CN1941506A - 非辐射边馈电的宽带双层矩形微带贴片天线 - Google Patents

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张玉梅
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Abstract

本发明涉及非辐射边馈电的宽带双层矩形微带贴片天线。特点是：矩形寄生元和矩形馈电元的辐射边与非辐射边的长度之比为1.1～1.6；矩形寄生元上开有1条以上的与辐射边垂直的窄缝隙；馈电点位于馈电元的非辐射边，且偏离非辐射边的中点。本发明天线具有良好的宽频带特征，可获得在8～16.5％的相对带宽内驻波比优于1.3，交叉极化电平优于－18.5dB，增益大于8.3dB。此种天线不仅可以孤立地使用为电子设备的收、发天线，同时也可用作微带阵列天线的天线单元。

Description

非辐射边馈电的宽带双层矩形微带贴片天线
技术领域
本发明涉及一种具有较高极化纯度(低交叉极化电平)的线极化非辐射边馈电的宽带双层矩形微带贴片天线，该天线既可用作通讯及雷达等宽带阵列天线的组阵单元，也可单独用作无线电设备的终端天线。
背景技术：
由于微带天线具有低截面、轻重量、易加工等特点，这类天线在军事和民用领域的应用范围越来越广。特别是近年来合成孔径雷达(SAR)技术的快速发展，人们对微带天线提出了越来越高的要求，希望在一个天线上能同时获得宽频带、高效率、低交叉极化的性能，并且具有馈电简单、易与馈电系统集成等多方面的优点。
从辐射机理上分常见的线极化微带天线形式主要有缝隙天线、矩形微带天线两种。其中缝隙天线的交叉极化电平较低，但结构复杂、馈电效率较低。而矩形微带贴片天线的效率较高、结构简单，虽然其交叉极化电平相对较高，但通过合适的组阵方式也可达到很好的抑制。从馈电方式分微带天线还可细分为微带共面馈电、探针馈电及口径耦合馈电等形式，这其中以共面馈电在结构形式上最为简单，在组阵时易于实现与馈电网络的集成设计，应用较广。由于这些优点，微带共面馈电的矩形微带贴片天线自文献(J.Q.Howell，“微带天线”，IEEE AP-S Int.Symp.Digest，1972，pp.177-180)报道以来成为应用最为广泛的微带单元形式之一。但此种微带馈电的矩形微带天线采用单层形式，带宽很窄(＜3％)，而馈电位置也仅限于辐射边。随后，国内外的科技工作者对各类矩形微带天线作了大量的研究。为展宽工作带宽，文献(A.Sabban，“一种新型宽带双层微带天线”，IEEE AP-S Int.Symp.Digest，1983，pp.63-66)介绍了一种辐射边馈电的双层微带贴片天线，其下层导体贴片为馈电元，上层导体贴片为寄生元，两层中间为低介电常数的介质层，该结构利用双谐振来展宽工作频带，此种天线2∶1的最大驻波比带宽可达5-15％。而文献(M.L.Oberhart，Y.T.Lo，R.Q.H Lee，“对微带四元阵的新型简单馈电网络”，Elctronic Letters，Vol.23，pp.436-437，April 1987)则率先介绍了一种非辐射边激励的共面馈电矩形贴片单元，由于该馈电结构用于共面馈电微带阵列天线设计时可缩短馈电线的长度，故其可用作高效微带阵列天线的设计，但与辐射边馈电的单层矩形微带天线一样带宽较窄。最近，专利文献(Raymond L.Lovestead，“低交叉极化微带贴片辐射器”，US Patent 6577276，2003.)提供了一种针对辐射边馈电的双层矩形微带天线的交叉极化抑制技术，其方法是在上、下辐射贴片上同时开4个或4个以上缝隙，缝隙的取向与天线极化方向一致，通过抑制交叉极化的模式电流达到抑制天线单元交叉极化的目的。
