CN111370862A - 一种单端口宽频带双圆极化双定向波束微带阵列天线 - Google Patents

一种单端口宽频带双圆极化双定向波束微带阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种单端口宽频带双圆极化双定向波束微带阵列天线，所述天线包括一个按周期排列的圆形辐射贴片(1a)组成的辐射单元阵列(1)、一个开有H形耦合缝隙(2a)的金属地板(2)、一个由等幅功分移相馈电网络(3c)或不等幅功分移相馈电网络(3d)构成的单端口馈电网络(3)、第一层介质基片(4)、粘接层(5)、以及第二层介质基片(6)。每个H形耦合缝隙(2a)围绕各自几何中心旋转不同角度，且其几何中心位于圆形辐射贴片(1a)正下方。利用本发明的结构，通过设计各H形耦合缝隙(2a)的旋转角度和单端口馈电网络(3)各输出端口(3b)的幅度和相位分布，可实现双圆极化双定向辐射波束，且具有频带宽、剖面低、制造简单等优点。

Description

一种单端口宽频带双圆极化双定向波束微带阵列天线
技术领域
本发明属于无线通信系统电子器件领域，具体涉及一种单端口宽频带双圆极化双定向波束微带阵列天线，在一个阻抗、增益、轴比联合带宽接近20％的工作频带内，当单个输入端口被激励时即可产生双圆极化双定向波束，即一个左旋波束和一个右旋波束，且每个圆极化波束的指向可以被独立控制，适用于卫星通信、点对多点通信和点对多区域覆盖等领域。
背景技术
随着卫星通信、遥控遥测技术的发展、雷达应用范围的扩大以及在各种极化和气候条件下对目标进行跟踪和探测的需求，线极化波束已很难满足要求，圆极化天线的应用就显得十分重要。与线极化相比，圆极化可以消除由电力层法拉第旋转效应引起的极化失配的影响，并能够在一定程度上减少多径环境中的反射和干扰。因此，圆极化天线和阵列已广泛用于雷达，导航设备，射电天文以及卫星通信和移动通信系统中。微带天线的特点之一是容易实现圆极化辐射。此外，微带天线具有体积小、重量轻、低剖面及易与载体共形等优点，近年来基于微带技术的圆极化天线阵列引起了广泛关注。
实现圆极化微带天线阵列最直接的方法是将圆极化单元按照周期性排布。微带圆极化单元可以采用单馈法或多馈法以实现两个正交线极化波分量振幅相等且相位差为90°。对于单馈圆极化微带天线，可以通过引入几何微扰或将馈电位置偏离辐射结构的对称轴以产生两个正交的简并模式，无需外加移相网络和功分器，结构简单成本低适合小型化，但缺点是带宽窄，极化性能较差。而对于多馈圆极化微带天线元件可以通过采用外部馈电网络例如威尔金森功分器、混合耦合器或多端口相移馈电网络等，来实现天线的圆极化辐射，易于提高阻抗带宽和极化带宽，抑制交叉极化。但其缺点在于馈电网络较复杂，成本较高，尺寸较大，难以扩展成大阵列。
由于任一线极化波均可分解为两个振幅相等、旋向相反的圆极化波，圆极化微带线天阵列也可以仅由线极化单元组阵而成。通过线极化单元顺序旋转组成的圆极化阵列具有更宽的阻抗、轴比和增益带宽，以及良好的极化纯度。因此，顺序旋转技术已成为实现宽带圆极化天线阵列的主流技术。然而传统的顺序旋转技术仅对线极化波的单一旋向圆极化分量加以利用，另一旋向的圆极化分量则被抵消，因此将损失至少一半的辐射功率，导致增益损耗，口径效率不足50％。且使用单端口馈电网络时，采用传统顺序旋转技术的单元旋转与馈电相位排布方式，只能产生具有单一旋向的单个圆极化波束。
