单层双频圆极化微带阵列天线

摘要

本发明公开了一种单层双频圆极化微带阵列天线。该装置包括单层微波介质基板、双频圆极化辐射单元和双频共用的微带功分网络。其中，所述双频圆极化辐射单元由两个工作频率不同的圆极化辐射贴片共同连接构成。通设置连接点位置，使两个贴片在各自频率正常工作而互不影响。所述双频共用的微带功分网络由双频T型微带功分器和微带线共同构成。由于所述双频圆极化辐射单元采用微带馈电，可以组成高增益的双频圆极化阵列天线；另外，由于所述双频圆极化辐射单元仅有一个馈点，可以在单层微波介质基板上实现微带功分网络的共用，避免了复杂的多层馈电结构。因此，该双频圆极化微带阵列天线不仅能够实现双频圆极化收发共用，而且结构简单，成本低，便于实现。

说明书

技术领域

本发明属于卫星通信天线技术领域，特别是一种单层双频圆极化微带阵列天线。

背景技术

“动中通”是指搭载在移动载体上，在其移动过程中仍能与卫星保持正常通信的通 信系统。相比固定通信系统，它的突出优点是能快速部署且生存能力强。在军事、救灾、 反恐、交通管理等应用中，利用“动中通”可以即时掌握现场图像、声音等多媒体信息， 从而做出正确的决策。

“动中通”的核心部件之一是卫星通信天线。天线首先应具备高增益，否则无法正 常收发卫星信号，这对天线增益提出了非常高的要求。其次，天线应体积小、重量轻， 便于与载体的集成。再次，“动中通”天线往往采用圆极化工作方式，这是因为载体相 对于卫星的方位实时变化，如果采用线极化通信则极化对准非常困难，而圆极化就不存 在该问题。最后，卫星的上行和下行链路采用不同的频率和极化方式，所以更先进的天 线一般还要求具有双极化收发共用能力，以大大减小天线的体积。传统的抛物面天线因 为笨重、体积大，已经跟不上发展的需要。因此兼具有高增益和低剖面的双频双圆极化 收发共用天线成为一个重要发展趋势，是当前“动中通”天线的一个研究热点。

微带天线是平板天线的重要类型，它是通过在覆铜介质板上刻蚀图形来实现。由于 介质板厚度为毫米级，不仅体积小、重量轻，还容易实现与载体的共形；而刻蚀图形加 工精度高、设计自由度大，容易实现双频等功能。当前已经发表或者公开的微带型双频 双圆极化天线多是采用两个旋向相反的圆极化辐射贴片多层叠加而成，两种旋向的圆极 化天线分别采用探针进行馈电。例如中国专利公开的“三频宽波束圆极化天线”(申请 号：200620078410.9)、“小型双频双圆极化款柏树多层微带天线”(申请号： 200910024114.9)，以及文献“P.Nayeri,K.-F.Lee,A.Z.Elsherbeni,and F.Yang,“Dual-band  circularly polarized antennas using stacked patches with asymmetric U-Slots,”IEEE Antennas  and Wireless Propagation Letters,vol.10,pp.492-495,2011.”等都是采用的这种结构。这 种多层叠加的结构不仅结构复杂、天线成本高，而且由于采用多探针馈电，仅能实现单 个宽波束的双频圆极化辐射单元，而不能在单层微波介质板上实现双频圆极化天线阵 列。到目前位置，还没有一种结构简单的高增益双频圆极化微带阵列天线见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单层结构的、能够实现双频圆极化的单层双频圆极化微 带阵列天线。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种单层双频圆极化微带阵列天线，包括单层 微波介质基板、双频圆极化辐射单元和双频共用的微带功分网络：其中，所述双频圆极 化辐射单元由一个工作频率为f₁的圆极化辐射贴片和一个工作频率为f₂的圆极化辐射贴 片共同连接构成，工作频率为f₁的圆极化辐射贴片连接一段长度为d₁的微带线，工作频 率为f₂的圆极化辐射贴片连接一段长度为d₂的微带线，这两段微带线相交于点A，该点 A即为双频圆极化辐射单元的馈电点；所述双频共用的微带功分网络由双频T型微带功 分器和微带线共同构成。

