CN111613899A - 一种x频段宽带高增益双线极化微带天线阵 - Google Patents

一种x频段宽带高增益双线极化微带天线阵 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种X频段宽带高增益双线极化微带天线阵，属于天线技术领域。其从上到下依次包括:寄生贴片阵、辐射贴片阵、耦合缝隙层、水平极化馈电网络、上层金属地板、垂直极化馈电网络以及底层金属地板。耦合缝隙层开H形耦合缝隙，由水平极化馈电网络通过该缝隙对辐射贴片阵进行耦合馈电，垂直极化馈电网络通过探针对辐射贴片阵直接馈电。本发明通过合理的布局，在有限空间里设计了两套1分16馈电网络，并保证了每套馈电网络全部分支等幅同相，实现了阵列的双线极化特性。

Description

一种X频段宽带高增益双线极化微带天线阵
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种X频段宽带高增益双线极化微带天线阵。
背景技术
随着卫星移动通信的发展，双线极化天线系统越来越受到关注。同时接收终端对天线低剖面、高增益的要求也越来越高，传统的反射面天线以及波导阵列天线已难以满足上述需求。
微带天线的剖面薄、体积小、重量轻、造价低廉、能简便地置于仪器面板上，且能与导弹、卫星等载体表面共形，特别是它可方便地与馈电网络和有源器件成块集成。近两年来，微带天线正以独特的优点在约100MHz～100GHz的宽广频域上得到越来越广泛的应用，如卫星通信、雷达、导弹遥测遥控、武器引信、环境监测、遥感技术、生物医学及许多便携式无线电设备等。微带天线阵具有剖面低、易集成、轻量化以及易共形的技术特点，但是传统的微带天线通常带宽较窄、效率较低、增益不高，同时由于馈电网络的复杂性使得双线极化微带天线组阵难以实现。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种X频段宽带高增益双线极化微带天线阵。其在有限的空间内通过合理地布局结合不同的馈电形式以及低损耗材质，实现了整个阵列宽带高增益双线极化的特性，并且具有结构节凑、稳定性好及高度集成的特点。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种X频段宽带高增益双线极化微带天线阵，包括寄生贴片层、天线层、馈电层以及SMA接头；所述寄生贴片层、天线层以及馈电层从上到下依次设置；
所述寄生贴片层，包括作为其主体的第一介质基板，第一介质基板的下表面设有由4×4的寄生贴片均匀排布所构成的寄生贴片阵；
所述天线层，包括作为其主体的第二介质基板，第二介质基板的上表面设有由4×4的辐射贴片均匀排布所构成的辐射贴片阵；所述辐射贴片与寄生贴片一一对应，每个辐射贴片均位于对应的寄生贴片的正下方；且辐射贴片和寄生贴片之间具有空气层；
所述馈电层，从上至下依次包括水平极化馈电网络层和垂直极化馈电网络层；其中，水平极化馈电网络层，包括作为其主体且上下设置的第三介质基板和第四介质基板，第三介质基板的上表面上设有金属板，金属板上设有耦合缝隙，耦合缝隙和所述辐射贴片一一对应，且每个耦合缝隙均位于对应的辐射贴片的正下方；第三介质基板和第四介质基板之间设有水平极化馈电网络，第四介质基板的下方贴有上层金属地板；垂直极化馈电网络层，包括作为其主体且上下设置的第五介质基板和第六介质基板，第五介质基板和第六介质基板之间设有垂直极化馈电网络；在第六介质基板的下方贴有底层金属地板；
每个辐射贴片的边缘位置处均连接有垂直的金属探针，金属探针的另一端与垂直极化馈电网络连接；
水平极化馈电网络的分路端与耦合缝隙垂直；所述水平极化馈电网络和垂直极化馈电网络的合路端分别与两个SMA接头的内导体连接，两个SMA接头的外导体与底层金属地板连接。
进一步的，所述馈电缝隙的结构形式为H型，水平极化馈电网络的分路端与所述H型的中间位置垂直。
进一步的，所述空气层的厚度为2mm～3mm。
进一步的，所述寄生贴片层和天线层之间设有介质框架，所述空气层为介质框架的镂空区域。
本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于：
