CN118099724B - 基于双层微带贴片天线的收发共口径双极化平面阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双层微带贴片天线的收发共口径双极化平面阵列天线，属于天线馈源技术领域。其结构包括双极化微带辐射阵列、垂直极化馈电网络以及水平极化馈电网络。双极化微带辐射阵列由微带辐射单元二维组阵而成，每个微带辐射单元为带有纵向功分结构的双层微带贴片天线，采用空气微带线缝隙耦合馈电；垂直极化馈电网络与水平极化馈电网络均为并联级联空气微带线功分网络，其中垂直极化馈电网络在上方，水平极化馈电网络在下方。本发明通过合理布局，实现了高效率、低剖面、轻量化的收发共口径双极化平面阵列天线。

Description

基于双层微带贴片天线的收发共口径双极化平面阵列天线

技术领域

本发明涉及天线馈源领域，尤其涉及基于双层微带贴片天线的收发共口径双极化平面阵列天线。

背景技术

在移动通信应用中，天线的重量和尺寸非常重要，因为它们可以降低移动载体的有效载荷，并且可以减少相应的操作费用。在卫星通信领域，管理规定移动卫星的定向发射操作期间在相邻的卫星之前不产生干扰，为此，需要设计的天线波瓣宽度不能超过特定的数值。这导致了根据该指标的天线特性的严格要求，随着波瓣宽度的减小，天线增益也相应增高。在移动通信应用最广泛的天线有反射面天线、平板天线、相控阵天线三种。反射面天线具有高增益、低副瓣的特点，但它本身体积大，需要较大的净空空间。相控阵天线可以很灵活的控制波束方向，但其加工设计复杂，成本很高。平板天线则是二者的折中方案，能够很好的兼顾性能和尺寸矛盾。

目前应用的最多的卫星通信平板天线是喇叭阵列天线，它有着带宽高、效率高、容易实现双极化、收发共口径等特点，但由于天线是全金属结构，喇叭阵列天线有着相当的重量以及剖面高度，不利于便携收纳等。而微带天线剖面更低，重量更轻，能更好的贴合卫星通信动中通的应用。但微带阵列天线多采用微带线功分网络，当应用频率升高时，功分网络的损耗会增加，导致天线的增益降低。因此需要一款既能满足低剖面要求，又能满足高增益高效率要求的卫星通信微带平面阵列天线。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种基于双层微带贴片天线的收发共口径双极化平面阵列天线，该天线实现了高效率、低剖面、双极化、收发共口径特性，并且具有交叉极化隔离度高与结构紧凑等特点。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于双层微带贴片天线的收发共口径双极化平面阵列天线，包括双极化微带辐射阵列、垂直极化馈电网络以及水平极化馈电网络；

所述双极化微带辐射阵列由微带辐射单元二维组阵而成，每个微带辐射单元为带有纵向功分结构的双层微带贴片天线，采用缝隙耦合的馈电形式，有两个输入端口，分别为垂直极化输入端口与水平极化输入端口，具体由五层结构组成，从上而下包括辐射层、驱动层、垂直极化馈电层、隔离层以及水平极化馈电层。

进一步地，所述辐射层由四个微带辐射贴片、第一介质基板组成。微带辐射贴片印制于第一介质基板上，与驱动层的贴片组成纵向功分结构，其作用是用均匀分配驱动贴片辐射的电磁波，保证双极化微带辐射阵列的辐射方向图不出现栅瓣。

进一步地，驱动层由驱动贴片、第二介质基板、带有耦合窗口的金属地平面组成。驱动贴片印制于第二介质基板的上方（接近辐射层一侧），激发垂直极化波与水平极化波。带有耦合窗口的金属地平面印制于第二介质基板的下方，金属地平面的耦合窗口可以是矩形或十字形或其他图形，实现垂直极化馈电层与水平极化馈电层和驱动层之间的电磁耦合。

进一步地，所述微带辐射单元具有双极化模式，即垂直极化模式与水平极化模式，每个极化模式可以是单频段工作，也可以是双频段工作。当每个极化模式单频段工作时，每个极化模式的工作频率分别对应接收频率或发射频率；当每个极化模式双频段工作时，每个极化模式的工作频率同时包含接收频率和发射频率。

进一步地，垂直极化馈电层由第三介质基板，垂直极化空气微带线组成。垂直极化层以及其上下的空气组成了微带辐射单元的垂直极化空气微带线端口。垂直极化空气微带线插入驱动贴片下方空间，且其末端超过驱动层中心一段距离，激励驱动贴片产生垂直极化模式的电磁波。

