CN111900536A - 一种具有层叠结构的微带天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有层叠结构的微带天线，属于天线技术领域。该天线包括从上到下依次设置的第一介质层、第二介质层、第三介质层以及射频接插件；其中第一介质层、第二介质层和第三介质层采用多层印制板加工工艺实现层与层之间紧密贴合，实现天线结构一体化设计，射频接插件外导体焊接在第三介质层的下表面的金属地上，实现与天线辐射体的可靠固定连接，射频接插件完成微波信号的接收与发射。本发明具有小型化、带宽宽、结构紧凑、可实现双频圆极化辐射特点。

Description

一种具有层叠结构的微带天线

技术领域

本发明涉及到天线技术领域，特别涉及一种具有层叠结构的微带天线。

背景技术

目前，在卫星通信领域通信的频谱越来越宽，对射频终端的要求也越来越高，这就需要天线的工作带宽也逐渐拓宽。卫星通信、导航通信系统往往需要设备，具有收、发信号功能，且收发信号的频段不同，对天线提出的要求就是，多频、宽带工作；随着相控阵天线技术的快速发展，其独有的技术优势使其越来越受到广大工程技术人员的重视，天线辐射单元作为相控阵天线的关键技术部件之一，其性能的优良程度直接影响卫星通信的质量。

现阶段圆极化微带天线主要有以下几种形式：

1、对角线切角圆极化微带天线：该形式天线结构简单，轮廓低，但天线轴比、驻波带宽小于2％。

2、集成电桥的圆极化微带天线形式，该形式的微带天线轴比、驻波带宽较宽通常其小于3dB轴比带宽大于15％，小于2的驻波带宽大于20％，但外接圆极化电桥占用空间较大、馈线冗长、差损较大，不利于天线、网络一体化设计。

3、缝隙耦合圆极化微带天线，该形式的圆极化微带天线与传统的圆极化微带天线比较，具有阻抗、轴比带宽宽的特点，但由于缝隙结构的不对称性，往往需要加载隔离电阻实现较宽的轴比带宽，这样产生了两个问题：一方面，隔离电阻需要人工焊接，当阵列规模较大时，需要巨大的工作量，又很难保证单元焊接的一致性；另一方面，隔离电阻会产生一定的差损，导致辐射增益不同程度的下降。

以上几种圆极化微带天线各有优缺点，虽个别指标特性较优，它们的共性缺陷是无法满足小型化宽频段工作的技术要求，尤其是作为宽带、多频工作的相控阵天线单元。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种具有层叠结构的微带天线，其具有小型化、带宽宽、结构紧凑和双频圆极化辐射的特点

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种具有层叠结构的微带天线，包括射频接插件，还包括从上到下依次设置的第一介质层、第二介质层以及第三介质层；

所述第一介质层的主体为方形的第一介质板；所述第二介质层的主体为方形的第二介质板；在第一介质板上表面相对的两角位置均设有振子臂；在第二介质板的上表面另一相对的两角位置均设有振子臂；同一表面上两振子臂关于对应介质板上表面的中心点对称，且两振子臂的内顶点连线的水平夹角为45°；

所述振子臂为具有开口的矩形环状结构，振子臂的长边平行于对应介质板其中一边；所述开口均位于对应矩形环状结构的内侧宽边上并紧贴于内侧长边，开口的长度为宽边长度的三分之一；

所述第三介质层的主体为第三介质板，在第三介质板的上表面设有微带功分器，微带功分器包括合成端口和两个输出端口，第三介质板的下表面设有金属地；所述合成端口与射频接插件的内导体连接，金属地与射频接插件的外导体连接；

还包括直线排布的金属过孔组成的金属过孔组，每个金属过孔组分别位于对应振子臂的内侧长边并紧贴于开口位置，且金属过孔组平行于内侧长边并垂直于第一介质板；所述金属过孔组的另一端导通第三介质板下表面的金属地；

