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CN107834176A - 一种窄波束h形缝隙耦合微带贴片阵列天线 - Google Patents

一种窄波束h形缝隙耦合微带贴片阵列天线 Download PDF

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CN107834176A
CN107834176A CN201711137492.9A CN201711137492A CN107834176A CN 107834176 A CN107834176 A CN 107834176A CN 201711137492 A CN201711137492 A CN 201711137492A CN 107834176 A CN107834176 A CN 107834176A
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CN
China
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张凡
刘大桥
李超
张福顺
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Xidian University
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Xidian University
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Abstract

本发明涉及一种窄波束H形缝隙耦合微带贴片阵列天线，其特征是：包括，耦合贴片层、空气层、辐射贴片层、带状线馈电网络层、移相馈电网络层；其中，带状线馈电网络层是两层介质基板，耦合贴片层、空气层、辐射贴片层、带状线馈电网络层、移相馈电网络层依次叠加连接，耦合贴片层、空气层、辐射贴片层、带状线馈电网络层、移相馈电网络层的叠加总厚度为6.2mm，在天线四周用四颗螺钉加以组合固定。该天线具有高频带、高增益和圆极化特性。

Description

一种窄波束H形缝隙耦合微带贴片阵列天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种窄波束H形缝隙耦合微带贴片阵列天线。
背景技术
天线是无线系统的“咽喉要道”。它的性能优劣直接影响着整个无线系统的性能指标。对于卫星通信系统而言，传统工程系统要求天线为高增益圆极化，目前公开的大多天线都是针对窄带系统的。但是目前卫星系统要求天线具有高频带、高增益、和圆极化特性。
微带贴片天线是最近30年来新发展起来的一类天线，其以重量轻、全向特性好、成本低廉等优点得到十分广泛的应用。微带贴片天线是一种谐振式天线，常规型式微带天线带宽较窄(小于3％)。为了提高微带贴片天线的带宽，一般采用增大介质基板厚度，使用多层结构，缝隙耦合馈电等方法。
圆极化天线因其具有能够接收任意极化的电磁波且其辐射的圆极化波可以被任意极化的天线接收的巨大优势而备受青睐。由圆极化天线的理论可知，实现圆极化的条件是激励起两个幅度相等，相位相差90度，方向正交的电场矢量。
发明内容
本发明的目的是提供一种高频带、高增益和具有圆极化特性的窄波束H形缝隙耦合微带贴片阵列天线。
本发明的目的是这样实现的，一种窄波束H形缝隙耦合微带贴片阵列天线，其特征是：包括，耦合贴片层、空气层、辐射贴片层、带状线馈电网络层、移相馈电网络层；其中，带状线馈电网络层是两层介质基板，耦合贴片层、空气层、辐射贴片层、带状线馈电网络层、移相馈电网络层依次叠加连接，耦合贴片层、空气层、辐射贴片层、带状线馈电网络层、移相馈电网络层的叠加总厚度为6.2mm，在天线四周用四颗螺钉加以组合固定。
所述的耦合贴片层包括耦合贴片层介质基板，形状为正方形，尺寸为150mm×150mm×1.2mm；耦合贴片层正面环形金属带，其外边长为150mm，内边长为108mm；耦合贴片层反面耦合贴片，共16个正方形贴片，边长为8.4mm，每个贴片间距24mm。
