一種C波段收發一體微帶陣列天線的製作方法

2023-04-25 08:36:31 4

本發明主要屬於通信天線技術領域，尤其是衛星天線技術領域，具體涉及一種c波段收發一體微帶陣列天線。

背景技術：

傳統衛星通信天線大多使用拋物面天線，但其體積大，質量重，攜帶移動極其不方便，尤其是要適應現代便攜通信設備，更突顯了它的缺點。因此，體積小，質量輕，剖面低，製作簡單，價格優，易共形，能夠得到單方向的寬瓣方向圖，最大輻射方向在平面的法線方向，易於實現線極化、圓極化等特點的微帶天線，得到了廣泛的研究和應用。但微帶天線是一種諧振類天線，相對帶寬較窄，功率容量小等特點使它的使用範圍受到限制。

目前工作在c波段的微帶天線存在著帶寬窄、只能覆蓋c波段一部分、只能實現單極化收發天線要分開、以及交叉極化水平太高的技術問題。

技術實現要素：

針對上述技術問題，本發明提供一種c波段收發一體天線。目的在於提供一種雙埠雙頻雙線極化的實用的超材料c波段收發一體微帶陣列天線，該天線具有大的帶寬，結構簡單，增益高，埠隔離度好，交叉極化性能優越，且方便擴展為更大的大型陣列，對於c波段的衛星通信有著無可比擬的優勢。

本發明是通過以下技術方案實現的：

一種c波段收發一體微帶陣列天線，所述微帶陣列天線包括多個由收發共用驅動貼片和收發共用寄生貼片構成的收發共用天線單元，所述收發共用天線單元用於實現c波段收發天線的一體化；

所述微帶陣列天線還包括饋電網絡、接收饋電埠和發射饋電埠，所述接收饋電埠和所述發射饋電埠均與所述饋電網絡連接，所述饋電網絡為所述收發共用驅動貼片饋電。

進一步地，每個收發共用天線單元均由一個所述收發共用驅動貼片和一個所述收發共用寄生貼片對應平行設置構成；所述微帶陣列天線中所有所述收發共用天線單元等間距設置，組成微帶天線陣列。

進一步地，所述收發共用驅動貼片和收發共用寄生貼片形狀相同，為矩形、三角形、圓形或方形。

進一步地，在同一微帶陣列天線中，任意相鄰的兩個收發共用天線單元的中心間距小於λ，λ為收發工作頻段的中心頻率中的高頻對應的自由空間波長。

進一步地，所述微帶陣列天線還包括開槽地板以及從上到下依次疊放的寄生貼片介質基板、驅動貼片介質基板和饋電網絡介質基板；

所述收發共用寄生貼片設置在所述寄生貼片介質基板上部；所述收發共用驅動貼片設置在所述驅動貼片介質基板和所述寄生貼片介質基板之間；所述開槽地板設置在所述饋電網絡介質基板和所述驅動貼片介質基板之間、所述饋電網絡設置在所述饋電網絡介質基板的底部。

進一步地，所述饋電網絡包括接收天線饋電網絡和發射天線饋電網絡；所述接收天線饋電網絡包括多個接收頻段的t型微帶功分器和驅動貼片接收饋電埠；所述發射天線饋電網絡包括多個發射頻段的t型微帶功分器和驅動貼片發射饋電埠；

所述驅動貼片接收饋電埠和所述驅動貼片發射饋電埠分別通過所述開槽地板上的接口饋電縫隙和發射饋電縫隙為該收發共用天線單元中的所述收發共用驅動貼片饋電。

進一步地，所述驅動貼片接收饋電埠和所述驅動貼片發射饋電埠的數量均與所述收發共用天線單元數量相同；每個所述收發共用天線單元對應一個所述驅動貼片接收饋電埠和一個所述驅動貼片發射饋電埠。

進一步地，所述饋電網絡介質基板採用鐵氧體超材料、鐵電體超材料、液晶超材料或其它電磁超材料。

本發明的有益技術效果：

(1)本發明所述c波段收發一體微帶陣列天線最大可能的減小了天線的體積，實現了c波段收發天線的一體化；

(2)本發明所述c波段收發一體微帶陣列天線在收發頻段上實現雙頻雙線極化，兩個埠隔離度好，交叉極化性能優越；解決了傳統c波段微帶天線帶寬窄，增益低，收發分置的問題；

