專利名稱：嵌入式隱形圓極化天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于能夠同時(shí)接收多個(gè)頻段信號(hào)的圓極化天線，更具體地說，本發(fā)明是
關(guān)于能在寬角范圍內(nèi)接收和發(fā)射圓極化電磁波，能實(shí)現(xiàn)寬角覆蓋的嵌入式隱形圓極化天 線。
背景技術(shù)：
隨著無線通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，無線通信設(shè)備開始朝著小型化、寬頻段方向發(fā)展， 具有輕、薄、短、小等特性的寬帶無線產(chǎn)品將成為今后的主流。傳統(tǒng)的偶極子天線盡管具有
較好的傳輸特性，但其尺寸規(guī)格已無法適應(yīng)小型化的發(fā)展趨勢(shì)。具有體積小、質(zhì)量輕、成本 低、容易制造，并且可以直接和射頻微波電路集成的微帶天線，是目前天線研究中的熱門主
題之一。 現(xiàn)有技術(shù)的微帶圓極化天線通常是一個(gè)由一分四的微帶功分移相網(wǎng)絡(luò)和金屬屏 蔽盒組成的饋電網(wǎng)絡(luò)；一個(gè)由天線罩、金屬輻射貼片、四個(gè)L型金屬饋電探針和金屬反射板 組成的天線體，一個(gè)圓極化天線組件和反射腔組件，由于傳統(tǒng)微帶天線的帶寬為5%左右， 工作帶寬較窄，頻帶不夠?qū)?。普通的微帶天線功率容量低，覆蓋區(qū)域不夠廣，無法多個(gè)系統(tǒng) 共用一個(gè)天線。線極化微帶天線在接收?qǐng)A極化信號(hào)時(shí)，引起接收電平損失，安裝在載體表面 時(shí)RCS較大，容易被雷達(dá)電波偵察到，隱形性能較差。如果嵌入平臺(tái)內(nèi)部，電性能指標(biāo)將受 周圍金屬腔的影響而惡化。 國(guó)內(nèi)在嵌入式隱形天線技術(shù)上尚處于起步階段，僅處于仿真研究。目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì) 的一款圓極化天線，雖然能夠滿足寬角覆蓋的需求。但由于天線高度較高(工作頻率的1/5 波長(zhǎng))，圍繞天線四周的金屬腔體會(huì)使電性能指標(biāo)惡化，在電流過大時(shí)，局部易被擊穿。且不 能作為嵌入式天線使用。 一般普通的微帶天線功率容量低，在某些需要施加高功率的應(yīng)用 場(chǎng)合發(fā)生激穿現(xiàn)象。 采用傳統(tǒng)十字陣振子的天線，尺寸較大(工作頻率的1/2波長(zhǎng))，嵌入平臺(tái)時(shí)需要 較大空間，與未來電子設(shè)備小型化的趨勢(shì)不相符合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種波束覆蓋范圍寬，覆蓋區(qū)域廣，能夠承受高功率并能 同時(shí)接收多個(gè)頻段信號(hào)，能在寬角范圍內(nèi)接收和發(fā)射圓極化電磁波，能實(shí)現(xiàn)寬角覆蓋的嵌 入式隱形圓極化天線。 本發(fā)明的上述目的可以通過以下措施來達(dá)到。本發(fā)明提出的一種嵌入式隱形圓極 化天線，包括，印制板、電纜組件、帶狀線饋電網(wǎng)絡(luò)、高頻接頭，其特征在于，電纜組件由2X2 矩形陣列在印制板上的兩根饋電電纜和兩根平衡電流電纜組成，其中兩根饋電電纜與帶狀 線饋電網(wǎng)絡(luò)上的3dB定向耦合器的端口 (20)、端口 (21)相連，另外兩根平衡電流電纜的外 導(dǎo)體與印制板上的銅箔相連，外部信號(hào)源上的高頻信號(hào)電流通過高頻接頭饋入3dB定向耦 合器分配到所述電纜組件，由饋電電纜上的交叉饋電片饋入印制板。
