CN112688059A - 一种宽带圆极化微带阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带圆极化微带阵列天线，采用同时激励TM11模和TM10模工作的方式，所述微带阵列天线包括一个长方形介质板、四个线极化辐射单元(1)、馈电网络(2)和四根同轴线(5)，其中，在所述介质板的上表面沿顺时针90°旋转排列四个结构相同的线极化辐射单元(1)，通过同轴线(5)由设置在介质板下表面的馈电网络(2)进行馈电。该天线结合了多模激励技术和顺序旋转馈电技术的优点，既实现了展宽轴比带宽的目的，也简化了馈电网络的设计以及减小了天线的体积；结构简单，易于实现，对展宽圆极化微带阵列天线方法的研究具有一定的意义。

Description

一种宽带圆极化微带阵列天线

技术领域

本发明涉及微带阵列天线的技术领域，特别涉及一种宽带圆极化微带阵列天线。

背景技术

随着遥感技术的发展，SAR已经从单极化扩展到了双极化甚至全极化，但是由于全极化SAR数据的缺点是刈幅宽度太小，因此，紧缩极化技术被提出，即CP SAR(参见参考文献[1]：“Rizki Akbar,P.,S.S.J.Tetuko,and H.Kuze."A novel circularly polarizedsynthetic aperture radar(CP-SAR)system onboard a spaceborne platform."International Journal of Remote Sensing 31.4(2010):1053-1060.”)。CP SAR传输圆极化，并接收两个正交的线性极化。微带阵列天线以其高度兼容、易于制作、重量轻等特点成为SAR天线的很好的选择。

目前圆极化微带阵列天线的实现方法主要分为两种形式:1)圆极化辐射单元和宽带馈电网络，这种方法需要单独地设计圆极化单元和馈电网络，单元结构和馈电网络都比较复杂，但是带宽比较宽(参见参考文献[2]：Gan,Zheng,et al."Compact WidebandCircularly Polarized Microstrip Antenna Array for 45GHz Application."IEEETransactions on Antennas and Propagation 66.11(2018):6388-6392.)；2)线极化阵列单元加特定的馈电网络来实现线极化到圆极化的转换。这些实现方法中馈电网络复杂，且天线的剖面较高，实现的轴比带宽窄(参见参考文献[3]：Zou,Yanlin,et al."A high-gaincompact circularly polarized microstrip array antenna with simplified feednetwork."International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering8(2019).)。

目前采用多模激励的方法设计宽带圆极化微带天线的方法较少，需要进一步充分利用多模激励的技术优势，以解决高频段宽带圆极化微带天线设计中的轴比带宽窄以及剖面高的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种宽带圆极化微带阵列天线。

为了实现上述目的，本发明提出了一种宽带圆极化微带阵列天线，采用同时激励TM11模和TM10模工作的方式，其特征在于，所述微带阵列天线包括一个长方形介质板、四个线极化辐射单元、馈电网络和四根同轴线，其中，

在所述介质板的上表面沿顺时针90°旋转排列四个结构相同的线极化辐射单元，通过同轴线由设置在介质板下表面的馈电网络进行馈电。

作为上述宽带圆极化微带阵列天线的一种改进，所述线极化辐射单元之间的距离应远小于工作频带内最小波长。

作为上述宽带圆极化微带阵列天线的一种改进，所述线极化辐射单元包括加载I型槽的长方形辐射贴片和6个短路钉；所述长方形辐射贴片的尺寸使TM11模的谐振频率调节在工作频率处，其中，

所述I型槽，用于调节TM10模与TM11模谐振频率之间的阻抗匹配；

所述短路钉，用于提高TM10模的谐振频率至工作频率附近；

所述I型槽设置在辐射贴片的中心处，I型槽包括两条长度相同的短边缝隙和一条长边缝隙，三条缝隙呈I型，其中，两条短边缝隙平行于辐射贴片的短边，长边缝隙平行于辐射贴片的长边，在每条短边缝隙与相邻的辐射贴片的短边之间均轴对称的设置3个短路钉，3个短路钉呈L形等间隔排列。

