一種雙圓極化微帶天線陣的製作方法

2023-07-01 17:41:26

一種雙圓極化微帶天線陣的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種雙圓極化微帶天線陣，由金屬框、輻射微帶板、金屬柱、泡沫、饋電微帶板、金屬地板和連接器組成。饋電微帶板集成了定向耦合器、功分器、輻射貼片和隔離孔陣，實現了雙圓極化的輻射功能。輻射微帶板與泡沫板一起實現了阻抗匹配和展寬帶寬的功能。連接器是與饋線系統的接口。金屬框和金屬地板組成的框架提供接地和保護。金屬柱實現了層間定位、結構加強、諧振效應消除。本發明將雙層微帶貼片天線、圓極化功分饋電、定位支撐與去諧振、互耦隔離和環境防護技術相結合；既繼承了傳統圓極化微帶貼片天線的低剖面、低成本、低交叉極化優點，又具有結構簡單牢固、加工便利的優點；可作通訊或雷達用雙圓極化相控陣天線。
【專利說明】一種雙圓極化微帶天線陣

【技術領域】
[0001]本發明屬於天線【技術領域】，具體涉及一種微帶天線陣。

【背景技術】
[0002]對衛星通信和遙感系統來說，為有效傳輸信息，克服電離層法拉第旋轉效應引起的極化畸變，要求天線具有圓極化的性能，且同一天線陣面在接收模式與發射模式下同時工作，這就要求天線具備雙圓極化的工作能力。軍用方面，空間目標預警領域，各國也普遍採用雙圓極化天線作為基本輻射單元組陣。在民用方面，廣播電視系統採用雙圓極化天線亦可有效減小信號漏失、克服重影。這也一定程度上也推動了雙圓極化天線技術的發展。因此雙圓極化天線技術在軍用和民用領域的應用範圍越來越廣泛。
[0003]在星載和機載的應用場合，還有重量的要求。這要求天線在滿足波束寬度、增益、極化、隔離、掃描能力等指標時還要儘可能的輕便可靠。天線的高度也需要儘可能的小，以免改變飛行器的氣動特性和帶來不必要的機械幹涉。
[0004]常見的雙圓極化相控陣天線單元主要有以下三種形式:一、振子天線。包括十字交叉分布的微帶振子和金屬振子。其主要的優點在於帶寬寬，波束寬度寬可達120°，可以適應大角度掃描的要求(張健鑫，傅光，陳曦，張濤，李東超，圓極化十字交叉振子的設計，微波學報，Vol.S2，2010.8，pp:183-186.)。其缺點在於剖面高，不適合機載、星載等場合的使用。二、背腔式縫隙天線。該類天線通過在背腔激勵的金屬板上開環形或十字形的槽實現了圓極化的性能(Sievenpiper D, Hsu H P, Riley R M.Low -profile cavity-backedcrossed—slot antenna with a single-probe feed designed for 2.34 GHz satelliterad1 applicat1ns，IEEE Trans Antennas Propagat, 2004, 52(3): 873-879)。其主要的缺點在於對地面對方向圖的影響大，可能出現波紋。三、微帶天線。微帶天線具有低成本、低剖面、易於集成和共形的特點，適於設計低剖面圓極化天線。目前已知的雙圓極化微帶天線陣，其實現方式有兩種:一是四點饋電的方式，需要結合定向耦合器和不等相位功分器組成饋電網絡(汪雪剛，李瑞，吳多龍，李庚祿，GPS雙頻圓極化微帶天線的設計，廣州工業大學學報，Vol.28，N0.2，2011.6，pp:43-46)。其優點是，貼片表面電流分布更符合圓極化特性，可以有效抑制高階模式產生的交叉極化分量，軸比性能較好。缺點是，饋電網絡複雜、龐大，成本高。二是雙點饋電的方式，需要定向耦合器或者不等相位功分器組成饋電網絡。對於多次反射有所抑制，亦可容忍饋電相位的誤差。相比四點饋電方案，其優勢在於實現簡單，易於組陣。(薛欣，張福順，馮昕罡，馮睿，雙圓極化微帶天線的設計，電波科學學報，Vol.25，N0.2,2010.4，pp:393-396.)。


