專利名稱：一種具有全向?qū)捿S比波束寬度的圓極化天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圓極化天線領(lǐng)域，特別是一種具有寬軸比波束寬度的圓極化微帶貼片天線。
背景技術(shù)：
隨著衛(wèi)星通訊、運(yùn)載火箭測控通訊技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大以及對高速目標(biāo)在各種極化方式和氣候條件下跟蹤測量的需要，單一極化方式已難滿足要求，圓極化天線的應(yīng)用就顯得十分重要。在電子對抗中，使用圓極化天線可以干擾和偵察敵方的各種線極化及橢圓極化方式的無線電波，在劇烈擺動或翻滾的飛行器上裝置圓極化天線，除可減少信號漏失外，還可消除由電離層法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)引起的畸變影響，在電視廣播中采用圓極化天線可望克服重影。另外在圓極化天線的很多應(yīng)用中要求天線具有重量輕、體積小、 可共形，且成本低的圓極化天線。而微帶天線是在帶有導(dǎo)體接地板的介質(zhì)基片上貼加導(dǎo)體薄片而形成的天線。具有質(zhì)量輕、體積小、易于饋電、易于與載體共形安裝等特點(diǎn)。因此圓極化微帶天線就是能滿足這些要求的比較理想的天線。
目前，采用單片微帶貼片天線來實(shí)現(xiàn)圓極化輻射主要有兩種方法單饋點(diǎn)法和多饋點(diǎn)法。單饋點(diǎn)法通過在輻射貼片上開槽，挖角等技術(shù)，并調(diào)整微帶天線的實(shí)際尺寸，激勵起兩個極化正交的簡并模，從而實(shí)現(xiàn)圓極化輻射，不需要任何移相網(wǎng)絡(luò)和功率分配器。但是由于它的軸比阻抗帶寬太窄，大大限制了其應(yīng)用范圍。多饋點(diǎn)法可以利用兩個饋電點(diǎn)來激勵起一對極化正交的簡并模，并由饋電網(wǎng)絡(luò)保證兩模的幅度相等，相位相差90°，從而獲得圓極化場。其優(yōu)點(diǎn)是有較寬的阻抗帶寬和軸比阻抗帶寬。但是上述兩種方法都難以保證天線在360°的全向范圍內(nèi)小于3dB的軸比波束寬度較大。因此，對圓極化天線軸比波束寬度的研究顯的十分必要。
經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，孫向珍在《遙測遙控》2004年05期上發(fā)表的“圓極化雙層微帶天線的研究”，該文介紹了雙層圓極化微帶天線結(jié)構(gòu)，對于基本的雙饋電點(diǎn)微帶結(jié)構(gòu)，雖然其軸比波束寬度(<3池)在phi =0的面為-67° 60°，但是在其垂直面 phi =90的面上僅為-67° 14°，另外，該文獻(xiàn)通過切角，四點(diǎn)饋電方式來改善天線的軸比波束寬度，四點(diǎn)饋電的方式使軸比波束寬度達(dá)到了士60°，但是四點(diǎn)饋電方式導(dǎo)致了復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)，不利于天線小型化。而切角的方式雖然對天線整體軸比有改善，但小于3dB 的軸比波束寬度在某些面上仍然小于40°。韓英臣等人在《彈導(dǎo)與制導(dǎo)學(xué)報》2009年6月第3期上發(fā)表的“一種寬波束圓極化天線的研制”，該文介紹了一種微帶四壁螺旋天線，該天線雖然圓極化軸比在士50°的范圍內(nèi)小于3dB，但是螺旋天線高度過高，不利于低剖面設(shè)計要求。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有的單片微帶貼片圓極化天線技術(shù)所存在的問題，提供一種一種具有寬軸比波束寬度的圓極化微帶貼片天線，具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、成本低，并3且在全向?qū)捊嵌确秶鷥?nèi)具有良好軸比的特點(diǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
—種具有全向?qū)捿S比波束寬度的圓極化天線，其特點(diǎn)在于由上至下依次包括寄生單元、上層介質(zhì)基板、激勵單元、中層介質(zhì)基板、接地單元、下層介質(zhì)基板和3dB混合電橋饋電網(wǎng)絡(luò)；
其中，所述的寄生單元與激勵單元分別置于所述的上層介質(zhì)基板和中層介質(zhì)基板的上表面，所述的上層介質(zhì)基板和中層介質(zhì)基板之間用空氣層隔開；空氣層的高度影響天線的阻抗特性，從而影響天線的阻抗帶寬。
