S/X波段共口径宽带小型化平面天线

摘要

本发明提供了一种S/X波段共口径宽带小型化平面天线，S波段圆极化天线通过定向耦合器对天线辐射贴片馈电实现圆极化特性，X波段线极化天线采用与S波段圆极化天线同轴线馈电，利用S波段圆极化天线圆形对称结构的特点，在不影响S波段圆极化特性的前提下，在S波段圆极化天线的中心处开孔，该孔通过同轴线给X波段线极化天线馈电，形成双频段、双极化、宽带小型化的平面天线。本发明提供的S/X共口径宽带小型化平面天线，具有宽频带、高增益、低剖面、小型化等特点以及较好的方向图一致性，可用于卫星、雷达通信以及一些需要多频段多极化、小型化的应用场合。

说明书

技术领域

本发明涉及一种通信技术领域的多频段多极化共口径天线，尤其是一种S/X波段双极化高效率宽带小型化的平面天线。

背景技术

随着通信技术的迅速发展，天线的单一频段和单一极化的工作方式已经越来越难以满足目前的通信需求。尤其当下通信迫切需要多频段、多极化、带宽宽、小型化已经是未来天线的发展新趋势。因此，多频段多极化宽带小型化的天线更加受到广泛研究和关注。共口径天线的提出很好的解决了普通天线工作模式单一，带宽窄的问题，同时共口径天线又可以满足多频带，多极化，带宽宽以及小型化的设计要求。采用共口径的设计方法一方面可以很好的满足多频段、多极化的工作模式，为通信的提供更加灵活的自由度；另一方面又可以较好的实现宽带小型化。因此，共口径天线能够实现多频段、多极化、宽带小型化的功能，为卫星通信、数字电视转播、个人终端移动设备通信等提供更好的技术支持和自由度更加灵活的应用平台。

经现有技术文献检索发现，2007年钟顺时等人在IET Microwaves,Antennas&Propagation，2卷第1期发表了“Design of an S/X dual-band dual-polarisedmicrostrip antenna array for SAR applications”，采用微带偶极子和方形贴片设计了S/X波段的共口径天线，实现了双频段双极化的合成孔径雷达应用的频率比达到1：3，实验结果表明S和X波段的驻波小于2的阻抗带宽分别达到8.9％和17％。两个频段的隔离度实现了-20dB。该天线实现了双频段双极化的工作模式，采用微带偶极子和矩形贴片在空间相互组合实现了较好的带宽和工作性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种工作在S/X波段共口径的宽带小型化平面天线，采用小型化结构，实现了拓宽S波段圆极化天线和X波段线极化天线的阻抗带宽，具有宽频带、高增益、低剖面、小型化等特点以及较好的方向图一致性，可用于卫星、雷达通信以及一些需要多频段多极化、小型化的应用场合。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种S/X波段共口径宽带小型化平面天线，S波段圆极化天线通过定向耦合器对天线辐射贴片馈电实现圆极化特性，X波段线极化天线采用与S波段圆极化天线同轴线馈电，利用S波段圆极化天线圆形对称结构的特点，在不影响S波段圆极化特性的前提下，在S波段圆极化天线的中心处开孔，该孔通过同轴线给X波段线极化天线馈电，形成双频段、双极化、宽带小型化的平面天线。

S波段圆极化天线包括三层介质基板，其中S波段第一层介质基板是单面板，一侧为全介质面，另外一侧是S波段寄生贴片；S波段第二层介质基板是双面板，一侧是S波段天线辐射贴片，另一侧是S波段金属地板；S波段第三层介质基板是双面板，一侧是定向耦合器，另外一侧是S波段金属地板；且第二层和第三层的S波段金属地板合并在一起共用。

X波段线极化天线包括两层介质基板，其中X波段第一层介质基板是单面板，一侧为全介质面，另外一侧是X波段寄生贴片；X波段第二层介质基板是双面板，一侧是X波段天线辐射贴片，另外一侧是X波段金属地板。

S波段圆极化天线馈电采用侧馈，针对S波段圆极化天线的结构特点，对S波段的三层介质基板的中心处分别开三个孔，该孔作为对X波段线极化天线同轴线馈电的过孔。

所述S波段寄生贴片同时作为X波段金属地板。

所述S波段天线辐射贴片是圆形贴片且有四个枝节，所述枝节是为了改善圆极化特性和调节阻抗匹配。

所述S波段第三层介质基板的定向耦合器的隔离端口处焊接一电阻元件保证端口匹配。

所述介质基板的板材均相同。

所述定向耦合器采用圆环型。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明一方面实现了双频段双极化的工作方式，另一方面又节省了空间，实现了天线小型化。通过仿真结果表明，S波段圆极化天线阻抗带宽(S11<-10dB)达到27.9％,轴比小于3dB波束宽度达到84.67o，天线增益是8.55dB。X波段线极化天线的阻抗带宽(S11<-10dB)达到16.26％，天线增益是10.35dB。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明中S波段圆极化天线三维的结构示意图；