【發明內容】

[0005]為了解決圓極化微帶天線的雙點饋電微帶天線陣的饋電網絡與貼片單元同層設計的問題，本發明的目的在於提供一種雙圓極化微帶天線陣，使其具有、低交叉極化、結構簡單牢固、加工便利的特點，並且具有實現寬角掃描雙圓極化天線陣的工程潛力。
[0006]通過【背景技術】可以得知:微帶貼片型雙圓極化天線的饋電網絡複雜，且需要與微帶陣面集成，在組陣時必然出現互耦、諧振等不可避免的惡化天線陣性能的問題。現有技術通過縫隙親合饋電技術的方法予以規避。(Rostan, F.; ffiesbeck, ff., Dual polarizedmicrostrip patch arrays for the next generat1n of spaceborne syntheticaperture radars, 1995Internat1nal Geoscience and Remote Sensing Symposium,IGARSS '95.Quantitative Remote Sensing for Science and Applicat1ns , vol.3,PP.2277-2279.)其缺點是額外增加了一張微帶板和一張泡沫板。本發明所需解決的具體問題就是如何選擇合適的貼片形式、饋電網絡、去諧振、去耦合結構來解決上述問題。
[0007]一種雙圓極化微帶天線陣包括由上至下依次貼合的輻射微帶板2、泡沫板4、饋電微帶板5和金屬地板6，並由兩個以上的金屬柱3貫穿固定連接，形成一塊雙圓極化微帶天線陣板；
所述輻射微帶板包括上層的輻射介質層23和下層的輻射銅箔層24，輻射銅箔層24與泡沫板4的上表面粘接；饋電微帶板5包括上饋電銅箔層59、饋電介質板510和下饋電銅箔層511，上饋電銅箔層59與泡沫板4的下表面粘接，下饋電銅箔層511與金屬地板6焊接連接；
所述輻射微帶板的頂面上均布設有兩個以上的焊碟片22，所述兩個以上的金屬柱3的頂端分別對應連接著兩個以上的焊碟片22 ;輻射微帶板的底面均布設有八塊以上偶數的輻射貼片21，八塊以上偶數的輻射貼片21排列成兩行以上；
所述饋電微帶板5的頂面上均布設有八塊以上偶數的饋電貼片51，所述八塊以上偶數的饋電貼片51和所述八塊以上偶數的輻射貼片21 —一對應；八塊以上偶數的饋電貼片51排列成兩行以上，相鄰兩行饋電貼片51之間均布開設有一行隔離孔58 ;每行饋電貼片自左向右兩兩組成一對饋電貼片，每行中部的饋電微帶板5上設有一個定向耦合器53，兩對以上偶數對的饋電貼片對稱分布在定向耦合器53的兩側；
每對饋電貼片的同向端之間連接著一字形的二級同向功分網絡57，反向端之間連接著弓字形的二級反向功分網絡55 ；
偶數對饋電貼片的兩個二級同向功分網絡57並聯形成一級功分網絡連接著定向耦合器53的一個輸出端；
偶數對饋電貼片的兩個二級反向功分網絡55並聯形成一級功分網絡連接著定向耦合器53的另一個輸出端，定向耦合器53的兩個輸入端與兩個連接器7的內導體連接；
所述兩個連接器7的外導體位於金屬地板6下，介質層穿過金屬地板6，內導體穿過金屬地板6和饋電微帶板5焊接於上饋電銅箔層59。
[0008]所述雙圓極化天線陣在9%左右的帶寬內，駐波優於1.5，交叉極化性能優於一15dB ;還包括一個矩形的金屬框1，所述雙圓極化微帶天線陣板嵌裝在金屬框I內。