进一步地，所述隔离层结构为开有水平极化耦合槽的金属薄板，其作用是实现水平极化的耦合，同时增加垂直极化馈电层与水平极化馈电层的隔离度。

进一步地，所述隔离层结构还可以为正反面开有水平极化耦合槽的介质基板，水平极化耦合槽外围均金属化通孔连通上下表面，形成接地屏蔽，实现水平极化的耦合，同时增加垂直极化馈电层与水平极化馈电层的隔离度

进一步地，所述水平极化馈电层由第四介质基板，水平极化空气微带线组成。水平极化层以及其上下的空气组成了微带辐射单元的水平极化输入端口。水平极化空气微带线可以是单分支馈电结构也可以是双分支馈电结构。分支馈电结构的空气微带线末端超过水平极化耦合槽中心一段距离，激励驱动贴片产生水平极化模式的电磁波，实现阻抗匹配。

所述垂直极化馈电网络与所述水平极化馈电网络均为空气微带线结构，采用并联级联馈电的方式将输入信号分配到辐射阵元，其中垂直极化馈电网络连接至微带辐射单元的垂直极化输入端口，水平极化馈电网络连接至水平极化输入端口。

进一步地，所述垂直极化馈电网络是空气微带线结构，而水平极化馈电网络可以是并联级联馈电的全金属波导结构。

进一步地，所述水平极化馈电网络是空气微带线结构，而垂直极化馈电网络可以是并联级联馈电的全金属波导结构。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1．本发明使用带有纵向功分结构的双层微带贴片天线作为微带辐射单元，该结构既能扩展天线的带宽，又能扩展天线单元的排布周期，还能降低天线的剖面高度。

2.本发明采用双层空气微带线馈电网络结构。与传统的微带线馈电网络结构相比，空气微带线损耗更低，能满足高频段下的使用要求。

附图说明

图1 是本发明示例所实施的8*8单元基于双层微带贴片天线的收发共口径双极化平面阵列天线侧示意图；

图2是本发明示例所实施的双层微带贴片天线结构的爆炸示意图；

图3是本发明示例所实施的双层微带贴片天线单元的每层的平面示意图；

图4是本发明示例所实施的双层微带贴片天线单元的辐射电场图；

图5是本发明示例所实施的基于双层微带贴片天线的收发共口径双极化平面阵列天线的馈电结构示意图；

图6是本发明示例所实施的基于双层微带贴片天线的收发共口径双极化平面阵列天线的输入端口反射系数幅度值仿真结果图；

图7是本发明示例所实施的基于双层微带贴片天线的收发共口径双极化平面阵列天线在11-12.75GHz 频段远场仿真结果图；

图8是本发明示例所实施的基于双层微带贴片天线的收发共口径双极化平面阵列天线在13.75-14.5GHz 频段远场仿真结果图；

图9是本发明示例所实施的基于双层微带贴片天线的收发共口径双极化平面阵列天线仿真增益与理论增益之间的对比图；

图10是本发明示例所实施的基于双层微带贴片天线的收发共口径双极化平面阵列天线的微带辐射单元的第二种隔离层结构示意图；

图11是本发明实例所实施的双层微带贴片天线采用波导结构馈电的示例的爆炸示意图；

图12是本发明示例所实施的基于双层微带贴片天线的收发共口径双极化平面阵列天线的金属波导馈电结构示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种基于双层微带贴片天线的收发共口径双极化平面阵列天线结构，该结构可应用于卫星通信。下面将结合本实施中的附图，对本发明实例中的技术方案进行清楚完整的描述。

实施例1：

参考图1所示，本发明实施的基于双层微带贴片天线的收发共口径双极化平面阵列天线，包括辐射阵元1，垂直极化馈电网络2，水平极化馈电网络3；垂直极化馈电网络2在水平极化馈电网络3的上方；

所述微带辐射单元具有双极化模式，即垂直极化模式与水平极化模式。垂直极化模式与水平极化模式可以是单频段工作，此时垂直极化模式的工作频率与水平极化模式的工作频率分别对应接收频率或发射频率；或者垂直极化模式与水平极化模式也可以是双频段工作，此时垂直极化模式的工作频率与水平极化模式的工作频率同时包含接收频率和发射频率。

参考图2所示，为所述辐射阵元1的爆炸示意图。从上至下分为五层，分别为辐射层11，驱动层12，垂直极化馈电层13，隔离层14，水平极化馈电层15。辐射阵元1有两个输入端口，分别为垂直极化输入端口16以及水平极化输入端口17，均为空气微带线结构。