1.本发明通过寄生贴片阵的加载，使微带天线阵的相对带宽由传统的8％拓宽到了15％；通过多层板技术，并利用低损耗的介质基板材料将贴片天线的效率由传统的70％以下提高到了80％，进而实现了增益的提升。
2.本发明通过合理的布局，在有限空间里设计了两套1分16 馈电网络，并保证了每套馈电网络全部分支等幅同相，实现了阵列的双线极化特性。
3.本发明通过改变天线阵接口处相位还可以实现双圆极化的功能。
附图说明
图1是本发明实施例中微带天线阵的爆炸图。
图2是图1中第一介质基板与寄生贴片阵的结构示意图。
图3是图1中介质框架的结构示意图。
图4是图1中辐射贴片阵与第二介质基板的结构示意图。
图5是图1中的第三介质基板与耦合缝隙层的结构示意图。
图6是图1中的第四介质基板和水平极化馈电网络的结构示意图。
图7是图1中的第五介质基板和垂直极化馈电网络的结构示意图。
图8是本发明实施例的驻波曲线图。
图9是本发明实施例在7.25GHz时水平极化方位面与俯仰面的方向图。
图10是本发明实施例在7.25GHz时垂直极化方位面与俯仰面的方向图。
图11是本发明实施例在8.4GHz时水平极化方位面与俯仰面的方向图。
图12是本发明实施例在8.4GHz时垂直极化方位面与俯仰面的方向图。
图中：1、第一介质基板，2、寄生贴片阵，3、介质框架，4、辐射贴片阵，5、第二介质基板，6、金属板，7、第三介质基板，8、水平极化馈电网络，9、第四介质基板，10、上层金属地板，11、第五介质基板，12、垂直极化馈电网络，13、第六介质基板，14、下层金属地板，15、金属探针，16第一焊接孔，17、第二焊接孔。
具体实施方式
下面，结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
参照图1～图7，一种X频段宽带高增益双线极化微带天线阵，从最顶层向下依次为：第一介质基板、寄生贴片阵、介质框架、辐射贴片阵、第二介质基板、耦合缝隙层、第三介质基板、水平极化馈电网络、第四介质基板、上层金属地板、第五介质基板、垂直极化馈电网络、第六介质基板、底层金属地板以及SMA接头。
寄生贴片阵中，各个寄生贴片完全相同，由4×4共16个单元组成寄生贴片阵并与第一介质基板由一单面板蚀刻而成。
辐射贴片阵中，各个辐射贴片完全相同，由4×4共16个单元组成辐射贴片阵并与第二介质基板以及耦合缝隙层由一双面板蚀刻而成。
其余的介质基板对辐射贴片阵、耦合缝隙层、水平极化馈电网络、上层金属地板、垂直极化馈电网络、底层金属地板起支撑隔离作用。
辐射贴片阵、第二介质基板、耦合缝隙层、第三介质基板、水平极化馈电网络、第四介质基板、上层金属地板、第五介质基板、垂直极化馈电网络、第六介质基板、底层金属地板通过多层板技术最终整合为一体，这种结构保证了天线的稳定性与高度的集成性。
介质框架起到隔离寄生贴片阵与辐射贴片阵的作用。辐射贴片阵中每一个辐射贴片上层一定距离对应一个寄生贴片，辐射贴片阵单元与寄生贴片阵单元一一对应，这种结构的功能是可以有效拓宽微带天线带宽的同时提高天线的增益。
所述的辐射贴片阵中每一个辐射贴片由缝隙耦合馈电与直馈两种馈电方式进行馈电。
两套馈电网络位于不同层，均为等幅同相的1分16分路网络，其功能是将能量均等的分配给各个辐射贴片单元。其中水平极化馈电网络枝节末端断路，通过上层的耦合缝隙层对辐射贴片进行耦合馈电实现水平极化，垂直极化馈电网络末端通过金属探针与辐射贴片相连，对其直接馈电实现垂直极化。
所述的射频接头共两个，分别通过接头的内导体与两套馈电网络的合路端连接，接头的外导体与底层金属地板连接。
X频段宽带高增益双线极化微带天线阵的结构如图1所示，从上到下依次为：第一介质基板1、寄生贴片阵2、介质框架3、辐射贴片阵4、第二介质基板5、耦合缝隙层、第三介质基板7、水平极化馈电网络8、第四介质基板9、上层金属地板10、第五介质基板11、垂直极化馈电网络12、第六介质基板13、下层金属地板14。
寄生贴片阵位于第一介质基板的下表面，第一介质基板材质为 ArlonCLTE-XT，介电常数为2.95。如图2所示，第一介质基板尺寸为100mm×100mm，厚度为0.508mm，寄生贴片尺寸为12.6mm× 10.6mm,单元间距为25mm。
