專利名稱：一種高增益多層介質(zhì)復(fù)合雙圓極化微帶陣列天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高增益多層介質(zhì)復(fù)合雙圓極化微帶陣列天線，屬于天線技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著移動衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展及多種通信系統(tǒng)的需要，雙圓極化天線系統(tǒng)越來越受到關(guān)注。一個性能良好的雙圓極化天線要求其能在有限的空間里實(shí)現(xiàn)高增益的雙圓極化性倉泛。微帶陣列天線是一種具有剖面低，易集成，易共形，重量輕等特點(diǎn)的陣列天線，但是傳統(tǒng)微帶天線效率較低，因此其貼片單元增益僅為7dB，不易實(shí)現(xiàn)天線高效率性能。傳統(tǒng)微帶圓極化天線單元為單一極化，難以將兩種圓極化集成在一個陣列天線上。目前應(yīng)用的通信系統(tǒng)微帶天線的缺點(diǎn)如上所述。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，為實(shí)現(xiàn)微帶天線陣列的高效率及雙圓極化特性，基于傳統(tǒng)微帶天線理論，提出了一種高增益多層介質(zhì)復(fù)合雙圓極化微帶陣列天線。本發(fā)明在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高增益雙圓極化性能，同時保證了左旋圓極化和右旋圓極化端口較高的隔離度，且俯仰維和水平維兩維波束對稱性良好。天線封裝在金屬支架中，具有良好的防水，防塵，抗震等性能。微帶陣列天線與90°電橋電路集成安裝在金屬支架上，提高了集成度。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明一種高增益多層介質(zhì)復(fù)合雙圓極化微帶陣列天線，包括9個微帶天線單元、兩組饋電網(wǎng)絡(luò)、下層介質(zhì)基板、上層介質(zhì)基板、金屬支架、介質(zhì)支柱和90°電橋電路；所述的9個微帶天線單元完全相同，且組成3X3天線陣列；所述的90°電橋電路包括90°電橋芯片及其微帶電路；所述的兩組饋電網(wǎng)絡(luò)是等幅同相的；90°電橋電路上有兩個與外圍設(shè)備的連接端口，分別為接口 A和接口 B，分別對應(yīng)左旋圓極化電磁波信號和右旋圓極化電磁波信號，可以獨(dú)立工作，固定在金屬支架背面；金屬支架正面內(nèi)部支撐著下層介質(zhì)基板和上層介質(zhì)基板，下層介質(zhì)基板和上層介質(zhì)基板之間以介質(zhì)支柱輔助支撐，形成空氣層，同時保證了介質(zhì)基板的平整；兩組饋電網(wǎng)絡(luò)蝕刻在下層介質(zhì)基板上，9個微帶天線單元蝕刻在下層介質(zhì)基板和上層介質(zhì)基板上。所述的每個微帶天線單元均由蝕刻在下層介質(zhì)基板和上層介質(zhì)基板的方形輻射貼片以及空氣層組成；這種結(jié)構(gòu)的功能是提高微帶天線單元的有效輻射口徑，從而提高輻射效率，可以將微帶天線單元增益提高到9dB ；所述的兩組饋電網(wǎng)絡(luò)包括微帶/同軸轉(zhuǎn)換器、微帶傳輸線、I分2不等功分器、I分3等功分器和I分6等功分器。兩組饋電網(wǎng)絡(luò)在有限空間內(nèi)排布，兩組饋電網(wǎng)絡(luò)的末端連接微帶天線單元，微帶/同軸轉(zhuǎn)換器連接90°電橋電路，兩組饋電網(wǎng)絡(luò)的功能是給每個微帶天線單元幅度相同、相位相差90°的激勵，使電磁信號在微帶天線單元與90°電橋電路之間傳輸。