特性，但其馈电方式为非平衡馈电，因此需要在馈电端添加巴伦以满足平衡不平衡转换。在天线领域中，如：对称振子天线，印刷振子天线(printed dipole antennas)平面螺旋天线(spiral antennas)，以及曲折臂天线(sinuous antennas)等，当对这些天线进行馈电时，由于它们都是宽带平衡结构，所以我们不仅需要完成平衡不平衡转换和阻抗匹配，还需要我们的馈电网络有与天线相适应的工作带宽。随着天线频带的变宽，对巴伦频带的要求也越来越宽。由于该平面正弦天线工作在超宽带范围内，因此与之相匹配的Balun也应该具备超宽带的性能。常见的超宽带Balun主要形式有：Marchand巴伦、微带线巴伦和渐变线巴伦等。
发明内容：
本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种可用于卫星遥感、导航、飞行器遥控遥测、移动通信、雷达探测等无线电系统中的基于GCPW馈电的双极化正弦天线装置。
本发明可以通过以下措施达到：
一种基于GCPW馈电的双极化正弦天线装置，其特征在于，由两个相同的单极化正弦振子天线垂直交叉放置组成，其中每一个单极化正弦振子天线均设有单层介质基板，单层介质基板的两侧对称设置正弦印刷振子，并采用对称的异面带状双线直接馈电，天线的输入端采用接地共面波导GCPW馈电，便于和同轴线接头直接焊接在一起，接地共面波导为非平衡结构，
曲折臂天线由N个臂组成，每个臂由P个单元组成，第p个单元表示从第一个、最外面的单元到最里面的单元P中的某一个单元，Rp表示第p个单元的半径，Sinuous曲线的设计参数包括αp和τp，其中αp表示极坐标下天线臂第p个单元的角度范围，τp表示相邻两单元的半径的比值Rp/Rp-1，如果α和τ是常数，则曲折臂曲线符合对数周期原理，如果αp和τp跟单元数p有关，那么称这种结构为准对数周期结构，Sinuous曲线的第p个单元线段可由下面等式定义：
Figure GDA0003816689990000031
Figure GDA0003816689990000032
其中，r和
Figure GDA0003816689990000033
为Sinuous曲线的极坐标，p为每一单元组线段编号，Rp之间的关系为：
Rp＝τp-1Rp-1 (3)
为了从Sinuous曲线获得曲折臂天线的臂，引入另外一个参数δ，第p个曲折臂单元的等式可写为：
Figure GDA0003816689990000034
当αp+δ＜70°时，天线可以获得一个好的增益和效率，δ满足：
Figure GDA0003816689990000035
天线的每个臂的输入阻抗由下式得到：
Figure GDA0003816689990000036
本发明中介质基板介电常数为εr，厚度为h的，介质基板上、下的灰色部分为厚度为t的金属敷层，CPW中心导带的宽度为w，与两侧地的间隙为s，CPW的有效介电常数εeff和特性阻抗Z0可由式(7)和式(8)计算：
Figure GDA0003816689990000037
其中，C为传输线的单位电容，C(εr)为介质填充下的单位电容，而C(εr＝1)为空气填充的单位电容。
本发明中所述接地共面波导(GCPW)是在CPW介质的背面敷接地金属板的共面波导，是微带线和共面波导的结合，当槽较宽时，GCPW中的电场模式类似与微带线的传输模式，同时由于信号线两侧的接地线与背敷接地金属板容易形成平板波导，会出现平板波导模式。GCPW与CPW的场结构不同是因为背敷金属引起的，因此采用改变地的形状实现两种传输模式的转换；由于地形状的变化对阻抗也有影响，所以改变地形状的同时可以实现阻抗的匹配。本发明中，采用图中所示的近似梯形的接地板结构，同时采用导电连接孔阵列实现地板互联和阻抗匹配。整个电路为印刷电路，一个极化分机仅用一层电路基板实现，结构简单，天线振子辐射器和馈电传输线直接互连，不需要焊接过程，减少了装配和加工的难度，适合于工程实践。