介质框架材质为FR4，介电常数为4.4，如图3所示，其尺寸为 100mm×100mm，厚度为2mm，整体为“田”字结构。
辐射贴片阵、第二介质基板及耦合缝隙层为双面板蚀刻而成，第二介质基板材质为ArlonCLTE-XT，介电常数为2.95。如图4、图5 所示第二介质基板尺寸为100mm×100mm，厚度为1.52mm；辐射贴片阵单元尺寸为10mm×5.6mm,单元间距为25mm；耦合缝隙为H形缝隙。介质基板开孔，即第一焊接孔16和第二焊接孔17，方便射频接头内导体与层内馈电网络焊接，同时为了避免垂直极化网络通过探针对辐射贴片直接馈电时接触到耦合缝隙层的金属，耦合缝隙层在探针附近进行开孔，除掉部分金属形成无金属的圆孔。
第三介质基板与第四介质基板材质为ArlonCLTE-XT，介电常数为2.95，尺寸均为为100mm×100mm，厚度均为1mm,水平极化馈电网络设计成1分16的等幅同相网络，末端断路，通过图5中的H形缝隙将能量耦合给第二介质基板上边的辐射贴片。
第五介质基板与第六介质基板材质为ArlonCLTE-XT，介电常数为2.95，尺寸均为为100mm×100mm，厚度均为1mm,垂直极化馈电网络设计成1分16的等幅同相网络，末端通过金属探针对辐射贴片直接馈电。
整个阵列如图1所示，图2～图7的各部分通过多层板技术整合为一体。由图8可以看出，天线正在7.25GHz～8.4GHz频段内驻波比＜2。
在微波暗室中对本实施例制作的天线阵进行测试，测试结果如图 9至12所示。从中可以看出本本实施例制作的天线阵方向图具有较好的对称性，增益在最低频7.25GHz处大于17.5dBi，效率高达80％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡是在本发明权利要求范围内所作的修饰，均应均等变化与属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (4)

1.一种X频段宽带高增益双线极化微带天线阵，包括寄生贴片层、天线层、馈电层以及SMA接头；其特征在于，所述寄生贴片层、天线层以及馈电层从上到下依次设置；
所述寄生贴片层，包括作为其主体的第一介质基板(1)，第一介质基板的下表面设有由4×4的寄生贴片均匀排布所构成的寄生贴片阵(2)；
所述天线层，包括作为其主体的第二介质基板(5)，第二介质基板的上表面设有由4×4的辐射贴片均匀排布所构成的辐射贴片阵(4)；所述辐射贴片与寄生贴片一一对应，每个辐射贴片均位于对应的寄生贴片的正下方；且辐射贴片和寄生贴片之间具有空气层；
所述馈电层，从上至下依次包括水平极化馈电网络层和垂直极化馈电网络层；其中，水平极化馈电网络层，包括作为其主体且上下设置的第三介质基板和第四介质基板，第三介质基板的上表面上设有金属板，金属板(6)上设有耦合缝隙，耦合缝隙和所述辐射贴片一一对应，且每个耦合缝隙均位于对应的辐射贴片的正下方；第三介质基板(7)和第四介质基板(9)之间设有水平极化馈电网络(8)，第四介质基板的下方贴有上层金属地板(10)；垂直极化馈电网络层，包括作为其主体且上下设置的第五介质基板(11)和第六介质基板(13)，第五介质基板和第六介质基板之间设有垂直极化馈电网络(12)；在第六介质基板的下方贴有下层金属地板(14)；
每个辐射贴片的边缘位置处均连接有垂直的金属探针(15)，金属探针的另一端与垂直极化馈电网络连接；
水平极化馈电网络的分路端与耦合缝隙垂直；所述水平极化馈电网络和垂直极化馈电网络的合路端分别与两个SMA接头的内导体连接，两个SMA接头的外导体与底层金属地板连接。
2.根据权利要求1所述的一种X频段宽带高增益双线极化微带天线阵，其特征在于，所述馈电缝隙的结构形式为H型，水平极化馈电网络的分路端与所述H型的中间位置垂直。
3.根据权利要求1所述的一种X频段宽带高增益双线极化微带天线阵，其特征在于，所述空气层的厚度为2mm～3mm。
4.根据权利要求1所述的一种X频段宽带高增益双线极化微带天线阵，其特征在于，所述寄生贴片层和天线层之间设有介质框架(3)，所述空气层为介质框架的镂空区域。
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