发明内容：
本发明的目的在于：提供一种具有宽频带、低交叉极化特征，且结构简单，便于与有源电路集成的非辐射边馈电的双层矩形微带贴片天线。
为了能实现宽带、低交叉极化双层矩形微带贴片天线的非辐射边馈电，本发明采用了以下技术措施：
采用双层微带贴片结构，其下层导体贴片为馈电元，上层导体贴片为寄生元，两层中间为低介电常数的介质，利用双谐振来展宽工作频带；
合适地选择上、下矩形贴片辐射边与非辐射边的长度比，以抑制非辐射边馈电所引起的交叉极化模式辐射；
合适地选择上、下矩形贴片辐射边的长度以获得好的阻抗匹配和工作带宽；
合适地选择中间介质层的厚度及相对介电常数以抑制表面波模并获得好的阻抗匹配；
合适地调整馈电元上馈电点相对于馈电元非辐射边对称轴的偏移量，一方面抑制交叉极化模式辐射，另一方面改变天线的辐射阻抗，以获得好的阻抗匹配；
在寄生元上垂直于辐射边，开1个或1个以上缝隙，通过割断交叉极化模式的表面电流，达到进一步抑制天线交叉极化电平。
具体的技术设计方案如下：
1、非辐射边馈电的宽带双层矩形微带贴片天线，包括印刷有矩形寄生元的寄生介质板、无印刷电路的中间介质板、以及印刷有矩形馈电元的馈电介质板；若将寄生介质板省去，也可将矩形寄生元印刷在中间介质板的上表面，寄生、中间和馈电介质板之间连接可以采用结构件固定或采用非导电胶粘接；
A、矩形寄生元和矩形馈电元的辐射边与非辐射边的长度之比为1.1～1.6，
B、矩形寄生元上开有1条以上的与辐射边垂直的窄缝隙，窄缝隙宽度为矩形寄生元辐射边长度的0.004～0.25倍；窄缝隙长度为矩形寄生元非辐射边宽度的0.6～0.96倍；
C、馈电点位于馈电元的非辐射边，且偏离非辐射边的中点，连接馈电点的馈电线为微带线或同轴线。
2、寄生元辐射边长度的取值范围为(0.3～0.5)λ0，馈电元辐射边长度的取值范围约为(0.4～0.75)λ0/εr3 0.5，其中λ0为中心频率点自由空间波长，εr3为馈电介质板的相对介电常数。
3、馈电元上的馈电点相对非辐射边中点的偏移量为0.25～0.5馈电元非辐射边长度。
4、所述寄生元或位于寄生介质板的下方，或位于寄生介质板的上方。
5、中间介质板的相对介电常数εr2取1～1.5，厚度h取(0.04～0.14)λ0。
本发明微带天线的有益技术效果体现在下述几个方面：
1、由于寄生单元的缝隙加载，可实现比传统双层共面微带天线更宽的工作频带；
2、在垂直于天线极化方向组成线阵时，由于省去了一个直角弯，缩短了馈电长度，不仅简化了馈电电路，有利于实现高效率微带天线阵，而且在线阵单元数目一定的条件下，可有效压缩馈电网络的布线空间，因此可实现比传统辐射边馈电双层共面微带天线更大的扫描角；
3、对于非辐射边馈电矩形微带贴片天线来说，当从不同的辐射边馈电时，主极化表现为同相，而对交叉极化贡献较大的奇模呈反相；同时采用非辐射边馈电时，馈电网络与天线单元间的相互耦合作用相对较弱，故此种天线单元便于实现低交叉极化性能的天线阵；
4、由于此单元可采用微带共面馈电方式，因此其便于与有源电路集成。
最终设计结果表明，本发明天线具有良好的宽频带特征，可获得在8～16.5％的相对带宽内驻波比优于1.3，交叉极化电平优于-18.5dB，增益大于8.3dB。此种天线不仅可以孤立地使用为电子设备的收、发天线，同时也可用作微带阵列天线的天线单元。
附图说明：
图1为本发明天线的结构示意图；
图2为本发明天线馈电元电路图；
图3为本发明天线寄生元电路图；
图4为实施例一的高频结构仿真软件(HFSS)仿真驻波曲线；
图5为实施例一的高频结构仿真软件(HFSS)低频仿真波瓣图；
图6为实施例一的高频结构仿真软件(HFSS)中频仿真波瓣图；