本发明提出了一种单端口宽频带双圆极化双定向波束微带阵列天线。该结构利用改进的顺序旋转技术，由完全相同的孔径耦合线极化圆形微带贴片天线单元按周期排布而成，通过改变每个基本单元在阵列所在面内的旋转角度，并设计满足每个单元特定馈电相移的馈电网络，可以在阻抗、增益、轴比联合带宽接近20％的工作频带内产生双圆极化定向波束，且每个圆极化波束指向均独立可控。相比于已有的圆极化微带天线阵列，本发明具有双圆极化特性、工作带宽宽、波束定向性好、交叉极化低、口径效率高等优点，在卫星通信、点对多点通信和点对多区域覆盖等领域有着重要的前景。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种单端口宽频带双圆极化双定向波束微带阵列天线，具有宽带、双圆极化辐射特性，波束定向性好，口径效率高，可以有效地实现双圆极化波束的独立控制。
技术方案：本发明的一种单端口宽频带双圆极化双定向波束微带阵列天线包括一个辐射单元阵列、一个金属地板、一个单端口馈电网络、第一层介质基片、粘接层、第二层介质基片；上层的辐射单元阵列与中间层的金属地板之间自上而下分别为第一层介质基片与粘接层，中间层的金属地板与下层的单端口馈电网络之间为第二层介质基片。
所述辐射单元阵列上设有纵横排列的圆形辐射贴片，金属地板上设有纵横排列的H形耦合缝隙，圆形辐射贴片与H形耦合缝隙数目相等，并沿X轴与Y轴二维等间距周期性排列，辐射单元阵列中的辐射单元间距为0.5λ0-0.6λ0。
所述单端口馈电网络具有1个输入端口和与辐射单元阵列中圆形辐射贴片数目相等的输出端口，由等幅功分移相馈电网络或不等幅功分移相馈电网络构成。
所述辐射单元阵列中的辐射单元为孔径耦合馈电，在包括E面、H面和其它截面的三维空间内辐射单元都具有良好的线极化性能。
所述每个H形耦合缝隙的几何中心位于圆形辐射贴片几何中心的正下方，且H形耦合缝隙围绕自身的几何中心旋转不同角度。
所述每个H形耦合缝隙在其所在平面内的旋转角度和单端口馈电网络每个输出端口的相位沿X方向与Y方向均以特定梯度顺序分布，且旋转角度的梯度值与输出端口相位的梯度值之间相互独立。
所述等幅功分移相馈电网络基于多级等分T形结功分器实现等幅分配，通过设计不同线长的微带延迟线实现每个输出端口特定梯度顺序的相位分布。
所述不等幅功分移相馈电网络通过多级不等分T形结功分器实现切比雪夫型幅度分布以降低副瓣，并通过不同线长的微带延迟线实现每个输出端口特定梯度顺序的相位分布。
有益效果：本发明提供的一种单端口宽频带双圆极化双定向波束微带阵列天线，与现有技术相比，其优势在于：
(1)可以实现单端口激励双圆极化波束。通过引入天线阵面上所有基本辐射单元结构的水平旋转，可以将线极化辐射波的左旋圆极化分量与右旋圆极化分量相互分离，进而通过设计一个单端口馈电网络即可实现双圆极化双波束辐射。
(2)每个圆极化波束指向均独立可控。通过设计所有线极化基本辐射单元结构的水平旋转角度和馈电相位的分布，可以自由地控制两个不同旋向的圆极化波束在u-v平面内的指向
Figure BDA0002426595080000031
且两个波束的指向相互独立。
(3)具有宽带特性和稳定的波束指向。这是由于通过旋转基本单元结构带来的几何相位和馈电相位不同，该旋转相位所产生的相移不随频率的变化而漂移，从而具有宽带特性。因此通过线极化单元顺序旋转组成的双圆极化定向波束阵列具有更宽的阻抗、轴比和增益带宽，且波束指向稳定。
(4)单元结构简单，易于设计。所使用的线极化基本辐射单元采用经典的孔径耦合微带贴片天线结构，设计过程简单，且能在三维空间满足良好的线极化性能。