所述的空气层包括空气层支撑介质基板，形状为正方形，尺寸为150mm×150mm×2mm；空气层介质基板中央方形中空，其外边长为150mm，内边长为103mm；空气层介质基板矩形中空，尺寸为14.5mm×20mm×2mm，其为天线馈电结构预留空间。
所述的辐射贴片层包括辐射贴片层介质基板，形状为正方形，尺寸为150mm×150mm×1.2mm；辐射贴片层正面辐射贴片，共16个正方形贴片，边长为8.2mm，每个贴片间距24mm；辐射贴片层介质基板矩形中空，尺寸为14.5mm×20mm×1.2mm，其为天线馈电结构预留空间。
所述的带状线馈电网络层中的带状线馈电网络层上层；其中带状线馈电网络层上层包括带状线馈电网络层上层介质基板，其尺寸为150mm×150mm×0.6mm，带状线馈电网络层上层介质基板正面地板两个H形缝隙，其为T型垂直放置的两个同样尺寸H型缝隙，两个H型缝隙邻边间距0.8mm，较宽缝隙尺寸为1mm×3.6mm，较窄缝隙尺寸为0.3mm×3.6mm；带状线馈电网络层上层介质基板矩形中空，尺寸为14.5mm×20mm×0.6mm，其为天线馈电结构预留空间。
所述的带状线馈电网络层中的带状线馈电网络层下层；带状线馈电网络层下层包括带状线馈电网络层下层介质基板，其尺寸为150mm×150mm×0.6mm，带状线馈电网络层下层介质基板正面馈电网络，其包含8组“一分四”T型功分器，功分器末端采用圆弧型馈电结构，其半径为1.8mm，角度为143°，带状线馈电网络层下层介质基板反面地板矩形开槽，其尺寸为6mm×11mm，带状线馈电网络层下层介质基板矩形中空，尺寸为14.5mm×20mm×0.6mm，其为天线馈电结构预留空间。
所述的移相馈电网络层包括移相馈电网络层介质基板，其尺寸为150mm×150mm×0.6mm；移相馈电网络层反面移相馈电网络，其包含1组“一分八”威尔金森功分器；移相馈电网络层介质基板矩形中空阵列，共16个中空，每个尺寸为6mm×11mm×0.6mm；移相馈电网络层正面地板矩形开槽，尺寸为14.5mm×20mm×0.6mm。
所述的耦合贴片层介质板的相对介电常数为2.65，厚度为1.2mm，介质板双面腐蚀，顶面刻蚀环形金属带，底面刻蚀耦合微带贴片。
所述的空气层是环形介质板起支撑作用，其相对介电常数为4.4，厚度为2mm。
所述的辐射贴片层介质板的相对介电常数为2.65，厚度为1.2mm，介质板单面腐蚀，顶面刻蚀辐射微带贴片。
本发明的优点是：本发明为了获得较宽的带宽，采用H形缝隙耦合馈电的方式激励微带双层贴片，通过下层贴片对上层贴片的耦合激励，使两个贴片天线工作在两个相邻的谐振频率处，合并两个谐振带宽从而实现天线的宽带特性。
为了获得较宽的圆极化带宽，本发明采用了双馈点的方法，在馈电网络中引入了宽带90度移相器，获得宽带圆极化波。两个H形缝隙耦合馈电端T形放置，由此提高两个馈电端口的隔离度，进而改善了圆极化特性，扩展了天线的圆极化带宽。
为了实现宽带圆极化，在馈电网络中进入了枝节加载的宽带移相器实现90度相移。在有限的空间内实现复杂的馈电网络，本发明采用多层平面结构，通过微带线转带线的方式，将馈电网络分布在各层平面内，这样实现了天线辐射阵列和馈电网络的一体化设计，天线阵列整体剖面低且结构紧凑。
附图说明
图1为宽频带圆极化高增益阵列天线结构展开示意图；
图2为宽频带圆极化高增益阵列天线耦合贴片层示意图；
图3为宽频带圆极化高增益阵列天线空气层示意图；
图4为宽频带圆极化高增益阵列天线辐射贴片层示意图；
图5为宽频带圆极化高增益阵列天线带状线馈电网络上层示意图；
图6为宽频带圆极化高增益阵列天线带状线馈电网络下层示意图；
图7为宽频带圆极化高增益阵列天线移相馈电网络层示意图；
图8是天线阵列的电压驻波比随频率变化曲线；
图9为天线阵列轴比随频率变化曲线；
由图9可知，天线阵列在40％的阻抗带宽内轴比基本小于3dB。
图10为天线阵列增益随频率变化曲线；
由图10可知，天线阵列在40％的阻抗带宽内增益大于15dB，且增益稳定，增益起伏小于3dB。
