CN111262027B - 小型化宽带正交馈电网络 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了小型化的宽带正交馈电网络，其包括上层金属微带线，微波介质板和下层金属板；上层金属微带线包括一对正交输出端口的微带馈线、两组微带传输线、两条末端接地的枝节；馈电网络的微带传输线布局按照直线加弧形近似于阿基米德螺旋的方式进行布置。其中，两条枝节不但可以调节端口阻抗，实现馈电网络的宽带阻抗匹配，进而使得两个正交端口的输出幅度在宽频带内保持相等；并且可以调节馈电网络输出相位的相位斜率，使得两个正交端口的90度相位差在宽频带内保持恒定实现了小型正交馈电网络的宽带幅相响应。本发明微带传输线的布局一方面可以有效利用板材面积，充分实现结构的小型化；另一方面采取弧形过度，可以得到最佳的带内匹配。

Description

小型化宽带正交馈电网络
技术领域
本发明涉及一种正交馈电网络，尤其涉及小型化宽频带的正交馈电网络，属于微波技术领域，可用于宽带圆极化通信系统中。
背景技术
随着空间和通信技术的发展，圆极化天线以其巨大的优势，在无线领域中发挥着重要作用。其实用意义主要体现在：1、圆极化天线可以接收任意极化的来波且其辐射波也可由任意极化天线收到，故电子侦察和干扰中普遍采用圆极化天线；2、圆极化波具有旋向正交性，因此广泛用于极化分集，可以有效提高系统容量；3、圆极化波入射到平面或球面目标上时发生逆向旋转，因此具有抑制雨雾干扰和抗多径反射性能，可以有效提高通信质量。一般单馈点的圆极化天线的轴比带宽只有百分之几，难以满足通信系统对于带宽的要求。因此对于带宽有一定要求的通信系统，往往采用双馈点乃至多馈点的圆极化天线。由于正交馈电网络可以为天线端口提供幅度相等，相差90度的幅相响应，因此是多馈点圆极化天线的重要关键部件。
现有的正交馈电网络的实现可以划分为两种方案。第一种采用功分器和宽带90度移相器的级联方案，虽然可以实现宽频带的幅相响应，但是馈电网络需要占据很大的基板面积，使得天线整体尺寸增大，难以满足现代无线通信中小型化的要求。第二种采用功分器和90度传输线相融合的方案，90度传输线同时起到相移线和阻抗匹配器的作用，从而实现结构的小型化。但是该正交馈电网络的等幅正交输出仅能在单个频点(中心频率)上满足，因此工作带宽较窄。
目前正交馈电网络的设计存在的问题如下：若采用方案一，虽然能够实现宽频带的性能，但其尺寸较大；若采用方案二，虽然能够实现结构的小型化，但其带宽较窄。因此如何实现小型化的宽带正交馈电网络是设计的难点和挑战。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的上述问题，本发明目的是提出一种结构简单、易于实现的小型化宽带正交馈电网络，其同时具有小尺寸和宽频带的特点。
技术方案：本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：
小型化宽带正交馈电网络，包括上层金属微带线，中间层微波介质板，以及下层金属板；所述上层金属微带线包括一对正交输出端口的微带馈线、一条末端接地的第一枝节、一条末端接地的第二枝节、连接第一正交输出端口微带馈线与输入端口的两条相连的微带传输线、连接第二正交输出端口微带馈线与输入端口的微带传输线；所述上层金属微带线和下层金属板之间设有馈电探针和金属化过孔；所述馈电探针为正交馈电网络的输入端口；所述第一枝节和第二枝节由末端的金属化过孔接地；所述第一枝节连接第二正交输出端口的微带馈线，为弧形传输线；所述第二枝节连接输入端口，由直线传输线与弧形传输线构成；所述输入端口与输出端口微带馈线间的微带传输线布局也采用直线加弧形的布局方式。
作为本发明的优选方案，所述第一枝节和第二枝节的长度均为馈电网络中心频率的四分之一波长。
作为本发明的优选方案，连接第一正交输出端口微带馈线与输入端口的两条相连的微带传输线的长度均为馈电网络中心频率的四分之一波长。
作为本发明的优选方案，连接第二正交输出端口微带馈线与输入端口的微带传输线的长度为馈电网络中心频率的四分之一波长。