[0009]一種優化的結構是:輻射微帶板2的底面均布設有十二塊輻射貼片21，十二塊輻射貼片21排列成三行；饋電微帶板5的頂面上均布設有十二塊饋電貼片51，十二塊饋電貼片51排列成三行；所述十二塊輻射貼片21和十二塊饋電貼片51--對應。
[0010]本發明的有益技術效果體現在以下方面:
1.本發明全陣面實現了雙圓極化的功能，具有9%左右的阻抗帶寬(駐波1.5)，_15dB的交叉極化性能，可用於要求一維掃描的通訊或雷達領域； 2.輻射貼片在輻射微帶板下方，倒置設計有效保護微帶貼片免受外界侵蝕，也利於貼片形式保密；
3.饋電網絡與下層微帶貼片共面設計，結構緊湊，與耦合饋電形式相比節省了I層微帶板和I層泡沫板，而不增加微帶板加工難度；
4.兩種形式的二級功分網絡設計適應了貼片單元饋電的需要，節省了布局空間；
5.金屬化通孔隔斷非同一饋電網絡饋電的微帶貼片，可以減小不同線陣之間的互耦，有利於改善陣列的掃描性能；
6.金屬圍框包裹天線陣側面和上表面邊緣，在不惡化電性能的前提下，加強了天線的結構強度；
7.每個末級「T」形功分網絡饋電的兩個微帶貼片之間設置金屬柱。在結構上充當支撐柱，加強了天線的結構強度；在工藝上充當定位銷，保證了多層板材之間的位置關係；在電性能上分割陣面空間，改變了陣列內部的耦合關係，消除了諧振效應。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本發明結構示意圖。
[0012]圖2為本發明爆炸示意圖。
[0013]圖3為輻射微帶板結構示意圖。
[0014]圖4為泡沫板結構示意圖。
[0015]圖5為饋電微帶板結構示意圖。
[0016]圖6為金屬地板結構示意圖。
[0017]圖7為局部剖視圖。
[0018]圖8為一個4 (非掃描向)X3 (掃描向)單元的雙圓極化天線陣示意圖。
[0019]圖9為實施例2中天線兩個圓極化埠駐波實測曲線圖。
[0020]圖10為實施例2中頻典型波瓣圖的掃描向主面測試結果圖。
[0021]圖11為實施例2中頻典型波瓣圖的非掃描向主面測試結果圖。
[0022]圖12為一個8 (非掃描向)X4 (掃描向)單元的雙圓極化天線陣示意圖。
[0023]圖1-7中序號:金屬框1、輻射微帶板2、金屬柱3、泡沫板4、饋電微帶板5、金屬地板6、連接器7、輻射貼片21、焊碟片22、輻射介質層23、輻射銅箔層24、通孔41、饋電貼片51、一級功分網絡52、定向耦合器53、饋電通孔54、二級反向功分網絡55、金屬柱通孔56、二級同向功分網絡57、隔離通孔58、上饋電銅箔層59、饋電介質板510、下饋電銅箔層511、連接器過孔61、金屬柱過孔62、螺栓通孔63。

【具體實施方式】
[0024]以下結合附圖對本發明作進一步詳細說明:
實施例1:
參見圖1和圖2，一個基本的4 (非掃描向)X2 (掃描向)天線陣。貼片的間距根據掃描要求，採用業內所共知的常規陣列天線的設計方法確定。在實施例1中非掃描向單元間距選為0.59 λ ^，掃描向單元間距選為0.52 λ P其中λ ^為自由空間波長。
[0025]天線陣在結構上由金屬框1、輻射微帶板2、金屬柱3、泡沫板4、饋電微帶板5、金屬地板6和連接器7組成。
[0026]如圖3所示，輻射微帶板2上表面有4個左右對稱、前後均勻排列的焊碟片22，下表面有8個呈4行2列均勻排布的輻射貼片21，在焊盤對應位置的上下方向貫穿了 4個通孔。
[0027]如圖4所示，泡沫板4是均勻介質，沿上下方向貫穿了 4個通孔41。其中心與輻射微帶板上表面的4個焊碟片22中心重合，孔徑與焊盤的內徑相同。