图11，图12为天线阵列工作在8GHz的XOZ和YOZ面的平面方向图，其XOZ面的半功率波束宽度为25°，YOZ面的半功率波束宽度为26°。
图11是天线工作于8GHz时XOZ面方向图；
图12是天线工作于8GHz时YOZ面方向图；
图13是天线工作于10GHz时XOZ面方向图；
图14是天线工作于10GHz时YOZ面方向图；
图15是天线工作于12GHz时XOZ面方向图；
图16天线工作于12GHz时YOZ面方向图。
图中标号：1、耦合贴片层；1-1、耦合贴片层介质基板；1-2、耦合贴片层正面环形金属带；1-3、耦合贴片层反面耦合贴片；2、空气层；2-1、空气层支撑介质基板；2-2、空气层介质基板中央方形中空；2-3、空气层介质基板矩形中空；3、辐射贴片层；3-1、辐射贴片层介质基板；3-2、辐射贴片层正面辐射贴片；3-3、辐射贴片层介质基板矩形中空；4、带状线馈电网络层(共两层介质基板)：4-1、带状线馈电网络层上层；4-1-1、带状线馈电网络层上层介质基板；4-1-2、带状线馈电网络层上层介质基板正面地板两个H形缝隙；4-1-3、带状线馈电网络层上层介质基板矩形中空；4-2、带状线馈电网络层下层；4-2-1、带状线馈电网络层下层介质基板；4-2-2、带状线馈电网络层下层介质基板正面馈电网络；4-2-3、带状线馈电网络层下层介质基板反面地板矩形开槽；4-2-4、带状线馈电网络层下层介质基板矩形中空；5、移相馈电网络层；5-1、移相馈电网络层介质基板；5-2、移相馈电网络层反面移相馈电网络；5-3、移相馈电网络层介质基板矩形中空阵列；5-4、移相馈电网络层正面地板矩形开槽。
具体实施方式
下面结合实施例附图对本发明作进一步说明:
如图1所示，一种窄波束H形缝隙耦合微带贴片阵列天线，其特征是：包括，耦合贴片层1、空气层2、辐射贴片层3、带状线馈电网络层4、移相馈电网络层5；其中，带状线馈电网络层4是两层介质基板，耦合贴片层1、空气层2、辐射贴片层3、带状线馈电网络层4、移相馈电网络层5依次叠加连接，耦合贴片层1、空气层2、辐射贴片层3、带状线馈电网络层4、移相馈电网络层5的叠加总厚度为6.2mm，在天线四周用四颗螺钉加以组合固定。
所述的耦合贴片层1介质板的相对介电常数为2.65，厚度为1.2mm，介质板双面腐蚀，顶面刻蚀环形金属带，底面刻蚀耦合微带贴片。
空气层2是环形介质板起支撑作用，其相对介电常数为4.4，厚度为2mm。
辐射贴片层3介质板的相对介电常数为2.65，厚度为1.2mm，介质板单面腐蚀，顶面刻蚀辐射微带贴片。
带状线馈电网络层4由带状线馈电网络层上层4-1和带状线馈电网络层下层4-2组成，带状线馈电网络上层介质板4-1-1和带状线馈电网络下层介质板4-2-1两层厚度分别为0.6mm，带状线馈电网络层4相对介电常数均为2.65，总厚度为1.2mm。
所述的带状线馈电网络上层介质板4-1-1为单面腐蚀，顶面印制有金属地板，金属地板的中间位置刻蚀有T形排列的两个H形耦合缝隙4-1-2。
带状线馈电网络下层介质板4-2-1为双面腐蚀，顶面刻蚀带状线馈电网络4-2-2，底面刻蚀金属地板，地板上有矩形开槽4-2-3。
移相馈电网络层5的相对介电常数为2.65，厚度为0.6mm，介质板为双面腐蚀，顶面刻蚀地板底面刻蚀移相馈电网络。
如图2所示，所述的耦合贴片层1包括耦合贴片层介质基板1-1，形状为正方形，尺寸为150mm×150mm×1.2mm；耦合贴片层正面环形金属带1-2，其外边长为150mm，内边长为108mm；耦合贴片层反面耦合贴片1-3，共16个正方形贴片，边长为8.4mm，每个贴片间距24mm。
如图3所示，所述的空气层2包括空气层支撑介质基板2-1，形状为正方形，尺寸为150mm×150mm×2mm；空气层介质基板中央方形中空2-2，其外边长为150mm，内边长为103mm；空气层介质基板矩形中空2-3，尺寸为14.5mm×20mm×2mm，其为天线馈电结构预留空间。
如图4所示，所述的辐射贴片层3包括辐射贴片层介质基板3-1，形状为正方形，尺寸为150mm×150mm×1.2mm；辐射贴片层正面辐射贴片3-2，共16个正方形贴片，边长为8.2mm，每个贴片间距24mm；辐射贴片层介质基板矩形中空3-3，尺寸为14.5mm×20mm×1.2mm，其为天线馈电结构预留空间。