(3)採用耦合孔徑饋電，減少了饋電網絡對天線輻射性能的影響，並降低了天線與饋電網絡匹配的複雜度；

(4)本發明介質基板採用液晶超材料，由於超材料的介電常數和損耗正切可根據外界所加條件在一定範圍內改變，因此還可通過改變外界條件控制超材料的介電常數和損耗正切，從而改變或拓寬天線的頻段或帶寬，實現可重構天線的效果。

附圖說明

圖1是本發明實施例1中c波段收發一體微帶陣列天線的結構俯視圖。

圖2是本發明實施例1中c波段收發一體微帶陣列天線的結構側視圖。

圖3是本發明實施例1中微帶陣列天線採用hfss進行仿真的s參數圖。

圖4是本發明實施例1中微帶陣列天線在接收頻段頻率為4ghz時仿真輻射方向圖。

圖5是本發明實施例1中微帶陣列天線在發射頻段頻率為6ghz時仿真輻射方向圖。

圖6是本發明實施例1中微帶陣列天線在接收饋電埠的共極化與交叉極化圖。

圖7是本發明實施例1中微帶陣列天線在發射饋電埠的共極化與交叉極化圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細描述。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用於解釋本發明，並不用於限定本發明。

相反，本發明涵蓋任何由權利要求定義的在本發明的精髓和範圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。進一步，為了使公眾對本發明有更好的了解，在下文對本發明的細節描述中，詳盡描述了一些特定的細節部分。對本領域技術人員來說沒有這些細節部分的描述也可以完全理解本發明。

實施例1

一種c波段收發一體微帶陣列天線，如圖1-2所示，所述微帶陣列天線包括多個由收發共用驅動貼片3和收發共用寄生貼片2構成的收發共用天線單元，所述收發共用天線單元用於實現c波段收發天線的一體化；所述微帶陣列天線還包括饋電網絡9、接收饋電埠13和發射饋電埠14，所述接收饋電埠13和所述發射饋電埠14均與所述饋電網絡9連接，所述饋電網絡9為所述收發共用驅動貼片3饋電。

每個收發共用天線單元均由一個所述收發共用驅動貼片3和一個所述收發共用寄生貼片2對應平行設置構成；所述微帶陣列天線中所有所述收發共用天線單元等間距設置，組成微帶天線陣列。在本實施例中，所述收發共用天線單元為4*4微帶天線陣列。

在本實施例中，所述收發共用驅動貼片3和收發共用寄生貼片2均為矩形，在其他實施例中，也可採用圓形、三角形或方形。

在同一微帶陣列天線中，任意相鄰的兩個收發共用天線單元的中心間距小於λ，λ為收發工作頻段的中心頻率中的高頻對應的自由空間波長，相鄰的兩個收發共用天線單元的中心間距小於λ能夠避免出現柵瓣和獲得高的增益。

所述微帶陣列天線還包括開槽地板8以及從上到下依次疊放的寄生貼片介質基板6、驅動貼片介質基板7和饋電網絡介質基板12；

所述收發共用寄生貼片2設置在所述寄生貼片介質基板6上部；所述收發共用驅動貼片3設置在所述驅動貼片介質基板7和所述寄生貼片介質基板6之間；所述開槽地板8設置在所述饋電網絡介質基板12和所述驅動貼片介質基板7之間、所述饋電網絡9設置在所述饋電網絡介質基板12的底部。

其中所述收發共用寄生貼片2的目的是為了增加天線的工作帶寬和增益。

所述饋電網絡9包括接收天線饋電網絡和發射天線饋電網絡；所述接收天線饋電網絡包括多個接收頻段的t型微帶功分器11和驅動貼片接收饋電埠；所述發射天線饋電網絡包括多個發射頻段的t型微帶功分器10和驅動貼片發射饋電埠；

其中，每一個所述接收頻段的t型微帶功分器11和每一個所述發射頻段的t型微帶功分器10均為一個阻抗變換節點；通過所述接收頻段的t型微帶功分器11將與所述饋電網絡9連接的所述接收饋電埠13變換為等功率的驅動貼片接收饋電埠；通過所述發射頻段的t型微帶功分器10將與所述饋電網絡9連接的所述發射饋電埠14變換為等功率的驅動貼片發射饋電埠。

