單層雙頻圓極化微帶陣列天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種單層雙頻圓極化微帶陣列天線。該裝置包括單層微波介質(zhì)基板、雙頻圓極化輻射單元和雙頻共用的微帶功分網(wǎng)絡(luò)。其中，所述雙頻圓極化輻射單元由兩個工作頻率不同的圓極化輻射貼片共同連接構(gòu)成。通設(shè)置連接點(diǎn)位置，使兩個貼片在各自頻率正常工作而互不影響。所述雙頻共用的微帶功分網(wǎng)絡(luò)由雙頻T型微帶功分器和微帶線共同構(gòu)成。由于所述雙頻圓極化輻射單元采用微帶饋電，可以組成高增益的雙頻圓極化陣列天線；另外，由于所述雙頻圓極化輻射單元僅有一個饋點(diǎn)，可以在單層微波介質(zhì)基板上實(shí)現(xiàn)微帶功分網(wǎng)絡(luò)的共用，避免了復(fù)雜的多層饋電結(jié)構(gòu)。因此，該雙頻圓極化微帶陣列天線不僅能夠?qū)崿F(xiàn)雙頻圓極化收發(fā)共用，而且結(jié)構(gòu)簡單，成本低，便于實(shí)現(xiàn)。
【專利說明】單層雙頻圓極化微帶陣列天線

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于衛(wèi)星通信天線【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種單層雙頻圓極化微帶陣列天線。

【背景技術(shù)】
[0002]“動中通”是指搭載在移動載體上，在其移動過程中仍能與衛(wèi)星保持正常通信的通信系統(tǒng)。相比固定通信系統(tǒng)，它的突出優(yōu)點(diǎn)是能快速部署且生存能力強(qiáng)。在軍事、救災(zāi)、反恐、交通管理等應(yīng)用中，利用“動中通”可以即時掌握現(xiàn)場圖像、聲音等多媒體信息，從而做出正確的決策。
[0003]“動中通”的核心部件之一是衛(wèi)星通信天線。天線首先應(yīng)具備高增益，否則無法正常收發(fā)衛(wèi)星信號，這對天線增益提出了非常高的要求。其次，天線應(yīng)體積小、重量輕，便于與載體的集成。再次，“動中通”天線往往采用圓極化工作方式，這是因?yàn)檩d體相對于衛(wèi)星的方位實(shí)時變化，如果采用線極化通信則極化對準(zhǔn)非常困難，而圓極化就不存在該問題。最后，衛(wèi)星的上行和下行鏈路采用不同的頻率和極化方式，所以更先進(jìn)的天線一般還要求具有雙極化收發(fā)共用能力，以大大減小天線的體積。傳統(tǒng)的拋物面天線因?yàn)楸恐?、體積大，已經(jīng)跟不上發(fā)展的需要。因此兼具有高增益和低剖面的雙頻雙圓極化收發(fā)共用天線成為一個重要發(fā)展趨勢，是當(dāng)前“動中通”天線的一個研究熱點(diǎn)。
[0004]微帶天線是平板天線的重要類型，它是通過在覆銅介質(zhì)板上刻蝕圖形來實(shí)現(xiàn)。由于介質(zhì)板厚度為毫米級，不僅體積小、重量輕，還容易實(shí)現(xiàn)與載體的共形；而刻蝕圖形加工精度高、設(shè)計自由度大，容易實(shí)現(xiàn)雙頻等功能。當(dāng)前已經(jīng)發(fā)表或者公開的微帶型雙頻雙圓極化天線多是采用兩個旋向相反的圓極化輻射貼片多層疊加而成，兩種旋向的圓極化天線分別采用探針進(jìn)行饋電。例如中國專利公開的“三頻寬波束圓極化天線”(申請?zhí)?200620078410.9)、“小型雙頻雙圓極化款柏樹多層微帶天線”(申請?zhí)?200910024114.9)，以及文獻(xiàn) “P.Nayeri, K.-F.Lee, A.Z.Elsherbeni, and F.Yang, ^Dual-band circularlypolarized antennas using stacked patches with asymmetric U-Slots,，’IEEE Antennasand Wireless Propagat1n Letters, vol.10, pp.492-495, 2011.”等都是米用的這種結(jié)構(gòu)。這種多層疊加的結(jié)構(gòu)不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜、天線成本高，而且由于采用多探針饋電，僅能實(shí)現(xiàn)單個寬波束的雙頻圓極化輻射單元，而不能在單層微波介質(zhì)板上實(shí)現(xiàn)雙頻圓極化天線陣列。到目前位置，還沒有一種結(jié)構(gòu)簡單的高增益雙頻圓極化微帶陣列天線見報道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種單層結(jié)構(gòu)的、能夠?qū)崿F(xiàn)雙頻圓極化的單層雙頻圓極化微帶陣列天線。