综上所述，本发明提出了一种GCPW馈电的双极化正弦天线结构。本发明设计的GCPW馈电的双极化正弦天线具有新型的馈电结构，加工和装配方便、设计灵活、成本低廉，易于阻抗调配，具有较好的辐射特性，适合于工程应用。本发明设计的GCPW馈电的双极化正弦天线适合应用于卫星遥感、导航、飞行器遥控遥测、无线通信和雷达等电子系统中，重要较为重要的工程应用价值。
附图说明：
附图1是本发明的结构示意图。
附图2是本发明的一个极化部分的结构图。
附图3(a)是本发明的主视图，附图3(b)是本发明的后视图。
附图4(a)是图2的主视图，附图4(b)是图2的后视图。
附图5是正弦曲线及其臂的形成示意图，其中图5(a)是Sinuous曲线，图5(b)是Sinuous天线的臂。
附图6是CPW传输线结构示意图。
附图7是GCPW的场结构示意图。
附图8是本发明实施例中基于GCPW馈电的双极化正弦天线的电路特性仿真结果，其中图8(a)为端口1结果，图8(b)为端口2结果，图8(c)为两端口隔离度结果。
附图9是本发明实施例中天线在2GHz的辐射特性仿真结果，其中9(a)是端口1的三维增益方向图，9(b)是端口1的三维轴比方向图，9(c)是端口1的xoz面的增益方向图，9(d)是端口1的xoz面的轴比方向图，9(e)是端口1的yoz面的增益方向图，9(f)是端口1的yoz面的轴比方向图，9(g)是端口2的三维增益方向图，9(h)是端口2的三维轴比方向图，9(i)是端口2的xoz面的增益方向图，9(j)是端口2的xoz面的轴比方向图，9(k)是端口2的yoz面的增益方向图，9(l)是端口2的yoz面的轴比方向图。
附图10是本发明实施例中天线在4GHz的辐射特性仿真结果，其中10(a)是端口1的三维增益方向图，10(b)是端口1的三维轴比方向图，10(c)端口1的xoz面的增益方向图，10(d)端口1的xoz面的轴比方向图，10(e)是端口1的yoz面的增益方向图，10(f)是端口1的yoz面的轴比方向图，10(g)是端口2的三维增益方向图，10(h)是端口2的三维轴比方向图，10(i)端口2的xoz面的增益方向图10(j)端口2的xoz面的轴比方向图，10(k)端口2的yoz面的增益方向图10(l)端口2的yoz面的轴比方向图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明研究了一种GCPW馈电的双极化正弦天线系统装置，该天线两个相同的单极化正弦振子天线垂直交叉放置组成，每一个单极化正弦振子天线由单层介质基板加工而成，对称的正弦印刷振子分别放置于介质基板的两侧，采用对称的异面带状双线直接馈电，正弦振子辐射器具有超宽带的阻抗和方向图性能，该正交振子结构使天线处于超宽带双极化的工作模式。天线的输入端采用接地共面波导馈电，便于和同轴线接头直接焊接在一起。接地共面波导为非平衡结构，设计了一种从GCPW到平行异面带状双线的巴伦转换器，实现对平衡正弦振子的激励。本发明设计的GCPW馈电的双极化正弦天线系统模型如图1所示。在图1中，1为上层正弦振子辐射器，2为上层介质基板；3为接地共面波导(GCPW)，4为接地导电孔，5为平行异面带状双线，6为阻抗变换段，7为下层介质基板。为便于观测，图2给出了基于GCPW馈电的双极化正弦天线一个极化部分的线框图。图3给出了基于GCPW馈电的双极化正弦天线的整体结构的前视图和后视图。
整体的GCPW馈电的双极化正弦天线有两个相同的极化分机组成，它们在水平方向上互相垂直，在口面的法线上形成双极化正交的辐射场，图4给出了基于GCPW馈电的双极化正弦天线一个极化部分的前视图和后视图。在图4中，1为上层的正弦振子辐射器，2为1为上层的正弦振子辐射器；3为馈电线和辐射器的连接处，4为平行异面带状双线，5为阻抗变换段，6为接地导电孔，7为GCPW。