所述的金屬支架的正面包括I級臺階、2級臺階及固定螺紋孔；金屬支架的背面包括凹槽及固定螺紋孔；金屬支架的正面的I級臺階安裝下層介質(zhì)基板；正面的2級臺階安裝上層介質(zhì)基板；上層介質(zhì)基板、介質(zhì)支柱、下層介質(zhì)基板及金屬支架用螺釘通過金屬支架的正面的固定螺紋孔進(jìn)行固定連接；金屬支架的背面的凹槽安裝90°電橋電路；90°電橋電路及金屬支架用螺釘通過金屬支架的背面的固定螺紋孔進(jìn)行固定連接；金屬支架的功能是為下層介質(zhì)基板和上層介質(zhì)基板提供支撐和保護(hù)，在下層介質(zhì)基板和上層介質(zhì)基板間形成空氣層，同時提高了天線的防塵，防水，抗震性能。金屬支架背面嵌入設(shè)計(jì)安裝90°電橋電路，提聞了集成度。 所述的下層介質(zhì)基板和上層介質(zhì)基板均為硬質(zhì)基板。下層介質(zhì)基板為雙面覆銅板，下層介質(zhì)基板的底層為地層，與金屬支架固定連接；下層介質(zhì)基板的頂層蝕刻兩組饋電網(wǎng)絡(luò)及微帶天線單元的一部分方形貼片；所述的上層介質(zhì)基板為單面覆銅板，上層介質(zhì)基板的底層蝕刻微帶天線單元的剩余部分方形貼片，上層介質(zhì)基板的頂層裸露，同時起到天線罩保護(hù)天線的作用。所述的介質(zhì)支柱，其作用是輔助金屬支架起到穩(wěn)定空氣層的作用，并保證下層介質(zhì)基板和上層介質(zhì)基板的平整。所述的90°電橋電路，包括90°電橋芯片及其微帶電路，其作用是將輸入信號分成兩路幅值相同，相位差90°的信號，或者是把兩路幅值相同，相位差90°的信號合成一路輸出信號。本發(fā)明的陣列天線發(fā)射電磁波信號的工作過程為需要發(fā)射的信號經(jīng)由外部接口進(jìn)入90°電橋電路，產(chǎn)生兩路幅值相同，相位差為90°的信號；兩路信號分別由同軸/微帶轉(zhuǎn)換器進(jìn)入兩組饋電網(wǎng)絡(luò)，最終為微帶天線單元饋電，通過微帶天線單元形成圓極化波輻射出去。本發(fā)明的陣列天線接收電磁波信號的工作過程為自由空間的電磁波信號經(jīng)由陣列天線的微帶天線單元形成導(dǎo)行電磁波信號；該信號分別由兩組饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入同軸/微帶轉(zhuǎn)換器，進(jìn)而進(jìn)入90°電橋電路；兩路信號經(jīng)過90°電橋后合成一路信號，進(jìn)入到下一個連接器件，以供進(jìn)一步處理。本發(fā)明的陣列天線的工作模式分為左旋圓極化和右旋圓極化兩種。兩種工作模式分別對應(yīng)兩個外部連接端口。當(dāng)接口 A接輸入或輸出時，天線工作在左旋圓極化模式，可以發(fā)射或者接收相應(yīng)頻段左旋圓極化的電磁波信號；反之，當(dāng)接口 B接輸入或者輸出時，天線工作在右旋圓極化模式，可以發(fā)射或者接收相應(yīng)頻段右旋圓極化的電磁波信號。接口 A和接口 B間有隔離度，保證左旋圓極化及右旋圓極化模式能夠同時工作，即接口 B發(fā)射或者接收右旋圓極化電磁波信號時，接口 A可以同時發(fā)射或接收左旋圓極化電磁波信號，在一個天線上同時實(shí)現(xiàn)兩個天線的功能。有益效果本發(fā)明是基于微帶天線理論提出的，設(shè)計(jì)出了一種增益相對于傳統(tǒng)微帶天線單元提高2dB的雙層微帶天線單元；設(shè)計(jì)了包含I分2不等功分，I分3等功分，I分6等功分的兩組等幅同相饋電網(wǎng)絡(luò)，合理排布在有限空間內(nèi)，并保證了饋電端幅度及相位良好的穩(wěn)定性；左旋圓極化及右旋圓極化模式同時工作，在發(fā)射或者接收左旋圓極化電磁波信號的同時，可以同時發(fā)射或者接收右旋圓極化電磁波信號。