图7为实施例一的高频结构仿真软件(HFSS)高频仿真波瓣图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。
首先为明确起见，我们定义辐射边系指图2中馈电元6和图3中寄生元5长度方向所在的两边，而非辐射边系指图2中馈电元6及图3中寄生元5宽度方向所在的两边，为获得非辐射边馈电的宽带双层微带贴片天线，本发明采用了以下具体的技术措施：
1.采用双层微带贴片结构，整个天线主要由寄生介质板1，中间介质板2，馈电介质板3以及接地结构板4四部分组成。其中寄生介质板1上仅在一面上含有矩形寄生元5电路，值得指出的是，寄生元5既可在寄生介质板1的上层也可在寄生介质板1的下层；中间介质板2为介电常数较低的介质，如空气、泡沫板等等，其上下表面均不含微带电路；馈电介质板3的上表面蚀刻矩形馈电元6电路及对馈电元6进行共面馈电的微带线7，馈电介质板3的下表面与接地结构板4相连，可全覆盖金属层。整个天线利用寄生元5和馈电元6的双谐振来展宽工作频带；
2.合理地选择中间介质板2的相对介电常数εr2及厚度h，以抑制表面波并获得好的阻抗匹配，经研究εr2的取值范围为1.0～1.5，h的取值范围约为(0.04～0.14)λ0，其中λ0为中心频率点自由空间波长；
3.合适地选择矩形馈电元6和矩形寄生元5的辐射边与非辐射边的长度比，即L1/W1和L2/W2，以抑制非辐射边馈电所引起的交叉极化模式(TMm0模)辐射，经研究这两个比值的选取范围约为1.1～1.6，并且矩形寄生元辐射边长度L1的取值范围为(0.3～0.5)λ0，矩形馈电元辐射边长度L2的取值范围约为(0.4～0.75)λ0/εr3 0.5，其中εr3为馈电介质板3的相对介电常数；
4.合适地调整馈电微带线7(图中为微带线，实际应用时也可为同轴垂直过渡)相对于馈电元6非辐射边中心的偏移量of，以获得好的交叉极化抑制和阻抗匹配，该参数的设计范围约为(0.25～0.50)W2，微带线的宽度由阻抗匹配的需要确定；
5.在寄生元5上垂直于辐射边，开1个或1个以上的缝隙8，通过割断交叉极化模式的表面电流，达到进一步抑制天线交叉极化电平。研究结果表明，当缝隙数超过3个以后天线的各项技术指标趋于稳定，缝隙宽度Ws取(0.004～0.25)L1，缝隙长度Ls取(0.6～0.96)W1。
实施例1：
一个X波段的非辐射边馈电的宽带双层微带贴片天线。该天线所用结构形式与图1完全相同，使用微带线7馈电，寄生元5上开有3个缝隙8。其中寄生介质板1的板材参数为：厚度为0.254mm，相对介电常数为4.36；中间介质层2的相对介电常数为1.07的泡沫板，厚度h＝0.093λ0；馈电介质板3的板材参数为：厚度为0.508，相对介电常数为2.94。寄生元5的几何参数为：辐射边长度L1＝0.36λ0，辐射边与非辐射边的长度比L1/W1＝1.22；馈电元6的几何参数为：辐射边长度L2＝0.59λ0/εr3 0.5，辐射边与非辐射边的长度比L2/W2＝1.23；对馈电元进行激励的馈电微带线7相对于馈电元非辐射边中点的偏移量of＝0.43W2；缝隙8的几何参数为：Ls＝0.84W1，Ws＝0.0267L1。
图4给出了该天线单元的高频结构仿真软件(HFSS)仿真驻波曲线，可见该天线在优于16.5％的频带内驻波比优于1.3。
图5～7分别给出了低、中、高三个频率点的E面和H面的仿真波瓣图，可见该天线单元在整个工作频带内具有良好的波瓣特性，其中E面和H面的波瓣宽度皆在65度左右，交叉极化电平带内优于-18.5dB，增益大于8.3dB，不仅可单独用作收、发天线，也可用作组阵单元。