在第一介质板的上表面和第二介质板的上表面还均设有激励过孔和开路过孔终端；同一表面的激励过孔和开路过孔终端分别位于对应矩形环状结构的外侧，且激励过孔和开路过孔终端与对应矩形环状结构上金属过孔组中心的连线垂直于其内侧长边；第一介质板上表面的激励过孔和第二介质板上表面的激励过孔的连线的投影平行于对应矩形环状结构的内侧长边；

所述激励过孔和开路过孔终端通过对应表面上的跨接带线连接；激励过孔和开路过孔终端均垂直于第一介质板；每个激励过孔的另一端连接微带功分器对应的输出端口；每个开路过孔终端的另一端均位于金属地的上方，且不与金属地接触。

进一步的，所述金属过孔组包括排布成直线4个金属过孔。

本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于：

1、本发明采用多层印制板加工工艺与机械加工的天线相比，其具有结构紧凑，易集成，电尺寸小的特点。

2、本发明采用耦合馈电的方式，提高了天线的阻抗带宽，分层设置的缺口型的一对振子实现不同频率的涡旋电流的分布，从而实现双频圆极化共口径辐射。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是图1中第一介质板上表面的结构示意图。

图3是图1中第二介质板上表面的结构示意图。

图4是图1中第三介质板上表面的结构示意图。

图中：1、第一介质层，2、第二介质层，3、第三介质层，6、振子臂，7、金属过孔组，8、激励过孔，9、金属过孔组，10、开路过孔终端，12、输出端口，13、跨接带线，14、振子臂，15、金属过孔组，16、激励过孔，18、跨接带线，19、金属过孔组，20、开路过孔终端，22、输出端口，23、合成端口，24微带功分器。

具体实施方式

下面，结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

一种具有层叠结构的微带天线，包括射频接插件，还包括从上到下依次设置的第一介质层、第二介质层以及第三介质层；

所述第一介质层的主体为方形的第一介质板；所述第二介质层的主体为方形的第二介质板；在第一介质板上表面相对的两角位置均设有振子臂；在第二介质板的上表面另一相对的两角位置均设有振子臂；同一表面上两振子臂的内顶点连线的水平夹角为45°；

所述振子臂为具有开口的矩形环状结构，振子臂的长边平行于对应介质板其中一边；所述开口均位于对应矩形环状结构的内侧宽边上并紧贴于内侧长边，开口的长度为宽边长度的三分之一；两振子臂关于对应介质板上表面的中心点对称；

所述第三介质层的主体为第三介质板，在第三介质板的上表面设有微带功分器，微带功分器包括合成端口和两个输出端口，第三介质板的下表面设有金属地；所述合成端口与射频接插件的内导体连接，金属地与射频接插件的外导体连接；

还包括线性排布的金属过孔组成的金属过孔组，每个金属过孔组分别位于对应振子臂的内侧长边并紧贴于开口位置，且金属过孔组平行于内侧长边并垂直于第一介质板；所述金属过孔组的另一端导通第三介质板下表面的金属地；

在第一介质板的上表面和第二介质板的上表面还均设有激励过孔和开路过孔终端；同一表面的激励过孔和开路过孔终端分别位于对应矩形环状结构的外侧，且激励过孔和开路过孔终端与对应矩形环状结构中心的连线垂直于其内侧长边；第一介质板上表面的激励过孔和第二介质板上表面的激励过孔的连线的投影平行于对应矩形环状结构的内侧长边；

所述激励过孔和开路过孔终端通过对应表面上的跨接带线连接；激励过孔和开路过孔终端均垂直于第一介质板；每个激励过孔的另一端连接微带功分器对应的输出端口；每个开路过孔终端的另一端均位于金属地的上方，且不与金属地接触。