本發(fā)明既解決了傳統(tǒng)微帶天線單元增益較低的缺點(diǎn)，將增益提高了 2dB，提高了天線口徑效率；又在有限空間內(nèi)合理排布兩組饋線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了天線的兩種圓極化，使天線在發(fā)射或接收一種圓極化方式電磁波時，可以同時發(fā)射或接收另一種圓極化方式的電磁波；本發(fā)明的兩維波瓣對稱度很高，兩種圓極化模式能夠同時工作，在一個天線上實(shí)現(xiàn)兩個天線的功能，適合在多種固定和移動平臺的通信系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)及雷達(dá)系統(tǒng)中應(yīng)用。


圖1是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為上層介質(zhì)基板正面結(jié)構(gòu)圖；
圖3為上層介質(zhì)基板反面結(jié)構(gòu)圖；圖4為下層介質(zhì)基板正面結(jié)構(gòu)圖；圖5為下層介質(zhì)基板反面結(jié)構(gòu)圖；圖6為金屬支架正面結(jié)構(gòu)圖；圖7為金屬支架反面結(jié)構(gòu)圖；圖8是天線的90°電橋電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是天線接口 A和接口 B在fQ±50MHz電壓駐波比曲線；圖10是天線使用接口 A時在fQ-50MHZ頻點(diǎn)水平維和俯仰維方向圖；圖11是天線使用接口 B時在fQ-50MHZ頻點(diǎn)水平維和俯仰維方向圖；圖12是天線使用接口 A時在&頻點(diǎn)水平維和俯仰維方向圖；圖13是天線使用接口 B時在&頻點(diǎn)水平維和俯仰維方向圖；圖14是天線使用接口 A時在4+50MHZ頻點(diǎn)水平維和俯仰維方向圖；圖15是天線使用接口 B時在fQ+50MHz頻點(diǎn)水平維和俯仰維方向圖。
具體實(shí)施例方式為了更好的說明本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。實(shí)施例高增益多層介質(zhì)復(fù)合雙圓極化微帶陣列天線的結(jié)構(gòu)如圖1和圖4所示。本陣列天線包括上層介質(zhì)基板1、介質(zhì)支柱2、下層介質(zhì)基板3、金屬支架4、90°電橋電路5、微帶天線單元6以及兩組饋電網(wǎng)絡(luò)7和8組成。以信號接收過程為順序，陣列天線的結(jié)構(gòu)為上層介質(zhì)基板I放置在金屬支架4的2級臺階11上，下層介質(zhì)基板3放置在金屬支架4的I級臺階10上，依靠臺階撐起兩層介質(zhì)基板間的空氣腔；兩層介質(zhì)基板間的適當(dāng)位置放置介質(zhì)支柱2，并用螺釘貫穿固定在金屬支架4的正面，輔助金屬支架支撐空氣腔，并保證了兩層介質(zhì)基板的平整度；90°電橋電路5安裝在金屬支架4的背面凹槽內(nèi)。90°電橋電路5及兩組等幅同相饋電網(wǎng)絡(luò)7和8通過穿過金屬支架4的微帶/同軸轉(zhuǎn)換器9進(jìn)行焊接連接。90°電橋電路上5的連接接口 A和接口 B (即圖8中13和14)作為外部接口。本實(shí)施例的上層介質(zhì)基板I為TP-265單面介質(zhì)覆銅板，如圖2和圖3所示，長度寬度均為281mm，介質(zhì)厚度2mm，介電常數(shù)為2. 65，覆銅面做鍍金處理，貼片為正方形，邊長47. 6mm。