作为上述宽带圆极化微带阵列天线的一种改进，所述长方形辐射贴片的尺寸采用如下步骤确定：

将TM11模的谐振频率f₁₀设为工作频率，使用下式计算得到辐射贴片的长初始值L₀和宽初始值w₀，

其中，ε_e为介电常数，ε_r为有效介电常数，c为真空中的光速，ΔL为等效缝隙长度，h为介质板的厚度；

将长初始值L₀和宽初始值w₀代入下式，调节长和宽，使TM11模的谐振频率在工作频率处，得到调整好的辐射贴片的长L和宽w

作为上述宽带圆极化微带阵列天线的一种改进，所述馈电网络为采用3个T型分支的四端口等幅馈电网络，通过不同长度的微带线实现四端口相位依次相差90°。

作为上述宽带圆极化微带阵列天线的一种改进，所述馈电网络的每个端口通过一根同轴线与一个辐射贴片对应连接，其中，所述同轴线设置在辐射贴片的短边四分之一处，同轴线伸入介质板中的长度为介质板厚度的一半。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、该天线结合了多模激励技术和顺序旋转馈电技术的优点，既实现了展宽轴比带宽的目的，也简化了馈电网络的设计以及减小了天线的体积；

2、该天线结构简单，易于实现，对展宽圆极化微带阵列天线方法的研究具有一定的意义。

附图说明

图1是本发明的宽带圆极化微带阵列天线俯视图；

图2是本发明的线极化辐射单元的结构示意图；

图3是本发明宽带圆极化微带阵列天线的前视图；

图4是本发明中使用的T型功分器的等效电路图

图5是本发明的馈电网络结构图；

图6是不同数量短路钉对低频谐振频率调节效果图；

图7是本发明阵列天线单元的轴比

图8是本发明宽带圆极化微带阵列天线的S11参数

图9是本发明宽带圆极化微带阵列天线的轴比带宽；

图10是本宽带圆极化微带阵列发明天线的方向图。

附图标记

1、线极化辐射单元 2、馈电网络 3、短路钉

4、I型槽 5、同轴线

具体实施方式

本发明在采用多元法实现圆极化的基础上，提出了一种宽带圆极化微带阵列天线。如图1所示。宽带圆极化微带阵列天线采用同时激励TM11模和TM10工作的方法来实现频带的展宽；采用多元法以及顺序旋转馈电来实现圆极化的极化方式。该方案的设计包括两部分：1)宽频线极化微带辐射贴片的设计，所述的宽带圆极化微带阵列天线包含四个线极化辐射单元，每个辐射单元包括加载I型槽的辐射片以及短路钉；2)顺序旋转馈电网络的设计，所述的顺序旋转馈电网络位于接地板下方，避免了馈电网络与辐射贴片共面对天线性能的影响，所述的顺序旋转馈电网络采用三个T型分支结构级联的方式来实现四个馈电端口的电流幅度等功率分配，采用延长微带线的方法来实现了相移的功能，辐射贴片和馈电网络之间采用同轴线连接对辐射贴片进行馈电。

所述的辐射单元几何结构如图2所示。接地板的尺寸是辐射贴片的两倍。

微带天线的腔模理论将微带天线看成上下为电壁四周为磁壁的谐振腔，谐振腔中不同的谐振模式独立存在，当给定微带天线的长和宽以后，根据公式(1)可以计算出不同模式的谐振频率，其中，m,n称为模式指数，不同的m,n值代表不同的工作模式，本发明中使用TM10模和TM11模。

辐射贴片的尺寸按以下方法来设计：首先将f₁₀设为工作频率，使用公式(2)计算出此时辐射贴片的长和宽，然后将公式(2)算出的初始值带入公式(3)中，调节长和宽，使最终f₁₁的谐振频率在工作频率处。

其中，ε_e为介电常数，ε_r为有效介电常数，c为真空中的光速，ΔL为等效缝隙长度，h为介质板的厚度。

在辐射贴片与接地板之间沿长边边缘、宽边中心处对称地各加载排列为L形的3个短路钉，共6个短路钉，用于提高TM10模的谐振频率至工作频率附近。短路钉左右之间的间距为J1,半径为R1，第一个短路钉的位置距离贴片中心为D1，短路钉的间距J1不宜太大,约为3倍的短路钉半径的长度即可。辐射贴片中间位置上加载I型槽，I型槽两条横向水平段长度为L1，纵向垂直段长度为L2，用于改善两个谐振频率之间的阻抗匹配。

所述的天线单元采用同轴线探针背馈的形式馈电。同时将同轴线的介质层和外导体也伸入介质基片里一定距离，这样可以有效地将能量送到辐射贴片上，减少在从下到上馈电过程中能量在介质基片中的损失。同轴线伸入介质板中的深入约为介质板厚度的一半。至此完成了宽频线极化微带辐射贴片的设计。

将所设计好的宽频线极化辐射单元按顺时针依次旋转90°，使天线实现圆极化极化工作模式。辐射贴片之间的间距为D，辐射贴片之间的距离应小于工作频带内最小波长，距离太近增强了单元之间的互耦，距离太远会导致频带内高频点的圆极化性能变差。