进一步的，所述金属过孔组包括排布成线性阵列4个金属过孔。

下面为一个更具体的实施例：

如图1～4所示，本实施例包括第一介质层1、第二介质层2、第三介质层3、和射频接插件，其中第一介质层1、第二介质层2、第三介质层3采用多层印制板加工工艺实现层与层之间紧密贴合，实现天线结构一体化设计，射频接插件外导体焊接在第三介质层3的下表面金属地上，实现与天线辐射体的可靠固定连接，射频接插件完成微波信号的接收与发射。

本实施例可同时工作在高、低两个频段，高频段用F_h表示，低频段用F_l表示。

第一介质层1位于最上层，截面呈正方形，上表面设置有工作在低频段F₁的两个矩形环状结构的振子臂6，二者关于介质层表面几何中心点呈180°旋转对称，振子臂6偏离于介质层1表面的几何中心点，两个振子臂6靠近几何中心的顶点连线与水平方向呈45°夹角。

振子臂6呈具有开口的矩形环状结构，矩形环线宽为0.015λ_l(λ_l为F₁频段的中心频率对应波长)，长边长度为0.33λ_l,短边长度0.17λ_l。

金属过孔组7贯穿介质层1和介质层3之间，其一端垂直馈接于一个振子臂6的起始端(起始端为靠近几何中心的顶点)，沿着矩形环状振子的长边排列，另一端与第三层介质金属地实现电连接构成天线结构的整体辐射结构，同样对应的振子臂做同样设置；

振子臂6的起始端相邻的短边位置设置有开口，实现电流的截断，从而激励起谐振电流。

金属过孔组7，过孔直径为1mm，间距为0.3mm，其作用是导通金属地与振子臂6，构成天线结构的整体辐射结构。

与金属过孔组7相邻位置设置有激励过孔8，其位置偏离于金属过孔组7的几何中心线，间隙为0.5mm左右；其起始端与位于介质层3的上表面的微带功分器的输出端口12相连，另一端与跨接带线13的一端相连。

与金属过孔组9相邻设置有开路过孔终端10，与上述属过孔阵列7和激励过孔8的位置设置一致，开路过孔终端10下深长度短于激励过孔8，长度为0.05λ_l,其介质层3下表面金属地不接触。

在介质层1的上表面，在激励过孔8和开路过孔终端10之间设置有带线跨接带线13，使二者导通信号。

同样，工作在F_h频段的天线辐射结构设置在F_l频段天线的正交位置，两个矩形环状结构的振子臂14位于第二介质层2的上表面，二者关于介质层表面几何中心点呈180°旋转对称，振子臂14偏离于第二介质层2上表面的几何中心点，两个振子臂14靠近几何中心的顶点连线与水平方向呈135度。

金属过孔组15一端垂直馈接于振子臂14的起始端，另一端与第三介质层3下表面的金属地实现电连接，二者构成F_h频段天线整体辐射结构1/2部分，同样与之呈180°旋转对称位置设置有另1/2部分辐射结构。

进一步地，振子臂14呈矩形环状结构，环状线宽为0.011λ_h(λ_h为F_h频段的中心频率对应波长)，长边长度为0.3λ_h,短边长度0.15λ_h。

进一步地，同样在振子臂14的靠近几何中心顶点的短边位置设置有开口，实现电流的截断，激励起谐振电流。

与金属过孔组15相邻位置设置有激励过孔16，其起始端与微带功分器24的输出端口22相连，另一端与跨接带线18的一端相连；

进一步地，与金属过孔组19相邻设置有开路过孔终端20，其长度比激励过孔16短，与金属地不接触。

进一步地，位于第二介质层2的上表面，在激励过孔16和开路过孔终端20之间设置有跨接带线18，使二者导通信号。

这样F_l频段天线的信号和F_h频段天线的信号经由激励过孔进入到微带功分器24的输入端口，并完成功率合成，经由合成端口23输入，送入射频接插件。

本层叠结构微带天线装置主要其包括微波介质和射频接插件两个部件，微波介质层采用多层板加工工艺，介质内部内部为多层介质、金属化过孔，结构紧凑、轮廓低满足数字通信系统对天线部件的结构、电气的技术要求，其技术优势明显。