所述的3dB混合電橋饋電網(wǎng)絡(luò)置于所述的下層介質(zhì)基板的下表面，所述的下層介質(zhì)基板與中層介質(zhì)基板通過所述的接地單元隔開；
同軸饋電單元的內(nèi)導(dǎo)體與所述的3dB電橋饋電網(wǎng)絡(luò)的輸入端口連接，同軸饋電單元的外導(dǎo)體穿過所述的下層介質(zhì)基板與所述的接地單元相接。
所述的上層介質(zhì)基板和中層介質(zhì)基板之間通過中心一個金屬螺釘和四周八個金屬螺釘固定。
所述的激勵單元為帶有四個枝節(jié)的圓形金屬貼片，在該圓形金屬貼片上開有一個矩形槽。圓形金屬貼片的尺寸大小是由微帶天線理論計算并結(jié)合HFSS仿真軟件優(yōu)化得到。 四個開路枝節(jié)能夠改善圓極化軸比特性和駐波比。在金屬貼片上設(shè)計的矩形槽，可以對貼片表面電流產(chǎn)生微擾，調(diào)整矩形槽的位置，長度，寬度能夠改善天線的全向范圍內(nèi)的軸比波束覓度ο
所述的寄生單元是圓形金屬貼片，該圓形金屬貼片的尺寸比所述的激勵單元的尺寸大70%。如果尺寸選的合適，可以得到較寬的阻抗帶寬。
所述的3dB混合電橋饋電網(wǎng)絡(luò)與所述的激勵單元被所述的接地單元分隔在兩面。
所述的3dB混合電橋饋電網(wǎng)絡(luò)的兩個輸出端口通過探針與所述的激勵單元連接。 該3dB混合電橋饋電網(wǎng)絡(luò)能夠產(chǎn)生兩個幅度相同，相位差為90°的信號能量，用于實(shí)現(xiàn)天線的圓極化輻射。
所述的接地單元為金屬板，在該金屬板上設(shè)有共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)有利于將天線的3dB混合電橋饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計在接地單元下層，使3dB混合電橋饋電網(wǎng)絡(luò)與天線分隔在接地單元的兩面，避免了 3dB混合電橋饋電網(wǎng)絡(luò)對激勵單元的影響。
所述共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是在所述的接地單元上制作出的中心導(dǎo)體帶，該中心導(dǎo)體帶與同軸饋電單元的內(nèi)導(dǎo)體相連。
所述的上層介質(zhì)基板、中層介質(zhì)基板和下層介質(zhì)基板都為低介電常數(shù)微波板，上層介質(zhì)基板和中層介質(zhì)基板為八邊形，下層介質(zhì)基板為正方形。
所述的寄生單元、激勵單元和3dB混合電橋饋電網(wǎng)絡(luò)均為金屬制成。
與現(xiàn)有技術(shù)圓極化微帶天線相比，本發(fā)明不僅具有雙點(diǎn)饋電圓極化層疊型微帶天線的具有的阻抗帶寬較寬，軸比阻抗帶寬較寬的優(yōu)點(diǎn)，又結(jié)合了單饋點(diǎn)開槽微擾的方法在激勵單元表面設(shè)計了一個矩形槽來改善其表面的電流分布，大大改善了圓極化天線在全向范圍內(nèi)的軸比波束寬度，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、剖面低、重量輕、易于共形等特點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明具有寬軸比波束寬度的圓極化微帶貼片天線的三維分層結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明具有寬軸比波束寬度的圓極化微帶貼片天線的側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3(a)是本發(fā)明具有寬軸比波束寬度的圓極化微帶貼片天線的上層介質(zhì)基板正面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3(b)是本發(fā)明具有寬軸比波束寬度的圓極化微帶貼片天線的中層介質(zhì)基板正面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3(c)是本發(fā)明具有寬軸比波束寬度的圓極化微帶貼片天線的帶有共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的接地單元結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3(d)是本發(fā)明具有寬軸比波束寬度的圓極化微帶貼片天線的3dB混合電橋饋電網(wǎng)絡(luò)示意圖。
圖4是本發(fā)明具有寬軸比波束寬度的圓極化微帶貼片天線的方向圖。
圖5是本發(fā)明具有寬軸比波束寬度的圓極化微帶貼片天線的S參數(shù)。
