CN115799819A

CN115799819A - 一种毫米波宽波束圆极化双层微带贴片天线

Info

Publication number: CN115799819A
Application number: CN202211442286.XA
Authority: CN
Inventors: 张乃柏; 邱敬业; 游长江; 黄建明; 杨光耀; 杨军
Original assignee: Higher Research Institute Of University Of Electronic Science And Technology Shenzhen; Beijing University of Posts and Telecommunications; CETC 54 Research Institute
Current assignee: Higher Research Institute Of University Of Electronic Science And Technology Shenzhen; Beijing University of Posts and Telecommunications; CETC 54 Research Institute
Priority date: 2022-11-18
Filing date: 2022-11-18
Publication date: 2023-03-14

Abstract

本发明公开了一种毫米波宽波束圆极化双层微带贴片天线，属于天线技术领域；其包括层叠的上层介质板和下层介质板，上层介质板的上表面设有寄生贴片，寄生贴片为十字型结构；上层介质板的下表面设有半固化层；下层介质板的上表面设有辐射贴片和寄生枝节，寄生枝节均为直角梯形结构；两组寄生枝节分别设于下层介质板上表面的两个对角位置处；辐射贴片位于寄生枝节围成的区域内；下层介质板的下表面设有接地金属板，同轴馈线的内导体穿过小孔与辐射贴片连接，同轴馈线的外导体与接地金属板连接。本发明工作于27.65GHz至34.21GHz，在29GHz时可以实现113°最大半功率波束宽度，并且在该频点处，3db轴比宽度可达到170°左右，具有良好的宽波束圆极化性能。

Description

一种毫米波宽波束圆极化双层微带贴片天线

技术领域

本发明涉及到天线技术领域，特别涉及一种毫米波宽波束圆极化双层微带贴片天线。

背景技术

微带天线是射频前端最常用的天线类型之一。由于其结构简单、易加工、低剖面等特性，被广泛应用于各种领域。为了实现毫米波波段的卫星通信，需要天线单元具有宽波束圆极化的特性。因此，毫米波宽波束圆极化微带天线有重要的研究价值。但微带天线由于其自身结构特点，其波束较窄且工作频率也较窄，需要采用拓宽天线波束宽度与工作频带的技术。在拓宽工作频带方面，本专利采用寄生贴片结构进行拓宽带宽，该方法通过寄生贴片增加谐振点来拓宽工作频段。在拓宽波束宽度方面，部分宽波束微带天线也是采用寄生贴片结构。该方法通过寄生贴片辐射与主辐射贴片互补的方向图来达到宽波束的目的。由于本专利采用了寄生贴片来拓宽工作频率，因此不再适用于这种方法。此外，应用于微带天线的宽波束技术还有增加金属壁与增加反射板技术。由于本专利采用了双层微带天线技术，在天线上方添加金属壁的技术路线不再适用。

为了兼顾圆极化的特性，对天线形状与添加的寄生贴片也有一定的要求，需要使主辐射贴片表面电流在0°相位与90°相位时产生相互垂直的电流。

因此实现宽频带宽波束圆极化的微带天线，需要同时兼顾三种特性对天线的限制。目前存在微带天线技术难于在该三个方面同时实现理想效果。

发明内容

针对上述背景技术中存在的问题，本发明提出了一种毫米波宽波束圆极化双层微带贴片天线；其工作于27.65GHz至34.21GHz，在29GHz时可以实现113°最大半功率波束宽度，并且在该频点处，3db轴比宽度可达到170°左右，具有良好的宽波束圆极化性能。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种毫米波宽波束圆极化双层微带贴片天线，包括层叠的上层介质板7和下层介质板5，所述上层介质板的上表面设有寄生贴片2，所述寄生贴片为十字型结构；

所述上层介质板的下表面设有半固化层6；

所述下层介质板的上表面设有辐射贴片1和寄生枝节3，所述寄生枝节均为直角梯形结构；两个寄生枝节为一组，共设有两组，每组的两个寄生枝节的斜边正对，且两斜边之间具有间隙；两组寄生枝节分别设于下层介质板上表面的两个对角位置处；所述辐射贴片位于寄生枝节围成的区域内；