图2是本发明中S波段圆极化天线辐射贴片三维的结构示意图；

图3是本发明中S波段圆极化天线的定向耦合器三维的结构示意图；

图4是本发明中X波段线极化天线三维的结构示意图；

图5是本发明中X波段线极化天线辐射贴片三维的结构示意图；

图6是本发明中S/X波段共口径天线三维的结构示意图；

图7是本发明中S波段圆极化天线回波损耗随频率变化曲线；

图8是本发明中S波段圆极化天线轴比随频率变化曲线；

图9是本发明中X波段天线回波损耗随频率变化曲线；

图10是本发明中S波段圆极化天线仿真方向图；

图11是本发明中X波段线极化天线仿真方向图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明所提供的用于通信的S/X波段共口径宽带小型化平面天线，以单元为例，包括五层介质基板和两个天线辐射贴片。

S波段圆极化天线包括三层介质基板如图1所示，其中S波段第三层介质基板5的反面是3dB定向耦合器，通过该定向耦合器实现输出端口功率相等且相差为90^o的性能，如图3所示。同时在输出端口引入两个探针10，如图2所示。该探针对S波段第二层介质基板3的天线辐射贴片馈电，从而实现天线圆极化特性。S波段第二层介质基板3和S波段第三层介质基板5共用一个金属地4，这样可以改善天线圆极化纯度的同时又提高了天线的隔离度。S波段第一层介质基板2引入了S波段寄生贴片1，可以较好的拓展天线带宽，同时该S波段寄生贴片1又可以作为X波段金属地板，如图4所示。

介质基板中，采用介质基板的板材都是同样的。

3dB定向耦合器采用圆环型，如图3所示。

S波段圆极化天线的辐射贴片是圆形贴片且有四个枝节，如图2所示。天线单元的尺寸分别是a、b。枝节的长度为L1，枝节的宽度为W1，探针的半径为R1，该S波段天线辐射贴片的直径为d1。

X波段线极化天线包括两层介质基板，如图4所示。X波段天线单元的尺寸分别是M、N，X波段天线辐射贴片的尺寸分别是a1、b1。用于固定X波段天线单元介质基板的螺钉直径尺寸为c，如图5所示。其中X波段第二层介质基板7上面的是X波段辐射贴片9，且该层的X波段金属地板8可以和S波段寄生贴片1共用一个金属面，如图1所示。由于S波段寄生贴片1远远大于X波段线极化天线尺寸，因此X波段金属地板8和S波段寄生贴片1共用金属面可以进一步提高X波段天线的增益。X波段第一层介质基板6是寄生层，引入寄生贴片层可以拓展天线阻抗带宽，同时该X波段线极化天线采用同轴线馈电。

X波段线极化天线采用同轴线馈电，如图6所示。馈电点选择在S波段圆极化天线11的中心处开一个孔，为了提高天线辐射效率，保证S/X波段共口径天线的正常工作，尽可能降低两个工作在不同频段的天线之间的耦合。因此针对S/X波段共口径天线的结构特点，对S波段的三层介质基板的中心处分别开三个孔，如图6所示。由于S波段圆极化天线是圆形辐射贴片的对称结构，根据天线的电磁场分布以及仿真结果可知，该孔的尺寸大小如果合适，那么在中心处开孔并不会对S波段圆极化天线的圆极化特性产生很大的影响，因此该孔可以作为对X波段线极化天线12馈电同轴线的过孔。采用该技术既可以保证X波段线极化天线方便馈电，又可以避免由于开孔对S波段圆极化天线的圆极化性能产生影响。S/X波段共口径天线的馈电技术巧妙的利用了两种天线各自结构的特点，分别将两种工作在不同频带的天线结合在一起，同时又节省的空间实现了小型化的优势。

本发明首先对S波段圆极化天线进行了仿真，通过3dB定向耦合器对天线辐射贴片馈电实现圆极化特性。采用该结构既可以保证天线圆极化性能又可以实现天线小型化。同时设计一种了工作在X波段的线极化天线，该天线采用同轴线馈电，巧妙的利用了S波段天线圆形对称结构的特点，在不影响S波段圆极化特性的前提下，在S波段圆极化天线的中心处开了一个孔，该孔通过同轴线可以给X波段线极化天线馈电。

图7是本发明中S波段圆极化天线回波损耗随频率变化曲线。

图8是本发明中S波段圆极化天线轴比随频率变化曲线。

图9是本发明中X波段天线回波损耗随频率变化曲线。

图10是本发明中S波段圆极化天线仿真方向图。

图11是本发明中X波段线极化天线仿真方向图。

从上述附图可以看出，本发明技术一方面实现了双频段双极化的工作方式，另一方面又节省了空间，实现了天线小型化。通过仿真结果表明，S波段圆极化天线阻抗带宽(S11<-10dB)达到27.9％,轴比小于3dB波束宽度达到84.67o，天线增益是8.55dB。X波段线极化天线的阻抗带宽(S11<-10dB)达到16.26％，天线增益是10.35dB。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。