所述馈电网络如图5所示。馈电结构位于阵列天线接地板的下方，介质材料与天线的介质材料相同。为了实现简单的四端口等幅馈电网络，采用3个T型分支来设计馈电网络，T型网络的等效电路图如图4所示，其中，P2端口通过增加四分之一波长微带线的方式实现P2、P3端口相位相差90°输出。Z1与Z0之间的关系满足如下关系：

由于需要满足所设计的天线空间馈电位置的要求，因此在实际建模过程中，会将一部分微带线进行弯折处理，馈电网络实际的结构如图5所示，P1为输入端，P2、P3、P4、P5为输出端。输入和输出段负载阻抗均为Z0，得到特征阻抗之后可以用过阻抗计算器得到微带线的宽度。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

实施例1

如图1所示，本发明的实施例1提出了一种宽带圆极化微带阵列天线，可用于常见的各种微波频段，不失一般性，仅以K波段为例，介质板采用厚度为0.813毫米，相对介电常数为3.55的RO4003层压板。对于25GHz的工作频率来说，辐射单元的尺寸经过HFSS优化选择为：4.7*4毫米，馈电网络中的介质材料使用厚度为0.15毫米的RO4003层压板；使用的同轴线的特征阻抗为50欧姆，内导体直径0.1毫米，外导体直径0.51毫米，介质层为PTFE材料，直径为0.38毫米。

如图3所示，本发明提出的宽带圆极化微带阵列天线采用同轴线馈电，同轴线馈电的位置在宽边四分之一处，以此来抑制TM20模，同轴线伸入介质板中的长度为介质板厚度的一半，为0.4毫米。

所述的辐射单元采用激励TM10模和TM11模来展宽频带，通过加载短路钉来调节低频模式的谐振频率，如图1所示，短路钉的位置在宽边的中点沿长边呈L形排列，短路钉之间的间距为0.45毫米,半径为0.1毫米，添加短路钉前后的谐振频率如图6所示。TM10模随着短路顶数量的增加谐振频率逐渐提高，TM10模和TM11模的谐振频率基本不受影响。

所述的辐射单元通过加载I型槽以达到改善阻抗匹配的目的，I型槽由3条缝隙组成，中间的缝隙平行于长边即平行于电流方向长度为2.7毫米，两边的缝隙平行于宽边，长度为1.2毫米，即垂直于电流方向。与电流方向平行的槽不会改变电流分布，因此用于改善匹配和抵消同轴探针馈电引入的电感，而另外两条因为与电流方向垂直，即切割电流的方向，增加了电流路径，可以降低谐振频率的频点。

所述的宽带圆极化微带阵列天线通过顺时针旋转辐射单元以及顺时针依次相移90°馈电来实现圆极化的极化方式，辐射单元之间的间距为6毫米，馈电网络采用同轴线背馈的形式。

所述的馈电网络包含50欧姆与25欧姆两种微带线构成。馈电结构位于阵列天线接地板的下方，介质材料采用厚度为0.15毫米，介电常数为3.55的RO4003层压板，与天线的介质材料相同。为了实现简单的四端口等幅馈电网络，采用3个T型分支来设计馈电网络。由于需要满足所设计的天线空间馈电位置的要求，将微带线折叠以后，馈电网络实际的结构如图5所示，P1为输入端，P2、P3、P4、P5为输出端。输入和输出段负载阻抗均为50欧姆，为了使输入输出端口均匹配，必须附加一段长度为四分之一波长的匹配段。因此l2＝1.72毫米馈电网络各段微带线的长度需满足公式(4)，且给定lamda1,lamda2,lamda3,l3,l15后，剩余变量的可表示为：

l4＝D2-w2/2+w1/2

l5＝l3-D3-w2

l6＝(D3-w2/2+l5+l4-l8+lamda1)/2

l7＝l6-D3+w2/2

l8＝D2-l3+1.5w1

l9＝(D3＝w2/2+l8+l7+l6+lamda2-l10)/2

l10＝l6+l7+l8+lamda2-l11-l9

l11＝l3-D3+w1/2

l12＝(D3-w2/2+l10+l9+l11+lamda3-l13-l15)/2

l13＝D2-l3+1.5w1+l15

l14＝l9+l10+l11+lamda3-l13-l12-l15

根据所述微带圆极化微带阵列天线四个馈电端口之间的距离，确定所述馈电网络中l3＝2.5mm,l15＝1.16mm，lamda1,lamda2,lamda3的初始值都为中心频率的四分之一波长，采用HFSS全波分析软件，优化计算出lamda1,lamda2,lamda3最佳取值，使所述微带圆极化天线的轴比带宽达到给定的要求。这三个取值分别为：

