CN110534883B - 采用双孔径耦合激励的宽带低剖面双极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种采用双孔径耦合激励的宽带低剖面双极化天线，为三层结构；上层辐射结构包括作为主辐射口面的印在上介质板上的周期性排列的4×4的正方形贴片和8个相同大小的附属贴片，所述附属贴片分别布置在4×4的正方形贴片的四个侧面的外侧；中间层是带有两组耦合槽的地板，底层则是将Y型馈电的两臂弯折形成的馈电网络，上层辐射结构与地板之间形成空气层；地板与馈电网络分别印刷在下层介质板的正面和背面；上介质板上刻蚀形成多个成排的用于降低天线的Q值的空气槽。本发明实现了50％的相对工作带宽，4.6％的相对剖面高度和大于38dBi的端口隔离度。

Description

采用双孔径耦合激励的宽带低剖面双极化天线
技术领域
本发明涉及双极化天线技术领域，特别是涉及一种采用双孔径耦合激励的宽带低剖面双极化天线。
背景技术
双极化天线是当前通信领域倍受关注的一种新型天线，可用于接收不同极化的电磁波，用来估计入射电磁波的极化与DOA等信息,因此双极化天线的使用将很大程度上增强对电磁波极化信息的获取。通常实现双极化的方式有两种，单一天线双模工作实现双极化和两个单极化天线通过空间组合实现双极化。
槽形天线在实现正交性能的同时又具有宽频带的竞争优势,因此，Lee提出了一种带宽为19.7％的槽形天线，X.L.Jiang将三角形槽替换为对称的圆形槽和矩形槽将带宽扩展为45.8％。随后，B.Peng进一步将这种槽天线带宽扩展到了 57％，覆盖更多频段。虽然这种槽天线可以实现＞50％的带宽，和小于-30dB的端口隔离度，但是天线存在交叉极化大，背瓣高，增益低等缺点。相比之下， Q.X.Chu提出的Y型馈电的正负45°宽带双极化天线和Adel Elsherbini提出的雷达扇形环状天线具有良好的背瓣和低交叉极化，高端口隔离，然而天线剖面高度都大于0.1λ0，不能满足低剖面的天线要求。在最新的研究中，An提出了一种基于周期性结构的单极化天线具有低剖面、宽频带及良好的辐射性能。虽然 W.Y.Sun也曾提出过这种基于周期性结构的双极化天线，但是其带宽较窄，由于馈线交叉端口隔离度大于-20dB。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种采用双孔径耦合激励的宽带低剖面双极化天线，旨在提高基于周期性结构双极化微带天线的隔离度，进一步扩展其工作带宽、降低其剖面高度。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种采用双孔径耦合激励的宽带低剖面双极化天线，是一种工作在3-5GHz 的双极化微带天线，基于周期性结构，采用两臂弯折的Y型馈电和双孔径缝隙耦合激励，为三层结构；上层辐射结构包括作为主辐射口面的印在上介质板上的周期性排列的4×4的正方形贴片和8个相同大小的附属贴片，所述附属贴片分别布置在4×4的正方形贴片的四个侧面的外侧；中间层是带有两组耦合槽的地板，底层则是将Y型馈电的两臂弯折形成的馈电网络，上层辐射结构与地板之间形成空气层；地板与馈电网络分别印刷在下层介质板的正面和背面；上介质板上刻蚀形成多个成排的用于降低天线的Q值的空气槽。
其中，所述附属贴片的形状为矩形、正方形、圆形、十字形、田字形的一种。
优选的，每组所述耦合槽为两个，对称布置；四个所述耦合槽分别布置形成在矩形的四个边上，且相邻耦合槽在矩形的直角位置隔开，以方便馈电网络的Y型馈电的一臂折弯后能伸入到耦合槽所围的内部区域，与对应的耦合槽配合实现对天线口面的激励。
优选的，所述耦合槽为主体为椭圆形开槽，且开槽的两端分别向外侧呈90 度弯折延伸从而形成U形状。
优选的，每个正方形贴片的四个侧面分别对应的一个空气槽。
优选的，所述空气槽为矩形槽。
本发明双极化天线是一种工作在3-5GHz双极化微带天线，这种微带天线基于周期性结构，采用两臂弯折的Y型馈电和双孔径耦合激励，最终实现了50％的相对工作带宽，4.6％的相对剖面高度和大于38dBi的端口隔离度。
附图说明
图1所示为本发明的双极化微带天线的分解结构示意图；
图2所示为本发明的双极化微带天线的侧视示意图；
图3所示为本发明的双极化微带天线的俯视示意图；
图4所示为本发明的双极化微带天线的下层结构的俯视示意图；
图5所示为上层4×4正方形贴片周围添加不同形状的附属贴片后示意图；
图6所示为双极化微带天线仿真结果图；
图7-8所示分别为有无附属贴片双极化微带天线仿真结果对比图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。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。
本发明的采用双孔径耦合激励的宽带低剖面双极化天线，是一种工作在 3-5GHz的双极化微带天线，这种微带天线基于周期性结构，采用两臂弯折的Y 型馈电和双孔径缝隙耦合激励。
如图1所示基于周期性结构的双极化微带天线，分为三层，上层辐射结构由4×4的正方形贴片和8个相同大小的矩形贴片构成，它们沿着x轴和y轴分布，每个相邻单元沿x轴和y轴的中心距离相等，中间层是带有椭圆形开槽的地板5，底层则是将Y型馈电的两臂弯折形成的馈电网络7，上层辐射结构与地板之间形成空气层10。