(5)具有轮廓低、重量轻、易集成、易共形、低成本等特性。这是因为微带阵列天线采用了厚度小于十分之一波长的介质基片，并且可用成熟的印刷电路板工艺加工制作。
附图说明
图1(a)给出了本发明单端口宽频带双圆极化双定向波束微带阵列天线的三维示意图；图1(b)给出了微带天线阵列基本辐射单元结构的三维示意图；图1(c)给出了微带天线阵列等幅功分移相馈电网络的俯视图；图1(d)给出了微带阵列天线不等幅功分移相馈电网络的俯视图。
图中有：
辐射单元阵列1、圆形辐射贴片1a，金属地板2、H形耦合缝隙2a，单端口馈电网络3、输入端口3a、输出端口3b、等幅功分移相馈电网络3c、不等幅功分移相馈电网络3d，第一层介质基片4，粘接层5，第二层介质基片6，
Ra–圆形贴片的半径，
ls–H形缝隙的长度，
ws–H形缝隙的宽度，
ls2–H形缝隙的高度，
ll–金属带线匹配支节的长度，
wms–金属带线的宽度。
图2给出了所述采用等幅功分移相馈电网络的单端口宽频带双圆极化双定向波束微带阵列天线的仿真和实测反射系数随频率变化曲线图；
图3给出了24GHz处采用等幅功分移相馈电网络的单端口宽频带双圆极化双定向波束微带阵列天线分别在在xz(v＝0)面与yz(u＝0)面的左旋圆极化和右旋圆极化仿真与实测归一化方向图；
图4给出了采用等幅功分移相馈电网络的单端口宽频带双圆极化双定向波束微带阵列天线的左旋圆极化和右旋圆极化波束仿真与实测的增益和轴比随频率变化曲线图；
图5给出了所述采用不等幅功分移相馈电网络的单端口宽频带双圆极化双定向波束微带阵列天线的仿真与实测反射系数随频率变化曲线图；
图6给出了24GHz处采用不等幅功分移相馈电网络的单端口宽频带双圆极化双定向波束微带阵列天线分别在xz(v＝0)面与yz(u＝0)面的左旋圆极化和右旋圆极化仿真与实测归一化方向图；
图7给出了采用不等幅功分移相馈电网络的单端口宽频带双圆极化双定向波束微带阵列天线的左旋圆极化和右旋圆极化波束仿真与实测的增益和轴比随频率变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明的单端口宽频带双圆极化双定向波束微带阵列天线，由一个辐射单元阵列、一个金属地板以及一个单端口馈电网络组成；辐射单元阵列与金属地板之间自上而下分别为第一层介质基片与粘接层，金属地板与单端口馈电网络之间为第二层介质基片。该微带阵列天线的基本辐射单元采用孔径耦合的馈电方式，在包括E面、H面和其它截面如对角面的三维空间内辐射单元都具有良好的线极化性能。组成辐射单元阵列的圆形辐射贴片与金属地板上所开的H形耦合缝隙沿X轴与Y轴二维等间距周期性排列，单元间距略大于1/2波长。该微带阵列天线的每个H形耦合缝隙的几何中心位于圆形辐射贴片几何中心的正下方，且每个H形耦合缝隙在其所在平面内的旋转角度沿X方向与Y方向均成特定梯度顺序分布，由此可以将线极化辐射波的左旋圆极化分量与右旋圆极化分量相互分离。
进而通过设计单端口馈电网络每个输出端口的相位使其沿X方向与Y方向均以一定梯度顺序分布则可以控制分离开的两个不同旋向圆极化波束的指向，且H形耦合缝隙旋转角度的梯度值与输出端口相位的梯度值之间相互独立。该单端口馈电网络具有1个输入端口和与辐射单元阵列中圆形辐射贴片数目相等的输出端口，可由等幅功分移相馈电网络或不等幅功分移相馈电网络构成。由于馈电网络的每个输出端口都有不同的方向，使用并联馈电结构可以有效利用空间，使馈电网络的拓扑结构更为紧凑，便于馈线布局。所述馈电网络基于多级T形结功分器实现功率分配，通过设计不同微带延迟线的线长满足各辐射单元特定梯度顺序的馈电相位分布。等幅功分移相馈电网络使用多级等分T形结功分器，而不等幅功分移相馈电网络则通过多级不等分T形结实现切比雪夫型幅度分布以降低副瓣。通过设计每个H形耦合缝隙内的旋转角度和单端口馈电网络每个输出端口的幅度和相位分布，可以在接近20％的工作频带内产生双圆极化定向波束，且每个圆极化波束指向均独立可控。