本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果。 1.寬頻帶。由于以空氣微帶引入位于印制板和上底板之間的空氣介質(zhì)層，降低整 個(gè)天線的介電常數(shù)而增加帶寬。在天線高度一定的情況下，能夠獲得較寬的帶寬。經(jīng)過實(shí) 測(cè)，工作帶寬能夠達(dá)到16.2%，比傳統(tǒng)微帶天線5%左右的帶寬高出了 2倍。
2.天線體尺寸小，天線易于嵌入平臺(tái)安裝。經(jīng)過實(shí)際測(cè)量，本發(fā)明引入高介電常數(shù) 的基片后的天線尺寸長(zhǎng)度和寬度為0. 38 A ，是傳統(tǒng)材料(FR-4)的1/2，大大減小了天線的 尺寸，使天線能夠?qū)崿F(xiàn)高度為0.09A的低剖面。同時(shí)又將天線和周圍的金屬腔體一體化設(shè) 計(jì)，使天線嵌入金屬腔體后電性能不會(huì)受影響。 3.波束覆蓋范圍寬，覆蓋區(qū)域廣。印制板微帶貼片通過平衡電流電纜平衡電流電 纜把印制板銅箔上的饋電焊點(diǎn)陣元周圍的強(qiáng)電流下引，到達(dá)上底板7。使印制板1上的電流 分配呈現(xiàn)幅度較為均勻的電流分布。能夠在有限的天線物理空間內(nèi)，最大化地提高天線的 口徑效率，使天線在上半空間120°范圍內(nèi)，有較高的圓極化增益。經(jīng)過實(shí)測(cè)，本發(fā)明在波 束覆蓋范圍120。的上半空間范圍內(nèi)，圓極化增益能大于-ldB。目前美國(guó)衛(wèi)星通信天線在 120°的范圍內(nèi)增益僅大于-2dB。 4.能夠承受高功率。區(qū)別于通常的微帶印制板形式，由于采用了帶狀線饋電網(wǎng)絡(luò)， 使天線能夠承受高功率，避免天線在電流過大時(shí)局部被擊穿。經(jīng)過功率實(shí)驗(yàn)證明，本發(fā)明能 夠承受100W以上的輸入功率，且天線的性能不會(huì)受到影響。 5.滿足隱形化天線需求，能夠應(yīng)用于各種高功率的電子系統(tǒng)中。由于天線的尺寸 為0. 38A (長(zhǎng))*0. 38A (寬)*0. 09A (高)，屬于電小類天線；將天線輻射面放置在整個(gè)天 線的最上端，帶空氣介質(zhì)層的金屬腔體位于天線輻射面之下，構(gòu)成了天線和周圍的金屬腔 體一體化，使得天線嵌入金屬腔體后電性能不會(huì)受影響。 6.能夠得到圓極化效果(軸比)更好的輻射波。由于到達(dá)饋電網(wǎng)絡(luò)輸出端20的 高頻信號(hào)比到達(dá)饋電網(wǎng)絡(luò)輸出端21的信號(hào)少走了入/4的路徑，使饋電網(wǎng)絡(luò)輸出端20的饋 電相位超前饋電網(wǎng)絡(luò)輸出端21 Ji /2，使連接饋電網(wǎng)絡(luò)輸出端20和輸出端21的兩根饋電電 纜3上的饋電電流相位呈現(xiàn)等副相位差90° ，能夠在印制板中激勵(lì)起兩個(gè)端口電流等幅、 饋電相位相差90。的兩個(gè)簡(jiǎn)并的正交模式，兩模式等副且相位差90。，得到了效果較好的 圓極化輻射。相比于線極化天線，在接收同旋向圓極化來波時(shí)，不會(huì)發(fā)生極化損失。能夠收 到更高的電平，接收功率是線極化天線的2倍，利于整個(gè)通信系統(tǒng)的正常運(yùn)行。