所述长度为d₁的微带线以及长度为d₂的微带线的选取原则为：工作频率为f₁的圆 极化辐射贴片工作时，从拼接点A向工作频率为f₂的圆极化辐射贴片看去的输入阻抗为 等效开路；反之，当工作频率为f₂的圆极化辐射贴片工作时，从拼接点A向工作频率为 f₁的圆极化辐射贴片看去的输入阻抗也为等效开路。所述双频T型微带功分器采用两节 阻抗变换段，能够实现微带功分网络在所需两个工作频率f₁、f₂的同时匹配。所述工作 频率为f₁的圆极化辐射贴片和工作频率为f₂的圆极化辐射贴片都是单馈点圆极化微带贴 片。所述双频圆极化辐射单元的间距小于min(λ₁,λ₂)，λ₁、λ₂分别为频率f₁、f₂对应 的波长。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：(1)由于双频圆极化辐射单元采用微带馈电 方式，可以组成高增益的双频圆极化微带阵列天线；(2)该双频圆极化微带阵列天线的工 作频率比f₂/f₁，以及圆极化的旋向非常容易调整；(3)双频圆极化辐射贴片可以在单层的 微波介质板上实现，避免了复杂的多层介质板叠加结构，结构简单、成本低、便于实现。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例8×8阵元双频双圆极化微带阵列天线的结构示意图。

图2为本发明实施例双频圆极化辐射单元的结构示意图，(a)为两贴片并列放置，(b) 为两贴片呈90°夹角放置。

图3为本发明实施例对应图2(b)结构在不同频率下的电场分布图，(a)频率为 12.1GHz的电场分布，(b)频率为17.5GHz的电场分布。

图4为本发明实施例双频T型功分器的结构示意图。

图5为本发明实施例8×8阵元双频双圆极化微带阵列天线的实测S₁₁参数。

图6为本发明实施例8×8阵元双频双圆极化微带阵列天线的实测轴比曲线。

图7为本发明实施例8×8阵元双频双圆极化微带阵列天线的实测方向图曲线，(a) 为12.1GHz方向图，(b)为17.5GHz方向图。

具体实施方式

下面结合附图1～7及具体实施例对本发明做进一步详细说明。

参见图1，为本发明实施例提供的单层双频圆极化8×8微带阵列天线的结构示意 图。该装置包括单层微波介质基板1、双频圆极化辐射单元2和双频共用的微带功分网 络。其中，所述双频圆极化辐射单元2由一个工作频率为f₁的圆极化辐射贴片3和一个 工作频率为f₂的圆极化辐射贴片4共同连接构成，工作频率为f₁的圆极化辐射贴片3连 接一段长度为d₁的微带线，工作频率为f₂的圆极化辐射贴片4连接一段长度为d₂的微 带线，这两段微带线相交于点A，该点A即为双频圆极化辐射单元2的馈电点，通过合 理的设置连接点位置，可以使两个贴片在各自频率正常工作而互不影响。所述双频共用 的微带功分网络由双频T型微带功分器7和微带线共同构成。

示例性的，所述单层双频圆极化微带阵列天线可以是任意一种所需要规模的阵列， 例如可以是4×4单元、4×8单元、8×8单元、8×16单元、16×16单元的阵列，本发明实 施例不进行限制。

为了获取较大的增益，同时避免栅瓣，单层双频圆极化8×8微带阵列天线的双频 圆极化辐射单元2阵元间距应小于min(λ₁,λ₂)，其中λ₁、λ₂分别为频率f₁、f₂对应的 波长。

参见图2，为所述双频圆极化辐射单元2的工作原理示意图，图2(a)中可以看出， 左侧工作频率为f₁的圆极化辐射贴片3后面连接一段长度为d₁的微带线，右侧工作频率 为f₂的圆极化辐射贴片4后面连接一段长度为d₂的微带线，这两段微带线相交于点A， 该点即为双频圆极化辐射单元的馈电点。所述长度为d₁的微带线以及长度为d₂的微带 线的选取原则为：工作频率为f₁的圆极化辐射贴片3工作时，从拼接点A向工作频率为 f₂的圆极化辐射贴片4看去的输入阻抗为等效开路。由于该支路上的电磁场呈驻波状态， 微带线具体长度可以通过仿真确定。反之，当工作频率为f₂的圆极化辐射贴片4工作时， 从拼接点A向工作频率为f₁的圆极化贴片3看去的输入阻抗也为等效开路。采用这种方 式，可以使双频圆极化辐射单元2中的一个贴片工作时，另一个贴片所在的支路近似看 作开路，从而有效实现了两个贴片的隔离。