图1a给出了本发明单端口宽频带双圆极化定向波束微带阵列天线的三维示意图；图1b给出了基本辐射单元结构的三维示意图；图1c、图1d分别给出了等幅与不等幅功分移相馈电网络的俯视图；天线总厚度为0.09λ0，基本辐射单元间距为0.52λ0，λ0为天线在24GHz的自由空间波长。
图2给出了所述采用等幅功分移相馈电网络的单端口宽频带双圆极化定向波束微带阵列天线的仿真和实测反射系数；从结果可以得出，反射系数在20–29.4GHz(39.2％)范围内都小于-10dB，在大部分频率甚至小于-15dB，说明所述天线的阻抗匹配良好，阻抗带宽非常宽。
图3给出了24GHz处采用等幅功分移相馈电网络的单端口宽频带双圆极化定向波束微带阵列天线分别在xz(v＝0)面与yz(u＝0)面的左旋圆极化和右旋圆极化仿真与实测归一化方向图；由结果可知，天线左旋圆极化和右旋圆极化归一化方向图的实测结果在xz面与yz面均与仿真结果非常吻合。测得天线的左旋圆极化波束指向为v＝0，θ＝20°，右旋圆极化波束指向为u＝0，θ＝-30°,与设计值相符；左旋圆极化波束与右旋圆极化波束的副瓣电平分别为-12dB和-13dB；天线在xz面与yz面的交叉极化水平分别低于-20dB和-15dB。
图4给出了采用等幅功分移相馈电网络的单端口宽频带双圆极化定向波束微带阵列天线的左旋圆极化和右旋圆极化波束仿真与实测的增益和轴比随频率变化曲线图；可以看到，仿真和实测结果吻合度高，左旋圆极化波束在22–26.8GHz(20.0％)内轴比与增益随频率变化都小于3dB，右旋圆极化波束则在22.8–27.4GHz(19.2％)内轴比与增益随频率变化都小于3dB，说明天线在20％左右的宽频带内具有良好的增益平坦度和极化纯度。
图5给出了所述采用不等幅功分移相馈电网络的单端口宽频带双圆极化定向波束微带阵列天线的仿真和实测反射系数；从结果可以得出，反射系数在20–31GHz(45.8％)范围内都小于-10dB，在大部分频率甚至小于-15dB，说明所述天线的阻抗匹配良好，阻抗带宽非常宽。
图6给出了24GHz处采用不等幅功分移相馈电网络的单端口宽频带双圆极化定向波束微带阵列天线分别在xz(v＝0)面与yz(u＝0)面的左旋圆极化和右旋圆极化仿真与实测归一化方向图；由结果可知，天线左旋圆极化和右旋圆极化归一化方向图的实测结果在xz面与yz面均与仿真结果吻合度高。测得天线的左旋与右旋圆极化波束分别指向所设计的v＝0，θ＝20°和u＝0，θ＝-30°方向；左旋圆极化波束与右旋圆极化波束的副瓣电平为-18dB,与所述采用等幅馈电的阵列天线相比，副瓣电平分别下降了6dB和5dB；且天线在xz面与yz面的交叉极化水平分别低于-15dB和-18dB。
图7给出了采用不等幅功分移相馈电网络的单端口宽频带双圆极化定向波束微带阵列天线的左旋圆极化和右旋圆极化波束仿真与实测的增益和轴比随频率变化曲线图；可以看到，测得左旋圆极化波束在23–26.8GHz(15.8％)内轴比与增益随频率变化都小于3dB，右旋圆极化波束则在22.4–26GHz(15％)内轴比与增益随频率变化都小于3dB，说明天线具有较宽的增益带宽与轴比带宽。