為了更清楚地理解本發(fā)明，現(xiàn)將通過本發(fā)明實(shí)施例，同時(shí)參照附圖，來描述本發(fā) 明，其中 圖1為本發(fā)明嵌入式隱形圓極化天線的構(gòu)造示意圖。
圖2為本發(fā)明的印制板構(gòu)造示意圖。
圖3為本發(fā)明的饋電電纜組件結(jié)構(gòu)圖。 圖4為本發(fā)明的平衡電流電纜組件結(jié)構(gòu)圖。 圖5為本發(fā)明的3dB定向耦合器結(jié)構(gòu)圖。 圖6為本發(fā)明的帶狀線饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。 圖中1印制板，2饋電片，3饋電電纜，4平衡電流電纜，5支撐柱，6定向耦合器，7
4上底板，8下地板，9高頻接頭，10電纜組件，11帶狀線饋電網(wǎng)絡(luò)，12支撐介質(zhì)，13內(nèi)導(dǎo)體，14 填充介質(zhì)，15外導(dǎo)體，16內(nèi)導(dǎo)體、填充介質(zhì)17， 18外導(dǎo)體，19輸入端，20輸出端，21輸出端， 22隔離端。23直通臂，24耦合臂。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。 參閱圖1。本發(fā)明的嵌入式隱形圓極化天線由印制板1、電纜組件10、帶狀線饋電 網(wǎng)絡(luò)11和高頻接頭9組成。 印制板1包括印制板上的銅箔、饋電片2、饋電電纜3和平衡電流電纜4。電纜組 件10包括饋電電纜和3平衡電流電纜4。印制板l由支撐柱5固定在上底板7上方。作 為天線輻射面的敷銅箔基片放置在整個(gè)天線的最上端。天線的尺寸可以是長(zhǎng)*寬*高= 0. 38入承O. 38入承O. 09入。 電纜組件10由2X2的矩形陣列在印制板1敷銅箔基片上的兩根饋電電纜3和兩 根平衡電流電纜4組成，其中兩根饋電電纜3與帶狀線饋電網(wǎng)絡(luò)11上的3dB定向耦合器6 的端口 20、端口 21相連，另外兩根平衡電流電纜4的外導(dǎo)體與印制板1上的金屬銅箔相連， 當(dāng)天線發(fā)射信號(hào)時(shí)，外部信號(hào)源上的高頻電流信號(hào)通過高頻接頭9饋入3dB定向耦合器6 分配到所述電纜組件10，由饋電電纜3上的交叉饋電片2饋入印制板1。
帶狀線饋電網(wǎng)絡(luò)11包括，如圖6所示的由四周支撐柱5固定的上底板7和下地板 8和位于上底板7、下地板8之間的3dB定向耦合器6。 3dB定向耦合器6帶有輸入端口 19、 輸出端口 20、輸出端口 21和隔離端口 22，高頻接頭9固聯(lián)在輸入端19上。上底板7和下 地板8是導(dǎo)電體材料，優(yōu)選防銹鋁材料。 在上述組件構(gòu)成的嵌入式隱形圓極化天線中，3dB定向耦合器6位于上底板7、下 地板8之間的空間中，它由周邊上的兩兩平行固聯(lián)的支撐介質(zhì)12平行支撐在下地板8上。 印制板1位于上底板的上方，由四周對(duì)角線上的四個(gè)支撐柱5穿過上底板7固聯(lián)在印制板1 和上底板7之間。