CN116345164A - 一种Ku频段宽带双圆极化微带天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种Ku频段宽带双圆极化微带天线,包括上下层叠的辐射单元和馈电网络,以及两个馈电单元;辐射单元,包括自上而下依次层叠的第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板;所述第一介质基板上表面的中心位置印制有带有切角的正方形寄生贴片;所述第二介质基板的中心位置设置有圆形空腔;所述第三介质基板上表面的中心位置印制有正方形辐射贴片所述馈电网络,包括上下层叠的第四介质基板和第五介质基板;所述第四介质基板的上表面印制有第一金属地板;所述第五介质基板的上表面印制有带状线定向耦合器,下表面印制有第二金属地板;本发明在Ku频段具有双圆极化和宽频带的特性,适用于卫星、雷达通信等领域。
Description
技术领域
本发明属于微波天线技术领域,涉及一种双圆极化微带天线,具体涉及一种Ku频段宽带双圆极化微带天线,适用于卫星、雷达通信等领域。
背景技术
随着卫星通信技术的飞速发展,无线数据的传输和吞吐量不断增加,对于天线的要求也日益提高。卫星通信常用的频段有C频段、Ku频段和Ka频段,C频段使用比较早,频率低,增益也低,天线口径较大。虽然相对其它频段遭受地面微波等干扰的几率大些,但其雨衰远小于Ku频段,更远远小于Ka频段。Ka频段的特点类似于Ku频段,但是其雨衰更大需要通过增加天线口径来消弱这些影响。Ku频段为12GHz~18GHz,其频率高、增益也高,天线尺寸较小,便于安装,从而可有效地降低接收成本,方便个体接收,相对来说受地面干扰影响小。
宽频带特性是在天线不断发展中非常重要的一个需求,而微带天线的带宽往往都比较窄,其典型的工作带宽只有3%左右。微带天线的窄频带特性是由其高Q的谐振本性所决定的,展宽频带的基本途径是降低等效谐振电路的Q值。基本途径为:增大微带天线介质基片的厚度,降低介质基片的介电常数。基板过厚,即基板厚度相对于波长过大,会引起表面波的明显激励,且会一定程度上破坏天线的低剖面性。减小微带天线基板介电常数以增加带宽的方法潜力也是有限的,因为介电常数最小值为1即空气介质,且基板介电常数降低会增宽微带馈线和增大贴片尺寸。
圆极化天线受雨雪天气的影响小,抗干扰能力强,不易在电离层发生极化畸变。并且,圆极化收发天线间的极化角度具有任意性,可完成更稳定的信号收发。除此之外,圆极化波具有旋向正交性。当圆极化波入射到对称目标时,反射波变为反旋向的圆极化波,衡量圆极化天线的一个重要标准就是轴比,当轴比小于3dB时,可以认为该天线具有良好的圆极化性能。双圆极化天线可通过对两个端口单独馈电分别获得左旋圆极化波和右旋圆极化波,用一副天线取代两个圆极化天线,不仅在小型化上占据优势,还降低了加工成本。
双圆极化微带天线,通过对微带天线加载馈电网络使得天线可在不同端口馈电时分别辐射左旋圆极化波和右旋圆极化波。例如申请公布号为CN113224535A,名称为“一种低剖面双圆极化微带天线”的专利申请,公开了一种X频段宽带的低剖面双圆极化微带天线,天线为阶梯型结构,自上而下依次是圆形贴片、介质层、定向耦合器、底层地板,其中定向耦合器采用小型三分支定向耦合器,其中间枝节为渐变线,所述介质层上设置金属通孔,用于连接定向耦合器和圆形贴片,所述底层地板上设置属通孔底层孔盘的隔离环,使得天线获得较高的隔离度,但是其小型三分支定向耦合器与圆形贴片之间的匹配较差,S11小于-10dB时天线仅在9GHz~10GHz频段内工作。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷,提出了一种工作在Ku频段宽带双圆极化天线,用于解决现有技术中存在的带宽较窄且不能实现Ku频段工作的技术问题。