参考图3所示，为所述辐射阵元1的各层的平面示意图。

所述辐射层11，其结构包括第一介质基板111，微带辐射贴片112。微带辐射贴片112排布周期为微带辐射单元的排布周期的一半，印制于第一介质基板111上。

所述驱动层12，其结构包括第二介质基板121，驱动贴片122，金属地板123。驱动贴片122位于第二介质基板的正面，贴片尺寸为p2x * p2y，其中p2x约等于微带天线水平极化谐振频率波长的一半，p2y约等于微带天线垂直极化谐振频率的一半。金属地板123位于第二介质基板背面，其中心位置金属被挖去，形成耦合窗口，用以耦合垂直、水平极化的电磁波。

所述垂直极化馈电层13，其结构包括第三介质基板131以及垂直极化空气微带线132。垂直极化空气微带线132向内插入到驱动贴片122的正下方，其首端在第三介质基板131边缘位置，末端要超过驱动贴片122中心1~4mm，激励驱动贴片122产生垂直极化模式的电磁波。所述垂直极化馈电层以及其上下的空气形成了微带辐射单元的垂直极化空气微带线端口。

所述隔离层14，其结构为开有矩形槽的金属薄板141，其作用是增加垂直极化馈电层与水平极化馈电层的隔离度。矩形槽长度为水平极化谐振波长的1/4~1/2。

所述水平极化馈电层15，其结构包括第四介质基板151以及第二空气微带线152。第二空气微带线152在向内插入的过程中进行了T形变化，从单馈空气微带线变成了双馈空气微带线，用于增大水平极化能量的耦合量，双空气微带线的末端超过隔离槽中心1~4mm。

参考图4所示，为所述辐射阵元1的电场模式。垂直馈电层13产生垂直极化TM10模式，水平馈电层15产生TM01模式。

参考图5所示，为所述垂直极化馈电网络2包括第一并联级联空气微带线馈电网络21，有1个输入端，64个输出端口，每个输出端口连接至辐射阵元1的垂直极化波输入端口16。

水平极化馈电网络结构与垂直极化馈电网络完全相同，这里不再附图。所述水平极化馈电网络3包括第二并联级联空气微带线馈电网络。第二并联级联空气微带线功分网络结构有1个输入端，64个输出端口，每个输出端口连接至辐射阵元1的水平极化波输入端口17。

参考图6、图7、图8、图9给出了本发明实施的基于双层微带贴片天线的收发共口径双极化平面阵列天线的仿真结果。其中，图6给出了天线的输入端口反射系数幅度值的仿真结果，在 11-12.75GHz 频段内，频带边缘处反射系数优于-9.3dB，频带中心反射系数优于-12.5dB；在13.75-14.5GHz 频段内反射系数优于-9.6dB，均证明了天线在设计频段的良好匹配特性。图7与图8给出了天线在11-12.75GHz 频段与13.75-14.5GHz 频段的辐射方向图，在两个频段内，天线辐射方向图第一副瓣电平均在-13.6dB附近，主瓣波束宽度为6°左右，证明了天线具有良好的辐射特性；图9给出了天线的仿真增益与理论增益之间的对比，天线增益比理论值低 0.4-0.6dBi，天线效率在87%以上，证明了天线的高效率低损耗的特点。

按照本参考示例设计天线，不仅能有效地扩展了微带天线的工作带宽，增大了微带贴片阵元的排布周期，同时还可以给馈电结构留出了更多的排布空间，进一步降低了天线的剖面高度以及加工复杂度。以Ku频段卫星通信平板天线为例，本示例设计的天线剖面高度约为25mm，远低于其他能查阅到的Ku频段卫星通信平板天线的剖面高度。

实施例2：

参考图10所示，所述隔离层14，其结构亦可为正反面开有矩形槽的介质基板18代替，矩形槽181外围使用金属化通孔182连通上下表面，形成接地屏蔽，保证电磁波只在矩形槽中通过。矩形槽作用是增加垂直极化馈电层与水平极化馈电层的隔离度。矩形槽长度为水平极化谐振波长的1/4~1/2。

相比于开有矩形槽的金属薄板141，正反面开有矩形槽的介质基板18在加工实现上更为简单。

实施例3：

参考图11所示，所述辐射阵元1，可以使用波导水平极化馈电层19代替原来的水平极化馈电层15，辐射阵元中的水平极化馈电层15变为波导结构。

参考图12所示，所述水平极化馈电网络3替换为全金属波导结构，包含第一并联级联波导馈电网络22。第一并联级联波导馈电网络22有1个输入端，64个输出端口，每个输出端口连接至辐射阵元1的波导水平极化输入端口。