其中的兩根饋電電纜3的內(nèi)導(dǎo)體13 —端通過饋電片2與印制板1上的 銅箔相連，另一端固聯(lián)在3dB定向耦合器6的輸出端口上。另外兩根平衡電流電纜3的外 導(dǎo)體18分別通過其上電連接的交叉饋電片2電連接印制板1或印制板1上縫隙槽兩邊的 銅箔上。 參閱圖2。印制板1上開有對(duì)應(yīng)上述2X2矩形陣列排列的兩根饋電電纜3和兩 根平衡電流電纜4的孔。電連接在饋電電纜3內(nèi)導(dǎo)體13的兩根交叉，但不相接的饋電片2 焊接在印制板上，且饋電電纜3和平衡電流電纜4的外導(dǎo)體都與印制板1上的銅箔相焊接。 饋電電纜4的內(nèi)導(dǎo)體是被絕緣不焊接的。平衡電流電纜4把印制板1銅箔上的饋電焊點(diǎn)周 圍的強(qiáng)電流下引，到達(dá)上底板7分流，使印制板1上的電流呈現(xiàn)幅度較為均勻的電流分布。
在印制板1開出的縫隙槽可以是交叉的兩條縫隙槽或十字交叉縫隙槽，以構(gòu)成能 夠獲得更好圓極化效果的交叉縫隙天線是本發(fā)明的最佳實(shí)施例。 印制板1是使天線小型化、寬頻帶、寬角覆蓋的重要部件。其上設(shè)置的微帶單元的 長(zhǎng)度L可以由下式確定丄《 0.49^/7^ 式中，入。為自由空間波長(zhǎng)；、為敷銅板基片的有效介電常數(shù)。當(dāng)基片的、升高 時(shí)，單元的長(zhǎng)度L會(huì)縮小。故在此使用、> IO的基片來縮小天線尺寸。對(duì)小于2的電壓
5駐波比(VSWR)帶寬，可以用下式近似地表示
&=4/2(~^~)
w 1/32 式中，f為頻率(GHz) ;h為介質(zhì)基片厚度(in) ;BW為帶寬(MHz)。根據(jù)上式，采用 空氣微帶的方式，將印制板與上底板保持一定的空間距離，相當(dāng)于增加了h，故可以展寬頻 帶。 —個(gè)物理口徑Ap和有效口徑Ae兩者之比為口徑效率e ap，即
、=丁(無量綱)
4 在圖3、圖4中，饋電電纜3和平衡電流電纜4分別由內(nèi)導(dǎo)體13、填充介質(zhì)14、外 導(dǎo)體15和內(nèi)導(dǎo)體16、填充介質(zhì)17、外導(dǎo)體18組成。其中，饋電電纜3由插入在內(nèi)導(dǎo)體13 中填充介質(zhì)14和包履的外導(dǎo)體15組成，外導(dǎo)體15延伸出內(nèi)導(dǎo)體13和填充介質(zhì)14包履端 面，與3dB定向耦合器6的端口 20和端口 21相連。平衡電流電纜4插入在內(nèi)導(dǎo)體16中的 填充介質(zhì)17和包履的外導(dǎo)體18是齊平的。上述填充的介質(zhì)是絕緣的，它們可以是聚四氟 乙烯。上述電纜中填充的介質(zhì)和外導(dǎo)體可按照一定比例進(jìn)行設(shè)計(jì)，比如阻抗為50歐姆的電 纜，可根據(jù)同軸線特性阻抗公式
60 T D 計(jì)算其阻抗。式中，、為內(nèi)外導(dǎo)體間絕緣電介質(zhì)的介電常數(shù)，D為同軸線外導(dǎo)體 直徑，d為內(nèi)導(dǎo)體直徑。當(dāng)電纜內(nèi)外導(dǎo)體間填充的聚四氟乙烯(、=2. 1)時(shí)，* = 3 3能 夠保證Z。 = 50 Q 。 在圖5中，由支撐介質(zhì)12固定在上底板7和下地板8之間的3dB定向耦合器6，包 括一個(gè)閉環(huán)框和對(duì)角點(diǎn)上向框內(nèi)輻射不相交的直通臂23和耦合臂24。