为实现上述目的,本发明采取的技术方案,包括上下层叠的辐射单元1和馈电网络2,以及两个馈电单元3。
所述辐射单元1,包括自上而下依次层叠的第一介质基板11、第二介质基板12和第三介质基板13;所述第一介质基板11上表面的中心位置印制有带有切角的正方形寄生贴片14;所述第二介质基板12的中心位置设置有圆形空腔;所述第三介质基板13上表面的中心位置印制有正方形辐射贴片15。
所述馈电网络2,包括上下层叠的第四介质基板21和第五介质基板22;所述第四介质基板21的上表面印制有第一金属地板23;所述第五介质基板22的上表面印制有带状线定向耦合器24,下表面印制有第二金属地板25;所述第四介质基板21和第五介质基板22上设置有贯穿该两块介质基板且与第一金属地板23和第二金属地板25连接的第一金属化过孔阵列和第二金属化过孔阵列;所述第一金属化过孔阵列采用由多个周期性排布的第一金属化过孔26组成的方形环状结构,所述带状线定向耦合器24位于该方形环状结构的区域内;所述第二金属化过孔阵列由不同数量且分布在带状线定向耦合器24不同区域的多个第二金属化过孔27组成。
所述两个馈电单元3固定在第五介质基板22的下面,其内导体分别与带状线定向耦合器24的两个输入端连接,外导体与第二金属地板25连接;所述带状线定向耦合器24的两个输出端分别与辐射单元1中的正方形辐射贴片15连接。
上述Ku频段宽带双圆极化微带天线,正方形寄生贴片14,其中心位于第一介质基板11的中心法线上,且该正方形寄生贴片14两组对边中点的连线与第一介质基板11的两条对角线重合。
上述Ku频段宽带双圆极化微带天线,正方形辐射贴片15,其中心位于第三介质基板13的中心法线上,且该正方形辐射贴片15两组对边中点的连线与第一介质基板13的两条对角线重合。
上述Ku频段宽带双圆极化微带天线,正方形寄生贴片14,其对角线的长度大于正方形辐射贴片15对角线的长度,且其对角线的长度小于第二介质基板12上圆形空腔的直径。
上述Ku频段宽带双圆极化微带天线,第二金属化过孔阵列,包括分布在带状线定向耦合器24中心位置的由多个周期性排布的第二金属化过孔27组成的第一圆形金属化过孔子阵列、分布在带状线定向耦合器24两个输入端之间和两个输出端之间的由多个周期性排布的第二金属化过孔27组成的第二圆形金属化过孔子阵列,以及分布在带状线定向耦合器24每组输入与输出之间的由多个周期性排布的第二金属化过孔27组成的线性金属化过孔子阵列。
本发明与现有技术相比,具有如下优点:
1.本发明通过在带状线定向耦合器附近加入金属通孔,有效减少了不必要的谐振改善了带状线定向耦合器的带宽,通过在辐射贴片的上层再添加寄生贴片,并调节两个贴片的大小,使其谐振频率相近进而拓展了天线的带宽,同时通过调整输入与输出端口的尺寸大小使得带状线定向耦合器与辐射贴片阻抗匹配,有效的拓宽了天线的带宽。
2.本发明通过在寄生贴片与辐射贴片之间添加方型介质环,由于方型介质环中心为空气,使得天线的等效介电常数降低,进一步拓宽了天线的带宽。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明馈电网络的结构示意图。
图3为本发明实施例的S11参数仿真值-频率曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例,对本发明作进一步地详细说明。
参照图1,本发明包括上下层叠的辐射单元1和馈电网络2,以及两个馈电单元3。