[0028]如圖5所示，饋電微帶板5上表面蝕刻了饋電貼片51、一級功分網絡52、定向耦合器53、二級反向功分網絡55、二級同向功分網絡57。饋電貼片51呈4行2列均勻排布，其中心位置與輻射貼片21的中心位置對應。定向耦合器53位於每一行中間兩個貼片之間，輸入端與連接器7內導體垂直互聯，2個輸出端各接I個一級功分網絡52的總口。I個一級功分網絡的總口與定向耦合器53相連，2個分口分別與2個二級反向功分網絡55的總口相連。另I個一級功分網絡的總口也與定向耦合器53相連，2個分口則分別與2個二級同向功分網絡57的總口相連。每個二級反向功分網絡55和二級同向功分網絡57的總口均與一個一級功分網絡52的分口相連；分口則與一個饋電貼片51連接。每個饋電貼片51與I個二級反向功分網絡55和I個二級同向功分網絡57的分口連接。
[0029]饋電微帶板5的下表面在連接器過孔處的6個圓形區域無金屬，其餘部分金屬完整。饋電微帶板5上共打了 4個饋電通孔54、4個金屬柱通孔56和若干個隔離通孔58。饋電通孔54非金屬化，位於微帶板兩組中心貼片之間，是連接器內導體的過孔，孔徑與內導體直徑相同。另外金屬柱通孔56對稱分布於兩側每個由饋電貼片51、二級反向功分網絡55和二級同向功分網絡57包圍的區域內，上下位置與輻射微帶板上表面的4個焊盤中心重合，孔徑與焊盤的內徑相同。隔離通孔58需要金屬化，孔間均勻分布，將天線陣在上下方向分成了 2個部分。
[0030]如圖6所示，金屬地板6位於全陣面最下方，緊貼饋電微帶板的下表面，開有4個連接器過孔61、4個金屬柱過孔62和若干個螺栓通孔63。4個連接器過孔61的中心與饋電微帶板的4個饋電通孔54的中心對應，用於安裝連接器7。4個金屬柱過孔62中心與饋電微帶板5的金屬柱通孔56中心、泡沫板4的通孔41中心和輻射微帶板2的焊碟片22中心重合，孔徑與金屬柱3內徑相同，用於固定金屬柱。若干個螺栓通孔63位於金屬地板邊緣，用於連接金屬圍框。
[0031]圖7是天線陣面的一個側面截圖。金屬框I上部卡在輻射介質層23上表面，下部開有若干個與金屬地板6邊緣孔位對應的螺紋孔位，與金屬地板通過螺栓連接。金屬柱3與輻射微帶板上表面焊碟片22焊接，下緣有小段螺紋，貫穿輻射微帶板2、泡沫板4和饋電微帶板5後與金屬地板6連接，其上緣在輻射微帶板2上表面焊碟片22處焊接。連接器7選擇商用SMA連接器，內導體穿過金屬地板6和饋電微帶板5後焊接，介質層穿過金屬地板6，法蘭與金屬地板6下表面連接。
[0032]輻射微帶板2包括兩層，上層為輻射介質層23 ;下層為輻射銅箔層24，與泡沫板4上表面粘接。饋電微帶板5由饋電上銅箔層59、饋電介質層510和饋電下銅箔層511構成。饋電上銅箔層59與泡沫板4下表面粘接，饋電上銅箔層511與金屬地板6焊接。
[0033]實施例2:
參見圖8，一個4 (非掃描向)X3 (掃描向)單元的雙圓極化天線陣，其它結構與實施例I相同，採用相同的單元間距，區別在於天線單元數量。
[0034]圖9給出了實施例2天線兩個圓極化埠駐波實測曲線，表明該天線陣在相對帶寬約9%的工作頻帶內埠駐波優於1.6。
[0035]圖10和圖11給出實施例2中頻典型波瓣圖的測試結果。該天線陣在整個工作頻帶內法向交叉極化優於_15dB。
[0036]實施例3:
參見圖12，一個8 (非掃描向)X4 (掃描向)單元的雙圓極化天線陣，其它結構與實施例1相同，區別在於天線單元數量，天線單元採用圓形微帶貼片單元。非掃描向單元間距選為0.6 λ。，掃描向單元間距選為0.8 λ。。對此天線陣採用業內所公認的HFSS11.0(由Ansoft公司研發的高頻結構仿真軟體)進行仿真，結果表明該天線陣在10%帶寬內，駐波比優於1.5，交叉極化優於-15dB。