作为本发明的优选方案，所述一对正交输出端口的微带馈线与微波介质板的两条相邻的边分别垂直。
作为本发明的优选方案，所述馈电网络的微带传输线布局按照近似于阿基米德螺旋的方式进行布置。
作为本发明的进一步优化方案，通过改变第一枝节和第二枝节的线宽，调节输出阻抗和输出相位的斜率，实现两个正交端口在宽频带下等幅输出和恒定90度相位差输出。
作为本发明的进一步优化方案，通过改变第一正交输出端口的微带馈线以及其与输入端口间的微带传输线的线宽，实现第一正交输出端口的阻抗匹配。
作为本发明的进一步优化方案，通过改变第二正交输出端口的微带馈线以及其与输入端口间的微带传输线的线宽，实现第二正交输出端口的阻抗匹配。
作为本发明的进一步优化方案，通过改变馈电探针的直径，实现输入端口的阻抗匹配。
有益效果：本发明与现有技术比较，具有以下显著技术效果：
一、本发明所提出小型化宽带正交馈电网络结构设计紧凑，微带传输线的布局充分利用了板材面积，具有尺寸小、易于加工、插入损耗低和成本低等优点。
二、本发明所提出小型化宽带正交馈电网络可以实现阻抗匹配和输出相位斜率的自由调控，具有性能稳定的宽频带等幅正交幅相输出，很适合未来宽带圆极化通信系统中。
附图说明
图1为本发明实施例的立体图；
图2为本发明实施例的俯视图；
图3为本发明实施例的仿真与测试幅度响应频率曲线图；
图4为本发明实施例的仿真与测试相位响应频率曲线图。
图中：1-上层金属微带线，2-微波介质板，3-下层金属板，4-第一输出端口的微带馈线，5-第二输出端口的微带馈线，6-末端接地的第一枝节，7-末端接地的第二枝节，8-微带传输线，9-微带传输线，10-微带传输线，11-馈电探针，12-金属化通孔，13-金属化通孔。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1-2所示，本发明实施例公开的小型化宽带正交馈电网络，包括上层的金属微带线1，中间层的微波介质板2和下层的金属板3。其中，上层金属微带线1包括一对正交输出端口的两条微带馈线4和5，其与微波介质板2的两条边分别垂直，便于射频接头(如SMA接头)的安装；微带传输线9与第一正交输出端口的微带馈线4相连；微带传输线8连接微带传输线9和输入馈电探针11；微带传输线10连接输入馈电探针11和第二正交输出端口的微带馈线5；末端接地的第一枝节6连接第二正交输出端口的微带馈线5，末端接地的第二枝节7连接输入馈电探针11，两个枝节6和7通过末端的两组金属化过孔12和13接地，同时，第一金属化过孔12的个数可以是一个或者多个。第一枝节6为弧形传输线，第二枝节7由直线传输线与弧形传输线构成，输入端口与输出端口微带馈线间的微带传输线布局也采用直线加弧形的形式，整个馈电网络的微带传输线布局按照近似于阿基米德螺旋的方式进行布置。
为了实现正交馈电网络宽频带的特性，在微带传输线10的两端引入的两条末端接地的枝节6和7，其电长度为馈电网络中心频率的四分之一波长。这两条弧形枝节具有以下两个作用：其一，调节输入端口和输出端口的阻抗，实现馈电网络的宽带阻抗匹配，进而使得两个正交端口的幅度在宽频带内保持相等；其二，调节馈电网络输出相位的相位斜率，进而使得两个正交端口的90度相位差在宽频带内保持恒等，从而该正交馈电网络可以实现宽频带的等幅正交幅相响应。三条微带传输线8，9和10的电长度均为馈电网路中心频率的四分之一波长，提供90度的相移值。同时微带传输线9起到阻抗转换器的作用，微带传输线10起到调节馈电网络的带内匹配的作用。
对于两正交输出端口的阻抗为50欧姆，输入端口阻抗为50欧姆的情形，通过电磁数值仿真，第一枝节6的阻抗设置为32欧姆，第二枝节7的阻抗设置为137欧姆，微带传输线10的阻抗设置为59欧姆。两个正交输出端口的微带馈线4和5的阻抗为50欧姆。微带传输线8的阻抗为输入端口阻抗的两倍，即100欧姆。微带传输线9的阻抗可以通过以下公式获得：
Figure BDA0002381708470000041
其中，Z4是微带馈线4的阻抗，Z8为微带传输线8的阻抗。