本實(shí)施例的介質(zhì)支柱2為外直徑7mm，內(nèi)直徑3.1mm的環(huán)狀圓柱體，如圖1所示，采用膠木制成，介電常數(shù)為4. 8左右。介質(zhì)支柱由螺釘貫穿固定在金屬支架的正面。本實(shí)施例的下層介質(zhì)基板3為TP-300雙面介質(zhì)覆銅板，如圖4和圖5所示，長度寬度均為278mm，介質(zhì)厚度1mm，介電常數(shù)為3. 0，覆銅面做鍍金處理，貼片為正方形，邊長37. 7mm η本實(shí)施例的金屬支架4為硬招材料,如圖6和圖7所不,其外表面做黃色導(dǎo)電氧化處理，起到更好的保護(hù)作用。金屬支架長度和寬度均為284mm，高度為15. 5mm ；1級臺階10為長度寬度均為278_的正方形，高度8. 5_，放置下層介質(zhì)基板3 ；2級臺階11為長度寬度均為281mm的正方形，高度2mm，放置上層介質(zhì)基板I，邊緣用膠封裝；金屬支架背面相應(yīng)區(qū)域做深度為1. 2mm的凹槽，放置90°電橋電路5 ;金屬支架正面到背面的對應(yīng)位置做直徑4.1mm的通孔，放置微帶/同軸轉(zhuǎn)換器。本實(shí)施例的90°電橋電路5為FR4雙面介質(zhì)覆銅板，如圖8所示，為配合微帶/同軸轉(zhuǎn)換器及外部連接端口，外形做成不規(guī)則5邊形，介電常數(shù)為4. 4，介質(zhì)厚度1. 2_。表面焊接90°電橋芯片12。外部連接端口 I和2 (即圖8中13和14)焊接SMA-KFD21陰頭作為外部連接端口。由圖9看出，天線工作帶寬100MHz，電壓駐波比小于1. 5。將本實(shí)施例制作的天線在暗室中進(jìn)行測試，所得實(shí)測結(jié)果如圖10至15所示。從中可以看出，在低中高3個頻點(diǎn)上，I端口左旋圓極化和2端口右旋圓極化波束的水平維及俯仰維對稱性良好，副瓣電平為-13. 5dB左右，3dB波瓣寬度實(shí)現(xiàn)大于±13°覆蓋；天線口徑效率接近65%。由陣列天線在暗室中測試得到的表I可以看出，本實(shí)施例的陣列天線在低、中、高三個頻點(diǎn)上的左旋圓極化增益及右旋圓極化增益均大于15dB。表I陣列天線增益測試結(jié)果
頻率|f0-50MHz|f0+50MHz
左旋圓極化增益(dB) 1^615ΛΤδΓδ
右旋圓極化增益(dB) 1^615Λ15Λ由陣列天線在暗室中測試得到的表2可以看出，本實(shí)施例的陣列天線在低、中、高三個頻點(diǎn)上的左旋圓極化軸比及右旋圓極化軸比均優(yōu)于3dB。表2陣列天線軸比測試結(jié)果
頻率|f0-50MHz|f0+50MHz
權(quán)利要求
1.一種高增益多層介質(zhì)復(fù)合雙圓極化微帶陣列天線，其特征在于包括9個微帶天線單元、兩組饋電網(wǎng)絡(luò)、下層介質(zhì)基板、上層介質(zhì)基板、金屬支架、 介質(zhì)支柱和90°電橋電路； 所述的9個微帶天線單元完全相同，且組成3X3天線陣列； 所述的90°電橋電路包括90°電橋芯片及其微帶電路； 所述的兩組饋電網(wǎng)絡(luò)是等幅同相的； 90°電橋電路上有兩個與外圍設(shè)備的連接端口，分別為接口 A和接口 B，分別對應(yīng)左旋圓極化電磁波信號和右旋圓極化電磁波信號，固定在金屬支架背面；金屬支架正面內(nèi)部支撐著下層介質(zhì)基板和上層介質(zhì)基板，下層介質(zhì)基板和上層介質(zhì)基板之間以介質(zhì)支柱輔助支撐，形成空氣層，兩組饋電網(wǎng)絡(luò)蝕刻在下層介質(zhì)基板上，9個微帶天線單元蝕刻在下層介質(zhì)基板和上層介質(zhì)基板上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