CN213278410U - 新型圆极化微带阵列天线 - Google Patents
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Abstract
一种新型圆极化微带阵列天线，包括从上到下依次层叠设置的上层金属地板、设置于所述上层金属地板的辐射单元阵列及馈电网络、介质基板和下层金属地板，所述馈电网络的输入端作为天线输入端，所述馈电网络的输出端连接于辐射单元阵列上；所述辐射单元阵列包括4个工作在高阶模的正方形贴片天线单元，且相邻的所述正方形贴片天线单元之间的横向间距为所述天线单元的工作频段的中心频率波长的1.1倍，相邻的正方形贴片天线单元之间的纵向间距为所述天线单元的工作频段的中心频率波长的1.2倍。本实用新型能够利用贴片天线的高阶模式，实现阵列天线的高增益圆极化特性，同时通过消除高阶模天线单元方向图的旁瓣，避免了阵列天线方向图栅瓣的产生。
Description
技术领域
本实用新型天线技术领域，具体涉及一种新型圆极化微带阵列天线，尤其涉及一种高增益低栅瓣圆极化微带阵列天线。
背景技术
微带天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线，微带天线以其生产成本低、集成方便等优点，在众多通信系统中得到广泛应用。但与抛物面等大口径天线相比，微带天线的单元增益比较低。为了实现远距离通信传输，将微带天线单元阵列化成为主要方法。然而，随着天线单元数量的增加，馈电网络的损耗也会加剧，不但加工困难，而且成本高昂。为了解决因微带天线单元增益较小导致的实际应用问题，就要设计具有高增益特性的微带天线单元，从而使得利用少量的天线单元达到阵列天线高增益的特性。
另外，传统的方形贴片天线具有多种谐振模式，当前常用的工作模式为TM10/TM01模。然而对于TMn0/TM0n(n＝3,5,7…)等高阶奇次模，不但拥有较高的增益，同时具有和TM10/TM01模相似的法相辐射特性。但是，由于TMn0/TM0n模具有很大的旁瓣，其阵列天线将不可避免的出现栅瓣，这使得高阶模很难应用于阵列天线设计。
发明内容
为解决上述问题，本实用新型提供了一种新型圆极化微带阵列天线，能够利用贴片天线的高阶模式，实现阵列天线的高增益圆极化特性，同时通过消除高阶模天线单元方向图的旁瓣，避免了阵列天线方向图栅瓣的产生。
为了克服现有技术中的不足，本实用新型提供了一种新型圆极化微带阵列天线的解决方案，具体如下：
一种新型圆极化微带阵列天线，其包括从上到下依次层叠设置的上层金属地板3、设置于所述上层金属地板3的辐射单元阵列1及馈电网络2、介质基板4和下层金属地板5，所述馈电网络2的输入端作为天线输入端，所述馈电网络2的输出端连接于辐射单元阵列1上；
所述辐射单元阵列1包括4个工作在高阶模的正方形贴片天线单元，且相邻的所述正方形贴片天线单元之间的横向间距为所述天线单元的工作频段的中心频率波长的1.1倍，相邻的所述正方形贴片天线单元之间的纵向间距为所述天线单元的工作频段的中心频率波长的1.2倍。
所述工作频段的范围为15.9GHz—16.6GHz，所述正方形贴片天线单元包括一边长为15mm的正方形贴片及微扰条带，所述微扰条带与正方形贴片的左侧连接，所述微扰条带的长度与正方形贴片的边长大小相同，所述微扰条带的宽度为0.44mm，在正方形贴片上设有5个圆槽，所述5个圆槽中的1个圆槽处在中间位置，另外4个圆槽均匀分布在处在中间位置的该圆槽周围，并且，中间的圆槽半径为2.5mm，周围的4个圆槽半径为2mm。
在所述上层金属地板3上设有4个正方形槽并沿各个正方形槽的四条边设置第一金属化过孔61且所述第一金属化过孔61贯穿所述上层金属地板3、所述介质基板4和所述下层金属地板5，各正方形贴片天线单元11分别被一一对应的设置在各上层金属地板3上的正方形槽中。