该层叠结构微带天线工作原理如下：当发射信号进入到射频接插件4时，进入到微带功分器24的合成端口23，并功分成两路信号通过输出端口12和22，分别输送到高频段F_h天线结构和低频段F_l天线结构中，以低频端天线结构为例说明：

信号经由输出端口12进入激励过孔8，激励过孔8将一部分能量通过耦合方式将信号耦合到金属过孔组7，金属过孔其将信号传递给振子臂6的一臂，电磁波信号在其上表面产生震荡，开口结构振子臂上的表面电流为旋转场，激励过孔8通过跨接带线13把一部分能量输送给开路过孔终端10，同时耦合金属过孔组9把信号输送给振子臂6另一臂8，并激励起振荡信号，一对振子臂6和振子臂8表面上电流在空间实现同相位功率合成，辐射到自由空间。

与上述原理相同，F_h频段天线位于第二介质层2的上表面，其辐射信号经过第一介质层1辐射到自由空间，两频段天线的信号在微带功分器器24进行合成，经由射频接插件收、发信号，从而实现高(F_h)、低(F_l)频段的自由收、发。

需要理解的是，上述对于本专利具体实施方式的叙述仅仅是为了便于本领域普通技术人员理解本专利方案而列举的示例性描述，并非暗示本专利的保护范围仅仅被限制在这些个例中，本领域普通技术人员完全可以在对本专利技术方案做出充分理解的前提下，以不付出任何创造性劳动的形式，通过对本专利所列举的各个例采取组合技术特征、替换部分技术特征、加入更多技术特征等等方式，得到更多的具体实施方式，所有这些具体实施方式均在本专利权利要求书的涵盖范围之内，因此，这些新的具体实施方式也应在本专利的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种具有层叠结构的微带天线，包括射频接插件，其特征在于，还包括从上到下依次设置的第一介质层(1)、第二介质层(2)以及第三介质层(3)；

所述第一介质层的主体为方形的第一介质板；所述第二介质层的主体为方形的第二介质板；在第一介质板上表面相对的两角位置均设有振子臂；在第二介质板的上表面另一相对的两角位置均设有振子臂；同一表面上两振子臂关于对应介质板上表面的中心点对称，且两振子臂的内顶点连线的水平夹角为45°；

所述振子臂为具有开口的矩形环状结构，振子臂的长边平行于对应介质板其中一边；所述开口均位于对应矩形环状结构的内侧宽边上并紧贴于内侧长边，开口的长度为宽边长度的三分之一；

所述第三介质层的主体为第三介质板，在第三介质板的上表面设有微带功分器(24)，微带功分器包括合成端口和两个输出端口，第三介质板的下表面设有金属地；所述合成端口与射频接插件的内导体连接，金属地与射频接插件的外导体连接；

还包括直线排布的金属过孔组成的金属过孔组，每个金属过孔组分别位于对应振子臂的内侧长边并紧贴于开口位置，且金属过孔组平行于内侧长边并垂直于第一介质板；所述金属过孔组的另一端导通第三介质板下表面的金属地；

在第一介质板的上表面和第二介质板的上表面还均设有激励过孔和开路过孔终端；同一表面的激励过孔和开路过孔终端分别位于对应矩形环状结构的外侧，且激励过孔和开路过孔终端与对应矩形环状结构上金属过孔组中心的连线垂直于其内侧长边；第一介质板上表面的激励过孔和第二介质板上表面的激励过孔的连线的投影平行于对应矩形环状结构的内侧长边；

所述激励过孔和开路过孔终端通过对应表面上的跨接带线连接；激励过孔和开路过孔终端均垂直于第一介质板；每个激励过孔的另一端连接微带功分器对应的输出端口；每个开路过孔终端的另一端均位于金属地的上方，且不与金属地接触。

2.根据权利要求1所述的一种具有层叠结构的微带天线，其特征在于，所述金属过孔组包括排布成直线4个金属过孔。

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