CN109904584B - 一种双极化微带贴片天线单元及天线阵 - Google Patents
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Abstract
本发明公开提供一种双极化微带贴片天线单元及天线阵，包括从下向上依次设置的金属接地层、腔体层、介质层、支撑层和天线罩层；所述介质层上刻蚀有方形金属微带贴片；所述方形金属微带贴片上设置有作为馈电端口的两个第一同轴馈电连接器；每个所述第一同轴馈电连接器的内导体周围设置有用于阻抗匹配的圆环缝隙；所述方形金属微带贴片上还设置有用于阻抗匹配的水平矩形缝和垂直矩形缝；所述方形金属微带贴片中心处还设置有用于阻抗匹配的一组正交矩形斜缝；本发明所述双极化微带贴片天线单元在实现微带贴片天线宽角、宽频带性能的同时，具有小尺寸、极低剖面、重量轻、结构紧凑的优势。
Description
技术领域
本发明涉及雷达天线技术领域，具体涉及一种双极化微带贴片天线单元及天线阵。
背景技术
微带天线在军用和民用领域的应用十分广泛，而且种类繁多。
随着无线通信技术的迅猛发展，日趋小型化和高度集成化的无线通信系统要求通信设备具有多功能、小体积、高速率的特点，具有轻、薄、短、小等特性的宽带无线产品将成为今后的主流。天线作为无线通信系统的门户，其性能的好坏直接影响到系统的通信质量。
传统偶极子天线虽具有较好的传输特性，但其尺寸规格已无法满足设备小型化的发展要求，而微带天线因满足现有宽带无线产品所需具备的轻、薄、短、小的要求，在雷达、通信等方面得到了广泛应用，是近年来天线领域发展迅速的一个分支。
与通常的微波天线相比，微带天线结构紧凑、剖面低、质量轻、成本低、易制作、易集成，可以做得很薄，因此可以不扰动装载的宇宙飞船空气动力学性能，无需作大的变动，天线就能很容易地装在导弹、火箭和卫星上。天线的散射截面较小，同时稍为改变馈电位置就可以获得线极化和圆极化(左旋和右旋)，易于制作双频段天线，适合于组合式设计，馈线和匹配网络可以和天线结构同时制作。
双极化天线可同时发射两个互不干扰的正交极化电磁波，承载双倍信息量。随着科技的发展及人们对天线性能要求的提高,双极化天线越来越受到广大研究人员的重视。这种天线不仅能大大提高天线的性能,而且在很大程度上能降低系统的成本；但现有技术中并未有同时实现双极化和微带化的天线结构设置。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种双极化微带贴片天线单元，包括从下向上依次设置的金属接地层、腔体层、介质层、支撑层和天线罩层；所述腔体层为下部的所述金属接地层与上部的所述介质层通过环形腔体壁围合而成的中空腔体结构，所述支撑层设置在所述介质层的上层，用以支撑所述天线罩层；所述天线罩层设置在所述支撑层的上层，用于保护天线；
所述介质层上刻蚀有一个方形金属微带贴片；所述方形金属微带贴片上设置有作为馈电端口的两个第一同轴馈电连接器；每个所述第一同轴馈电连接器的内导体周围设置有用于阻抗匹配的圆环缝隙；所述方形金属微带贴片上还设置有用于阻抗匹配的水平矩形缝和垂直矩形缝；所述方形金属微带贴片中心处还设置有用于阻抗匹配的一组正交矩形斜缝。
较佳的，两所述第一同轴馈电连接器中心与所述方形金属微带贴片中心的连线相互垂直。
较佳的，所述水平矩形缝和所述垂直矩形缝分别设置于两所述第一同轴馈电连接器和所述方形金属微带贴片中心之间。
较佳的，所述圆环缝隙宽度设置为0.5mm。
较佳的，每个所述第一同轴馈电连接器的外导体与所述金属接地层相连接，所述第一同轴馈电连接器的内导体外部设置有外套层，所述第一同轴馈电连接器的内导体连同所述外套层贯穿所述金属接地层，经所述腔体层的中空腔体后，所述第一同轴馈电连接器的内导体贯穿所述介质层后与所述方形金属微带贴片相焊接，所述外套层衬于介质层底部。
较佳的，所述腔体层和所述支撑层设置为环形结构。
较佳的，所述腔体层和所述支撑层均采用聚甲基丙烯酸甲酯制作。
较佳的，所述外套层采用聚四氟乙烯制作。