[0006]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種單層雙頻圓極化微帶陣列天線，包括單層微波介質(zhì)基板、雙頻圓極化輻射單元和雙頻共用的微帶功分網(wǎng)絡(luò):其中，所述雙頻圓極化輻射單元由一個工作頻率為的圓極化輻射貼片和一個工作頻率為f2的圓極化輻射貼片共同連接構(gòu)成，工作頻率為的圓極化輻射貼片連接一段長度為Cl1的微帶線，工作頻率為f2的圓極化輻射貼片連接一段長度為d2的微帶線，這兩段微帶線相交于點(diǎn)A，該點(diǎn)A即為雙頻圓極化輻射單元的饋電點(diǎn)；所述雙頻共用的微帶功分網(wǎng)絡(luò)由雙頻T型微帶功分器和微帶線共同構(gòu)成。
[0007]所述長度為Cl1的微帶線以及長度為d2的微帶線的選取原則為:工作頻率為的圓極化輻射貼片工作時，從拼接點(diǎn)A向工作頻率為f2的圓極化輻射貼片看去的輸入阻抗為等效開路；反之，當(dāng)工作頻率為f2的圓極化輻射貼片工作時，從拼接點(diǎn)A向工作頻率為的圓極化輻射貼片看去的輸入阻抗也為等效開路。所述雙頻T型微帶功分器采用兩節(jié)阻抗變換段，能夠?qū)崿F(xiàn)微帶功分網(wǎng)絡(luò)在所需兩個工作頻率f\、f2的同時匹配。所述工作頻率為的圓極化輻射貼片和工作頻率為f2的圓極化輻射貼片都是單饋點(diǎn)圓極化微帶貼片。所述雙頻圓極化輻射單元的間距小于min( X1, λ2), A1, λ2分別為頻率fpf2對應(yīng)的波長。
[0008]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是:(1)由于雙頻圓極化輻射單元采用微帶饋電方式，可以組成高增益的雙頻圓極化微帶陣列天線；(2)該雙頻圓極化微帶陣列天線的工作頻率比f2/fl，以及圓極化的旋向非常容易調(diào)整；(3)雙頻圓極化輻射貼片可以在單層的微波介質(zhì)板上實(shí)現(xiàn)，避免了復(fù)雜的多層介質(zhì)板疊加結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單、成本低、便于實(shí)現(xiàn)。
[0009]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明實(shí)施例8X8陣元雙頻雙圓極化微帶陣列天線的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011]圖2為本發(fā)明實(shí)施例雙頻圓極化輻射單元的結(jié)構(gòu)示意圖，(a)為兩貼片并列放置，(b)為兩貼片呈90°夾角放置。
[0012]圖3為本發(fā)明實(shí)施例對應(yīng)圖2(b)結(jié)構(gòu)在不同頻率下的電場分布圖，(a)頻率為12.1GHz的電場分布，(b)頻率為17.5GHz的電場分布。
[0013]圖4為本發(fā)明實(shí)施例雙頻T型功分器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖5為本發(fā)明實(shí)施例8X8陣元雙頻雙圓極化微帶陣列天線的實(shí)測S11參數(shù)。
[0015]圖6為本發(fā)明實(shí)施例8X8陣元雙頻雙圓極化微帶陣列天線的實(shí)測軸比曲線。
[0016]圖7為本發(fā)明實(shí)施例8X8陣元雙頻雙圓極化微帶陣列天線的實(shí)測方向圖曲線，(a)為12.1GHz方向圖，(b)為17.5GHz方向圖。