综上所述，本发明提供了单端口宽频带双圆极化定向波束微带阵列天线，利用本发明的结构，可以在阻抗、增益、轴比联合带宽接近20％的工作频带内产生双圆极化定向波束，且每个圆极化波束指向均独立可控。所述天线具有宽频带、双圆极化电气性能、波束定向性好、交叉极化低、口径效率高等优点，同时重量轻、体积小、剖面低、制造简单，在卫星通信、点对多点通信和点对多区域覆盖等领域有着重要的前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出：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 (8)

1.一种单端口宽频带双圆极化双定向波束微带阵列天线，其特征在于，所述天线包括一个辐射单元阵列(1)、一个金属地板(2)、一个单端口馈电网络(3)、第一层介质基片(4)、粘接层(5)、第二层介质基片(6)；上层的辐射单元阵列(1)与中间层的金属地板(2)之间自上而下分别为第一层介质基片(4)与粘接层(5)，中间层的金属地板(2)与下层的单端口馈电网络(3)之间为第二层介质基片(6)。
2.根据权利要求1所述单端口宽频带双圆极化双定向波束微带阵列天线，其特征在于，所述辐射单元阵列(1)上设有纵横排列的圆形辐射贴片(1a)，金属地板(2)上设有纵横排列的H形耦合缝隙(2a)，圆形辐射贴片(1a)与H形耦合缝隙(2a)数目相等，并沿X轴与Y轴二维等间距周期性排列，辐射单元阵列(1)中的辐射单元间距为0.5λ0-0.6λ0。
3.根据权利要求1所述的单端口宽频带双圆极化双定向波束微带阵列天线，其特征在于，所述单端口馈电网络(3)具有1个输入端口(3a)和与辐射单元阵列(1)中圆形辐射贴片(1a)数目相等的输出端口(3b)，由等幅功分移相馈电网络(3c)或不等幅功分移相馈电网络(3d)构成。
4.根据权利要求1所述单端口宽频带双圆极化双定向波束微带阵列天线，其特征在于，所述辐射单元阵列(1)中的辐射单元为孔径耦合馈电，在包括E面、H面和其它截面的三维空间内辐射单元都具有良好的线极化性能。
5.根据权利要求2所述的单端口宽频带双圆极化双定向波束微带阵列天线，其特征在于，所述每个H形耦合缝隙(2a)的几何中心位于圆形辐射贴片(1a)几何中心的正下方，且H形耦合缝隙(2a)围绕自身的几何中心旋转不同角度。
6.根据权利要求5所述的单端口宽频带双圆极化双定向波束微带阵列天线，其特征在于，所述每个H形耦合缝隙(2a)在其所在平面内的旋转角度和单端口馈电网络(3)每个输出端口(3b)的相位沿X方向与Y方向均以特定梯度顺序分布，且旋转角度的梯度值与输出端口相位的梯度值之间相互独立。
7.根据权利要求3所述单端口宽频带双圆极化双定向波束微带阵列天线，其特征在于，所述等幅功分移相馈电网络(3c)基于多级等分T形结功分器实现等幅分配，通过设计不同线长的微带延迟线实现每个输出端口(3b)特定梯度顺序的相位分布。
8.根据权利要求6所述单端口宽频带双圆极化双定向波束微带阵列天线，其特征在于，所述不等幅功分移相馈电网络(3d)通过多级不等分T形结功分器实现切比雪夫型幅度分布以降低副瓣，并通过不同线长的微带延迟线实现每个输出端口(3b)特定梯度顺序的相位分布。
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