使用波导水平极化馈电层19会增加天线的剖面高度，但是好处是可以降低天线的加工成本。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后、水平、垂直等），则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

以上是本发明的具体实施方式，本领域的技术人员可以通过应用本发明公开的方法以及一些没有做出创造性劳动前提下的替代方式制作出一种双极化共口径喇叭阵列天线，本发明结构具有低剖面、损耗小、设计简单和易加工等特点。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.基于双层微带贴片天线的收发共口径双极化平面阵列天线，其特征在于，包括：双极化微带辐射阵列、垂直极化馈电网络以及水平极化馈电网络；

所述双极化微带辐射阵列由微带辐射单元二维组阵而成，每个微带辐射单元为带有纵向功分结构的双层微带贴片天线，采用缝隙耦合的馈电形式，输入端口分别为垂直极化输入端口与水平极化输入端口；所述微带辐射单元通过辐射层，驱动层，垂直极化馈电层，隔离层和水平极化馈电层依次连接组成；所述驱动层由第二介质基板，驱动贴片和金属地板组成，所述驱动贴片印制于第二介质基板，所述金属地板安装于第二介质基板背面，其中心位置金属被挖去，形成耦合窗口，用以耦合垂直、水平极化的电磁波；

所述垂直极化馈电网络为空气微带线结构，采用并联级联馈电的方式将输入信号分配到微带辐射单元，其中垂直极化馈电网络连接至微带辐射单元的垂直极化输入端口；

所述水平极化馈电网络为空气微带线结构或全金属波导结构，水平极化馈电网络连接至微带辐射单元的水平极化输入端口。

2.根据权利要求1所述的基于双层微带贴片天线的收发共口径双极化平面阵列天线，其特征在于，所述辐射层由辐射贴片印制于第一介质基板构成，所述辐射贴片的排布周期为阵元排布周期的一半。

3.根据权利要求1所述的基于双层微带贴片天线的收发共口径双极化平面阵列天线，其特征在于，所述驱动贴片的长为微带天线水平极化谐振频率波长的一半，所述驱动贴片的宽为微带天线垂直极化谐振频率的一半。

4.根据权利要求1所述的基于双层微带贴片天线的收发共口径双极化平面阵列天线，其特征在于，所述垂直极化馈电层包括第三介质基板以及垂直极化空气微带线；所述垂直极化空气微带线向内插入到驱动贴片的正下方；所述垂直极化馈电层以及其上下的空气形成了微带辐射单元的垂直极化空气微带线端口。

5.根据权利要求1所述的基于双层微带贴片天线的收发共口径双极化平面阵列天线，其特征在于，所述隔离层为开有水平极化耦合槽的金属薄板，所述水平极化耦合槽长度为水平极化谐振波长的1/4~1/2。

6.根据权利要求1所述的基于双层微带贴片天线的收发共口径双极化平面阵列天线，其特征在于，所述微带辐射单元的隔离层为正反面开有水平极化耦合槽的介质基板，水平极化耦合槽外围均有金属化通孔连通上下表面，形成接地屏蔽，实现水平极化的耦合。

7.根据权利要求1所述的基于双层微带贴片天线的收发共口径双极化平面阵列天线，其特征在于，所述水平极化馈电网络为空气微带线结构时，所述水平极化馈电层包括第四介质基板以及第二空气微带线；所述第二空气微带线在向内插入的过程中能够进行T型变换，从单馈线结构变为双馈线结构，增大耦合量。

8.根据权利要求1所述的基于双层微带贴片天线的收发共口径双极化平面阵列天线，其特征在于，所述微带辐射单元具有双极化模式，即垂直极化模式与水平极化模式；

所述垂直极化模式与水平极化模式的工作频率包括单频段工作和双频段工作；

所述单频段工作时，垂直极化模式的工作频率与水平极化模式的工作频率分别对应接收频率或发射频率；所述双频段工作时，垂直极化模式的工作频率与水平极化模式的工作频率同时包含接收频率和发射频率。

9.根据权利要求1所述的基于双层微带贴片天线的收发共口径双极化平面阵列天线，其特征在于，所述水平极化馈电网络为全金属波导结构时，辐射阵元中的水平极化馈电层为波导结构，所述水平极化输入端口为波导水平极化输入端口。