在实施例1的基础上，我们研究寄生元5上的缝隙8的数目(其它参数不变)对天线性能的影响情况，并将这些结果示于表1。由这些结果可见：即使缝隙数仅有一个，该天线也可获得较好的性能指标，而当缝隙数大于3后天线的各项性能指标将趋于稳定。
             表1不同缝隙数下，实施例1天线的性能指标
缝隙8的数目   相对工作带宽(驻波比≤1.3)   相对工作带宽(交叉极化≤-17dB)   带内增益(dB)
 1   13.3％   8.1％   8.5
 2   15.5％   14.5％   8.3
 3   16.5％   16.5％   8.3
 4   16.7％   18.9％   8.3
 7   16.7％   20.6％   8.3
 12   16.7％   20.6％   8.4
 20   16.5％   20.6％   8.4
在实施例1的基础上，我们再研究寄生元5上的缝隙8的宽度Ws(其它参数不变)对天线性能的影响情况，并将这些结果示于表2。由这些结果可见：缝隙宽度Ws在(0.004～0.2)L1的范围内，天线性能指标可保持较好的状态。
             表2不同缝隙宽度情况下，实施例1天线的性能参数
  缝隙8的宽度Ws(L1)   相对工作带宽(驻波比≤1.3)   相对工作带宽(交叉极化≤-17dB)   带内增益(dB)
  0.004   12.8％   8.0％   8.5
  0.01   15.4％   12.8％   8.4
  0.0267   16.6％   16.6％   8.3
  0.1   16.4％   20.6％   8.3
  0.2   15.7％   18.6％   8.3
在实施例1的基础上，我们还研究了寄生元5辐射边的长度L1(其它参数不变)对天线性能的影响情况，并将这些结果示于表3。由这些结果可见随着缝隙长度的增加，天线交叉极化带宽由窄变宽再变窄，而驻波比带宽的变化情况要弱于前者。总体来说，缝隙长度在(0.6～0.96)W1的变化范围内天线的性能指标是较好的。
           表3不同缝隙长度情况下，实施例一的天线性能参数
  缝隙长度L1(W1)   相对工作带宽(驻波比≤1.3)   相对工作带宽(交叉极化≤-17dB)   带内增益(dB)
  0.5   12.4％   5.6％   8.3
  0.6   14.4％   12.2％   8.3
  0.84   16.6％   16.6％   8.3
  0.96   17.8％   12.5％   8.4
实施例2：
一个S波段的非辐射边馈电的宽带双层微带贴片天线。该天线所用结构形式与图1基本相同，使用微带线馈电，不同之处在于寄生元5位于寄生介质板1的上方。该天线的寄生元上开有6个缝隙8，其中寄生介质板1的板材参数为：厚度为1.5mm，相对介电常数为2.55；中间介质层2是相对介电常数约为1.0的空气，厚度h＝0.056λ0；馈电介质板3的板材参数为：厚度为1.5，相对介电常数为2.55。寄生元5的几何参数为：辐射边长度L1＝0.32λ0，辐射边与非辐射边的长度比L1/W1＝1.1；馈电元6的几何参数为：辐射边长度L2＝0.5λ0/εr3 0.5，辐射边与非辐射边的长度比L2/W2＝1.1；对馈电元进行激励的馈电微带线7相对于馈电元非辐射边中点的偏移量of＝0.45W2；缝隙8的几何参数为：Ls＝0.88W1，Ws＝0.042L1。
该天线技术指标的高频结构仿真软件(HFSS)仿真结果为：该天线在6.2％的相对工作带宽内驻波比小于1.3交叉极化电平优于-17dB。以该实施例基础上，固定寄生元5与馈电元6非辐射边的长度W1和W2，我们还研究了寄生元5与馈电元6的辐射边与非辐射边的长度比L1/W1和L2/W2(也就是寄生元与馈电元辐射边长度L1和L2的变化)对天线性能的影响情况，研究结果见表4。显见，长宽比在1.1～1.6的范围内该天线维持良好的性能指标。
