CN110350307A - 一种顺序相馈圆极化的介质谐振天线阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种顺序相馈圆极化的介质谐振天线阵列，是由n个介质谐振器、四旋转馈送网络、威尔金森功率分配器、介质基板、同轴馈电、金属探针和带状线组成；n个介质谐振器在介质基板上组成阵列；馈送网络由位于介质基板中央背面的一个四旋转馈送网络和四个一分二的威尔金森功率分配器组成；同轴传输的能量经过馈送网络馈送至两个分频器，再通过放置在分频器输出端的两个金属探头耦合到介质谐振器侧壁正交放置的带状线。本发明能实现较窄的主瓣辐射方向图宽度、较高的增益、较宽的阻抗带宽和轴比带宽，从而使得天线具有更加优良稳定的圆极化性能，更好的满足于现代通讯技术对圆极化通信系统的指标要求。

Description

一种顺序相馈圆极化的介质谐振天线阵列

技术领域

本发明属于现代通讯系统中圆极化通信的技术领域，具体涉及一种顺序相馈圆极化矩形介质谐振天线阵列。

背景技术

随着空间和通信技术的发展，圆极化天线以其具大的优势，在无线领域中发挥着重要作用。线极化波容易在传输环境中发生极化偏转造成衰减，而圆极化波遇到障碍物会反向，因为直射波和反射波会有极化隔离，所以圆极化波具有很强的抗干扰能力和防雨雾能力，并且在民用和军用领域被广泛使用。现阶段圆极化天线主要分为以下两种形式，在性能上虽各有特点，但均存在某种不足。

1、螺旋天线，螺旋天线是一种频率无关的天线。不受频率的约束为人们在广泛的频率范围内提供了均衡的电特性。且螺旋天线在很宽的频带上基本呈现电阻特性，易于实现宽频特性，稳定性比较好。其中平面螺旋天线是一种宽频带天线，因其结构紧凑、尺寸小、重量轻而得以在雷达对抗、军事、航天领域都能发挥广泛应用。然而，频率不受约束的天线往往具有方向图宽，方向性差和较低的增益，这些缺点使得它无法适应很多实际应用。虽然通过利用天线阵列的原理可改善天线的方向图，提高天线的增益，但是它的宽带特性也将在阵列的环境下失去。

2、微带天线，圆极化微带天线通过一定的馈电方式，使导体贴片与接地金属面间的介质区域内被激励起射频电磁场，该场从贴片边缘与接地面形成的间隙向外辐射。微带天线的低剖面结构使其本身就属于一维小型化天线，并且相比普通微波天线具有易与载体表面共形，易集成以及便于获得圆极化，实现双频、双极化工作、重量轻、体积小、成本低等优点。但同时，微带天线频带较窄，存在导体和介质损耗，并会激励表面波导致辐射效率降低，性能受基片材料影响较大，而且微带天线功率容量较小，故一般只用于中小功率场合。

发明内容

本发明为克服现有技术存在的缺陷与不足之处，提供一种顺序相馈圆极化的介质谐振天线阵列，以期能实现较窄的主瓣辐射方向图宽度、较高的增益、较宽的阻抗带宽和轴比带宽，从而使得天线具有更加优良稳定的圆极化性能，更好的满足于现代通讯技术对圆极化通信系统的指标要求。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

本发明一种顺序相馈圆极化的介质谐振天线阵列的特点是包括：n个介质谐振器、四旋转馈送网络、一分二的威尔金森功率分配器、介质基板、同轴馈电、金属探针、带状线，其中，n为偶数；

在所述介质基板上按照矩阵形式设置有n个介质谐振器，从而组成天线阵列；

在所述介质基板上设置有接地板，在所述接地板上设置2n个圆形缝隙；

任意第i个介质谐振器的侧壁上设置有呈正交排布的两条第i号带状线；

在任意两个圆形缝隙内分别设置有第i号金属探针，任意一个第i号金属探针的一端与其中一个第i号带状线相接触，相应的第i号金属探针的另一端穿过介质基板与第i号威尔金森功率分配器的两个分频器中的一个输出端相连；

所述四旋转馈送网络和第i号威尔金森功率分配器相连接并均位于所述介质基板的背面，在第i号威尔金森功率分配器上方的接地板上开设有第i个矩形缝隙；

所述四旋转馈送网络接收所述同轴馈电传输的能量并馈送到所有威尔金森功率分配器的两个分频器的输入端，并在所述第i号威尔金森功率分配器与第i个矩形缝隙之间形成相互耦合作用，从而对第i个介质谐振器产生激励；

