CN207265234U

CN207265234U - 基于平衡左右手传输线的双频微带天线阵

Info

Publication number: CN207265234U
Application number: CN201720851350.8U
Authority: CN
Inventors: 曾会勇; 宗彬锋; 李兴成; 林艳红; 郑桂妹; 王欣; 张秦; 孙青�
Original assignee: Air Force Engineering University of PLA
Current assignee: Air Force Engineering University of PLA
Priority date: 2017-07-13
Filing date: 2017-07-13
Publication date: 2018-04-20
Anticipated expiration: 2027-07-13

Abstract

本实用新型公开了基于平衡左右手传输线的双频微带天线阵，包括4元微带天线子阵和左右手双工器，所述的左右手双工器由两个左右手带通滤波器与匹配电路连接而成，所述左右手带通滤波器采用相对介电常数为2.65厚度为0.5mm的聚四氟乙烯玻璃布板，50Ω微带线的宽度w为1.37mm，缝隙的宽度及过孔半径分别为：w₁＝w₂＝w₃＝w₄＝w₅＝0.2mm，r＝0.5mm。本实用新型的天线阵在C/X波段匹配特性良好，增益分别达到10.4dB和11.4dB。

Description

基于平衡左右手传输线的双频微带天线阵

技术领域

本实用新型属于天线系统技术领域，涉及一种基于平衡左右手传输线的双频微带天线阵。

背景技术

天线是发射和接收电磁波的设备，处于微波无线通信和探测系统的最前端，其性能对整个系统具有非常重要的影响。随着科学技术的飞速发展，现代社会对信息的需求量越来越大，这直接推动了通信系统向宽带化发展。一方面，随着电子技术的发展和宽带通信设备的出现，宽带天线以及天线的宽频技术也在不断地发展。另一方面，为扩大系统容量或实现多模通信，实际的通信系统往往工作在两个或多个频点上，在不便安装两副或多副天线的情况下，双/ 多频天线就应运而生了。

所谓双/多频天线是指在两个或两个以上不同的频段各项性能均能满足系统要求的天线，具体指标包括：驻波比、增益、方向图和效率等。实际上，大部分宽带天线与多频天线本质上没有太大区别，当天线的多个谐振频率发生融合时就被认为是宽带天线；反之，各谐振频率相距较远时，就构成了双/多频天线。相对于宽带天线，使用双/多频天线的优点之一是在一定程度上能够抑制通带间其他频率的干扰。

双频天线单元的增益一般较低，在对天线增益要求较高时，就需要采用双频天线阵列。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术中存在的问题，提供一种基于平衡左右手传输线的双频微带天线阵，基于交指缝隙和接地过孔结构，提出了新型左右手传输线结构，其左手通带和右手通带均单独可调，且在平衡条件下具有带通滤波特性，本实用新型根据这一特性设计双频微带天线阵。

其具体技术方案为：

一种基于平衡左右手传输线的双频微带天线阵，包括4元微带天线子阵和左右手双工器，所述的左右手双工器由两个左右手带通滤波器与匹配电路连接而成。两个左右手带通滤波器为6GHz带通滤波器和10GHz带通滤波器。

所述左右手带通滤波器采用相对介电常数为2.65厚度为0.5mm的聚四氟乙烯玻璃布板， 50Ω微带线的宽度w为1.37mm，各缝隙宽度为：w₁＝w₂＝w₃＝w₄＝w₅＝0.2mm，过孔半径r＝0.5mm，6GHz带通滤波器相互位置关系和具体结构参数为：两交指缝隙的间距d＝3.8mm；单元的高度l₁＝5mm；d₁＝1.85mm；U型槽的底部长度l₂＝3.8mm；U型槽的侧边长度d₂＝0.6mm；矩形缝隙的长度l₃＝2.8mm；矩形缝隙的宽度d₃＝2.1mm；交指长度d₄＝1.45mm；U型槽距中心的距离x＝1.3mm；接地过孔距中心的距离y＝2.2mm。10GHz带通滤波器的相互位置关系和具体结构参数为：两交指缝隙的间距d＝2.6mm；单元的高度l₁＝3.4mm；d₁＝1.25mm；U型槽的底部长度l₂＝2.3mm；U型槽的侧边长度d₂＝0.6mm；矩形缝隙的长l₃＝1.4mm；矩形缝隙的宽度d₃＝1.4mm；交指长度d₄＝1.05mm；U型槽距中心的距离x＝0.9mm；接地过孔距中心的距离y＝1mm。

进一步，6GHz滤波器的交指个数为13，10GHz滤波器的交指个数为9。

进一步，所述的左右手双工器中，1端口与2端口之间的微带线长度为15.75mm，1端口与3端口之间的微带线长度为14.45mm。

进一步，左右手带通滤波器采用平衡左右手传输线结构，所述平衡左右手传输线结构包括金属导体和腐蚀部分，两侧是50Ω微带线，交指缝隙等效为串联电容，提供负磁导率效应；半径为r的金属接地过孔等效为并联电感，提供负介电常数效应。

