CN111883912A - 一种超宽带圆极化介质谐振器天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超宽带圆极化介质谐振器天线阵列，旨在解决现有技术中天线性能较差的技术问题。其包括：介质基板、圆极化微带馈电网络、四个介质谐振器，介质基板的中心设置有馈电端口，四个介质谐振器以馈电端口为中心呈螺旋对称分布在介质基板上，在四个介质谐振器的底部分别安装有多个金属探针，圆极化微带馈电网络以馈电端口为中心设置于介质基板上，圆极化微带馈电网络的一端连接馈电端口，圆极化微带馈电网络的另一端分别连接四个介质谐振器底部的金属探针。本发明能够通过介质谐振器之间的耦合，实现超宽的阻抗带宽、圆极化带宽和高增益。

Description

一种超宽带圆极化介质谐振器天线阵列
技术领域
本发明涉及一种超宽带圆极化介质谐振器天线阵列，属于电子通信技术领域，特别是微波器件技术、射频系统前端技术、圆极化天线、介质谐振器等技术领域。
背景技术
随着移动数据使用量的不断增长，无线频谱资源面临资源不足的问题，宽带无线通信技术由于具有传输速率高、信息容量大等特点成为解决无线频谱资源紧张的有效途径。宽带天线可以减少宽带电子系统中天线的数目，简化硬件结构，降低系统的成本。
随着无线通信技术、雷达以及卫星通信等应用需求的提高，宽带天线需要具有较宽的频带从而覆盖不同频段，圆极化天线在诸多方面都能够提高电子统的性能，从而得到广泛应用，例如圆极化天线可接收任意极化的来波，且其辐射波也可由任意极化天线接收，故电子侦察和干扰中普遍采用圆极化天线；卫星通信利用圆极化分集天线可以提高通信容量；另外，当圆极化波入射到对称目标(如平面、球面等)时旋向逆转，所以圆极化天线具有能够在移动通信、全球定位系统(Global Position System,GPS)、雷达等系统中抑制雨雾干扰和提高抗多径效应的能力。
与此同时，现代无线通信技术、卫星通信与导航、雷达系统与军事电子对抗设备的迅速发展对天线的极化特性、宽频带、小型化、低损耗、可靠性及集成化等性能提出了更高要求。目前圆极化天线通常采用传统金属天线和微带天线，传统的金属天线在高频段由于金属损耗大容易而导致辐射效率低，在低频段金属天线的几何尺寸大，而不适合系统小型化的要求。微带天线虽然具备重量轻、成本低、易于集成等诸多优点，但也无法避免以上技术瓶颈，此外，由于微带天线表面波的存在和较高的加工公差要求使其在高频段的应用受到一定限制。传统金属天线和微带天线的上述缺点限制了圆极化天线的发展，影响了圆极化天线的性能。
发明内容
针对现有技术中圆极化天线发展受限、性能需要进一步提高的问题，本发明提出了一种超宽带圆极化介质谐振器天线阵列，通过微天线连接多个介质谐振器，实现超宽的阻抗带宽和圆极化带宽，并在工作带宽内实现了较大增益。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
本发明提供了一种超宽带圆极化介质谐振器天线阵列，包括介质基板、圆极化微带馈电网络、四个介质谐振器，所述介质基板的中心设置有馈电端口，四个介质谐振器以馈电端口为中心呈螺旋对称分布在介质基板上，在四个介质谐振器的底部分别安装有多个金属探针，所述圆极化微带馈电网络以馈电端口为中心设置于介质基板上，圆极化微带馈电网络的一端连接馈电端口，圆极化微带馈电网络的另一端分别连接四个介质谐振器底部的金属探针。
所述天线阵列采用同轴馈电的馈电方式，接入馈电端口的输入信号经圆极化微带馈电网络至金属探针，激励四个介质谐振器向外辐射圆极化波。
进一步的，所述圆极化微带馈电网络包括移相馈电网络和四个单元圆极化馈电网络。
进一步的，所述移相馈电网络包括4个输出端口，任意两个相邻的输出端口之间的相位差为90°；输出端口1与馈电端口之间通过长度为λg/4的弯折型微带线连接，输出端口3与馈电端口之间通过长度为3λg/4的折叠型微带线连接，输出端口2与输出端口1之间、输出端口4与输出端口3之间分别通过圆弧型微带线连接，所述圆弧型微带线的圆心为馈电端口，半径为R，圆弧长度为λg/4，其中，λg表示输入信号在5.5GHz时的工作波长。
进一步的，所述单元圆极化馈电网络包括Wilkinson功分器和90度移相器，所述Wilkinson功分器的输入端口连接2个长度为λg/4的阻抗变换器，输入端口的阻抗为Z0，阻抗变换器的阻抗为
Figure BDA0002554931790000031