所述辐射单元1,包括自上而下依次层叠的第一介质基板11、第二介质基板12和第三介质基板13,第一介质基板11和第三介质基板13采用厚度0.508mm的TaconicRF-35,相对介电常数为3.5,损耗正切角为0.0018,第二介质基板13采用厚度为0.9mm的TaconicRF-35,相对介电常数为3.5,损耗正切角为0.0018;所述第一介质基板11上表面的中心位置印制有带有切角的正方形寄生贴片14,其大小为0.25λ*0.25λ,贴片两对角切除大小为边长1mm的等腰直角三角形,其中心位于第一介质基板11的中心法线上,且其两组对边中点的连线与第一介质基板11的两条对角线重合;所述第二介质基板12的中心位置设置有圆形空腔用于支撑寄生贴片14与第一介质板11,圆形空腔使得天线的等效介电常数降低拓宽了天线的宽带;所述第三介质基板13上表面的中心位置印制有正方形辐射贴片15,其大小为0.27λ*0.27λ,其中心位于第三介质基板13的中心法线上,且该其两组对边中点的连线与第一介质基板13的两条对角线重合,在正方形贴片的两侧添加矩形枝节用于接收馈电网络所馈入的幅度相等相位相差90°的信号,进而辐射圆极化波;第三介质基板13下通过采用厚度为0.2mm,相对介电常数为3.52,损耗正切角为0.004的4450F材料与第四介质基板21进行粘合。正方形寄生贴片14,其对角线的长度大于正方形辐射贴片15对角线的长度,且其对角线的长度小于第二介质基板12上圆形空腔的直径。
所述馈电网络2,其结构如图2所示,包括上下层叠的第四介质基板21和第五介质基板22,第四介质基板21与第五介质基板22均采用厚度0.508mm的TaconicRF-35,相对介电常数为3.5,损耗正切角为0.0018,其之间采用厚度0.2mm,相对介电常数为3.52,损耗正切角为0.004的RO4450F进行粘合;所述第四介质基板21的上表面印制有第一金属地板23,第一金属地板23上开有两个圆形缝隙,以防止在馈电时短路;所述第五介质基板22的上表面印制有带状线定向耦合器24,下表面印制有第二金属地板25,在第二金属板25上开有较大的圆形缝隙,防止馈电单元3的内导体与第二金属板25接触而短路;所述第四介质基板21和第五介质基板22上设置有贯穿该两块介质基板且与第一金属地板23和第二金属地板25连接的第一金属化过孔阵列和第二金属化过孔阵列;所述第一金属化过孔阵列采用由多个周期性排布的第一金属化过孔26组成的方形环状结构,所述带状线定向耦合器24位于该方形环状结构的区域内;所述第二金属化过孔阵列由不同数量且分布在带状线定向耦合器24不同区域的多个第二金属化过孔27组成。
两个馈电单元3固定在第五介质基板22的下面,其内导体分别与带状线定向耦合器24的两个输入端连接,外导体与第二金属地板25连接,馈电单元3的两个固定脚贯穿第三介质基板13、第四介质基板21和第五介质基板22;所述带状线定向耦合器24的两个输出端分别与辐射单元1中的正方形辐射贴片15连接。
带状线定向耦合器24由方环形带状线构成,在其左侧加入两个对称枝节为两个输入端口,右侧加入两个对称枝节为两个输出端口;两个第二金属化过孔阵列,包括分布在带状线定向耦合器24方环形带状线中心位置的由多个周期性排布的第二金属化过孔27组成的第一圆形金属化过孔子阵列、分布在带状线定向耦合器24两个输入端之间和两个输出端之间的由多个周期性排布的第二金属化过孔27组成的第二圆形金属化过孔子阵列,以及分布在带状线定向耦合器24每组输入与输出之间的由多个周期性排布的第二金属化过孔27组成的线性金属化过孔子阵列。
所述辐射单元1与馈电网络2为发射天线的尺寸,通过进行部分结构尺寸的微调可作为接收天线使用,分别组成阵列时可实现天线在45°范围内的扫描。
本发明的工作原理是,本发明由馈电单元3向带状线定向耦合器24的一个输入端口进行馈电,信号通过带状线定向耦合器24分成幅度相等相位差为90°的两组信号,通过金属柱向辐射贴片15进行馈电,在辐射贴片15上形成左旋或右旋圆极化波,通过另一馈电单元3向带状线定向耦合器24的一个另一个输入端口进行馈电可得到右旋或左旋圆极化波;通过调整辐射贴片15与寄生贴片14的尺寸大小与带状线定向耦合24的线宽,使得两者谐振频率处于Ku频段内,再通过调整输入与输出端口的尺寸大小使得带状线定向耦合器与辐射贴片的阻抗匹配进而使得天线在Ku频段内具有宽频带特性。