正弦天线是一个频率无关的对数周期或准对数周期结构，它依赖于每个单元的最大角度范围α和单元之间的比例τ，当这二者都为常数时，曲折臂天线为对数周期结构，否则，为准对数周期结构。曲折臂天线由N个臂组成，每个臂由P个单元组成。第p个单元表示从第一个、最外面的单元到最里面的单元P中的某一个单元，Rp表示第p个单元的半径。
Sinuous曲线的设计参数包括αp和τp，如图5所示。其中αp表示极坐标下天线臂第p个单元的角度范围，τp表示相邻两单元的半径的比值Rp/Rp-1。如果α和τ是常数，则曲折臂曲线符合对数周期原理，如果αp和τp跟单元数p有关，那么我们称这种结构为准对数周期结构。Sinuous曲线的第p个单元线段可由下面等式定义：
Figure GDA0003816689990000071
Figure GDA0003816689990000072
其中，r和
Figure GDA0003816689990000073
为Sinuous曲线的极坐标，p为每一单元组线段编号，Rp之间的关系为：
Rp＝τp-1Rp-1 (3)
为了从Sinuous曲线获得曲折臂天线的臂，我们需要引入另外一个参数δ，图5右图显示了可以利用αp±δ旋转两个Sinuous曲线产生曲折臂天线的臂。
第p个曲折臂单元的等式可写为：
Figure GDA0003816689990000074
尽管前面提到的设计参数有详细的说明，但是仍然有我们需要考虑的条件和限制。参数αp和δ的和不但影响天线的效率和增益，而且还影响到天线的频率响应。因此，我们应该认真考虑对它们的选取。实验表明，当αp+δ＜70°时，天线可以获得一个好的增益和效率。对于N臂曲折臂天线，δ在频率无关天线中也起着重要的作用。因为当δ满足一定值的时候，该天线满足自互补结构的条件：
Figure GDA0003816689990000081
自互补结构天线的每个臂的输入阻抗可以由下式得到：
Figure GDA0003816689990000082
共面波导(Coplanar waveguide,CPW)是一种重要的微波平面传输线，应用前景十分广阔。它的独特之处在于信号导带与地位于同一平面，因此非常便于与其他微波无源、有源器件连接，并构成电路。具有金属底板的CPW(Conductor backed CPW，CBCPW)是在传统CPW的基础之上发展而成的，它可以有效抑制奇模传输，具有比传统CPW更好的性能。CBCPW的结构如图7所示。白色部分为介电常数为εr，厚度为h的介质基板，介质基板上、下的灰色部分为厚度为t的金属敷层。CPW中心导带的宽度为w，与两侧地的间隙为s，CPW的有效介电常数εeff和特性阻抗Z0可由式(7)和式(8)计算。
Figure GDA0003816689990000083
Figure GDA0003816689990000084
其中，C为传输线的单位电容，C(εr)为介质填充下的单位电容，而C(εr＝1)为空气填充的单位电容。
接地共面波导(GCPW)是在CPW介质的背面敷接地金属板的共面波导，它是微带线和共面波导的结合。当槽较宽时，GCPW中的电场模式类似与微带线的传输模式。同时由于信号线两侧的接地线与背敷接地金属板容易形成平板波导，会出现平板波导模式。GCPW与CPW的场结构不同是因为背敷金属引起的，因此采用改变地的形状实现两种传输模式的转换；由于地形状的变化对阻抗也有影响，所以改变地形状的同时可以实现阻抗的匹配。本发明中，采用图中所示的近似梯形的接地板结构，同时采用导电连接孔阵列实现地板互联和阻抗匹配。整个电路为印刷电路，一个极化分机仅用一层电路基板实现，结构简单，天线振子辐射器和馈电传输线直接互连，不需要焊接过程，减少了装配和加工的难度，适合于工程实践。
实施例：
本发明设计了一个具体的基于GCPW馈电的双极化正弦天线装置，采用全波电磁仿真软件对该天线阵列进行了性能仿真，仿真实验结果验证了本发明所提出的基于GCPW馈电的双极化正弦天线装置的可行性和有效性。