再进一步，微带天线子阵同样采用相对介电常数为2.65，厚度为0.5mm的聚四氟乙烯玻璃布板。天线贴片采用长为W的正方形结构，采用100Ω的馈线进行馈电，一对长为L_s宽为W_s的缝隙是为了匹配调节，两单元中心的间距为d。中心频率为6GHz的天线单元的连接方式和位置关系为：W＝15.06mm，W_feed＝0.38mm，W_s＝0.3mm，L_s＝5.3mm；中心频率为10GHz 的天线单元的连接方式和位置关系为：W＝8.92mm，W_feed＝0.38mm，W_s＝0.4mm，L_s＝3.2mm。

将4元微带天线子阵与所设计的左右手双工器相结合设计了工作于C/X波段的双频微带天线阵。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型所设计的左右手双工器是单平面结构，设计方法简单，占用面积小，十分适用于天线馈电网络。测试结果表明，天线阵在C/X波段匹配特性良好，增益分别达到10.4dB 和11.4dB。

附图说明

图1是新型左右手传输线结构模型；

图2是新型左右手传输线平衡条件下S参数计算结果；

图3是新型左右手传输线等效电路模型；

图4是左右手带通滤波器的仿真和测试结果，其中，图4(a)C波段，图4(b)X波段；

图5是左右手双工器反射系数测试结果；

图6是左右手双工器传输系数测试结果；

图7是左右手双工器隔离系数测试结果；

图8是天线子阵的结构示意图；

图9是双频天线阵反射系数结果；

图10是双频天线阵增益结果，其中，图10(a)为5.6GHz～6.4GHz，图10(b)为9.6GHz～10.4GHz；

图11是双频天线阵方向图的测试结果，其中，图11(a)为6GHz，图11(b)为10GHz。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型的技术方案作进一步详细地说明。

1平衡左右手传输线结构

新型左右手传输线结构模型如图1所示，深色部分为金属导体，白色为腐蚀部分。可以看出，该结构为对称结构，两侧是50Ω微带线，交指缝隙等效为串联电容，提供负磁导率效应；半径为r的金属接地过孔等效为并联电感，提供负介电常数效应。

具体参数值如表1所示，交指个数为13，介质板采用相对介电常数为2.65厚度为1.5mm 的聚四氟乙烯玻璃布板。S参数计算结果如图2所示，S参数曲线有两个反射零点和两个传输零点，两个反射零点靠的很近，分别为3.44GHz和3.60GHz，具有带通滤波器的效应。等效电路模型如图3所示。

表1 结构模型的参数值(单位：mm)

w	l	d	l₁	d₁	l₂	d₂	l₃	d₃
									4.1	1	6.1	9	1.85	7	1.8	6	3.1
d₄	w₁	w₂	w₃	w₄	w₅	r	x	y
									1.45	0.2	0.3	0.5	0.5	0.2	0.5	2.3	4.75

2带通滤波器和双工器设计

根据新型左右手传输线单元结构在平衡条件下的带通滤波特性，可分别用来设计两个不同工作频率的左右手带通滤波器，结合匹配电路进一步设计左右手双工器。采用相对介电常数为2.65厚度为0.5mm的聚四氟乙烯玻璃布板。经仿真优化最终确定滤波器的参数如表2所示，另外，50Ω微带线的宽度w为1.37mm，缝隙的宽度及过孔半径分别为： w₁＝w₂＝w₃＝w₄＝w₅＝0.2mm，r＝0.5mm，其中6GHz滤波器的交指个数为13，10GHz滤波器的交指个数为9。

表2 滤波器结构参数值(单位：mm)

	d	l₁	d₁	l₂	d₂	l₃	d₃	d₄	x	y
											6GHz	3.8	5	1.85	3.8	0.6	2.8	2.1	1.45	1.3	2.2
10GHz	2.6	3.4	1.25	2.3	0.6	1.4	1.4	1.05	0.9	1

本实用新型所设计的左右手带通滤波器结构紧凑；图4给出了仿真结果和测试结果，可以看出测试结果与仿真结果趋势一致，两个滤波器通带内的测试插入损耗均小于0.9dB，具有较小的插损。

左右手双工器由两个左右手带通滤波器与匹配电路连接而成。采用相同的介质板，1端口与2端口之间的微带线长度为15.75mm，1端口与3端口之间的微带线长度为14.45mm。对双工器进行了数值仿真、实物加工和测量，图5、图6和图7分别给出了左右手双工器的反射系数、传输系数和隔离系数的测试结果。