如图5所示，所述的带状线馈电网络层4中的带状线馈电网络层上层4-1；其中带状线馈电网络层上层4-1包括带状线馈电网络层上层介质基板4-1-1，其尺寸为150mm×150mm×0.6mm，带状线馈电网络层上层介质基板正面地板两个H形缝隙4-1-2，其为T型垂直放置的两个同样尺寸H型缝隙，两个H型缝隙邻边间距0.8mm，较宽缝隙尺寸为1mm×3.6mm，较窄缝隙尺寸为0.3mm×3.6mm；带状线馈电网络层上层介质基板矩形中空4-1-3，尺寸为14.5mm×20mm×0.6mm，其为天线馈电结构预留空间。
如图6所示，所述的带状线馈电网络层4中的带状线馈电网络层下层4-2；带状线馈电网络层下层4-2包括带状线馈电网络层下层介质基板4-2-1，其尺寸为150mm×150mm×0.6mm，带状线馈电网络层下层介质基板正面馈电网络4-2-2，其包含8组“一分四”T型功分器，具体走线方式见图6，功分器末端采用圆弧型馈电结构，其半径为1.8mm，角度为143°，带状线馈电网络层下层介质基板反面地板矩形开槽4-2-3，其尺寸为6mm×11mm，带状线馈电网络层下层介质基板矩形中空4-2-4，尺寸为14.5mm×20mm×0.6mm，其为天线馈电结构预留空间。
如图7所示，所述的移相馈电网络层5包括移相馈电网络层介质基板5-1，其尺寸为150mm×150mm×0.6mm；移相馈电网络层反面移相馈电网络5-2，其包含1组“一分八”威尔金森功分器，具体走线方式见图7；移相馈电网络层介质基板矩形中空阵列5-3，共16个中空，每个尺寸为6mm×11mm×0.6mm；移相馈电网络层正面地板矩形开槽5-4，尺寸为14.5mm×20mm×0.6mm，其为天线馈电结构设计。
本发明阵列天线仿真结果如下，
图8是天线阵列的电压驻波比随频率变化曲线，由图8可知，天线阵列的中心频率为f0＝10GHz，在相对带宽为40％的频带内电压驻波比小于2。
图9天线阵列轴比随频率变化曲线，由图9可知，天线阵列在40％的阻抗带宽内轴比基本小于3dB。
图10是天线阵列增益随频率变化曲线，由图10可知，天线阵列在40％的阻抗带宽内增益大于15dB，且增益稳定，增益起伏小于3dB。
图11，图12为天线阵列工作在8GHz的XOZ和YOZ面的平面方向图，其XOZ面的半功率波束宽度为25°，YOZ面的半功率波束宽度为26°。
图13，图14为天线阵列工作在10GHz的XOZ和YOZ面的平面方向图，其XOZ面的半功率波束宽度为22°，YOZ面的半功率波束宽度为22°。
图15，图16为天线阵列工作在12GHz的XOZ和YOZ面的平面方向图，其XOZ面的半功率波束宽度为17°，YOZ面的半功率波束宽度为18°。
本发明为了获得较宽的带宽，采用H形缝隙耦合馈电的方式激励微带双层贴片，通过下层贴片对上层贴片的耦合激励，使两个贴片天线工作在两个相邻的谐振频率处，合并两个谐振带宽从而实现天线的宽带特性。
为了获得较宽的圆极化带宽，本发明采用了双馈点的方法，在馈电网络中引入了宽带90度移相器，获得宽带圆极化波。两个H形缝隙耦合馈电端T形放置，由此提高两个馈电端口的隔离度，进而改善了圆极化特性，扩展了天线的圆极化带宽。
为了实现宽带圆极化，在馈电网络中进入了枝节加载的宽带移相器实现90度相移。在有限的空间内实现复杂的馈电网络，本发明采用多层平面结构，通过微带线转带线的方式，将馈电网络分布在各层平面内，这样实现了天线辐射阵列和馈电网络的一体化设计，天线阵列整体剖面低且结构紧凑。

Claims (10)

1.一种窄波束H形缝隙耦合微带贴片阵列天线，其特征是：包括，耦合贴片层(1)、空气层(2)、辐射贴片层(3)、带状线馈电网络层(4)、移相馈电网络层(5)；其中，带状线馈电网络层(4)是两层介质基板，耦合贴片层(1)、空气层(2)、辐射贴片层(3)、带状线馈电网络层(4)、移相馈电网络层(5)依次叠加连接，耦合贴片层(1)、空气层(2)、辐射贴片层(3)、带状线馈电网络层(4)、移相馈电网络层(5)的叠加总厚度为6.2mm，在天线四周用四颗螺钉加以组合固定。