所述90度移相器包括两条支路，其中一条支路为长度为λg/2的信号参考线，另一条支路由2个短路的电长度为λg/4的微带线和1个电长度为λg/4的微带主传输线组成，其中，λg表示输入信号在5.5GHz时的工作波长。
进一步的，所述介质谐振器采用非对称十字型介质谐振器。
进一步的，所述非对称十字型介质谐振器包括位于同一中垂线上的底层矩形、中层矩形和顶层矩形，所述底层矩形和顶层矩形的尺寸完全一致，所述中层矩形的宽度、高度分别与底层矩形和顶层矩形的宽度、高度一致，中层矩形的长度大于底层矩形和顶层矩形的长度，中层矩形沿中垂线向左右两边突出的长度不同。
进一步的，介质谐振器采用相对介电常数为9.5、损耗角正切值为0.003的介质材料制作而成。
进一步的，所述介质基板采用厚度为0.5mm的F4B介质板，其相对介电常数为3，损耗角正切值为0.003，在介质基板上设置有金属面。
进一步的，所述金属探针与介质谐振器之间设置有共形贴片，所述金属探针的长度为6mm，直径为0.6mm，所述共形贴片的长度为5.5mm，宽度为0.6mm。
进一步的，所述弯折型微带线和折叠型微带线的拐角处均设置有切角。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明提供了一种超宽带圆极化介质谐振器天线阵列，突破了传统圆极化天线的设计思路，采用了多个介质谐振器，具有更宽的阻抗带宽，更高的辐射效率，更灵活的尺寸选择，同时对介质自身的损耗很小。
本发明阵列的圆极化微带馈电网络包括移相馈电网络和由Wilkinson功分器和90度移相器组成的单元圆极化馈电网络，具有良好的隔离度和圆极化性能，移相馈电网络中微带线的拐角处设有切角，能够确保移向馈电网络中阻抗的连续性，提高阵列性能。
本发明阵列通过介质谐振器之间的耦合，可以实现超宽的阻抗带宽、圆极化带宽和高增益，同时具有设计新颖、结构简单、材料易得、成本较低、应用范围广等特点。
附图说明
图1是本发明一种超宽带圆极化介质谐振器天线阵列的三维结构示意图。
图2是本发明实施例中介质谐振器的结构示意图。
图3是本发明实施例中介质基板上微带线的结构示意图。
图4是本发明实施例中圆极化微带馈电网络的结构示意图。
图5是本发明实施例中单元圆极化馈电网络的结构示意图。
图6是本发明实施例中阵列的阻抗带宽随输入信号频率变化的示意图。
图7是本发明实施例中阵列的轴比随输入信号频率变化的示意图。
图8是本发明实施例中阵列的增益带宽随输入信号频率变化的示意图。
图9是本发明实施例中阵列在4.5GHz、5.5GHz和6.5GHz处的方向图。
图中，1是馈电端口，2是介质谐振器，3是介质基板，4是金属面，5是金属探针，6是移相馈电网络，7是Wilkinson功分器，8是90度移相器，9是短路微带线枝节，10是短路金属柱，11是电阻。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明提供了一种超宽带圆极化介质谐振器天线阵列，如图1所示，主要包括介质基板3、圆极化微带馈电网络和四个介质谐振器2。介质基板采用厚度为0.5mm的F4B介质板，其相对介电常数为3，损耗角正切值为0.003，在介质基板上设置有金属面4。介质基板的中心位置设置有馈电端口，用于连接电源。四个介质谐振器以馈电端口为中心呈螺旋对称分布在介质基板上，在四个介质谐振器的底部分别安装有多个金属探针5，具体的，本发明实施例中每个介质谐振器的底部安装有2个金属探针。圆极化微带馈电网络以馈电端口为中心印制在介质基板上，圆极化微带馈电网络的一端连接馈电端口，圆极化微带馈电网络的另一端分别连接四个介质谐振器底部的金属探针。天线阵列采用同轴馈电的馈电方式，接入馈电端口的输入信号经圆极化微带馈电网络至金属探针，激励四个介质谐振器向外辐射圆极化波。
本发明实施例中的介质谐振器如图2所示，介质谐振器采用非对称十字型介质谐振器，采用介电常数为9.5、损耗角正切值为0.003的介质材料制作而成，其谐振中心频率设计为5.5GHz。为调节天线阵列的阻抗匹配，在介质谐振器的底部两侧增加两个共形贴片，具体的，共形贴片是设置在金属探针与介质谐振器之间，共形贴片比金属探针略短。
本发明实施例中的非对称十字型介质谐振器包括位于同一中垂线上的底层矩形、中层矩形和顶层矩形，底层矩形和顶层矩形的尺寸完全一致，长宽高为12mm×12mm×6.5mm，中层矩形的宽度、高度分别与底层矩形和顶层矩形的宽度、高度一致，中层矩形的长度大于底层矩形和顶层矩形的长度，中层矩形的长宽高为21mm×12mm×6.5mm，中层矩形沿中垂线向左右两边突出的长度不同，具体的为向左突出长度5mm，向右突出长度4mm。结合图2，本发明实施例中的介质谐振器的尺寸如表1所示：