高增益多層介質(zhì)復(fù)合雙圓極化微帶陣列天線，其特征在于所述的每個微帶天線單元均由蝕刻在下層介質(zhì)基板和上層介質(zhì)基板的方形輻射貼片以及空氣層組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高增益多層介質(zhì)復(fù)合雙圓極化微帶陣列天線，其特征在于所述的兩組饋電網(wǎng)絡(luò)包括微帶/同軸轉(zhuǎn)換器、微帶傳輸線、I分2不等功分器、I分3等功分器和I分6等功分器；兩組饋電網(wǎng)絡(luò)在有限空間內(nèi)排布，兩組饋電網(wǎng)絡(luò)的末端連接微帶天線單元，微帶/同軸轉(zhuǎn)換器連接90°電橋電路，兩組饋電網(wǎng)絡(luò)的功能是給每個微帶天線單元幅度相同、相位相差90°的激勵，使電磁信號在微帶天線單元與90°電橋電路之間傳輸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高增益多層介質(zhì)復(fù)合雙圓極化微帶陣列天線，其特征在于所述的金屬支架的正面包括I級臺階、2級臺階及固定螺紋孔；金屬支架的背面包括凹槽及固定螺紋孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高增益多層介質(zhì)復(fù)合雙圓極化微帶陣列天線，其特征在于所述的下層介質(zhì)基板和上層介質(zhì)基板均為硬質(zhì)基板；下層介質(zhì)基板為雙面覆銅板，下層介質(zhì)基板的底層為地層，與金屬支架固定連接；下層介質(zhì)基板的頂層蝕刻兩組饋電網(wǎng)絡(luò)及微帶天線單元的一部分方形貼片。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種高增益多層介質(zhì)復(fù)合雙圓極化微帶陣列天線，其特征在于所述的上層介質(zhì)基板為單面覆銅板，上層介質(zhì)基板的底層蝕刻微帶天線單元的剩余部分方形貼片，上層介質(zhì)基板的頂層裸露，同時起到天線罩保護(hù)天線的作用。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高增益多層介質(zhì)復(fù)合雙圓極化微帶陣列天線，其特征在于所述的90°電橋電路將輸入信號分成兩路幅值相同，相位差90°的信號，或者是把兩路幅值相同，相位差90°的信號合成一路輸出信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高增益多層介質(zhì)復(fù)合雙圓極化微帶陣列天線，屬于天線技術(shù)領(lǐng)域。包括9個微帶天線單元、兩組饋電網(wǎng)絡(luò)、下層介質(zhì)基板、上層介質(zhì)基板、金屬支架、介質(zhì)支柱和90°電橋電路。本發(fā)明是基于微帶天線理論提出的，設(shè)計(jì)出了一種增益相對于傳統(tǒng)微帶天線單元提高2dB的雙層微帶天線單元；設(shè)計(jì)了包含1分2不等功分，1分3等功分，1分6等功分的兩組等幅同相饋電網(wǎng)絡(luò)，合理排布在有限空間內(nèi)，并保證了饋電端幅度及相位良好的穩(wěn)定性；左旋圓極化及右旋圓極化模式同時工作，在發(fā)射或者接收左旋圓極化電磁波信號的同時，可以同時發(fā)射或者接收右旋圓極化電磁波信號。
文檔編號H01Q21/24GK103022730SQ20121058049
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月27日
發(fā)明者劉埇, 司黎明, 趙鵬飛, 盧宏達(dá), 朱思衡, 倪鴻賓, 呂昕 申請人:北京理工大學(xué)