所述馈电网络2包括一个第一级一分二路微带功分器21且第一级一分二路微带功分器21的输入端I作为所述馈电网络2的输入端，在第一级一分二路微带功分器21的输出端上分别连接有第二级一分二路微带功分器22，所述第二级一分二路微带功分器22的4个输出端O作为馈电网络2的输出端分别与4个正方形贴片天线单元11连接。
在所述上层金属地板3上开设有用于放置并能容纳馈电网络2的缝隙，在所述缝隙的边缘上设有第二金属化过孔62且所述第二金属化过孔62贯穿所述上层金属地板3、所述介质基板4和所述下层金属地板5。
各所述第二级一分二路微带功分器22的输出端O与正方形贴片边缘连接并对所述辐射单元阵列1进行馈电。
本实用新型的有益效果为：
本实用新型能够利用贴片天线的高阶模式，实现阵列天线的高增益圆极化特性，符合远距离无线通信传输及复杂环境应用的需求；同时，本实用新型解决了高阶奇次模圆极化天线单元存在旁瓣的方法，克服了二维圆极化微带阵列天线因高阶模天线单元方向图旁瓣所产生的栅瓣问题。本实用新型采用了具有5个圆形槽的正方形贴片天线及相应的技术措施，提高了天线增益，参照图10和图11所示的现有技术，可知本实用新型降低了天线单元的旁瓣及阵列天线的栅瓣，具体来说，本实用新型所述辐射单元阵列是由4个工作在高阶模的正方形贴片天线单元组成，相邻正方形贴片天线单元横向间距为1.1倍工作频段中心频率波长，纵向间距为1.2倍工作频段中心频率波长，并采用微带线进行馈电。可以看到，本实用新型不但实现了高阶模天线单元高增益圆极化的特性，而且消除了其方向图旁瓣，从而避免了阵列天线栅瓣的产生。所以，本实用新型可以实现利用少量天线单元达到阵列天线高增益低栅瓣圆极化的目的，降低了多单元高增益阵列天线设计的复杂度，减少馈电网络的损耗。
附图说明
图1为本发明中圆极化微带阵列天线分层结构示意图。
图2为本发明中圆极化微带阵列天线辐射单元阵列、馈电网络及上层金属地板结构示意图。
图3为本发明中圆极化微带阵列天线辐射单元结构示意图。
图4为本发明中圆极化微带阵列天线第一级一分二路微带功分器结构示意图。
图5为本发明中圆极化微带阵列天线第二级一分二路微带功分器结构示意图。
图6为本发明中圆极化微带阵列天线回波损耗曲线图。
图7为本发明中圆极化微带阵列天线增益及轴比曲线图。
图8为本发明中圆极化微带阵列天线归一化辐射方向图，其中虚线表示LHCP极化方式下的曲线，实线表示在RHCP极化方式下的曲线。
图9本发明中圆极化微带阵列天线归一化辐射方向图，其中虚线表示LHCP极化方式下的曲线，实线表示在RHCP极化方式下的曲线。
图10为现有技术中圆极化微带阵列天线存在栅瓣的归一化辐射方向图，其中虚线表示LHCP极化方式下的曲线，实线表示在RHCP极化方式下的曲线。
图11为现有技术中圆极化微带阵列天线存在栅瓣的归一化辐射方向图，其中虚线表示LHCP极化方式下的曲线，实线表示在RHCP极化方式下的曲线。
具体实施方式
为了解决因微带天线单元增益较小导致的实际应用问题，就要设计具有高增益特性的微带天线单元，从而使得利用少量的天线单元达到阵列天线高增益的特性。同时，由于圆极化天线具有发射端和接收端信号质量稳定的优点，能够应对许多复杂的通信环境，因此设计具有高增益特性的圆极化微带阵列天线是现实需要。另外，很显然，将高阶奇次模运用于高增益阵列天线设计将具有一定的现实意义，这可以利用少量的天线单元达到阵列天线高增益的特性，降低阵列天线设计的复杂度，减小馈电网络的损耗。
下面将结合附图和实施例对本实用新型做进一步地说明。
如图1-图4所示，新型圆极化微带阵列天线，其包括从上到下依次层叠设置的上层金属地板3、设置于所述上层金属地板3的辐射单元阵列1及馈电网络2、介质基板4和下层金属地板5，所述馈电网络2的输入端作为天线输入端，所述馈电网络2的输出端连接于辐射单元阵列1上；