【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖1?7及具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0018]參見圖1，為本發(fā)明實(shí)施例提供的單層雙頻圓極化8X8微帶陣列天線的結(jié)構(gòu)示意圖。該裝置包括單層微波介質(zhì)基板1、雙頻圓極化輻射單元2和雙頻共用的微帶功分網(wǎng)絡(luò)。其中，所述雙頻圓極化輻射單元2由一個工作頻率為的圓極化輻射貼片3和一個工作頻率為f2的圓極化輻射貼片4共同連接構(gòu)成，工作頻率為的圓極化輻射貼片3連接一段長度為Cl1的微帶線，工作頻率為f2的圓極化輻射貼片4連接一段長度為d2的微帶線，這兩段微帶線相交于點(diǎn)A，該點(diǎn)A即為雙頻圓極化輻射單元2的饋電點(diǎn)，通過合理的設(shè)置連接點(diǎn)位置，可以使兩個貼片在各自頻率正常工作而互不影響。所述雙頻共用的微帶功分網(wǎng)絡(luò)由雙頻T型微帶功分器7和微帶線共同構(gòu)成。
[0019]示例性的，所述單層雙頻圓極化微帶陣列天線可以是任意一種所需要規(guī)模的陣列，例如可以是4X4單元、4X8單元、8X8單元、8X 16單元、16X 16單元的陣列，本發(fā)明實(shí)施例不進(jìn)行限制。
[0020]為了獲取較大的增益，同時避免柵瓣，單層雙頻圓極化8X8微帶陣列天線的雙頻圓極化輻射單元2陣元間距應(yīng)小于min( X1,入2分別為頻率4、4對應(yīng)的波長。
[0021]參見圖2，為所述雙頻圓極化輻射單元2的工作原理示意圖，圖2(a)中可以看出，左側(cè)工作頻率為&的圓極化輻射貼片3后面連接一段長度為Cl1的微帶線，右側(cè)工作頻率為f2的圓極化輻射貼片4后面連接一段長度為d2的微帶線，這兩段微帶線相交于點(diǎn)A，該點(diǎn)即為雙頻圓極化輻射單元的饋電點(diǎn)。所述長度為Cl1的微帶線以及長度為d2的微帶線的選取原則為:工作頻率為的圓極化輻射貼片3工作時，從拼接點(diǎn)A向工作頻率為f2的圓極化輻射貼片4看去的輸入阻抗為等效開路。由于該支路上的電磁場呈駐波狀態(tài)，微帶線具體長度可以通過仿真確定。反之，當(dāng)工作頻率為f2的圓極化輻射貼片4工作時，從拼接點(diǎn)A向工作頻率為&的圓極化貼片3看去的輸入阻抗也為等效開路。采用這種方式，可以使雙頻圓極化輻射單元2中的一個貼片工作時，另一個貼片所在的支路近似看作開路，從而有效實(shí)現(xiàn)了兩個貼片的隔離。
[0022]示例性的，本發(fā)明中工作頻率為的圓極化輻射貼片3和工作頻率為f2的圓極化輻射貼片4可以是任意一種相對的位置擺放，例如它們既可以如圖2(a)所示并列放置，也可以如圖2(b)所示呈90°夾角放置。本發(fā)明實(shí)施例不進(jìn)行限制。
[0023]示例性的，本發(fā)明中工作頻率為的圓極化輻射貼片3和工作頻率為f2的圓極化輻射貼片4可以是任意一種單饋點(diǎn)圓極化微帶輻射貼片，例如它們即可以如圖2(a)所示由中間刻蝕縫隙的方形貼片實(shí)現(xiàn)，也可以如圖2(b)所示通過去掉方形貼片對角線上兩個對稱的三角形的方式實(shí)現(xiàn)，還可以混合使用。本發(fā)明實(shí)施例不進(jìn)行限制。
[0024]示例性的，本發(fā)明中工作頻率為的圓極化輻射貼片3和工作頻率為f2的圓極化輻射貼片4可以是左旋圓極化，也可以是右旋圓極化。兩者的圓極化旋向既可以相同，也可以相反。本發(fā)明實(shí)施例不進(jìn)行限制。
[0025]為了進(jìn)一步說明單饋點(diǎn)雙頻圓極化輻射單元2的工作原理，圖3給出了對應(yīng)圖
2(b)所示結(jié)構(gòu)的電場分布圖。該電流分布圖由全波仿真軟件HFSS仿真獲得，工作頻率f i和f2分別設(shè)定為12.1GHz和17.5GHzο工作在12.1GHz的貼片為右旋圓極化，工作在17.5GHz的貼片為左旋圓極化，它們都是采用單饋點(diǎn)方形貼片實(shí)現(xiàn)圓極化。從該圖可以看出，當(dāng)左側(cè)12.1GHz貼片工作時，右側(cè)17.5GHz的貼片不工作；反之，當(dāng)右側(cè)17.5GHz貼片工作時，右側(cè)12.1GHz的貼片不工作，顯示兩者之間實(shí)現(xiàn)了很好的隔離。
[0026]參見圖4，為雙頻共用的微帶功分網(wǎng)絡(luò)中雙頻T型功分器7的結(jié)構(gòu)示意圖。T型功分器為I分2功分器，為了實(shí)現(xiàn)微帶功分網(wǎng)絡(luò)在所需兩個工作頻率f1; f2的同時匹配，我們采用兩節(jié)阻抗變換段，即長度為T1的阻抗變換段8和長度為T2的阻抗變換段9級聯(lián)構(gòu)成。整個雙頻共用的微帶功分網(wǎng)絡(luò)可以由多個所述雙頻T型功分器7和微帶線組成。