所述下层介质板的下表面设有接地金属板所述接地金属板上设有供同轴馈线的内导体穿过的小孔；同轴馈线的内导体穿过小孔与辐射贴片连接，同轴馈线的外导体与接地金属板连接。

进一步的，每一寄生枝节3底部连接有设有多个金属引脚；金属引脚的另一端连接在接地金属板上。

进一步的，每一寄生枝节3上连接有5个金属引脚，所述金属引脚贯穿下层介质板。

进一步的，所述辐射贴片为方形结构，辐射贴片的其中一对角均设有方形延伸；且两方形延伸均沿辐射贴片同一对角线向外延伸；所述辐射贴片另一对角的其中一角为方形缺口。

进一步的，所述方形延伸所处的对角线垂直于寄生枝节的斜边。

进一步的，所述寄生贴片位于辐射贴片的正上方。

本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于：

a)该天线在29GHz处最宽可实现113°波束宽度，相较于常见的微带天线宽出约20°的波束。

b)该天线工作频段在27.65GHz至34.21GHz，具有21.2％的带宽。

c)该天线在29GHz处具有圆极化谐振点，可实现170°的轴比宽度，因此该天线在29GHz可实现宽波束圆极化。

附图说明

图1是毫米波宽波束圆极化双层微带贴片天线结构示意图；

图2是图1中下层介质板的上表面示意图。

图3是图1中上层介质板的上表面示意图。

图4是图1的侧面示意图。

图5是天线工作的反射系数曲线图。

图6是天线工作在29GHz时，Φ＝0°时的二维辐射方向图。

图7是天线工作在29GHz时，Φ＝90°时的二维辐射方向图。

图8是天线工作在29GHz时的AR轴比图。

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。

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

所述上层介质板的下表面设有半固化层6；

进一步的，所述寄生贴片位于辐射贴片的正上方。

下面为一更具体实施例：

以附图1至图4所示的天线结构为例，该天线由辐射贴片、寄生枝节、接地金属板、三层介质板以及同轴馈线组成。

其中，辐射贴片采用经典的圆极化辐射贴片结构，利用微扰法，在正方形辐射片上添加两个方形延伸，用于产生圆极化辐射。由于寄生枝节的加入，对辐射贴片上的电流有感应作用，选择在辐射贴片的右下角裁下一方形缺口，以保证圆极化性能。主辐射贴片通过耦合将能量馈给上层的寄生贴片。

采用十字形的寄生贴片，可以有效拓宽工作频率，并产生圆极化辐射，使天线可以有效地工作在Ka波段。寄生贴片可以看作两个矩形条组合而成，矩形条的长宽比直接影响天线的极化性能，通过优化矩形条的尺寸，最终选择近3比1的长宽比。该十字型寄生贴片通过引入阻抗使天线在Ka波段产生谐振。

天线中间层介质板为半固化(PP)层，即加工时使用的粘连层。该天线三层介质板采用的材质相同。实验表明，介质板的尺寸影响天线的谐振频率。介质板的材质直接影响天线的辐射方向图与谐振频率。较高的介电常数将会降低天线的辐射增益，使天线性能发生恶化。而较低的介电常数会使天线的极化性能发生恶化。因此，综合考虑天线的增益与极化性能后，介质板的材料选取Rogers RT/duroid5880。

寄生枝节3加载在辐射贴片1四周，寄生枝节与主辐射贴片之间产生耦合，在一定程度上扩展了波束宽度。此外，寄生枝节3下方有大量接地金属板的金属引脚。金属引脚之间产生等效电容，等效电容的引入使得谐振频率下降，进而在同等谐振频率下，天线尺寸比一般天线小。因此寄生枝节的引入使得天线还可以做到小型化，使得天线尺寸十分灵活。选择适当的接地面尺寸与介质板尺寸，可以实现宽波束功能。

辐射贴片1、寄生贴片2、寄生枝节3、接地面4、下层介质板、上层介质板与PP层，以及同轴馈线8。辐射贴片位于下层介质板与中间PP层之间；寄生贴片2为十字型寄生贴片，位于上层介质板6的上方；寄生枝节加载在辐射贴片的四周，辐射贴片与寄生贴片的中心与介质板中心在一条垂直线上，对称分布；同轴线透过下层介质板与辐射贴片直接相连。

辐射贴片采用微扰获得的圆极化贴片天线结构的基础上，在矩形贴片一对对角添加正方形边角。该边角用于影响表面电流产生圆极化辐射。在寄生枝节的影响下，主辐射贴片在馈电附近非正方形边角一侧裁去部分材质以保证圆极化。