所述介质谐振天线阵列是以所述n个矩形介质谐振器为辐射区，以所述金属探针和带状线为传输区，以所述同轴馈电、四旋转馈送网络和威尔金森功率分配器为馈电区，从而利用所述辐射区、传输区和馈电区实现能量的接收和发送。

本发明所述的介质谐振天线阵列的特点也在于，所述n个介质谐振器为四个介质谐振器，且分别位于所述介质基板的四个顶角处并组成天线阵列。

所述n个介质谐振器为矩形。

所述圆形缝隙的圆心与金属探针的轴心重叠。

与现有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明天线阵列单元采用矩形介质谐振器，矩形介质谐振器相比其他形状的介质谐振器具有交叉极化低和便于制作的优势；天线的整体尺寸可以通过提高介电常数的办法来降低；如果适当的降低介质的相对介电常数，电磁能量的辐射可以保持在一个相对较宽的频率范围内。

2、本发明采用了介质谐振器的阵列形式，通过合理地控制各介质谐振器之间的距离，可得到了较窄的主瓣辐射方向图宽度；通过组成阵列形式，天线轴比将明显大于威尔金森功率分配器馈送的介质谐振天线单元。

3、本发明的馈送网络由位于地平面背面的四旋转馈送网络和四个一分二的威尔金森功率分配器组成；顺序相位馈源技术允许天线阵列具有良好的圆极化带宽和VSWR带宽，不受窄带单元的影响；在中心频率下，威尔金森功率分配器的输入输出端口能够达到完美匹配，且两个输出端口的隔离度较高，可满足由两个正交线性极化分量导出的圆极化性能的要求。

4、本发明用于激励矩形介质谐振器的金属探针的长度设置比矩形介质谐振器的高度小得多，可避免金属探针的辐射。

5、本发明接地板上的四个矩形缝隙的设计可使威尔金森功率分配器部分的能量耦合至天线的上部分，有利于提升天线带宽等指标性能。

附图说明

图1是本发明的三维结构示意图；

图2是本发明的底部正视图；

图3是本发明的输入回波损耗结果图；

图中标号：1矩形介质谐振器；2带状线；3金属探针；4介质基板；5同轴馈电；6矩形缝隙；7圆形缝隙；8四旋转馈送网络；9一分二的威尔金森功率分配器。

具体实施方式

本实施例中，如图1、图2所示，一种顺序相馈圆极化的介质谐振天线阵列，包括：n个介质谐振器1、四旋转馈送网络8、一分二的威尔金森功率分配器9、介质基板4、同轴馈电5、金属探针3、带状线2，其中，n为偶数；本实施例中，如图1所示，n＝4；即为四个介质谐振器1，且分别位于介质基板4的四个顶角处并组成天线阵列。合理地控制各个介质谐振器之间的距离，将可得到了较窄的主瓣辐射方向图宽度。

如图1所示，在介质基板4上按照矩阵形式设置有n个介质谐振器1，从而组成天线阵列。运用阵列的形式，天线轴比将明显大于威尔金森功率分配器馈送的介质谐振天线单元。介质谐振天线阵列在高阶模式下精确激发，获得有效辐射，辐射模式保持不变，且高阶模式下介质谐振天线能有效地提高天线增益。

如图1所示，在介质基板4上设置有接地板，在接地板上设置8个圆形缝隙7。圆形缝隙7的设置是为了避免金属探针3接触接地板。

如图1所示，任意第i个介质谐振器1的侧壁上设置有呈正交排布的两条第i号带状线2。激励正交放置的带状线2，可产生圆极化场。

如图1所示，在任意两个圆形缝隙7内分别设置有第i号金属探针3，且圆形缝隙7的圆心与金属探针3的轴心重叠；避免金属探针3接触接地板的基础上方便设置。

任意一个第i号金属探针3的一端与其中一个第i号带状线2相接触，使得金属探针3将分频器中传送的能量耦合到介质谐振器侧壁上的带状线2，从而对矩形介质谐振器1产生激励。相应的第i号金属探针3的另一端穿过介质基板4与第i号威尔金森功率分配器9的两个分频器中的一个输出端相连，使得金属探针3可获得由分频器传送来的能量。

如图2所示，四旋转馈送网络8和第i号威尔金森功率分配器9相连接并均位于介质基板4的背面，四旋转馈送网络8允许天线阵列具有良好的圆极化带宽和VSWR带宽，不受窄带单元的影响。而顺序旋转技术确实是提高圆极化天线和阵列的带宽和极化纯度的一种最有效的方法，并也可以很好地应用于其他类型的天线，以消除性能特性的缺陷。在第i号威尔金森功率分配器9上方的接地板上开设有第i个矩形缝隙6。威尔金森功率分配器9的输入输出端口能够达到完美匹配，且两个输出端口的隔离度较高。矩形缝隙6的设置可使威尔金森功率分配器部分的能量耦合至天线的上半部分，有利于提升天线带宽等指标性能。