圖6是本發(fā)明具有寬軸比波束寬度的圓極化微帶貼片天線的軸比阻抗。
圖7是本發(fā)明在激勵單元上不開矩形槽的圓極化天線的軸比波束三維圖(軸比小于3dB部分由圖中球面凹進(jìn)去的部分表示)。
圖8是本發(fā)明在激勵單元上開矩形槽的圓極化天線的軸比波束三維圖(軸比小于 3dB部分由圖中球面凹進(jìn)去的部分表示)。
圖中1.寄生單元，2.激勵單元，3. 3dB混合電橋饋電網(wǎng)絡(luò)，4.接地單元，5.上層介質(zhì)基板，6.中層介質(zhì)基板，7.下層介質(zhì)基板，8.同軸饋電單元，21.枝節(jié)，22.矩形槽。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
請先參閱圖1和圖2，圖1是本發(fā)明具有寬軸比波束寬度的圓極化微帶貼片天線的三維分層結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是本發(fā)明具有寬軸比波束寬度的圓極化微帶貼片天線的側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，一種具有全向?qū)捿S比波束寬度的圓極化天線，由上至下依次包括寄生單元1、上層介質(zhì)基板5、激勵單元2、中層介質(zhì)基板6、接地單元4、下層介質(zhì)基板7和3dB 混合電橋饋電網(wǎng)絡(luò)3。
寄生單元1位于上層介質(zhì)基板5的上表面，寄生單元2位于中層介質(zhì)基板6上表面，上層介質(zhì)基板與中層介質(zhì)基板中間是空氣層，空氣層厚度為h，在本實(shí)施例中間距為 0.05λ。所述的上層介質(zhì)基板5和中層介質(zhì)基板6之間通過中心一個金屬螺釘和四周八個金屬螺釘固定。
3dB混合電橋饋電網(wǎng)絡(luò)置于所述的下層介質(zhì)基板的下表面，所述的下層介質(zhì)基板與中層介質(zhì)基板通過所述的接地單元隔開。接地單元是涂覆在下層介質(zhì)基板的覆銅層，中層介質(zhì)基板與下層介質(zhì)基板通過3dB混合電橋輸出端口的兩個饋電探針焊接在一起。同軸饋電單元8的內(nèi)導(dǎo)體與所述的3dB電橋饋電網(wǎng)絡(luò)3的輸入端口連接，同軸饋電單元8的外導(dǎo)體穿過所述的下層介質(zhì)基板7與接地單元4相接。
波長λ是指天線工作時輻射于自由空間中的電磁波的波長。
圖3(a)是本發(fā)明具有寬軸比波束寬度的圓極化微帶貼片天線的上層介質(zhì)基板正面結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，上層介質(zhì)基板5為八邊形，圓形寄生單元1位于上層介質(zhì)基板5 的上表面，寄生單元1是圓形金屬貼片，該圓形金屬貼片的尺寸比所述的激勵單元2的尺寸大70%。寄生單元1的直徑為R1，在本實(shí)施例中大小為0.43 λ。
圖3(b)是本發(fā)明具有寬軸比波束寬度的圓極化微帶貼片天線的中層介質(zhì)基板正面結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，中層介質(zhì)基板6為八邊形，激勵單元2為帶有四個枝節(jié)21的圓形金屬貼片，在該圓形金屬貼片上開有一個矩形槽22。激勵單元2的直徑為R2，在本實(shí)施例中大小為0. 33入。
圖3(c)是本發(fā)明具有寬軸比波束寬度的圓極化微帶貼片天線的帶有共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的接地單元結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，接地單元4為金屬板，其邊長為L，在本實(shí)施例中邊長為0.6λ。。在該金屬板上設(shè)有共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是在所述的接地單元4上制作出的中心導(dǎo)體帶，該中心導(dǎo)體帶與同軸饋電單元8的內(nèi)導(dǎo)體相連。
上層介質(zhì)基板5、中層介質(zhì)基板6和下層介質(zhì)基板7是介電常數(shù)為2. 55的微波板。
權(quán)利要求
