單層雙頻圓極化微帶陣列天線的制作方法
【專利摘要】本發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基板、雙頻圓極化輻射單元和雙頻共用的微帶功分網絡。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成。通設置連接點位置，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絡由雙頻T型微帶功分器和微帶線共同構成。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，可以在單層微波介質基板上實現微帶功分網絡的共用，避免了復雜的多層饋電結構。因此，該雙頻圓極化微帶陣列天線不僅能夠實現雙頻圓極化收發共用，而且結構簡單，成本低，便于實現。
【專利說明】單層雙頻圓極化微帶陣列天線
【技術領域】
[0001]本發明屬于衛星通信天線【技術領域】，特別是一種單層雙頻圓極化微帶陣列天線。
【背景技術】
[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星保持正常通信的通信系統。相比固定通信系統，它的突出優點是能快速部署且生存能力強。在軍事、救災、反恐、交通管理等應用中，利用“動中通”可以即時掌握現場圖像、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星通信天線。天線首先應具備高增益，否則無法正常收發衛星信號，這對天線增益提出了非常高的要求。其次，天線應體積小、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，這是因為載體相對于衛星的方位實時變化，如果采用線極化通信則極化對準非常困難，而圓極化就不存在該問題。最后，衛星的上行和下行鏈路采用不同的頻率和極化方式，所以更先進的天線一般還要求具有雙極化收發共用能力，以大大減小天線的體積。傳統的拋物面天線因為笨重、體積大，已經跟不上發展的需要。因此兼具有高增益和低剖面的雙頻雙圓極化收發共用天線成為一個重要發展趨勢，是當前“動中通”天線的一個研究熱點。
[0004]微帶天線是平板天線的重要類型，它是通過在覆銅介質板上刻蝕圖形來實現。由于介質板厚度為毫米級，不僅體積小、重量輕，還容易實現與載體的共形；而刻蝕圖形加工精度高、設計自由度大，容易實現雙頻等功能。當前已經發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行饋電。例如中國專利公開的“三頻寬波束圓極化天線”(申請號:200620078410.9)、“小型雙頻雙圓極化款柏樹多層微帶天線”(申請號:200910024114.9)，以及文獻 “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構。這種多層疊加的結構不僅結構復雜、天線成本高，而且由于采用多探針饋電，僅能實現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板上實現雙頻圓極化天線陣列。到目前位置，還沒有一種結構簡單的高增益雙頻圓極化微帶陣列天線見報道。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種單層結構的、能夠實現雙頻圓極化的單層雙頻圓極化微帶陣列天線。
[0006]實現本發明目的的技術解決方案為:一種單層雙頻圓極化微帶陣列天線，包括單層微波介質基板、雙頻圓極化輻射單元和雙頻共用的微帶功分網絡: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A，該點A即為雙頻圓極化輻射單元的饋電點；所述雙頻共用的微帶功分網絡由雙頻T型微帶功分器和微帶線共同構成。
[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，當工作頻率為f2的圓極化輻射貼片工作時，從拼接點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阻抗變換段，能夠實現微帶功分網絡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對應的波長。
[0008]本發明與現有技術相比，其顯著優點是:(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整；(3)雙頻圓極化輻射貼片可以在單層的微波介質板上實現，避免了復雜的多層介質板疊加結構，結構簡單、成本低、便于實現。
[0009]下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1為本發明實施例8X8陣元雙頻雙圓極化微帶陣列天線的結構示意圖。
[0011]圖2為本發明實施例雙頻圓極化輻射單元的結構示意圖，(a)為兩貼片并列放置，(b)為兩貼片呈90°夾角放置。
[0012]圖3為本發明實施例對應圖2(b)結構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為本發明實施例雙頻T型功分器的結構示意圖。
[0014]圖5為本發明實施例8X8陣元雙頻雙圓極化微帶陣列天線的實測S11參數。
[0015]圖6為本發明實施例8X8陣元雙頻雙圓極化微帶陣列天線的實測軸比曲線。
[0016]圖7為本發明實施例8X8陣元雙頻雙圓極化微帶陣列天線的實測方向圖曲線，(a)為12.1GHz方向圖，(b)為17.5GHz方向圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖1?7及具體實施例對本發明做進一步詳細說明。
[0018]參見圖1，為本發明實施例提供的單層雙頻圓極化8X8微帶陣列天線的結構示意圖。該裝置包括單層微波介質基板1、雙頻圓極化輻射單元2和雙頻共用的微帶功分網絡。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A，該點A即為雙頻圓極化輻射單元2的饋電點，通過合理的設置連接點位置，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絡由雙頻T型微帶功分器7和微帶線共同構成。
[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，本發明實施例不進行限制。
[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陣元間距應小于min( X1,入2分別為頻率4、4對應的波長。
[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A，該點即為雙頻圓極化輻射單元的饋電點。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，微帶線具體長度可以通過仿真確定。反之，當工作頻率為f2的圓極化輻射貼片4工作時，從拼接點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，從而有效實現了兩個貼片的隔離。
[0022]示例性的，本發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。本發明實施例不進行限制。
[0023]示例性的，本發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現，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現，還可以混合使用。本發明實施例不進行限制。
[0024]示例性的，本發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。本發明實施例不進行限制。
[0025]為了進一步說明單饋點雙頻圓極化輻射單元2的工作原理，圖3給出了對應圖
2(b)所示結構的電場分布圖。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方形貼片實現圓極化。從該圖可以看出，當左側12.1GHz貼片工作時，右側17.5GHz的貼片不工作；反之，當右側17.5GHz貼片工作時，右側12.1GHz的貼片不工作，顯示兩者之間實現了很好的隔離。
[0026]參見圖4，為雙頻共用的微帶功分網絡中雙頻T型功分器7的結構示意圖。T型功分器為I分2功分器，為了實現微帶功分網絡在所需兩個工作頻率f1; f2的同時匹配，我們采用兩節阻抗變換段，即長度為T1的阻抗變換段8和長度為T2的阻抗變換段9級聯構成。整個雙頻共用的微帶功分網絡可以由多個所述雙頻T型功分器7和微帶線組成。
[0027]實施例1
[0028]在制作的實施例設計中，我們選定的陣列規模為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現圓極化。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為17mm,縱向為16.5mm。微帶天線子陣的尺寸為136mmX 136mm。天線加工的介質板采用介電常數為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，為本發明實施例8X8陣元雙頻雙圓極化微帶陣列天線的實測S11參數曲線。天線帶寬覆蓋了 11.6-12.8GHz以及16.7-19.5GHz。
[0030]參見圖6，為本發明實施例8X8陣元雙頻雙圓極化微帶陣列天線的實測軸比曲線。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，為本發明實施例8X8陣元雙頻雙圓極化微帶陣列天線的實測方向圖曲線。圖中可以看出天線的實測的天線增益在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，包括單層微波介質基板(I)、雙頻圓極化輻射單元(2)和雙頻共用的微帶功分網絡: 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A，該點A即為雙頻圓極化輻射單元(2)的饋電點；所述雙頻共用的微帶功分網絡由雙頻T型微帶功分器(7)和微帶線共同構成。
2.根據權利要求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，當工作頻率為f2的圓極化輻射貼片(4)工作時，從拼接點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.根據權利要求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)采用兩節阻抗變換段，能夠實現微帶功分網絡在所需兩個工作頻率f\、f2的同時匹配。
4.根據權利要求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)都是單饋點圓極化微帶貼片。
5.根據權利要求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 優先權日:2014年11月14日
【發明者】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