[0037]本發明天線包括可產生兩個正交圓極化的雙極化輻射元件，還包括功分網絡末級反向饋電、金屬化孔陣增加隔離、金屬柱去諧振等技術，從而提供一種高性能的雙圓極化天線陣的工程實現方法。儘管本發明在此參照一個優選實施例方案進行了描述，但本領域技術人員應認識到在不脫離所附權利要求書中闡明的本發明的精神和範圍情況下，可對其簡單替換，如使用開槽的微帶貼片單元，增加金屬柱的數量，改變金屬柱的位置等，都應當視為屬於本發明由所提交的權利要求書確定的發明保護範圍。
【權利要求】
1.一種雙圓極化微帶天線陣，其特徵在於:包括由上至下依次貼合的輻射微帶板(2)、泡沫板(4)、饋電微帶板(5)和金屬地板(6)，並由兩個以上的金屬柱(3)貫穿固定連接，形成一塊雙圓極化微帶天線陣板； 所述輻射微帶板包括上層的輻射介質層(23)和下層的輻射銅箔層(24)，輻射銅箔層(24)與泡沫板(4)的上表面粘接；饋電微帶板(5)包括上饋電銅箔層(59)、饋電介質板(510)和下饋電銅箔層(511)，上饋電銅箔層(59)與泡沫板(4)的下表面粘接，下饋電銅箔層(511)與金屬地板(6)焊接連接； 所述輻射微帶板的頂面上均布設有兩個以上的焊碟片(22)，所述兩個以上的金屬柱(3)的頂端分別對應連接著兩個以上的焊碟片(22);輻射微帶板的底面均布設有八塊以上偶數的輻射貼片(21)，八塊以上偶數的輻射貼片(21)排列成兩行以上； 所述饋電微帶板(5)的頂面上均布設有八塊以上偶數的饋電貼片(51)，所述八塊以上偶數的饋電貼片(51)和所述八塊以上偶數的輻射貼片(21)—一對應；八塊以上偶數的饋電貼片(51)排列成兩行以上，相鄰兩行饋電貼片(51)之間均布開設有一行隔離通孔(58);每行饋電貼片自左向右兩兩組成一對饋電貼片(51)，每行中部的饋電微帶板(5)上設有一個定向耦合器(53)，兩對以上偶數對的饋電貼片對稱分布在定向耦合器(53)的兩側；每對饋電貼片的同向端之間連接著一字形的二級同向功分網絡(57)，反向端之間連接著弓字形的二級反向功分網絡(55)； 偶數對饋電貼片的兩個二級同向功分網絡(57)並聯形成一級功分網絡連接著定向耦合器(53)的一個輸出端； 偶數對饋電貼片的兩個二級反向功分網絡(55)並聯形成一級功分網絡連接著定向耦合器(53)的另一個輸出端，定向耦合器(53)的兩個輸入端與兩個連接器(7)的內導體連接; 所述兩個連接器(7)的外導體位於金屬地板(6)下，介質層穿過金屬地板(6)，內導體穿過金屬地板(6)和饋電微帶板(5)焊接於上饋電銅箔層(59)。
2.根據權利要求1所述的一種雙圓極化微帶天線陣，其特徵在於:還包括一個矩形的金屬框(1 )，所述雙圓極化微帶天線陣板嵌裝在金屬框(1)內。
3.根據權利要求1所述的一種雙圓極化微帶天線陣，其特徵在於:所述輻射微帶板的底面均布設有十二塊輻射貼片(21)，十二塊輻射貼片(21)排列成三行；所述饋電微帶板(5)的頂面上均布設有十二塊饋電貼片(51)，十二塊饋電貼片(51)排列成三行；所述十二塊輻射貼片(21)和十二塊饋電貼片(51) —一對應。
【文檔編號】H01Q21/24GK104505588SQ201410826755
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月26日 優先權日:2014年12月26日
【發明者】高初, 李景峰, 董好志, 王遠 申請人:中國電子科技集團公司第三十八研究所