1.一種具有全向?qū)捿S比波束寬度的圓極化天線，其特征在于由上至下依次包括寄生單元(1)、上層介質(zhì)基板( 、激勵單元O)、中層介質(zhì)基板(6)、接地單元(4)、下層介質(zhì)基板(7)和3dB混合電橋饋電網(wǎng)絡(luò)(3)；其中，所述的寄生單元與激勵單元分別置于所述的上層介質(zhì)基板和中層介質(zhì)基板的上表面，所述的上層介質(zhì)基板和中層介質(zhì)基板之間用空氣層隔開；所述的3dB混合電橋饋電網(wǎng)絡(luò)置于所述的下層介質(zhì)基板的下表面，所述的下層介質(zhì)基板與中層介質(zhì)基板通過所述的接地單元隔開；同軸饋電單元⑶的內(nèi)導(dǎo)體與所述的3dB電橋饋電網(wǎng)絡(luò)(3)的輸入端口連接，同軸饋電單元的外導(dǎo)體穿過所述的下層介質(zhì)基板與所述的接地單元相接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有全向?qū)捿S比波束寬度的圓極化天線，其特征是所述的上層介質(zhì)基板(5)和中層介質(zhì)基板(6)之間通過中心一個金屬螺釘和四周八個金屬螺釘固定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有全向?qū)捿S比波束寬度的圓極化天線，其特征是所述的激勵單元O)為帶有四個枝節(jié)的圓形金屬貼片，在該圓形金屬貼片上開有一個矩形槽 (22)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有全向?qū)捿S比波束寬度的圓極化天線，其特征是所述的寄生單元(1)是圓形金屬貼片，該圓形金屬貼片的尺寸比所述的激勵單元( 的尺寸大70%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有全向?qū)捿S比波束寬度的圓極化天線，其特征是所述的 3dB混合電橋饋電網(wǎng)絡(luò)C3)與所述的激勵單元( 被所述的接地單元(4)分隔在兩面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有全向?qū)捿S比波束寬度的圓極化天線，其特征是所述的 3dB混合電橋饋電網(wǎng)絡(luò)(3)的兩個輸出端口通過探針與所述的激勵單元( 連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有全向?qū)捿S比波束寬度的圓極化天線，其特征是所述的接地單元(4)為金屬板，在該金屬板上設(shè)有共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的具有全向?qū)捿S比波束寬度的圓極化天線，其特征是所述共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是在所述的接地單元(4)上制作出的中心導(dǎo)體帶，該中心導(dǎo)體帶與同軸饋電單元(8)的內(nèi)導(dǎo)體相連。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有全向?qū)捿S比波束寬度的圓極化天線，其特征是所述的上層介質(zhì)基板(5)、中層介質(zhì)基板(6)和下層介質(zhì)基板(7)都為低介電常數(shù)微波板，上層介質(zhì)基板( 和中層介質(zhì)基板(6)為八邊形，下層介質(zhì)基板(7)為正方形。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有全向?qū)捿S比波束寬度的圓極化天線，其特征是所述的寄生單元(1)、激勵單元⑵和3dB混合電橋饋電網(wǎng)絡(luò)(3)均為金屬制成。
全文摘要
一種具有全向?qū)捿S比波束寬度的圓極化天線，由上至下依次包括寄生單元、上層介質(zhì)基板、激勵單元、中層介質(zhì)基板、接地單元、下層介質(zhì)基板和3dB混合電橋饋電網(wǎng)絡(luò)；寄生單元與激勵單元分別置于上層介質(zhì)基板和中層介質(zhì)基板的上表面，上層介質(zhì)基板和中層介質(zhì)基板之間用空氣層隔開，3dB混合電橋饋電網(wǎng)絡(luò)置于所述的下層介質(zhì)基板的下表面，同軸饋電單元的內(nèi)導(dǎo)體與所述的3dB電橋饋電網(wǎng)絡(luò)的輸入端口連接，同軸饋電單元的外導(dǎo)體穿過所述的下層介質(zhì)基板與所述的接地單元相接。本發(fā)明不僅很好地實(shí)現(xiàn)了圓極化輻射，同時全向范圍內(nèi)具有較寬的軸比波束寬度，且天線體積小，剖面低，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，易于共形。
文檔編號H01Q1/48GK102509879SQ20111041824
公開日2012年6月20日 申請日期2011年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月14日
發(fā)明者李振海, 李文晶, 白旭東, 粱仙靈, 耿軍平, 金榮洪, 閆鵬 申請人:上海交通大學(xué)