表1
参数 b<sub>1</sub> b<sub>2</sub> b<sub>3</sub> h<sub>1</sub>
值(mm) 12 4 21 6.5
参数 h<sub>2</sub> h<sub>3</sub> h<sub>p</sub> w<sub>p</sub>
值(mm) 6.5 6.5 5.5 0.6
其中，hp为共形贴片的长度，wp为共形贴片的宽度，而金属探针的长度为6mm，直径为0.6mm。
如图3、4所示，圆极化微带馈电网络包括移相馈电网络6和四个单元圆极化馈电网络。移相馈电网络包括4个输出端口(输出端口1、输出端口2、输出端口3、输出端口4)，4个输出端口分布在以馈电端口为圆心的圆弧上，任意两个相邻的输出端口之间的相位差为90°。输出端口1与馈电端口之间通过长度为λg/4的弯折型微带线连接，输出端口3与馈电端口之间通过长度为3λg/4的折叠型微带线连接，输出端口2与输出端口1之间、输出端口4与输出端口3之间分别通过圆弧型微带线连接，圆弧型微带线的圆心为馈电端口，半径为R，圆弧长度为λg/4，圆弧型微带线的宽度为w3，其中，λg表示输入信号在5.5GHz时的工作波长。为确保移相馈电网络中阻抗的连续性，在弯折型微带线和折叠型微带线的拐角处增加切角。由于相邻两个输出端口距馈电端口微带线长度相差λg/4，所以相邻两个输出端口的输出信号相位相差90度。
单元圆极化馈电网络包括Wilkinson功分器7和90度移相器8，其中心频率工作于5.5GHz，单元圆极化馈电网络的等效电路图如图5所示。Wilkinson功分器的输入端口分别连接2个长度为λg/4的阻抗变换器，输入端口用于连接的微带线宽为w2，输入端口的阻抗为Z0，Z0＝50Ω，阻抗变换器的阻抗为
Figure BDA0002554931790000071
阻抗变换器的微带线宽为0.7mm，两个阻抗变换器之间连接有100Ωku单元圆极化馈电网络的隔离度。90度移相器包括两条支路，其中一条支路为长度为λg/2的信号参考线，具体采用中心频率特性阻抗为Z0的微带线，微带线宽为1.3mm，另一条支路由2个短路的电长度为λg/4的微带线和1条电长度为λg/4的微带主传输线组成，其中，2个短路的微带线的中心频率特性阻抗分别为Z2和Z0，微带线宽分别为w1和w2。90度移相器的2个输入端口和2个输出端口阻抗相等，均为Z0，由于微带主传输线比信号参考线短四分之一波长，因此两个端口间相位相差90度。
结合图4、5可知，圆极化微带馈电网络的具体结构参数如表2所示：
表2
参数 R w<sub>1</sub> w<sub>2</sub> w<sub>3</sub> l<sub>stub</sub> w<sub>stub</sub> l<sub>1</sub> l<sub>2</sub>
值(mm) 5.72 0.7 1.3 1.2 10 0.6 1 2.142
参数 l<sub>3</sub> l<sub>4</sub> l<sub>5</sub> l<sub>6</sub> l<sub>7</sub> l<sub>8</sub> l<sub>9</sub> l<sub>10</sub>
值(mm) 3.2 2.642 5 1.7 2.8 1 5 2
参数 l<sub>11</sub> l<sub>12</sub> l<sub>13</sub> l<sub>14</sub> l<sub>15</sub> l<sub>16</sub> l<sub>17</sub> l<sub>18</sub>
值(mm) 10.05 3.975 1 2.5 5 5 10.35 9
本发明提供的天线阵列中心频率工作在5.5GHz，输入信号由馈电端口输入阵列，经移相馈电网络的微带线分别进入四个输出端口，再由四个输出端口分别进入四个单元圆极化馈电网络，输入信号经Wilkinson功分器形成两个等功率线极化波，再经90度移相器使两个等功率线极化波相位相差90度，极化波通过两个金属探针，馈入非对称十字形介质谐振器，向外辐射圆极化波。本发明天线阵列的有效阻抗带宽(|S11|<-10dB)覆盖4.24-8.06GHz，有效相对阻抗带宽为69.45％，|S11|随频率变化的关系如图6所示，本发明阵列的有效圆极化带宽(Axialratio<3dB)覆盖4.19-7.68GHz，有效相对圆极化带宽为63.4％，其轴比随频率变化的关系如图7所示，本发明阵列的工作带宽内的最大增益可达到13dBi，增益随频率变化的关系如图8所示，本发明阵列在4.5GHz、5.5GHz和6.5GHz处的方向图如图9所示，可以看出其方向图具有较好的对称性。与现有圆极化介质谐振器相比，本介质谐振器阵列通过两种圆极化馈电网络极大地拓宽了圆极化带宽，并实现了较大的增益，具有较好的应用前景。