测量结果表明，在6GHz，端口2直通，端口3隔离，|S31|＝-41dB；在10GHz，端口3 直通，端口2隔离，|S21|＝-42dB；在这两个通带内，2端口与3端口间的隔离度大于40dB。可见所设计的左右手双工器有效实现了两个频带的分离。

3双频微带天线阵设计

将4元微带天线子阵与所设计的左右手双工器相结合设计了工作于C/X波段的双频微带天线阵。天线子阵结构如图8所示；反射系数的仿真与测试结果如图9所示；增益的仿真与测试结果如图10所示；两个工作频点的方向图测试结果如图11所示。

由图9所示双频微带天线阵的反射系数结果可看出，仿真与测试结果较一致，天线阵工作在6GHz和10GHz两个频点，个别频点出现了谐波；图10给出了天线在 5.6GHz～6.4GHz和9.6GHz～10.4GHz频带范围内18个频点处增益的仿真和测试值，测试结果表明天线阵在C/X波段的增益分别为10.4dB和11.4dB，测试结果比仿真结果略低 0.5dB～1dB；由图11所示的中心频率处方向图的测试结果可知，天线阵C波段的方向图性能良好，而X波段方向图的副瓣较大，原因是因为单元间距较大。

4结语

由于双/多频天线单元的增益较低，在对天线增益要求较高时，需要采用双频天线阵列。不同于以往双频天线阵的设计方法，本发明采用新型的左右手传输线结构作为馈电网络设计了工作于C/X波段的微带天线阵。首先，提出了基于交指缝隙和接地过孔的新型平面左右手传输线结构，交指缝隙等效为串联电容，提供负磁导率效应，接地金属过孔等效为并联电感，提供负介电常数效应；提出了结构的等效电路模型；并发现其左手通带和右手通带均单独可调，且在平衡条件下具有带通滤波特性。其次，利用所提出的左右手传输线在平衡条件下的带通滤波特性，分别设计了新型C波段和X波段的左右手带通滤波器；结合两个左右手带通滤波器设计了新型的左右手双工器，所设计的左右手双工器是单平面结构，设计方法简单，占用面积小，十分适用于天线馈电网络。最后，分别设计了工作于C波段和X波段的天线单元及4元天线子阵，并结合左右手双工器实现了C/X波段的双频微带天线阵，测试结果表明，天线阵在C/X波段匹配特性良好，增益分别达到10.4dB和11.4dB。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，本实用新型的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本实用新型的保护范围内。

Claims

1.一种基于平衡左右手传输线的双频微带天线阵，其特征在于，包括4元微带天线子阵和左右手双工器，所述的左右手双工器由两个左右手带通滤波器与匹配电路连接而成，两个左右手带通滤波器为6GHz带通滤波器和10GHz带通滤波器；

所述左右手带通滤波器采用相对介电常数为2.65厚度为0.5mm的聚四氟乙烯玻璃布板，50Ω微带线的宽度w为1.37mm，各缝隙宽度为：w₁＝w₂＝w₃＝w₄＝w₅＝0.2mm，过孔半径r＝0.5mm，6GHz带通滤波器相互位置关系和具体结构参数为：两交指缝隙的间距d＝3.8mm；单元的高度l₁＝5mm；d₁＝1.85mm；U型槽的底部长度l₂＝3.8mm；U型槽的侧边长度d₂＝0.6mm；矩形缝隙的长度l₃＝2.8mm；矩形缝隙的宽度d₃＝2.1mm；交指长度d₄＝1.45mm；U型槽距中心的距离x＝1.3mm；接地过孔距中心的距离y＝2.2mm；10GHz带通滤波器的相互位置关系和具体结构参数为：两交指缝隙的间距d＝2.6mm；单元的高度l₁＝3.4mm；d₁＝1.25mm；U型槽的底部长度l₂＝2.3mm；U型槽的侧边长度d₂＝0.6mm；矩形缝隙的长l₃＝1.4mm；矩形缝隙的宽度d₃＝1.4mm；交指长度d₄＝1.05mm；U型槽距中心的距离x＝0.9mm；接地过孔距中心的距离y＝1mm。

2.根据权利要求1所述的基于平衡左右手传输线的双频微带天线阵，其特征在于，6GHz滤波器的交指个数为13，10GHz滤波器的交指个数为9。

3.根据权利要求1所述的基于平衡左右手传输线的双频微带天线阵，其特征在于，所述的左右手双工器中，1端口与2端口之间的微带线长度为15.75mm，1端口与3端口之间的微带线长度为14.45mm。

4.根据权利要求1所述的基于平衡左右手传输线的双频微带天线阵，其特征在于，左右手带通滤波器采用平衡左右手传输线结构，所述平衡左右手传输线结构包括金属导体和腐蚀部分，两侧是50Ω微带线，交指缝隙等效为串联电容，提供负磁导率效应；半径为r的金属接地过孔等效为并联电感，提供负介电常数效应。