如图2所示，四旋转馈送网络8接收同轴馈电5传输的能量并馈送到所有威尔金森功率分配器9的两个分频器的输入端，采用同轴馈电5的方式，可避免天线辐射的影响，减少产生的色散现象，降低寄生辐射。减少了微带线或者带状线馈电结构中特性阻抗容易随频率的变化而发生改变的现象，易于匹配，而且加工也更加方便。在第i号威尔金森功率分配器9与第i个矩形缝隙6之间形成相互耦合作用，从而对第i个介质谐振器1产生激励，从而构成阵列天线馈送网络的主要部分。

介质谐振天线阵列是以n个矩形介质谐振器1为辐射区，以金属探针3和带状线2为传输区，以同轴馈电5、四旋转馈送网络8和威尔金森功率分配器9为馈电区，从而利用辐射区、传输区和馈电区实现能量的接收和发送。

如图1所示，n个介质谐振器1为矩形。介质谐振器采用矩形的形式可具有交叉极化低和便于制作的优势。通过提高介电常数可以达到降低天线整体尺寸的目的，而适当的降低介质的相对介电常数，又可将电磁能量的辐射保持在一个相对较宽的频率范围内。

如图3所示，通过仿真测试，该天线阵列在2.37-4.34GHz频率范围内，输入回波损耗，即S11均小于-10，也就是说该天线阵列的工作带宽范围为2.37-4.34GHz，符合工程上对天线输入回波损耗的要求。回波损耗是表示信号反射性能的参数。回波损耗说明入射功率的一部分被反射回到信号源，一般越大越好。

综上所述，该介质谐振天线阵列是根据现代通讯技术对圆极化通信系统的指标要求，设计出的天线在阻抗带宽和轴比带宽方面具有良好的性能，同时具有较窄的主瓣辐射方向图宽度，较高的增益等优点，能实现53.7％的阻抗带宽，51.1％的3dBAR带宽和12.6dBic的峰值增益。

Claims (4)

1.一种顺序相馈圆极化的介质谐振天线阵列，其特征是包括：n个介质谐振器(1)、四旋转馈送网络(8)、一分二的威尔金森功率分配器(9)、介质基板(4)、同轴馈电(5)、金属探针(3)、带状线(2)，其中，n为偶数；

在所述介质基板(4)上按照矩阵形式设置有n个介质谐振器(1)，从而组成天线阵列；

在所述介质基板(4)上设置有接地板，在所述接地板上设置2n个圆形缝隙(7)；

任意第i个介质谐振器(1)的侧壁上设置有呈正交排布的两条第i号带状线(2)；

在任意两个圆形缝隙(7)内分别设置有第i号金属探针(3)，任意一个第i号金属探针(3)的一端与其中一个第i号带状线(2)相接触，相应的第i号金属探针(3)的另一端穿过介质基板(4)与第i号威尔金森功率分配器(9)的两个分频器中的一个输出端相连；

所述四旋转馈送网络(8)和第i号威尔金森功率分配器(9)相连接并均位于所述介质基板(4)的背面，在第i号威尔金森功率分配器(9)上方的接地板上开设有第i个矩形缝隙(6)；

所述四旋转馈送网络(8)接收所述同轴馈电(5)传输的能量并馈送到所有威尔金森功率分配器(9)的两个分频器的输入端，并在所述第i号威尔金森功率分配器(9)与第i个矩形缝隙(6)之间形成相互耦合作用，从而对第i个介质谐振器(1)产生激励；

所述介质谐振天线阵列是以所述n个矩形介质谐振器(1)为辐射区，以所述金属探针(3)和带状线(2)为传输区，以所述同轴馈电(5)、四旋转馈送网络(8)和威尔金森功率分配器(9)为馈电区，从而利用所述辐射区、传输区和馈电区实现能量的接收和发送。

2.根据权利要求1所述的介质谐振天线阵列，其特征是，所述n个介质谐振器(1)为四个介质谐振器(1)，且分别位于所述介质基板(4)的四个顶角处并组成天线阵列。

3.根据权利要求1所述的介质谐振天线阵列，其特征是，所述n个介质谐振器(1)为矩形。

4.根据权利要求1所述的介质谐振天线阵列，其特征是：所述圆形缝隙(7)的圆心与金属探针(3)的轴心重叠。