CN116505252A - 一种Ku波段宽带宽波束圆极化微带天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一款应用于Ku波段的宽带宽波束圆极化微带天线。该天线包括两层贴片、基片集成波导、馈电盲孔、地板。所述贴片为加载枝节的矩形贴片，中间开U型槽，上层贴片谐振频率高，下层贴片谐振频率低，二者组合实现较大带宽。所述基片集成波导由顶层L型贴片和金属通孔组成，分布在所述贴片四周，通过对贴片辐射场的引导作用，展宽天线的波束宽度。所述馈电盲孔为激励贴片馈电，所述地板在天线底层。本发明具有小尺寸、易共形的优点。可在宽频段内辐射宽波束、低轴比的圆极化波。
Description
技术领域
本发明涉及微波发射器件技术，具体涉及一种新型的宽带宽波束圆极化微带贴片天线。
背景技术
天线是无线通信系统前端的关键器件，负责导行电磁波和空间电磁波的转换。圆极化天线具有抗多径反射、抑制雨雾干扰等优点，近些年在无线通信系统中得到了广泛的应用。同时随着信息技术的飞速发展，通信场景越来越复杂，为了确保信号传输质量和传输速率，天线往往要具备较宽的波束宽度和频带。最为常见的宽波束圆极化天线为四臂螺旋天线，但其剖面较高、带宽较窄。微带天线具有体积小、重量轻、制作成本低等优点，同时，它易于产生良好的圆极化特性，因此受到了广泛的重视。传统微带天线的波束宽度较窄，宽波束微带天线的研究吸引了广大科研工作者的关注，性能优异的宽波束圆极化天线方案不断涌现。目前，电子设备应用领域的发展使天线逐渐向宽频带、宽波束、小型化方向转变，线极化天线技术在这方面日趋成熟，而圆极化天线由于设计难度大，发展相对滞后，仍存在很多亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种新型的宽带宽波束圆极化微带贴片天线。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种宽带宽波束圆极化微带天线，采用叠层技术，自上而下依次是辐射贴片、介质层、激励贴片、底层地板。其中天线贴片为枝节加载的矩形贴片，并在贴片中心开u型槽。基片集成波导布置在天线贴片四周，由顶层L型贴片和金属通孔组成，所述介质层上设置金属通孔和盲孔，用于构成基片集成波导和为激励贴片馈电。
进一步的，所述介质层由厚度1.016mm的RO4350B和0.2mm的半固化片RO4450F压合成。
进一步的，所述的圆极化微带天线各层呈镜像对称。
进一步的，所述的基片集成波导由顶层L型贴片和金属通孔组成，通过其对贴片辐射场的引导作用，展宽天线的波束宽度。
进一步的，通过改变基片集成波导的位置、L型贴片的边长、金属通孔的半径调整天线的波束宽度。
进一步的，通过改变天线贴片和U型槽的尺寸、金属馈电盲孔的半径调整S参数、驻波比、轴比。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)天线尺寸为9.6×9.6mm×2.232mm，具有小尺寸、易共形的优点；2)可在宽频段内辐射宽波束、低轴比的圆极化波。
附图说明
图1是天线中的电流分布情况示意图
图2是加载基片集成波导前后，天线在XOZ面和YOZ面的半功率波束宽度示意图，其中(a)为XOZ面，(b)为YOZ面。
图3是加载基片集成波导前后，天线的增益示意图
图4为天线结构示意图，其中(a)为天线三维结构图，(b)为天线的侧视图。
图5是天线俯视图，其中(a)为辐射贴片层，(b)为激励贴片层。
图6是天线的归一化方向图，其中(a)为XOZ面，(b)为YOZ面。
图7是天线驻波比的仿真结果图。
图8是天线右旋圆极化的增益仿真结果图。
图9是天线轴比仿真结果图。
图10是天线在15.3GHz处的远场辐射方向图，其中(a)是XOZ面的辐射方向图，(b)是YOZ面的辐射方向图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
传统的微带天线波束宽度为70°～90°，波束宽度较窄，无法满足相控阵天线宽角扫描的需求。在传统微带贴片天线的基础上，通过引入基片集成波导展宽天线的波束宽度。具体体现为在天线贴片的四周添加由L型贴片和金属通孔构成的基片集成波导，通过其对贴片辐射场的引导作用，展宽天线的波束宽度。图1显示了天线贴片和基片集成波导中的电流分布。从图中我们可以看到，基片集成波导通过空间耦合从辐射贴片获得电磁场能量，产生竖直电流，谐振时垂直电流可在水平方向上产生强辐射场，并与贴片辐射场叠加以拓宽天线波束宽度。图2给出了加载基片集成波导前后，天线在XOZ面和YOZ面的半功率波束宽度。观察图2可知，天线的半功率波束宽度明显变宽在，天线工作带宽范围内，XOZ面和YOZ面的半功率波束宽度可以加宽20°～40°。图3给出了天线加载基片集成波导前后的增益，可以看出，在天线工作带宽内，天线增益下降。相反，天线的半功率波束宽度加宽。且增益随着频率的升高下降的更多，半功率波束宽度随频率的升高拓展的越宽，这也进一步验证了加载基片集成波导对天线波束宽度展宽的作用机理。同时我们也发现，由于加载的基片集成波导不是强谐振结构，天线的增益没有明显降低，也可以满足我们的应用要求。
如图4，天线采用叠层结构，自上而下由辐射贴片、1.016mmRO4350B、0.2mmRO4450F、激励贴片、1.016mmRO4350B、地板组成。并在天线贴片四周布置由L型贴片和金属通孔构成的基片集成波导。