该采用双孔径耦合激励的宽带低剖面双极化天线放置在地面的中心，其尺寸为1.23λ0×1.23λ0×0.047λ0(λ0为中心频率4GHz的工作波长)，包含两层厚度为3.08mm和0.7874mm，相对介电常数为4.3和2.2，损耗正切值为0.009 和0.013的介质板，即上介质板与下介质板，两层介质板被厚度为0.452mm的空气缝隔开。周期性排列的16个正方形贴片和8个附属矩形状的附属贴片2作为主辐射口面，印刷在上层介质板1的顶部如图1所示，具有形成耦合槽4的椭圆形缝隙开槽结构的地板5和两臂弯折的Y型馈电结构形成的馈电网络7分别印刷在下介质板6的正面和背面。为了改善低剖面结构的阻抗匹配，在上层介质板上刻蚀了40个成排的空气槽3，空气槽将上介质板的上下表面贯通，可以矩形扁平槽或其它形状槽，如图1所示，空气槽结构可以降低天线的Q值，有利于实现良好的阻抗匹配。
优选的，所述空气槽3布置时对应每个正方形贴片布置，即每个正方形贴片的四周外侧分别对应布置一个，且优选的为布置的在正方形贴片所在在矩形的外侧中间位置。
所述的附属贴片，优选的是每两个为一组，分别布置在4×4的正方形贴片的正方形贴片单元的四个边的外侧，且均匀布置在外侧的中间位置，如图5所示，也可是其它形状，如可以是正方形、圆形、十字形和田字形等形状。通过在上层4×4的正方形贴片周围添加不同形状的附属贴片，能改善在高频段的增益和方向图性能。
为了提高阻抗带宽，利用单一天线的正交模式实现两种不同的极化方式，天线设计采用Y型馈电和双孔径缝隙耦合结构如图4所示。Y型馈电结构由垂直部分和两臂组成，通过将两组Y型馈电结构的两臂分别进行不同程度弯折，有效避免了两组馈电线的交叉，提高了天线端口间的隔离度。微带线通过地板上的缝隙结构实现对天线口面的激励，因此在地板上设计了两组对称的椭圆形缝隙结构，以形成耦合槽，由于两组Y型馈电结构不同，所以两组缝隙结构的长度相同，但是宽度不同。通过调节缝隙的宽度，增加不同频率下的谐振点，实现两端口(附图标记中的8为端口1，9为端口2)的阻抗匹配，其仿真结果如图6所示。
为了进一步提高阻抗带宽，在上层4×4的正方形贴片周围添加了8片矩形附属贴片如图3所示，图7-8对比了有附属贴片和无附属贴片的双极化微带天线的S参数和增益。与仅具有16个贴片的天线相比，具有8个附属贴片的天线可以获得更高的阻抗带宽，且在高频时具有较高的增益。因此，附属贴片可以有效提升微带天线在高频段的增益。其原因在于，高频时更多的能量集中在附属贴片上，附属贴片增大了天线在高频的辐射口面，因此具有更高的增益。
本发明的双极化微带天线具有如下有益效果：
(1)采用两臂弯折的Y型馈电和双孔径缝隙耦合结构，可以有效的提升双极化微带天线的工作带宽、降低其剖面高度、增加两端口间的隔离度。
(2)通过增加附属贴片，进一步扩展了双极化微带天线的工作带宽，有效的提升了双极化微带天线的辐射特性，获得较高的增益和辐射效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.采用双孔径耦合激励的宽带低剖面双极化天线，其特征在于，是一种工作在3-5GHz的双极化微带天线，基于周期性结构，采用两臂弯折的Y型馈电和双孔径缝隙耦合激励，为三层结构；上层辐射结构包括作为主辐射口面的印在上介质板上的周期性排列的4×4的正方形贴片和8个相同大小的附属贴片，所述附属贴片分别布置在4×4的正方形贴片的四个侧面的外侧；沿着x轴和y轴分布，每个相邻单元沿x轴和y轴的中心距离相等，中间层是带有两组耦合槽的地板，底层则是将Y型馈电的两臂弯折形成的馈电网络，上层辐射结构与地板之间形成空气层；地板与馈电网络分别印刷在下层介质板的正面和背面；上介质板上刻蚀形成多个成排的用于降低天线的Q值的空气槽，空气槽将上介质板的上下表面贯通；
每组所述耦合槽为两个，对称布置；四个所述耦合槽分别布置形成在矩形的四个边上，且相邻耦合槽在矩形的直角位置隔开，以方便馈电网络的Y型馈电的一臂折弯后能伸入到耦合槽所围的内部区域，与对应的耦合槽配合实现对天线口面的激励；
两组Y型馈电结构的两臂分别进行不同程度弯折，每组Y型馈电结构的两臂中的一臂折弯后自两个相邻耦合槽直角隔开处倾斜方向伸入到耦合槽所围的内部区域近中心位置后再折弯与一个耦合槽的轴线垂直布置后水平伸出，另一臂折弯后与相对的耦合槽垂直布置由所述耦合槽的外侧区域伸入到耦合槽所围的内部区域近中心位置，且两臂的自由端方向一致，另一组馈线的一臂自前一组馈线的两臂间空隙中经过，有效避免了两组馈电线的交叉，提高了天线端口间的隔离度；
所述耦合槽为主体为椭圆形缝隙结构开槽，且开槽的两端分别向外侧呈90度弯折延伸从而形成U形状；
每个正方形贴片的四个侧面分别对应一个空气槽。
2.根据权利要求1所述采用双孔径耦合激励的宽带低剖面双极化天线，其特征在于，所述附属贴片的形状为矩形、正方形、圆形、十字形、田字形的一种。
3.根据权利要求1所述采用双孔径耦合激励的宽带低剖面双极化天线，其特征在于，所述空气槽为矩形槽。
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