为了验证上述的理论分析，本发明实施例设计了一款中心频率为1GHz的小型化宽带正交馈电网络，馈电网络中的各电路参数由上述方法确定。图3所示的是所设计的小型化正交馈电网络的仿真与测试幅度响应频率曲线图，可以发现幅度响应的电磁仿真曲线与实测曲线基本吻合。在实测的幅度响应数据中，中心频率是1.04GHz，回波损耗大于10dB的相对带宽是82％(0.61GHz–1.46GHz)，两个正交端口的幅度不平衡度(|S21-S31|)小于1.8dB的相对带宽是101％(0.48GHz–1.48GHz)。实验结果验证了该正交馈电网络设计具有宽频带的等幅响应和稳定的性能。
图4所示的是设计的小型化正交馈电网络的仿真与测试相位响应频率曲线，可以发现相位响应的电磁仿真曲线与实测曲线基本吻合。在实测的相位响应数据中，可以实现相对带宽为83％(0.56GHz–1.35GHz)的90°±10°正交相位输出。实验结果验证了该正交馈电网络设计具有宽频带的正交相位响应和稳定的性能，因此可以很好的应用在为未来宽带圆极化通信系统中。并且，本发明还具有小尺寸(正交馈电网络的整体尺寸只有0.036λ0 2(λ0：中心频率的自由空间波长))、重量轻、加工简单、易于集成和制造成本低的特点。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理作用下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.小型化宽带正交馈电网络，包括上层金属微带线（1），中间层微波介质板（2），以及下层金属板（3）；其特征在于，所述上层金属微带线（1）包括一对正交输出端口的微带馈线（4、5）、一条末端接地的第一枝节（6）、一条末端接地的第二枝节（7）、连接第一正交输出端口微带馈线（4）与输入端口的两条相连的微带传输线（8、9）、连接第二正交输出端口微带馈线（5）与输入端口的微带传输线（10）；所述上层金属微带线（1）和下层金属板（3）之间设有馈电探针（11）和金属化过孔（12、13）；所述馈电探针（11）为正交馈电网络的输入端口；所述第一枝节（6）和第二枝节（7）由末端的金属化过孔接地；所述第一枝节（6）连接第二正交输出端口的微带馈线（5），为弧形传输线；所述第二枝节（7）连接输入端口，由直线传输线与弧形传输线构成；所述输入端口与输出端口微带馈线间的微带传输线布局也采用直线加弧形的布局方式；所述馈电网络的微带传输线布局按照近似于阿基米德螺旋的方式进行布置。
2.根据权利要求1所述的小型化宽带正交馈电网络，其特征在于，所述第一枝节（6）和第二枝节（7）的长度均为馈电网络中心频率的四分之一波长。
3.根据权利要求1所述的小型化宽带正交馈电网络，其特征在于，连接第一正交输出端口微带馈线（4）与输入端口的两条相连的微带传输线（8、9）的长度均为馈电网络中心频率的四分之一波长。
4.根据权利要求1所述的小型化宽带正交馈电网络，其特征在于，连接第二正交输出端口微带馈线（5）与输入端口的微带传输线（10）的长度为馈电网络中心频率的四分之一波长。
5.根据权利要求1所述的小型化宽带正交馈电网络，其特征在于，所述一对正交输出端口的微带馈线（4、5）与微波介质板（2）的两条相邻的边分别垂直。
6.根据权利要求1所述的小型化宽带正交馈电网络，其特征在于，通过改变第一枝节（6）和第二枝节（7）的线宽，调节输出阻抗和输出相位的斜率，实现两个正交端口在宽频带下等幅输出和恒定90度相位差输出。
7.根据权利要求1所述的小型化宽带正交馈电网络，其特征在于，通过改变第一正交输出端口的微带馈线（4）以及其与输入端口间的微带传输线（8、9）的线宽，实现第一正交输出端口的阻抗匹配。
8.根据权利要求1所述的小型化宽带正交馈电网络，其特征在于，通过改变第二正交输出端口的微带馈线（5）以及其与输入端口间的微带传输线（10）的线宽，实现第二正交输出端口的阻抗匹配。
9.根据权利要求1所述的小型化宽带正交馈电网络，其特征在于，通过改变馈电探针（11）的直径，实现输入端口的阻抗匹配。
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