單饋雙頻寬波束圓極化天線的製作方法

2023-05-15 23:15:01 1

專利名稱：單饋雙頻寬波束圓極化天線的製作方法
技術領域：
本發明屬於天線技術領域，具體工作在特高頻S雷達波段和特高頻C雷達波段的一種高增益單饋雙頻寬波束圓極化天線。
背景技術：
近年來，隨著雷達探測領域、全球定位系統、射頻識別技術、個人移動通信的發展， 雙頻帶雙極化天線廣泛受到關注。通常一個無線通信系統的優劣，取決於天線、發射機功率及頻譜、接收機靈敏度、信號處理等方面，而天線則起到關鍵性的作用。根據現代通信的需要，天線發展的一個重要方向是多功能性，如多頻帶、多極化和多用途等。雙頻段天線的初步目標是地面通信模擬網與數字網兼容的手機天線，以及衛星通信上行、下行頻段共用的移動臺天線。雙頻雙極化天線的實現使天線能工作在兩個不同的頻段，在雙頻通帶內發射或接收兩個正交極化的電磁波，為系統提供兩條通信信道，實現頻率和極化復用，滿足天線收發一體化及其擴展通信容量的需求，並簡化了系統結構。與以往的單制式通信標準相比， 目前的營銷商更希望不同的技術標準可以融合在同一天線上，這種天線支持多頻多極化工作，針對完全不同的網絡採用不同的通信編碼方式。雙頻雙極化天線在實際中有很多應用， 如地面通信的極化分集、頻率捷變、抗多徑衰落；移動電臺、衛星通信的收發共用、極化隔離；地面、衛星通信的雙模工作，衛星通信與全球定位系統的頻率共用等。它能夠接收和發射任意極化方向上的電磁波，有很強的抗幹擾能力，有利於系統的小型集成化設計，可以增加通信容量、降低了生產成本，更容易實現天線的全極化和智能化。微帶天線基本上可以分為微帶貼片天線、微帶行波天線和微帶縫隙天線三類；微帶貼片天線按貼片的不同形狀可分為矩形微帶天線、圓形微帶天線、三角形、五角形、橢圓以及其他可能的幾何圖形微帶天線；按實現方法大致可分為兩類，即單層結構實現的微帶天線和層疊結構實現的微帶天線；微帶天線饋電方式也有多種，實際中應用最多的是同軸線饋電、微帶線饋電、縫隙耦合饋電三種方式。目前，國內外進行了有關天線實現雙頻圓極化特性的一系列研究並取得了一些成果。研究中多採用刻蝕孔徑的方法，來實現天線的雙頻帶及圓極化特性，這種天線雖然結構簡單、較易實現，但一般增益比較低，極化波束相對較窄，缺陷地結構也容易造成背向輻射， 造成天線輻射效率的下降。有些研究人員採用的是短路法，其目的在於改變基模或高次模的諧振頻率，從而實現按設計要求的雙頻帶特性，它的一種典型形式即為平面倒F天線，廣泛應用在手機終端，其缺點是圓極化特性較難實現。還有一些研究引入了雙層輻射貼片結構，這種結構一般通過兩個埠饋電，來實現雙極化特性，這種方法會有效地改善天線的福射特性，並為天線的小型化提供了途徑，但雙埠饋電會增加天線本身的複雜性，且埠之間的耦合很難去除，一定程度上增加了天線的成本和調試的難度。上面各種方法由於本身存在的不足，限制了其在衛星通信領域的應用
發明內容
本發明針對以上問題，提供一種能實現高增益、低隔離的單饋雙頻寬波束圓極化天線，以滿足衛星通信領域的需求。為實現上述目的，本發明包括金屬地板，雙層介質板，輻射貼片，同軸饋電單元和金屬支架，其特徵在於所述輻射貼片包含一個切去三角形角的耦合輻射貼片和一個主輻射貼片，主輻射貼片上刻蝕有互補型開口諧振環；主輻射貼片印製在雙層介質板的上表面，耦合輻射貼片印製在雙層介質板的中間平面；互補型開口諧振環的兩個環形結構開口反向，兩環相互嵌套，中心點重合。所述金屬地板工作在雙頻天線的低頻點處，作為耦合輻射單元的反射輔助板，該金屬地板的邊長取值為O. 6 λ -O. 8 λ。所述耦合輻射貼片工作在雙頻天線的低頻點處，該耦合輻射貼片的邊長取值為
O.4 λ -O. 5 λ。所述主輻射貼片工作在雙頻天線的高頻點處，該主輻射貼片的邊長取值為