较佳的，一种双极化微带贴片天线阵，包括所述金属接地层、所述腔体层、所述介质层、所述支撑层和所述天线罩层；所述介质层上设置两个以上的所述方形金属微带贴片；所述方形金属微带贴片上设置有作为馈电端口的两个第一同轴馈电连接器；每个所述第一同轴馈电连接器的内导体周围设置有用于阻抗匹配的圆环缝隙；所述方形金属微带贴片上还设置有用于阻抗匹配的水平矩形缝和垂直矩形缝；所述方形金属微带贴片中心处还设置有用于阻抗匹配的一组正交矩形斜缝；相邻所述方形金属微带贴片之间设置T形金属微带耦合校准线，所述T形金属微带耦合校准线包括相互垂直设置的横向金属微带和纵向金属微带。
较佳的，在所述T形金属微带耦合校准线上还设置有一个第二同轴馈电连接器，所述第二同轴馈电连接器的外导体与所述金属接地层相连接，所述第二同轴馈电连接器的内导体外部设置有所述外套层，所述第二同轴馈电连接器的内导体连同所述外套层贯穿所述金属接地层，经所述腔体层的中空腔体后，所述第二同轴馈电连接器的内导体贯穿所述介质层后与所述纵向金属微带相焊接，所述外套层衬于所述介质层底部。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：本发明所述双极化微带贴片天线单元在实现微带贴片天线宽角、宽频带性能的同时，具有小尺寸、极低剖面、重量轻、结构紧凑的优势。
附图说明
图1为本发明所述双极化微带贴片天线单元的结构侧视图；
图2是本发明所述双极化微带贴片天线单元的结构俯视图；
图3是本发明所述双极化微带贴片天线单元两馈电端口的驻波曲线图；
图4是本发明所述双极化微带贴片天线单元天线中心频率的空间辐射方向图；
图5是本发明所述双极化微带贴片天线阵的结构示意图；
图6是本发明所述双极化微带贴片天线阵的轴比方向图。
图中数字表示：
1-第一同轴连接器；2-接地层；3-腔体层；4-介质层；5-支撑层；6-天线罩层；7-正交矩形斜缝；8-水平矩形缝；9-圆环缝隙；10-T形金属微带耦合校准线；11-内导体；12-方形金属微带贴片；13-外导体；14-外套层；15-垂直矩形缝。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
实施例一
如图1、图2所示，图1为本发明所述双极化微带贴片天线单元的结构侧视图；图2是本发明所述双极化微带贴片天线单元的结构俯视图；本发明所述双极化微带贴片天线单元包括从下向上依次设置的金属接地层2、腔体层3、介质层4、支撑层5和天线罩层6。
所述腔体层3中空设置，具体为下部的所述金属接地层2与上部的所述介质层4通过环形腔体壁围合而成的中空腔体结构，从而使所述腔体层3作为微波信号的谐振腔。
所述支撑层5设置在所述介质层4的上层，所述支撑层5用以支撑所述天线罩层6。所述腔体层3和所述支撑层5均采用聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃)材料制作；同时为减轻重量，所述腔体层3和所述支撑层5均在中间尽量镂空，即所述腔体层3和所述支撑层5一般设置为环形结构，仅留下周边能够用于钻孔固定的壁厚。
所述天线罩层6设置在所述支撑层5的上层，所述天线罩层6设置为薄壁结构，采用环氧树脂的绝缘材料制成，用于保护天线。
所述介质层4上刻蚀有一个方形金属微带贴片12；所述方形金属微带贴片12上设置有作为馈电端口的两个第一同轴馈电连接器1。在俯视图方向上，两所述第一同轴馈电连接器1 中心与所述方形金属微带贴片12中心的连线相互垂直。
每个所述第一同轴馈电连接器1的内导体11周围设置有用于阻抗匹配的圆环缝隙9；所述圆环缝隙9宽度优选设置为0.5mm；所述方形金属微带贴片12上还设置有用于阻抗匹配的水平矩形缝8和垂直矩形缝15；所述水平矩形缝8和所述垂直矩形缝15分别设置于两所述第一同轴馈电连接器1和所述方形金属微带贴片12中心之间；所述方形金属微带贴片12中心处还设置有用于阻抗匹配的一组正交矩形斜缝7。