本发明提供的天线阵列，突破了传统圆极化天线的设计思路，采用了多个介质谐振器，具有更宽的阻抗带宽和更高的辐射效率。圆极化微带馈电网络采用移相馈电网络和由Wilkinson功分器和90度移相器组成的单元圆极化馈电网络，具有良好的隔离度和圆极化性能。在经过特定的设计(匹配网络的尺寸和介质谐振器的尺寸)后，本发明可实现超宽的阻抗带宽和圆极化带宽，并在工作带宽内实现13dBi的增益，同时具有设计新颖、结构简单、材料易得、成本较低、应用范围广等特点。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超宽带圆极化介质谐振器天线阵列，其特征在于，包括介质基板、圆极化微带馈电网络、四个介质谐振器，所述介质基板的中心设置有馈电端口，四个介质谐振器以馈电端口为中心呈螺旋对称分布在介质基板上，在四个介质谐振器的底部分别安装有多个金属探针，所述圆极化微带馈电网络以馈电端口为中心设置于介质基板上，圆极化微带馈电网络的一端连接馈电端口，圆极化微带馈电网络的另一端分别连接四个介质谐振器底部的金属探针；
所述天线阵列采用同轴馈电的馈电方式，接入馈电端口的输入信号经圆极化微带馈电网络至金属探针，激励四个介质谐振器向外辐射圆极化波。
2.根据权利要求1所述的一种超宽带圆极化介质谐振器天线阵列，其特征在于，所述圆极化微带馈电网络包括移相馈电网络和四个单元圆极化馈电网络。
3.根据权利要求2所述的一种超宽带圆极化介质谐振器天线阵列，其特征在于，所述移相馈电网络包括4个输出端口，任意两个相邻的输出端口之间的相位差为90°；输出端口1与馈电端口之间通过长度为λg/4的弯折型微带线连接，输出端口3与馈电端口之间通过长度为3λg/4的折叠型微带线连接，输出端口2与输出端口1之间、输出端口4与输出端口3之间分别通过圆弧型微带线连接，所述圆弧型微带线的圆心为馈电端口，半径为R，圆弧长度为λg/4，其中，λg表示输入信号在5.5GHz时的工作波长。
4.根据权利要求2所述的一种超宽带圆极化介质谐振器天线阵列，其特征在于，所述单元圆极化馈电网络包括Wilkinson功分器和90度移相器，所述Wilkinson功分器的输入端口连接2个长度为λg/4的阻抗变换器，输入端口的阻抗为Z0，阻抗变换器的阻抗为
Figure FDA0002554931780000021
所述90度移相器包括两条支路，其中一条支路为长度为λg/2的信号参考线，另一条支路由2个短路的电长度为λg/4的微带线和1个电长度为λg/4的微带主传输线组成，其中，λg表示输入信号在5.5GHz时的工作波长。
5.根据权利要求1所述的一种超宽带圆极化介质谐振器天线阵列，其特征在于，所述介质谐振器采用非对称十字型介质谐振器。
6.根据权利要求5所述的一种超宽带圆极化介质谐振器天线阵列，其特征在于，所述非对称十字型介质谐振器包括位于同一中垂线上的底层矩形、中层矩形和顶层矩形，所述底层矩形和顶层矩形的尺寸完全一致，所述中层矩形的宽度、高度分别与底层矩形和顶层矩形的宽度、高度一致，中层矩形的长度大于底层矩形和顶层矩形的长度，中层矩形沿中垂线向左右两边突出的长度不同。
7.根据权利要求5所述的一种超宽带圆极化介质谐振器天线阵列，其特征在于，介质谐振器采用相对介电常数为9.5、损耗角正切值为0.003的介质材料制作而成。
8.根据权利要求1所述的一种超宽带圆极化介质谐振器天线阵列，其特征在于，所述介质基板采用厚度为0.5mm的F4B介质板，其相对介电常数为3，损耗角正切值为0.003，在介质基板上设置有金属面。
9.根据权利要求1所述的一种超宽带圆极化介质谐振器天线阵列，其特征在于，所述金属探针与介质谐振器之间设置有共形贴片，所述金属探针的长度为6mm，直径为0.6mm，所述共形贴片的长度为5.5mm，宽度为0.6mm。
10.根据权利要求3所述的一种超宽带圆极化介质谐振器天线阵列，其特征在于，所述弯折型微带线和折叠型微带线的拐角处均设置有切角。
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