[0027]實(shí)施例1
[0028]在制作的實(shí)施例設(shè)計中，我們選定的陣列規(guī)模為8X8單元的，工作頻率和f2分別為12.1GHz和17.5GHz。工作在12.1GHz的貼片為右旋圓極化，工作在17.5GHz的貼片為左旋圓極化，它們都是采用中間刻蝕縫隙的方形貼片實(shí)現(xiàn)圓極化。兩個方形貼片的邊長分別為7.3mm和4.8mm，刻蝕縫隙尺寸分別為3.2mmX0.5mm,2.7mmX0.5mm。為了盡量的減小單元間距，貼片的擺放方式采用如圖2(a)所示的并列方式。同時為了避免柵瓣，相鄰兩個福射單元的間距在橫向?yàn)?7mm,縱向?yàn)?6.5mm。微帶天線子陣的尺寸為136mmX 136mm。天線加工的介質(zhì)板采用介電常數(shù)為2.2，損耗角正切為0.0009，厚度為0.813mm的Arlon 880商用板材。
[0029]參見圖5，為本發(fā)明實(shí)施例8X8陣元雙頻雙圓極化微帶陣列天線的實(shí)測S11參數(shù)曲線。天線帶寬覆蓋了 11.6-12.8GHz以及16.7-19.5GHz。
[0030]參見圖6，為本發(fā)明實(shí)施例8X8陣元雙頻雙圓極化微帶陣列天線的實(shí)測軸比曲線。軸比小于3dB的帶寬范圍覆蓋了 12.05-12.22GHz以及17.2-17.75GHz。
[0031]參見圖7，為本發(fā)明實(shí)施例8X8陣元雙頻雙圓極化微帶陣列天線的實(shí)測方向圖曲線。圖中可以看出天線的實(shí)測的天線增益在12.1GHz和17.5GHz分別為24dB和23dB，交叉極化分別為19dB和25dB。
【權(quán)利要求】
1.一種單層雙頻圓極化微帶陣列天線，其特征在于，包括單層微波介質(zhì)基板(I)、雙頻圓極化輻射單元(2)和雙頻共用的微帶功分網(wǎng)絡(luò): 其中，所述雙頻圓極化輻射單元(2)由一個工作頻率為的圓極化輻射貼片(3)和一個工作頻率為f2的圓極化輻射貼片(4)共同連接構(gòu)成，工作頻率為的圓極化輻射貼片(3)連接一段長度為Cl1的微帶線，工作頻率為f2的圓極化輻射貼片(4)連接一段長度為d2的微帶線，這兩段微帶線相交于點(diǎn)A，該點(diǎn)A即為雙頻圓極化輻射單元(2)的饋電點(diǎn)；所述雙頻共用的微帶功分網(wǎng)絡(luò)由雙頻T型微帶功分器(7)和微帶線共同構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單層雙頻圓極化微帶陣列天線，其特征在于，所述長度為Cl1的微帶線以及長度為d2的微帶線的選取原則為:工作頻率為的圓極化輻射貼片(3)工作時，從拼接點(diǎn)A向工作頻率為f2的圓極化輻射貼片(4)看去的輸入阻抗為等效開路；反之，當(dāng)工作頻率為f2的圓極化輻射貼片(4)工作時，從拼接點(diǎn)A向工作頻率為的圓極化輻射貼片(3)看去的輸入阻抗也為等效開路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單層雙頻圓極化微帶陣列天線，其特征在于，所述雙頻T型微帶功分器(7)采用兩節(jié)阻抗變換段，能夠?qū)崿F(xiàn)微帶功分網(wǎng)絡(luò)在所需兩個工作頻率f\、f2的同時匹配。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單層雙頻圓極化微帶陣列天線，其特征在于，所述工作頻率為的圓極化輻射貼片(3)和工作頻率為f2的圓極化輻射貼片(4)都是單饋點(diǎn)圓極化微帶貼片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單層雙頻圓極化微帶陣列天線，其特征在于，所述雙頻圓極化輻射單元⑵的間距小于π?ι^λρ λ2), A1, λ2分別為頻率fpf2對應(yīng)的波長。
【文檔編號】H01Q21/00GK104332713SQ201410649033
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月14日
【發(fā)明者】張金棟, 吳文, 方大綱, 張鐸, 崔璨, 陳嶠羽, 任禛, 韓思琪 申請人:南京理工大學(xué)