最上层寄生单元为十字型寄生贴片。该贴片由辐射贴片通过耦合激励。该结构可以看作由两个垂直的矩形条组合而成。该矩形条的长宽比约为3：1。

寄生枝节可视为L型结构加载在主辐射贴片的两个对角附近，并进行开槽处理。此外，在每个L型开槽寄生贴片下侧加载两排金属引脚进行短路连接。

综上所述，辐射贴片的矩形对角、寄生贴片的尺寸、寄生枝节的形状、介质板的材料与厚度、馈电方式都会对天线性能产生影响。充分均衡这些参数的影响后，采用以下的参数设计本天线：

辐射贴片的尺寸为2.034mm×2.034mm，其方形延伸的尺寸为0.5mm×0.5mm，裁去的方形缺口的尺寸为0.65mm×0.65mm

寄生贴片可以看作两个垂直的矩形组合而成，其中一个矩形的尺寸为2.4mm×0.8mm。

寄生枝节可以看作两个开缝的L型寄生贴片外加金属引脚组成。L型贴片长边为2.4mm,宽0.8mm，其中缝隙宽度为0.1mm,位于L型贴片拐角处。L型贴片距主辐射贴片的距离为0.065mm。

接地金属板3的尺寸选取2.8mm×2.8mm。

三层介质板的长宽尺寸均为5.36mm×5.36mm。考虑到实际加工要求，下层介质板的厚度为0.381mm；PP层的厚度为0.127mm；上层介质板的厚度为0.254mm，三层介质板的材料均采用Rogers RT/duroid5880。

同轴线尺寸的大小直接影响馈电的效果。考虑到实际加工需求，采用0.3mm直径的内导线与0.3×2.3mm直径的外表面。经过计算，该尺寸可以有效地匹配50Ω的输入阻抗。

图5是该天线的反射系数仿真图。该图显示，在27.65GHz至34.21GHz，该天线有-10db工作带宽。在28.06GHz至32.34GHz有-15db工作带宽。

图6与图7展示了天线工作在29GHz时的辐射方向图在Φ＝0°与Φ＝90°时具有较宽的波束宽度。在Φ＝0°的平面上，波瓣宽度为-52.70°至53.78°。在Φ＝90°的平面上，波束宽度为-56.61°至55.51°。值得注意的是，在Φ＝45°的平面上，波束宽度从-58.78°至57.22°。较宽的波束宽度使该单元作为相控阵单元时具有较大扫描范围。对工作频带内不同频率下的天线进行仿真，其辐射方向图无明显变化。

图8展示该天线在29GHz的轴比情况，可以看到该天线在29GHz的轴比波束较宽，可以良好地应用于相控阵扫描。

综上所述，该天线工作在Ka波段，可以实现较宽的波束宽度以及圆极化，拥有27.65GHz至34.21GHz的工作带宽。可以有效地应用于毫米波卫星通信。

Claims

1.一种毫米波宽波束圆极化双层微带贴片天线，包括层叠的上层介质板(7)和下层介质板(5)，其特征在于，所述上层介质板的上表面设有寄生贴片(2)，所述寄生贴片为十字型结构；

所述上层介质板的下表面设有半固化层(6)；

所述下层介质板的上表面设有辐射贴片(1)和寄生枝节(3)，所述寄生枝节均为直角梯形结构；两个寄生枝节为一组，共设有两组，每组的两个寄生枝节的斜边正对，且两斜边之间具有间隙；两组寄生枝节分别设于下层介质板上表面的两个对角位置处；所述辐射贴片位于寄生枝节围成的区域内；

2.根据权利要求1所述的一种毫米波宽波束圆极化双层微带贴片天线，其特征在于，每一寄生枝节(3)底部连接有设有多个金属引脚；金属引脚的另一端连接在接地金属板上。

3.根据权利要求2所述的一种毫米波宽波束圆极化双层微带贴片天线，其特征在于，每一寄生枝节(3)上连接有5个金属引脚，所述金属引脚贯穿下层介质板。

4.根据权利要求1所述的一种毫米波宽波束圆极化双层微带贴片天线，其特征在于，所述辐射贴片为方形结构，辐射贴片的其中一对角均设有方形延伸；且两方形延伸均沿辐射贴片同一对角线向外延伸；所述辐射贴片另一对角的其中一角为方形缺口。

5.根据权利要求4所述的一种毫米波宽波束圆极化双层微带贴片天线，其特征在于，所述方形延伸所处的对角线垂直于寄生枝节的斜边。

6.根据权利要求4所述的一种毫米波宽波束圆极化双层微带贴片天线，其特征在于，所述寄生贴片位于辐射贴片的正上方。