示例性的，本发明中工作频率为f₁的圆极化辐射贴片3和工作频率为f₂的圆极化辐 射贴片4可以是任意一种相对的位置摆放，例如它们既可以如图2(a)所示并列放置，也 可以如图2(b)所示呈90°夹角放置。本发明实施例不进行限制。

示例性的，本发明中工作频率为f₁的圆极化辐射贴片3和工作频率为f₂的圆极化辐 射贴片4可以是任意一种单馈点圆极化微带辐射贴片，例如它们即可以如图2(a)所示由 中间刻蚀缝隙的方形贴片实现，也可以如图2(b)所示通过去掉方形贴片对角线上两个对 称的三角形的方式实现，还可以混合使用。本发明实施例不进行限制。

示例性的，本发明中工作频率为f₁的圆极化辐射贴片3和工作频率为f₂的圆极化辐 射贴片4可以是左旋圆极化，也可以是右旋圆极化。两者的圆极化旋向既可以相同，也 可以相反。本发明实施例不进行限制。

为了进一步说明单馈点双频圆极化辐射单元2的工作原理，图3给出了对应图2(b) 所示结构的电场分布图。该电流分布图由全波仿真软件HFSS仿真获得，工作频率f₁和 f₂分别设定为12.1GHz和17.5GHz。工作在12.1GHz的贴片为右旋圆极化，工作在 17.5GHz的贴片为左旋圆极化，它们都是采用单馈点方形贴片实现圆极化。从该图可以 看出，当左侧12.1GHz贴片工作时，右侧17.5GHz的贴片不工作；反之，当右侧17.5GHz 贴片工作时，右侧12.1GHz的贴片不工作，显示两者之间实现了很好的隔离。

参见图4，为双频共用的微带功分网络中双频T型功分器7的结构示意图。T型功 分器为1分2功分器，为了实现微带功分网络在所需两个工作频率f₁，f₂的同时匹配， 我们采用两节阻抗变换段，即长度为T₁的阻抗变换段8和长度为T₂的阻抗变换段9级 联构成。整个双频共用的微带功分网络可以由多个所述双频T型功分器7和微带线组成。

实施例1

在制作的实施例设计中，我们选定的阵列规模为8×8单元的，工作频率f₁和f₂分别 为12.1GHz和17.5GHz。工作在12.1GHz的贴片为右旋圆极化，工作在17.5GHz的贴 片为左旋圆极化，它们都是采用中间刻蚀缝隙的方形贴片实现圆极化。两个方形贴片的 边长分别为7.3mm和4.8mm，刻蚀缝隙尺寸分别为3.2mm×0.5mm、2.7mm×0.5mm。 为了尽量的减小单元间距，贴片的摆放方式采用如图2(a)所示的并列方式。同时为了避 免栅瓣，相邻两个辐射单元的间距在横向为17mm，纵向为16.5mm。微带天线子阵的 尺寸为136mm×136mm。天线加工的介质板采用介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009， 厚度为0.813mm的Arlon 880商用板材。

参见图5，为本发明实施例8×8阵元双频双圆极化微带阵列天线的实测S₁₁参数曲 线。天线带宽覆盖了11.6-12.8GHz以及16.7-19.5GHz。

参见图6，为本发明实施例8×8阵元双频双圆极化微带阵列天线的实测轴比曲线。 轴比小于3dB的带宽范围覆盖了12.05-12.22GHz以及17.2-17.75GHz。

参见图7，为本发明实施例8×8阵元双频双圆极化微带阵列天线的实测方向图曲 线。图中可以看出天线的实测的天线增益在12.1GHz和17.5GHz分别为24dB和23dB， 交叉极化分别为19dB和25dB。