              表4不同长宽比情况下，实施例二的天线性能参数
  寄生元与馈电元的辐射边与非辐射边的长度比L1/W1＝L2/W2 寄生元辐射边长度L1(λ0) 馈电元辐射边长度L2(λ0/εr3 0.5) 相对工作带宽(驻波比≤1.3) 相对工作带宽(交叉极化≤-17dB) 带内增益(dB)
  1.1   0.33   0.50   13.3％   6.2％   8.6
  1.2   0.36   0.55   16.9％   18.7％   8.3
  1.3   0.39   0.59   16.0％   20.7％   8.4
  1.5   0.45   0.68   12.4％   20.7％   8.4
  1.6   0.48   0.73   8.4％   20.7％   8.5
实施例3
一个L波段的非辐射边馈电的宽带双层微带贴片天线。该天线所用结构形式与图1基本相同，只不过将微带线7的共面馈电改为同轴探针馈电，寄生元5上开有3个缝隙。其中寄生介质板1的板材参数为：厚度为1.524mm，相对介电常数为3.48；中间介质层2是相对介电常数约为1.4的泡沫板，厚度h＝0.045λ0；馈电介质板3的板材参数为：厚度为2，相对介电常数为4.5；寄生元5的几何参数为：辐射边长度L1＝0.35λ0，辐射边与非辐射边的长度比L1/W1＝1.4；馈电元6的几何参数为：辐射边长度L2＝0.43λ0/εr3 0.5，辐射边与非辐射边的长度比L2/W2＝1.42；对馈电元进行激励的馈电微带线7相对于馈电元非辐射边中点的偏移量of＝0.3W2；缝隙8的几何参数为：Ls＝0.9W1，Ws＝0.032L1。该天线的性能指标为：12.5％的频带内驻波比小于1.5，交叉极化电平优于-17.5dB。

Claims (5)

1、非辐射边馈电的宽带双层矩形微带贴片天线，包括印刷有矩形寄生元的寄生介质板、无印刷电路的中间介质板、以及印刷有矩形馈电元的馈电介质板；若将寄生介质板省去，也可将矩形寄生元印刷在中间介质板的上表面，寄生、中间和馈电介质板之间连接可以采用结构件固定或采用非导电胶粘接，其特征在于：
A、所述矩形寄生元和矩形馈电元的辐射边与非辐射边的长度之比为1.1～1.6，
B、所述矩形寄生元上开有1条以上的与辐射边垂直的窄缝隙，窄缝隙宽度为矩形寄生元辐射边长度的0.004～0.25倍；窄缝隙长度为矩形寄生元非辐射边宽度的0.6～0.96倍；
C、馈电点位于馈电元的非辐射边，且偏离非辐射边的中点，连接馈电点的馈电线为微带线或同轴线。
2、根据权利要求1所述的非辐射边馈电的宽带双层矩形微带贴片天线，其特征在于：所述寄生元辐射边长度的取值范围为(0.3～0.5)λ0，馈电元辐射边长度的取值范围约为(0.4～0.75)λ0/εr3 0.5，其中λ0为工作频带中心频率点的自由空间波长，εr3为馈电介质板的相对介电常数。
3、根据权利要求1所述的非辐射边馈电的宽带双层矩形微带贴片天线，其特征在于：所述馈电元上的馈电点相对非辐射边中点的偏移量为0.25～0.5馈电元非辐射边长度。
4、根据权利要求1所述的非辐射边馈电的宽带双层矩形微带贴片天线，其特征在于：所述寄生元或位于寄生介质板的下方，或位于寄生介质板的上方。
5、根据权利要求1所述的非辐射边馈电的宽带双层矩形微带贴片天线，其特征在于：所述中间介质板的相对介电常数εr2取1～1.5，厚度h取(0.04～0.14)λ0。
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