以下结合仿真实验,对本发明的技术效果作进一步说明:
1.仿真条件和内容:
利用商业仿真软件HFSS_19.0对上述实施例的S11参数进行仿真计算。
仿真1:对本发明的S11参数进行仿真,其结果如图3所示。
2.仿真结果分析:
参照图3,横坐标为频率,纵坐标为S11参数,可以看出,S11小于-10dB时天线在13.1GHz~16GHz的频段内工作,实现了在Ku频段的宽带双圆极化微带天线,优于现有技术9GHz~10GHz。
综合以上的分析可见,本发明实现了Ku频段的宽带和双圆极化特性。
Claims (5)
1.一种Ku频段宽带双圆极化微带天线,包括上下层叠的辐射单元(1)和馈电网络(2),以及两个馈电单元(3);其特征在于:
所述辐射单元(1),包括自上而下依次层叠的第一介质基板(11)、第二介质基板(12)和第三介质基板(13);所述第一介质基板(11)上表面的中心位置印制有带有切角的正方形寄生贴片(14);所述第二介质基板(12)的中心位置设置有圆形空腔;所述第三介质基板(13)上表面的中心位置印制有正方形辐射贴片(15);
所述馈电网络(2),包括上下层叠的第四介质基板(21)和第五介质基板(22);所述第四介质基板(21)的上表面印制有第一金属地板(23);所述第五介质基板(22)的上表面印制有带状线定向耦合器(24),下表面印制有第二金属地板(25);所述第四介质基板(21)和第五介质基板(22)上设置有贯穿该两块介质基板且与第一金属地板(23)和第二金属地板(25)连接的第一金属化过孔阵列和第二金属化过孔阵列;所述第一金属化过孔阵列采用由多个周期性排布的第一金属化过孔(26)组成的方形环状结构,所述带状线定向耦合器(24)位于该方形环状结构的区域内;所述第二金属化过孔阵列由不同数量且分布在带状线定向耦合器(24)不同区域的多个第二金属化过孔(27)组成;
所述两个馈电单元(3)固定在第五介质基板(22)的下面,其内导体分别与带状线定向耦合器(24)的两个输入端连接,外导体与第二金属地板(25)连接;所述带状线定向耦合器(24)的两个输出端分别与辐射单元(1)中的正方形辐射贴片(15)连接。
2.根据权利要求1所述的一种Ku频段宽带双圆极化微带天线,其特征在于,所述正方形寄生贴片(14),其中心位于第一介质基板(11)的中心法线上,且该正方形寄生贴片(14)两组对边中点的连线与第一介质基板(11)的两条对角线重合。
3.根据权利要求1所述的一种Ku频段宽带双圆极化微带天线,其特征在于,所述正方形辐射贴片(15),其中心位于第三介质基板(13)的中心法线上,且该正方形辐射贴片(15)两组对边中点的连线与第一介质基板(13)的两条对角线重合。
4.根据权利要求1所述的一种Ku频段宽带双圆极化微带天线,其特征在于,所述正方形寄生贴片(14),其对角线的长度大于正方形辐射贴片(15)对角线的长度,且其对角线的长度小于第二介质基板(12)上圆形空腔的直径。
5.根据权利要求1所述的一种Ku频段宽带双圆极化微带天线,其特征在于,所述第二金属化过孔阵列,包括分布在带状线定向耦合器(24)中心位置的由多个周期性排布的第二金属化过孔(27)组成的第一圆形金属化过孔子阵列、分布在带状线定向耦合器(24)两个输入端之间和两个输出端之间的由多个周期性排布的第二金属化过孔(27)组成的第二圆形金属化过孔子阵列,以及分布在带状线定向耦合器(24)每组输入与输出之间的由多个周期性排布的第二金属化过孔(27)组成的线性金属化过孔子阵列。
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PB01 | Publication | ||
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