2.根据权利要求1所述的一种窄波束H形缝隙耦合微带贴片阵列天线，其特征是：所述的耦合贴片层(1)包括耦合贴片层介质基板(1-1)，形状为正方形，尺寸为150mm×150mm×1.2mm；耦合贴片层正面环形金属带(1-2)，其外边长为150mm，内边长为108mm；耦合贴片层反面耦合贴片(1-3)，共16个正方形贴片，边长为8.4mm，每个贴片间距24mm。
3.根据权利要求1所述的一种窄波束H形缝隙耦合微带贴片阵列天线，其特征是：所述的空气层(2)包括空气层支撑介质基板(2-1)，形状为正方形，尺寸为150mm×150mm×2mm；空气层介质基板中央方形中空(2-2)，其外边长为150mm，内边长为103mm；空气层介质基板矩形中空(2-3)，尺寸为14.5mm×20mm×2mm，其为天线馈电结构预留空间。
4.根据权利要求1所述的一种窄波束H形缝隙耦合微带贴片阵列天线，其特征是：所述的辐射贴片层(3)包括辐射贴片层介质基板(3-1)，形状为正方形，尺寸为150mm×150mm×1.2mm；辐射贴片层正面辐射贴片(3-2)，共16个正方形贴片，边长为8.2mm，每个贴片间距24mm；辐射贴片层介质基板矩形中空(3-3)，尺寸为14.5mm×20mm×1.2mm，其为天线馈电结构预留空间。
5.根据权利要求1所述的一种窄波束H形缝隙耦合微带贴片阵列天线，其特征是：所述的带状线馈电网络层(4)中的带状线馈电网络层上层(4-1)；其中带状线馈电网络层上层(4-1)包括带状线馈电网络层上层介质基板(4-1-1)，其尺寸为150mm×150mm×0.6mm，带状线馈电网络层上层介质基板正面地板两个H形缝隙(4-1-2)，其为T型垂直放置的两个同样尺寸H型缝隙，两个H型缝隙邻边间距0.8mm，较宽缝隙尺寸为1mm×3.6mm，较窄缝隙尺寸为0.3mm×3.6mm；带状线馈电网络层上层介质基板矩形中空(4-1-3)，尺寸为14.5mm×20mm×0.6mm，其为天线馈电结构预留空间。
6.根据权利要求1所述的一种窄波束H形缝隙耦合微带贴片阵列天线，其特征是：所述的带状线馈电网络层(4)中的带状线馈电网络层下层(4-2)；带状线馈电网络层下层(4-2)包括带状线馈电网络层下层介质基板(4-2-1)，其尺寸为150mm×150mm×0.6mm，带状线馈电网络层下层介质基板正面馈电网络(4-2-2)，其包含8组“一分四”T型功分器，功分器末端采用圆弧型馈电结构，其半径为1.8mm，角度为143°，带状线馈电网络层下层介质基板反面地板矩形开槽(4-2-3)，其尺寸为6mm×11mm，带状线馈电网络层下层介质基板矩形中空(4-2-4)，尺寸为14.5mm×20mm×0.6mm，其为天线馈电结构预留空间。
7.根据权利要求1所述的一种窄波束H形缝隙耦合微带贴片阵列天线，其特征是：所述的移相馈电网络层(5)包括移相馈电网络层介质基板(5-1)，其尺寸为150mm×150mm×0.6mm；移相馈电网络层反面移相馈电网络(5-2)，其包含1组“一分八”威尔金森功分器；移相馈电网络层介质基板矩形中空阵列(5-3)，共16个中空，每个尺寸为6mm×11mm×0.6mm；移相馈电网络层正面地板矩形开槽(5-4)，尺寸为14.5mm×20mm×0.6mm。
8.根据权利要求1所述的一种窄波束H形缝隙耦合微带贴片阵列天线，其特征是：所述的耦合贴片层(1)介质板的相对介电常数为2.65，厚度为1.2mm，介质板双面腐蚀，顶面刻蚀环形金属带，底面刻蚀耦合微带贴片。
9.根据权利要求1所述的一种窄波束H形缝隙耦合微带贴片阵列天线，其特征是：所述的空气层(2)是环形介质板起支撑作用，其相对介电常数为4.4，厚度为2mm。
10.根据权利要求1所述的一种窄波束H形缝隙耦合微带贴片阵列天线，其特征是：所述的辐射贴片层(3)介质板的相对介电常数为2.65，厚度为1.2mm，介质板单面腐蚀，顶面刻蚀辐射微带贴片。
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