本发明设计的基于GCPW馈电的双极化正弦天线的电路特性如图5所示，由图可见，在工作频点2GHz～4GHz范围，该天线的端口1和端口2的平均回波损耗约为-10dB，端口隔离度约在-15dB至-25dB之间。
为了表征该天线的辐射特性，图7和图8分别给出在频率2GHz和频率4GHz时的天线的辐射增益方向图和轴比方向图的仿真结果。在工作频点2GHz上，设计的基于GCPW馈电的双极化正弦天线的端口1的辐射增益约为5dB，主辐射方向轴比大于18dB；端口2的辐射增益约为5.8dB，主辐射方向轴比大于16.8dB。在工作频点4GHz上，设计的基于GCPW馈电的双极化正弦天线的端口1的辐射增益约为6.2dB，主辐射方向轴比大于20dB；端口2的辐射增益约为6dB，主辐射方向轴比大于20.9dB。
综上所述，本发明提出了一种GCPW馈电的双极化正弦天线结构。本发明设计的GCPW馈电的双极化正弦天线具有新型的馈电结构，加工和装配方便、设计灵活、成本低廉，易于阻抗调配，具有较好的辐射特性，适合于工程应用。本发明设计的GCPW馈电的双极化正弦天线适合应用于卫星遥感、导航、飞行器遥控遥测、无线通信和雷达等电子系统中，重要较为重要的工程应用价值。

Claims (1)

1.一种基于GCPW馈电的双极化正弦天线装置，其特征在于，由两个相同的单极化正弦振子天线垂直交叉放置组成，其中每一个单极化正弦振子天线均设有单层介质基板，单层介质基板的两侧对称设置正弦印刷振子，并采用对称的异面带状双线直接馈电，天线的输入端采用接地共面波导GCPW馈电，便于和同轴线接头直接焊接在一起，接地共面波导为非平衡结构，
曲折臂天线由N个臂组成，每个臂由P个单元组成，第p个单元表示从第一个、最外面的单元到最里面的单元P中的某一个单元，Rp表示第p个单元的半径，Sinuous曲线的设计参数包括αp和τp，其中αp表示极坐标下天线臂第p个单元的角度范围，τp表示相邻两单元的半径的比值Rp/Rp-1，如果α和τ是常数，则曲折臂曲线符合对数周期原理，如果αp和τp跟单元数p有关，那么称这种结构为准对数周期结构，Sinuous曲线的第p个单元线段由下面等式定义：
Figure FDA0003744112850000011
Figure FDA0003744112850000012
其中，r和
Figure FDA0003744112850000013
为Sinuous曲线的极坐标，p为每一单元组线段编号，Rp之间的关系为：
Rp＝τp-1Rp-1 (3)
为了从Sinuous曲线获得曲折臂天线的臂，引入另外一个参数δ，第p个曲折臂单元的等式写为：
Figure FDA0003744112850000014
当αp+δ＜70°时，天线获得一个好的增益和效率，δ满足：
Figure FDA0003744112850000015
天线的每个臂的输入阻抗由下式得到：
Figure FDA0003744112850000016
介质基板介电常数为εr，厚度为h的，介质基板上、下的灰色部分为厚度为t的金属敷层，CPW中心导带的宽度为w，与两侧地的间隙为s，CPW的有效介电常数εeff和特性阻抗Z0可由式(7)和式(8)计算：
Figure FDA0003744112850000017
Figure FDA0003744112850000021
其中，C为传输线的单位电容，C(εr)为介质填充下的单位电容，而C(εr＝1)为空气填充的单位电容；
所述接地共面波导GCPW是在CPW介质的背面敷接地金属板的共面波导，是微带线和共面波导的结合，通过采用梯形的接地板结构，同时采用导电连接孔阵列实现地板互联和阻抗匹配；天线振子辐射器和馈电传输线直接互连，不需要焊接过程，减少了装配和加工的难度。
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