O.4 λ -O. 5 λ。所述互補型開口諧振環工作在雙頻天線的高頻點處，該互補型開口諧振環的邊長取值為 O. I λ -O. 2 λ。所述互補型開口諧振環的位置可調，該互補型開口諧振環的中心和主輻射貼片的中心距離在I. 9mm-2. 2mm範圍內取值。所述介質基板的介電常數介於1-10之間。與現有技術相比，本發明具有如下優點I.本發明由於在主輻射單元上刻蝕的互補型開口諧振環，兩環開口反向，相互嵌套，中心點重合，減小了天線所需主輻射貼片的面積。2.本發明由於在耦合輻射單元上採用三角形切角，改變了輻射面電流的流經路徑，增加了輻射單元的電長度，從而減小了天線所需耦合輻射貼片的面積。3.本發明由於採用雙層介質板結構，結構緊湊，加工方便，便於與射頻前端的微波電路集成，降低了設計成本和系統複雜性。4.本發明由於採用同軸饋電結構，在耦合輻射貼片上刻蝕了一個圓形槽孔，降低了不同工作頻段間的耦合。5.本發明由於通過在輻射單元上刻蝕互補開口諧振環和切角結構，形成了兩個頻段的圓極化，實現了寬極化波束和高增益特性。6.本發明能根據實際需求自行改進，通過改變金屬地板、輻射單元、互補型開口諧振環的尺寸和位置，來調節輻射工作點、阻抗帶寬和極化帶寬，滿足不同的應用需求，設計簡單靈活。


圖I是本發明的結構示意圖；圖2是圖I的側視圖；圖3是本發明的回波損耗仿真及實測曲線圖；圖4是本發明在低頻段的軸比圖
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具體實施例方式下面結合實施實例及附圖，對本發明做進一步描述參見圖I和圖2，本發明的單饋雙頻帶寬波束圓極化天線，包括金屬地板1，雙層介質板2，兩個輻射貼片3，同軸饋電單元4，金屬支架5，該輻射貼片3包含一個切去三角形角的耦合輻射貼片3a和一個主輻射貼片3b，耦合輻射貼片3a對稱印製在雙層介質板2的中間平面，即上層介質板的下表面或下層介質板的上表面；主輻射貼片3b印製在雙層介質板2的上表面。主輻射貼片3b上刻蝕有互補型開口諧振環6，該互補型開口諧振環6的兩個環形結構開口反向，兩環相互嵌套，中心點重合。同軸饋電單元4偏置在雙層介質板2內部，金屬支架5對稱放置在雙層介質板2的四角，起固定作用。所述互補型開口諧振環6工作在雙頻天線的高頻點處，其內環和外環邊長的取值為O. I λ-O. 2 λ，其中；Ιι/ Τ )，λ為天線諧振波長，c為光速，f為諧振中心頻率， 為介電常數。根據上述公式，可計算出互補型開口諧振環6的環長。由於互補型開口諧振環 6的環寬、開口間距和內外環縫隙對天線極化特性的影響很小，故可在O. Imm-Imm之間任意設定。本實例中，互補型開口諧振環6的邊長設為5. 8mm,環寬為O. 3mm,開口間距為O. 3mm, 內外環縫隙為O. 3mm,實現了 4. 285GHz_4. 309GHz頻段的圓極化。互補型開口諧振環6的中心點和主輻射貼片3b的中心點距離設為d，d在I. 9mm-2. 2mm範圍內取值，通過改變d的大小，可以調節極化帶寬。例如d為I. 9mm時，高頻段圓極化的相對帶寬為O. 5% ；d為2. 2mm 時，高頻段圓極化的相對帶寬為O. 475%。本實例中，d取值為1.9mm。所述耦合輻射貼片3a上切有一個三角形角，本實例中切角的邊長為3. 5mm，實現了 3. 015GHz-3. 035GHz 頻段的圓極化。所述金屬地板I的邊長在O. 6 λ -O. 8 λ範圍內取值，通過仿真可以得到具體的尺寸，本實例中金屬地板I的邊長為44mm，作為3. 025GHz的反射輔助板；所述耦合輻射貼片 3a的邊長在O. 4 λ -O. 5 λ範圍內取值，本實例中耦合輻射貼片3a的邊長為30mm，工作在 3. 025GHz ;所述主輻射貼片3b的邊長在O. 4 λ-O. 5 λ範圍內取值，本實例中主輻射貼片3b 的邊長為20mm，工作在4. 297GHz，其中心與雙層介質板2中心的距離設為4mm。所述雙層介質基板2的介電常數為2. 65,邊長為44mm,厚度為Imm ;所述同軸饋電單元4的高度為2mm,半徑為O. 7mm,稱合孔半徑為Imm,該饋電單元4中心點和主福射貼片 3b中心點的距離設為2mm ;所述金屬支架5的高度為2mm,直徑為2mm。所述主輻射單元3b上刻蝕的互補型開口諧振環6，不限於方形結構，也可採用開口的圓形、橢圓形或其他曲線形狀。以上是本發明的一個具體實例並不構成對本發明的任何限制。本發明的實例效果可通過以下結果圖進一步說明