所述辐射单元阵列1包括4个工作在高阶模的正方形贴片天线单元，且相邻的所述正方形贴片天线单元之间的横向间距为所述天线单元的工作频段的中心频率波长的1.1倍，相邻的所述正方形贴片天线单元之间的纵向间距为所述天线单元的工作频段的中心频率波长的1.2倍。
所述工作频段的范围为15.9GHz—16.6GHz，所述正方形贴片天线单元包括一边长为15mm的正方形贴片及微扰条带，所述微扰条带与正方形贴片的左侧连接，所述微扰条带的长度与正方形贴片的边长大小相同，所述微扰条带的宽度为0.44mm，实践证明，在该宽度条件下，新型圆极化微带阵列天线的圆极化性能最好；在正方形贴片上设有5个圆槽，所述5个圆槽中的1个圆槽处在中间位置，另外4个圆槽均匀分布在处在中间位置的该圆槽周围，并且，中间的圆槽半径为2.5mm，周围的4个圆槽半径为2mm，具体来说，参照图3，中间的圆槽和周围4个圆形槽分别由图中111和112所示。
在所述上层金属地板3上设有4个正方形槽并沿各个正方形槽的四条边设置第一金属化过孔61且所述第一金属化过孔61贯穿所述上层金属地板3、所述介质基板4和所述下层金属地板5，各正方形贴片天线单元11分别被一一对应的设置在各上层金属地板3上的正方形槽中。
所述馈电网络2包括一个第一级一分二路微带功分器21且第一级一分二路微带功分器21的输入端I作为所述馈电网络2的输入端，在第一级一分二路微带功分器21的输出端上分别连接有第二级一分二路微带功分器22，所述第二级一分二路微带功分器22的4个输出端O作为馈电网络2的输出端分别与4个正方形贴片天线单元11连接。
在所述上层金属地板3上开设有用于放置并能容纳馈电网络2的缝隙，在所述缝隙的边缘上设有第二金属化过孔62且所述第二金属化过孔62贯穿所述上层金属地板3、所述介质基板4和所述下层金属地板5。
各所述第二级一分二路微带功分器22的输出端O与正方形贴片边缘连接并对所述辐射单元阵列1进行馈电。
下面结合附图，对本实用新型的具体实施例进行更为详细说明：
如图1所示，新型圆极化微带阵列天线，包括从上到下依次层叠设置的上层金属地板3、设置于所述上层金属地板3的辐射单元阵列1及馈电网络2、介质基板4和下层金属地板5，所述馈电网络2的输入端作为天线输入端，所述馈电网络2的输出端连接于辐射单元阵列1上，所述上层金属地板3和下层金属地板5之间设有贯穿所述上层金属地板3、所述介质基板4和所述下层金属地板5的第一金属化过孔61和第二金属化过孔62；
如图2所示，所述的辐射单元阵列1包括4个工作在高阶模的正方形贴片天线单元，且相邻的所述正方形贴片天线单元之间的横向间距d1为为所述天线单元的工作频段的中心频率波长的1.1倍，相邻的所述正方形贴片天线单元之间的纵向间距d2为所述天线单元的工作频段的中心频率波长的1.2倍，所述馈电网络2包括一个第一级一分二路微带功分器21且第一级一分二路微带功分器21的输入端I作为所述馈电网络2的输入端，在第一级一分二路微带功分器21的输出端上分别连接有第二级一分二路微带功分器22，所述第二级一分二路微带功分器22的4个输出端O作为馈电网络2的输出端分别与4个正方形贴片天线单元11连接。
如图3所示，所述正方形贴片天线单元包括一边长为15mm的正方形贴片及短变长为0.44mm的微扰条带，在正方形贴片上设有5个圆槽，所述5个圆槽中的1个圆槽处在中间位置，另外4个圆槽均匀分布在处在中间位置的该圆槽周围，并且，中间的圆槽半径为2.5mm，周围的4个圆槽半径为2mm，具体来说，中间的圆槽和周围4个圆形槽分别由图中111和112所示。