所述金属接地层2、所述腔体层3、所述介质层4、所述支撑层5合所述天线罩层6组成一种双极化微带贴片天线，所述介质层4上刻蚀有一个所述方形金属微带贴片12作为天线辐射单元。
所述方形金属微带贴片12上焊接有两个所述第一同轴馈电连接器1作为馈电端口，每个所述第一同轴馈电连接器1的外导体13与所述金属接地层2相连接，内导体11外部设置有外套层14，所述外套层14采用聚四氟乙烯，用于对所述第一同轴馈电连接器1的支撑和内外导体间的绝缘作用；所述内导体11连同所述外套层14贯穿所述金属接地层2，经所述腔体层3的中空腔体，所述第一同轴馈电连接器1的内导体11贯穿所述介质层4后与所述方形金属微带贴片12相焊接。所述外套层14衬于介质层4底部,对介质层4起支撑作用,同时对所述第一同轴馈电连接器1的内导体11起保护作用。
所述方形金属微带贴片12上每个所述第一同轴馈电连接器1的内导体11周围均设置一个0.5mm宽的圆环缝隙9，所述方形金属微带贴片12上分别设置有水平矩形缝8、垂直矩形缝15和一组中心重合的正交斜缝7。所述圆环缝隙9、所述水平矩形缝8、所述垂直矩形缝15和所述正交斜缝7均用于阻抗匹配。
本发明所述双极化微带贴片天线单元通过采用圆环缝隙、水平垂直矩形缝、正交矩形斜缝的方式，使得馈电口阻抗在一定频带内维持基本不变的量，易于实现阻抗匹配，从而获得宽频带；同时本发明的结构设置降低天线阵的剖面高度，天线阵剖面高度压缩至0.03λ(λ为真空中的波长)左右的厚度，达到了极低的程度。本发明所述双极化微带贴片天线单元在实现微带贴片天线宽角、宽频带性能的同时，具有小尺寸、极低剖面、重量轻、结构紧凑的优势。
图3是本实施例中所述双极化微带贴片天线单元两馈电端口的驻波计算曲线。从图中可以看到，采取本发明所述双极化微带贴片天线单元的结构设置，使两个馈电端口取得了很好的匹配效果。
图4是本发明实施例中所述双极化微带贴片天线单元中心频率的空间辐射方向图。从图中可以看到，本实施例的双极化微带贴片天线两个主截面：水平面和垂直面的3分贝角宽度都达到90°以上，具有明显的宽角特性，这些在实际应用中都将有很好的经济效益和应用前景。
实施例二
如图5所示，图5是本发明所述双极化微带贴片天线阵的结构示意图；本发明实施例提供一种双极化微带贴片天线阵，所述双极化微带贴片天线阵包括至少两个实施例一中所述的双极化微带贴片天线单元结构。
具体的，所述双极化微带贴片天线阵包括从下向上依次设置的金属接地层2、腔体层3、介质层4、支撑层5和天线罩层6，所述介质层4上刻蚀有两个以上所述方形金属微带贴片 12；各所述方形金属微带贴片12上均设置有作为馈电端口的两个第一同轴馈电连接器1；两所述第一同轴馈电连接器1中心与所述方形金属微带贴片12中心的连线相互垂直。
每个所述第一同轴馈电连接器1的内导体11周围设置有用于阻抗匹配的圆环缝隙9；所述圆环缝隙9宽度优选设置为0.5mm；所述方形金属微带贴片12上还设置有用于阻抗匹配的水平矩形缝8和垂直矩形缝15；所述水平矩形缝8和所述垂直矩形缝15分别设置于两所述第一同轴馈电连接器1和所述方形金属微带贴片12中心之间；所述方形金属微带贴片12中心处还设置有用于阻抗匹配的一组正交矩形斜缝7。
相邻所述方形金属微带贴片12之间设置T形金属微带耦合校准线10，所述T形金属微带耦合校准线10包括相互垂直设置的横向金属微带和纵向金属微带，分别用来耦合不同极化的信号，以实现对不同极化信号的校正。
在所述T形金属微带耦合校准线10上还设置有一个第二同轴馈电连接器，所述第二同轴馈电连接器也设置外导体和内导体,其外导体与所述金属接地层2相连接，其内导体外部也设置有所述外套层，所述外套层采用聚四氟乙烯，用于对所述第二同轴馈电连接器的支撑和内外导体间的绝缘作用；所述内导体连同所述外套层贯穿所述金属接地层2，经所述腔体层3的中空腔体，所述第二同轴馈电连接器的内导体贯穿所述介质层4后与所述T 形金属微带耦合校准线10中的纵向金属微带相焊接,所述外套层衬于所述介质层4底部,对介质层4起支撑和内外导体间的绝缘作用,同时对所述第二同轴馈电连接器内导体起保护作用。