俯视图如图5。两层贴片分别为上层的辐射贴片和下层的激励贴片，二者的谐振频率不一致，通过改变它们的尺寸使其谐振频率相近，进而达到展宽带宽的目的。在矩形贴片的两角处增加两个枝节，引入简并分离元，使天线辐射出幅度相等、相位相差90°的TM01模和TM10模，进而实现圆极化。同时在贴片的中心开u型槽，既能使馈电点位于矩形贴片的中心，又可以改变贴片上表面电流的流向，引起环绕电流，产生新的谐振点，当新的谐振频率于与原谐振频率接近时，便可进一步展宽带宽。
基片集成波导是天线波束展宽的关键，其L型贴片的边长、金属通孔的半径、位置都影响了贴片天线半功率波束宽度，需要综合考虑这些变量以获得最佳的性能。以基片集成波导到贴片中心距离L6、L7为例，金属柱到贴片天线中心的水平距离L7和垂直距离L6是相等的，下面用L代替它们。将L从2.9mm增加到3.3mm,在图6给出天线XOZ面和YOZ面的归一化方向图。观察图6可知，天线的半功率波束宽度随L的增大而减小，这是因为金属柱离贴片天线越近，金属柱中的竖直电流对贴片天线的方向图影响越大，天线的波束展宽效果越明显。
保持其他参数一定，辐射和激励贴片的边长决定了天线的工作频率，边长增大，则天线的谐振波长增大，等效于频率降低。除此之外，U型槽的尺寸也影响天线的工作频率和圆极化轴比。
所有的参数可分为三类：天线贴片参数、基片集成波导参数和馈电盲孔参数。要想获得优良的圆极化天线性能，不仅要调节好辐射和激励贴片、基片集成波导的位置和尺寸，还要优化馈电孔的匹配。通过对天线重要参数的分析，综合考量轴比、驻波比、波束宽度仿真值与设计目标的差距，有的放矢地优化参数，得到优异的天线性能。
例如，为实现以下指标：(1)工作频率：14.2-16.4GHz；(2)驻波比：VSWR≤2；(3)极化形式：圆极化；(4)轴比：AR≤3dB；(6)波束宽度：大于120度；(7)增益：法向增益大于4dBi，在如图5所示的结构基础上进行参数优化，得到一些重要参数的最佳取值如表1所示。
表1参数取值表
| W1 | W2 | W3 | W4 | W5 | W6 | W7 | W8 | W9 |
| 9.5mm | 1mm | 1.4mm | 0.2mm | 0.45mm | 1mm | 2.15mm | 2.43mm | 0.45mm |
| L1 | L2 | L3 | L4 | L5 | L6 | L7 | D1 | D2 |
| 2.35mm | 1.15mm | 2mm | 0.7mm | 0.6mm | 3.1mm | 3.1mm | 0.35mm | 0.4mm |
W1是天线基板边长，W2、W3、W4是顶层辐射贴片中U型槽的尺寸，W5、W6是L型贴片的尺寸、W7、W8、W9是中间激励贴片中U型槽的尺寸，L1、L2是辐射贴片的尺寸，L3、L4是激励贴片的尺寸，L5为金属通孔间距，L6、L7为金属通道到天线的距离，D1为馈电盲孔直径，D2为金属通孔直径。
图7给出了天线驻波比的仿真结果。由图7可知，在14.2-16.4GHz的频段内，天线驻波比小于2，优于项目指标。仿真曲线说明天线阻抗匹配性能良好，反射回输入端口的能量很少。
图8给出了天线右旋圆极化增益曲线图。依据图8，天线的右旋圆极化增益在14-16.2GHz内大于4dBic。
图9给出了天线的轴比随频率变化的曲线。如图9所示，在12.4-15.8GHz内，天线的轴比小于3dB，在15.1GHz处轴比为0.5dB。天线的圆极化性能优异。
图10给出了天线在15.3GHz频点处的远场辐射方向图。由图可知，天线的半功率波束宽度在XOZ面为130°，YOZ面为126°。天线半功率波束宽度较传统天线有着显著提升。
综上，本方面提供的圆极化微带天线在目标频带内具有低驻波比、低轴比、宽波束等优点，同时该结构较为简单，适合广泛用于卫星通信系统中。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种宽带宽波束圆极化微带天线，其特征在于，天线采用叠层技术，自上而下依次是辐射贴片、介质层、激励贴片、底层地板。其中天线贴片为枝节加载的矩形贴片，并在贴片中心开u型槽。基片集成波导分布在天线贴片四周，由顶层L型贴片和金属通孔组成，所述介质层上设置金属通孔和盲孔，分别用于构成基片集成波导和为激励贴片馈电。
2.根据权利要求1所述的宽带宽波束圆极化微带天线，其特征在于，所述贴片采用铜片。
3.根据权利要求1所述的宽带宽波束圆极化微带天线，其特征在于，所述介质层由厚度1.016mm的RO4350B和0.2mm的半固化片RO4450F压合成。
4.根据权利要求1所述的宽带宽波束圆极化微带天线，其特征在于，所述的圆极化微带天线各层呈镜像对称。
5.根据权利要求1所述的宽带宽波束圆极化微带天线，其特征在于，所述的基片集成波导由顶层L型贴片和金属通孔组成，通过其对贴片辐射场的引导作用，展宽天线的波束宽度。
6.根据权利要求1所述的宽带宽波束圆极化微带天线，其特征在于，通过改变基片集成波导的位置、L型贴片的边长、金属通孔的半径调整天线的波束宽度。
7.根据权利要求1所述的宽带宽波束圆极化微带天线，其特征在于，通过改变天线贴片和U型槽的尺寸、金属馈电盲孔的半径调整天线驻波比和轴比。
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2023
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