lamda1＝1.9mm,lamda2＝1mm,lamda3＝1.7mm

如图7所示为本发明的阵列天线单元的轴比，可以看出，天线单元本身为线极化。

如图8所示为本发明的圆极化阵列天线的S11参数随频率变化特性曲线图，如图9所示为本发明的圆极化阵列天线的轴比随频率变化特性曲线图，可以看出在22.88～26.85GHz有良好的S参数和驻波比,相对轴比带宽为16％。天线在频带内最大增益为8.89dBi。该天线的体积为1.28λ0×1.17λ0×0.08λ0。

如图10所示，采用HFSS全波分析软件，计算所述宽带圆极化微带阵列天线的在中心频率处的方向图。

本发明提供了一种宽带圆极化微带阵列天线，所述的宽带圆极化微带阵列天线采用同时激励起TM11和TM10模工作来实现频带的展宽，采用多元法以及顺序旋转馈电来实现圆极化的极化方式。所述的宽带圆极化微带阵列天线包含四个线极化辐射单元1以及馈电网络2，所述的辐射单元包括加载I型槽4的辐射片以及短路钉3，所述的馈电网络2位于接地板下方，避免了馈电网络与辐射贴片共面对天线性能的影响。馈电网络采用同轴线5馈电，通过采用3个T型分支实现了四个输出端口的等功率分配，通过延长到不同端口的微带线实现了相移的功能。所述的宽带圆极化微带阵列天线采用简单的结构实现了圆极化的性能，且馈电网络设计过程简单，在保证增益和轴比带宽的情况下大大减小了天线的体积，具有重要的应用价值。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种宽带圆极化微带阵列天线，采用同时激励TM11模和TM10模工作的方式，其特征在于，所述微带阵列天线包括一个长方形介质板、四个线极化辐射单元(1)、馈电网络(2)和四根同轴线(5)，其中，

在所述介质板的上表面沿顺时针90°旋转排列四个结构相同的线极化辐射单元(1)，通过同轴线(5)由设置在介质板下表面的馈电网络(2)进行馈电。

2.根据权利要求1所述的宽带圆极化微带阵列天线，其特征在于，所述线极化辐射单元(1)之间的距离应远小于工作频带内最小波长。

3.根据权利要求2所述的宽带圆极化微带阵列天线，其特征在于，所述线极化辐射单元(1)包括加载I型槽(4)的长方形辐射贴片和6个短路钉(3)；所述长方形辐射贴片的尺寸使TM11模的谐振频率调节在工作频率处，其中，

所述I型槽(4)，用于调节TM10模与TM11模谐振频率之间的阻抗匹配；

所述短路钉(3)，用于提高TM10模的谐振频率至工作频率附近；

所述I型槽(4)设置在辐射贴片的中心处，I型槽(4)包括两条长度相同的短边缝隙和一条长边缝隙，三条缝隙呈I型，其中，两条短边缝隙平行于辐射贴片的短边，长边缝隙平行于辐射贴片的长边，在每条短边缝隙与相邻的辐射贴片的短边之间均轴对称的设置3个短路钉(3)，3个短路钉(3)呈L形等间隔排列。

4.根据权利要求3所述的宽带圆极化微带阵列天线，其特征在于，所述长方形辐射贴片的尺寸采用如下步骤确定：

将TM11模的谐振频率f₁₀设为工作频率，使用下式计算得到辐射贴片的长初始值L₀和宽初始值w₀，

其中，ε_e为介电常数，ε_r为有效介电常数，c为真空中的光速，ΔL为等效缝隙长度，h为介质板的厚度；

将长初始值L₀和宽初始值w₀代入下式，调节长和宽，使TM11模的谐振频率在工作频率处，得到调整好的辐射贴片的长L和宽w

5.根据权利要求1所述的宽带圆极化微带阵列天线，其特征在于，所述馈电网络(2)为采用3个T型分支的四端口等幅馈电网络，通过不同长度的微带线实现四端口相位依次相差90°。

6.根据权利要求3所述的宽带圆极化微带阵列天线，其特征在于，所述馈电网络(2)的每个端口通过一根同轴线(5)与一个辐射贴片对应连接，其中，所述同轴线(5)设置在辐射贴片的短边四分之一处，同轴线(5)伸入介质板中的长度为介质板厚度的一半。

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