對本發明的回波損耗進行仿真和測量，其結果如圖3所示，由圖3回波損耗的仿真和測量曲線圖可見，本發明在兩個頻段內工作，在3. 025GHz處的阻抗帶寬為54. 2MHz，相對阻抗帶寬為I. 82%，在4. 297GHz處的阻抗帶寬為125. 5MHz，相對阻抗帶寬為2.95%。對本發明在低波段和高波段處的軸比進行仿真，其結果如圖4、圖5所示，由圖4、 圖5的軸比圖可見，本發明在低波段和高波段的圓極化相對帶寬分別為O. 54%,O. 5%。對本發明在3. 025GHz和4. 297GHz處的軸比進行仿真，其結果如圖6、 圖7所示，由圖6可見，本發明在3. 025GHz處的E面、H面圓極化波束範圍分別為-100° -115°，-71° -66°，由圖7可見，本發明在4. 297GHz處的E面、H面圓極化波束範圍分別為-106° -34°，-65° -80°，實現了天線的寬波束特性。對本發明在3. 025GHz和4. 297GHz處的左右旋圓極化方向圖進行仿真，其結果如圖8、圖9所示，由圖8、9的方向圖可見，本發明在3. 025GHz和4. 297GHz處分別實現右旋圓極化和左旋圓極化特性。對本發明的峰值增益進行仿真，其結果如圖10所示，由圖10的增益曲線圖可見， 本發明的增益在工作頻段內均大於7dB，實現了高增益。
權利要求
1.一種單饋雙頻寬波束圓極化天線，包括金屬地板(I)，雙層介質板(2)，輻射貼片(3)，同軸饋電單元(4)和金屬支架(5)，其特徵在於輻射貼片(3)包含一個切去三角形角的耦合輻射貼片(3a)和一個主輻射貼片(3b)，主輻射貼片(3b)上刻蝕有互補型開口諧振環(6);主輻射貼片(3b)印製在雙層介質板(2)的上表面，耦合輻射貼片(3a)印製在雙層介質板的中間平面；互補型開口諧振環(6)的兩個環形結構開口反向，兩環相互嵌套，中心點重合。
2.根據權利要求I所述的單饋雙頻寬波束圓極化天線，其特徵在於金屬地板(I)工作在雙頻天線的低頻點處，作為耦合輻射單元(3a)的反射輔助板，該金屬地板(I)的邊長取值為 O. 6 λ -O. 8 λ。
3.根據權利要求I所述的單饋雙頻寬波束圓極化天線，其特徵在於耦合輻射貼片(3a) 工作在雙頻天線的低頻點處，該耦合輻射貼片(3a)的邊長取值為O. 4 λ -O. 5 λ。
4.根據權利要求I所述的單饋雙頻寬波束圓極化天線，其特徵在於主輻射貼片(3b)工作在雙頻天線的高頻點處，該主輻射貼片(3b)的邊長取值為0.4 λ-O. 5入。
5.根據權利要求I所述的單饋雙頻寬波束圓極化天線，其特徵在於互補型開口諧振環(6)工作在雙頻天線的高頻點處，該互補型開口諧振環(6)的邊長取值為O. I λ-O. 2 λ。
6.根據權利要求I所述的單饋雙頻寬波束圓極化天線，其特徵在於互補型開口諧振環(6)的位置可調，該互補型開口諧振環￠)的中心和主輻射貼片(3b)的中心距離在1.9mm~2. 2mm範圍內取值。
7.根據權利要求I所述的單饋雙頻寬波束圓極化天線，其特徵在於介質基板(2)的介電常數介於1-10之間。
全文摘要
本發明公開了一種單饋雙頻寬波束圓極化天線。該天線包括金屬地板(1)、雙層介質板(2)、輻射貼片(3)、同軸饋電單元(4)和金屬支架(5)，輻射貼片(3)包含一個切去三角形角的耦合輻射貼片(3a)和一個主輻射貼片(3b)，主輻射貼片(3b)上刻蝕有互補型開口諧振環(6)，該諧振環相互嵌套，中心點重合，開口反向；主輻射貼片(3b)印製在雙層介質板(2)的上表面，耦合輻射貼片(3a)印製在雙層介質板(2)的中間平面；同軸饋電單元(4)偏置在雙層介質板(2)內部；金屬支架(5)對稱放置在雙層介質板(2)的四角。本發明能實現具有寬波束、高增益和低耦合特點的雙頻圓極化特性，可應用於衛星通信。
文檔編號H01Q1/38GK102610909SQ20121005096
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月1日 優先權日2012年3月1日
發明者李桂紅, 李桐, 李龍, 梁昌洪, 翟會清 申請人:西安電子科技大學