每个所述方形金属微带贴片12均设置有两个所述第一同轴馈电端口，都具有水平和垂直两种线极化方向图，由于两种极化幅度大小一样，相位相差90°，当其后接一个±90°电桥，便可形成左旋或右旋圆极化方向图。
图6是使用两个双极化微带贴片天线单元组成的二元阵列的轴比方向图。从图中可以明显看出，在±45°范围内(主瓣3分贝宽度内)轴比起伏不超过0.2分贝，圆极化性能十分理想。
基于此，本发明可以实现以下信号发射接收形式：水平和垂直两种线极化收发形式、线极化发射圆极化接收形式、圆极化发射线极化接收形式、圆极化发射圆极化接收形式。本发明的双极化微带贴片天线阵既可用于接收无线电波、也可用于发射无线电波。在军事方面，可用作宽频带雷达系统的终端天线；在民用方面，可作为宽空域通信的基站阵列天线等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种双极化微带贴片天线单元，其特征在于，包括从下向上依次设置的金属接地层、腔体层、介质层、支撑层和天线罩层；所述腔体层为下部的所述金属接地层与上部的所述介质层通过环形腔体壁围合而成的中空腔体结构，所述支撑层设置在所述介质层的上层，用以支撑所述天线罩层；所述天线罩层设置在所述支撑层的上层，用于保护天线；
所述介质层上刻蚀有一个方形金属微带贴片；所述方形金属微带贴片上设置有作为馈电端口的两个第一同轴馈电连接器；每个所述第一同轴馈电连接器的内导体周围设置有用于阻抗匹配的圆环缝隙；所述方形金属微带贴片上还设置有用于阻抗匹配的水平矩形缝和垂直矩形缝；所述方形金属微带贴片中心处还设置有用于阻抗匹配的一组正交矩形斜缝；
两所述第一同轴馈电连接器中心与所述方形金属微带贴片中心的连线相互垂直；
所述水平矩形缝和所述垂直矩形缝分别设置于两所述第一同轴馈电连接器和所述方形金属微带贴片中心之间。
2.如权利要求1所述的双极化微带贴片天线单元，其特征在于，所述圆环缝隙宽度设置为0.5mm。
3.如权利要求1所述的双极化微带贴片天线单元，其特征在于，每个所述第一同轴馈电连接器的外导体与所述金属接地层相连接，所述第一同轴馈电连接器的内导体外部设置有外套层，所述第一同轴馈电连接器的内导体连同所述外套层贯穿所述金属接地层，经所述腔体层的中空腔体后，所述第一同轴馈电连接器的内导体贯穿所述介质层后与所述方形金属微带贴片相焊接, 所述外套层衬于介质层底部。
4.如权利要求1所述的双极化微带贴片天线单元，其特征在于，所述腔体层和所述支撑层设置为环形结构。
5.如权利要求1所述的双极化微带贴片天线单元，其特征在于，所述腔体层和所述支撑层均采用聚甲基丙烯酸甲酯制作。
6.如权利要求3所述的双极化微带贴片天线单元，其特征在于，所述外套层采用聚四氟乙烯制作。
7.一种具有如权利要求3或6所述双极化微带贴片天线单元的双极化微带贴片天线阵，其特征在于，包括所述金属接地层、所述腔体层、所述介质层、所述支撑层和所述天线罩层；所述介质层上设置有两个以上的所述方形金属微带贴片；所述方形金属微带贴片上设置有作为馈电端口的两个第一同轴馈电连接器；每个所述第一同轴馈电连接器的内导体周围设置有用于阻抗匹配的圆环缝隙；所述方形金属微带贴片上还设置有用于阻抗匹配的水平矩形缝和垂直矩形缝；所述方形金属微带贴片中心处还设置有用于阻抗匹配的一组正交矩形斜缝；相邻所述方形金属微带贴片之间设置T形金属微带耦合校准线，所述T形金属微带耦合校准线包括相互垂直设置的横向金属微带和纵向金属微带。
8.如权利要求7所述的双极化微带贴片天线阵，其特征在于，在所述T形金属微带耦合校准线上还设置有一个第二同轴馈电连接器，所述第二同轴馈电连接器的外导体与所述金属接地层相连接，所述第二同轴馈电连接器的内导体外部设置有所述外套层，所述第二同轴馈电连接器的内导体连同所述外套层贯穿所述金属接地层，经所述腔体层的中空腔体后，所述第二同轴馈电连接器的内导体贯穿所述介质层后与所述纵向金属微带相焊接, 所述外套层衬于所述介质层底部。
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