所述驅動貼片接收饋電埠和所述驅動貼片發射饋電埠分別通過所述開槽地板8上的接口饋電縫隙4和發射饋電縫隙5為該收發共用天線單元中的所述收發共用驅動貼片3饋電。接口饋電縫隙4和發射饋電縫隙5的位置和大小直接影響耦合到驅動貼片能量多少，在本實施例中，由於矩形縫隙已經滿足性要求，故採用矩形縫隙，若開槽地板8的面積有限，則接口饋電縫隙4和發射饋電縫隙5可以採用啞鈴狀或h形縫隙，本實施例中採用的矩形縫隙在兩個正交方向。

即所述收發共用驅動貼片3的第一頻率通過饋電網絡9的接收天線饋電網絡耦合饋電與接收饋電埠13相連，即所述收發共用驅動貼片3的第二頻率通過饋電網絡9的發射天線饋電網絡耦合饋電與發射饋電埠14相連。

所述驅動貼片接收饋電埠和所述驅動貼片發射饋電埠的數量均與所述收發共用天線單元數量相同；每個所述收發共用天線單元對應一個所述驅動貼片接收饋電埠和一個所述驅動貼片發射饋電埠；

饋電網絡9設置在所述饋電網絡介質基板12的底部，能量經由開槽地板8上的接口饋電縫隙4和發射饋電縫隙5耦合到驅動貼片，為了儘可能多的使能量向正向輻射，盡最大可能使能量不向背向輻射，但電磁波為雙向輻射，為了使設計的天線在增大正向輻射的同時減小背向輻射，饋電網絡9的介質基板12必須選擇高介電常數以使電磁波束縛於介質基板中，從而降低背向輻射；又由於考慮到能量在饋電網絡9上的損耗要儘量小，所以所述饋電網絡介質基板12需要選擇低損耗的材料。在本實施例中，所述饋電網絡介質基板12採用液晶超材料。在其他實施例中，所述饋電網絡介質基板還可以使用鐵氧體超材料、鐵電體超材料、羅傑斯、聚四氟乙烯等其他滿足要求的材料。

收發共用驅動貼片3長邊的長度約為其對應工作頻率波長的二分之一，依據此條件可初步確定驅動貼片的尺寸。因天線設計為收發一體，正交極化，故矩形驅動貼片3的長邊的長度約為接收頻率對應波長的二分之一，短邊的長度約為發射頻率對應波長的二分之一。

在本實施例中的天線由地板另一側的饋電網絡9通過開槽地板8上的縫隙進行耦合饋電給收發共用驅動貼片3，饋電網絡9中微帶線的阻抗選定為50歐；饋電網絡9中微帶線開路段的長度影響天線的電抗，具體公式為：式中z0為饋電網絡9中微帶線的特性阻抗，j為虛數符號，β為相位常數，ls為開路段的長度，通過調節饋電網絡9中微帶線開路段的長度對天線的電抗進行調整。

在本實施例中根據已設計出的天線單元組成4*4微帶天線陣列，收發饋電網絡9在同一平面，採用並聯饋電形式，利用t型一分二微帶功分器，收發頻段分別採用四個一分二微帶功分器,分別把一路分為16路，上述32路均用於為所述收發共用驅動貼片3饋電。

本實施例中的饋電網絡9，也可以使用收發頻段饋電網絡不共面結構，例如採用兩層板，微帶與同軸波導結合的方式，本發明實施專利不進行限制。

由圖3-7可知：天線接收頻段工作範圍為3.57ghz--4.31ghz，發射頻段工作範圍為5.84ghz-6.43ghz，接收增益17.29dbi，發射增益19.68dbi，接收交叉極化小於-19db，發射交叉極化小於-30db。

在本實施例中不僅降低了收發天線分置的複雜麻煩，還大大降低了生產成本。相比現有技術，天線收髮帶寬完全覆蓋c波段，且收發一體，增益可觀，極大的方便了c波段衛星通信設備的使用者，有利於使用者多場合、多用途使用。