如图4和图5所示，所述馈电网络2包括一个第一级一分二路微带功分器21且第一级一分二路微带功分器21的输入端I作为所述馈电网络2的输入端，在第一级一分二路微带功分器21的输出端上分别连接有第二级一分二路微带功分器22，所述第二级一分二路微带功分器22的4个输出端O作为馈电网络2的输出端分别与4个正方形贴片天线单元11连接。
本实施例下，阵列天线能量由所述馈电网络2输入，对所述辐射单元阵列1进行激励，使得所述辐射阵列单元1中的正方形天线单元都工作在高阶模式下。由于在所述正方形天线单元的表面加载了5个圆形槽，消除了其方向图的旁瓣，这使得本实用新型的方向图不会出现严重的栅瓣。
通过实践测试可知，如图6、图7、图8和图9所示，本实用新型的工作频率范围为15.9GHz到16.6GHz，整个工作带宽内方向图栅瓣小于-15dB，最大增益为17.5dBic，具有良好的高增益低栅瓣圆极化特性。具体而言，通过实践测试可知，如图6所示，本实用新型的工作频率范围为15.9GHz到16.6GHz。结合图7，本实用新型的最大增益为17.5dBic，3dB轴比带宽为16.14GHz到16.27GHz。对比图10、图11所示的存在栅瓣的归一化辐射方向图，如图8、图9所示，本实用新型的归一化辐射方向图具有低栅瓣的特性。
以上以用实施例说明的方式对本实用新型作了描述，本领域的技术人员应当理解，本公开不限于以上描述的实施例，在不偏离本实用新型的范围的情况下，可以做出各种变化、改变和替换。
Claims (6)
1.一种新型圆极化微带阵列天线，其特征在于，包括从上到下依次层叠设置的上层金属地板、设置于所述上层金属地板的辐射单元阵列及馈电网络、介质基板和下层金属地板，所述馈电网络的输入端作为天线输入端，所述馈电网络的输出端连接于辐射单元阵列上；
所述辐射单元阵列包括4个工作在高阶模的正方形贴片天线单元，且相邻的所述正方形贴片天线单元之间的横向间距为所述天线单元的工作频段的中心频率波长的1.1倍，相邻的所述正方形贴片天线单元之间的纵向间距为所述天线单元的工作频段的中心频率波长的1.2倍。
2.根据权利要求1所述的新型圆极化微带阵列天线，其特征在于，所述工作频段的范围为15.9GHz—16.6GHz，所述正方形贴片天线单元包括一边长为15mm的正方形贴片及微扰条带，所述微扰条带与正方形贴片的左侧连接，所述微扰条带的长度与正方形贴片的边长大小相同，所述微扰条带的宽度为0.44mm，在正方形贴片上设有5个圆槽，所述5个圆槽中的1个圆槽处在中间位置，另外4个圆槽均匀分布在处在中间位置的该圆槽周围，并且，中间的圆槽半径为2.5mm，周围的4个圆槽半径为2mm。
3.根据权利要求1所述的新型圆极化微带阵列天线，其特征在于，在所述上层金属地板上设有4个正方形槽并沿各个正方形槽的四条边设置第一金属化过孔且所述第一金属化过孔贯穿所述上层金属地板、所述介质基板和所述下层金属地板，各正方形贴片天线单元分别被一一对应的设置在各上层金属地板上的正方形槽中。
4.根据权利要求1所述的新型圆极化微带阵列天线，其特征在于，所述馈电网络包括一个第一级一分二路微带功分器且第一级一分二路微带功分器的输入端I作为所述馈电网络的输入端，在第一级一分二路微带功分器的输出端上分别连接有第二级一分二路微带功分器，所述第二级一分二路微带功分器的4个输出端O作为馈电网络的输出端分别与4个正方形贴片天线单元连接。
5.根据权利要求1所述的新型圆极化微带阵列天线，其特征在于，在所述上层金属地板上开设有用于放置并能容纳馈电网络的缝隙，在所述缝隙的边缘上设有第二金属化过孔且所述第二金属化过孔贯穿所述上层金属地板、所述介质基板和所述下层金属地板。
6.根据权利要求4所述的新型圆极化微带阵列天线，其特征在于，各所述第二级一分二路微带功分器的输出端O与正方形贴片边缘连接并对所述辐射单元阵列进行馈电。
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