直通臂23和耦合臂 24輸出之間有90°的相位差。其上的輸入端19連接高頻接頭9，輸出端20和輸出端21分 別連兩根饋電電纜3，隔離端22是空置的。 一般混合網(wǎng)絡(luò)通常是微帶線或帶狀線形式，由上 述構(gòu)成的分支線3dB定向耦合器6端口匹配，直通臂23和耦合臂24上的端口 19輸入的功 率對(duì)等地分配給端口 20和端口 21。由于這兩個(gè)輸出端口之間有90。相移，沒有功率耦合 到端口 22(隔離端)。因此，可以構(gòu)成有如下形式的[S]矩陣 <formula>formula see original document page 6</formula> 其構(gòu)成的分支線混合網(wǎng)絡(luò)有高度的對(duì)稱性，對(duì)稱性反映在矩陣中是每行可從第1 行互換位置得到的。任意端口都可作為輸入端口，輸出端口總是在與網(wǎng)絡(luò)的輸入端口相反 的一側(cè)，而隔離端22是輸入端口同側(cè)的余下端口。這種3dB定向耦合器6比起其它類型的 功分器來說，能夠獲得更寬的阻抗匹配帶寬。 本發(fā)明所描述的嵌入式隱形圓極化天線工作原理是電流通過高頻接頭9饋入 3dB定向耦合器6，再經(jīng)過3dB定向耦合器6分配到電纜組件IO，最后通過饋電電纜3和饋電片2饋入印制板l，通過平衡電流電纜4使印制板1上的電流分布更均勻，提高了天線的 口徑效率。由于采用交叉饋電方式，通過兩個(gè)饋電片2的電流呈現(xiàn)等副、相位差90。，故在 印制板表面激勵(lì)起兩個(gè)簡(jiǎn)并的正交模式，并使此兩模式等副且相位差90° ，能得到寬角圓 極化波的輻射。
權(quán)利要求
一種嵌入式隱形圓極化天線，包括，印制板(1)、電纜組件(10)、帶狀線饋電網(wǎng)絡(luò)(11)、高頻接頭(9)，其特征在于，電纜組件(10)由2×2矩形陣列在印制板(1)上的兩根饋電電纜(3)和兩根平衡電流電纜(4)組成，其中兩根饋電電纜(3)與帶狀線饋電網(wǎng)絡(luò)(11)中的3dB定向耦合器(6)的端口(20)、端口(21)相連，另外兩根平衡電流電纜(4)的外導(dǎo)體與印制板(1)上的銅箔相連，外部信號(hào)源上的高頻信號(hào)電流通過高頻接頭(9)饋入3dB定向耦合器(6)分配到所述電纜組件(10)，由電纜組件(10)中的饋電電纜(3)上的交叉饋電片(2)饋入印制板(1)。
2. 如權(quán)利要求1所述的嵌入式隱形圓極化天線，其特征在于所述的帶狀線饋電網(wǎng)絡(luò) (ll)，包括，由四周支撐柱(5)固定的上底板(7)和下地板(8)和位于上底板(7)、下地板 (8)之間的3dB定向耦合器(6)，3dB定向耦合器(6)帶有輸入端(19)、輸出端(20)、輸出端 (21)和隔離端(22)。
3. 如權(quán)利要求1所述的嵌入式隱形圓極化天線，其特征在于電連接在兩根饋電電纜 (3)內(nèi)導(dǎo)體(13)上的兩根交叉饋電片(2)焊接在印制板(1)上，且饋電電纜(3)和平衡電 流電纜(4)的外導(dǎo)體都與印制板(1)上的銅箔相焊接。
4. 如權(quán)利要求1所述的嵌入式隱形圓極化天線，其特征在于被絕緣而不焊接的平衡 電流電纜(4)的內(nèi)導(dǎo)體(16)和與印制板(1)上銅箔焊接的外導(dǎo)體(18)，把印制板(1)銅箔 上的饋電焊點(diǎn)周圍的強(qiáng)電流下引，到達(dá)上底板(7)分流，使印制板(1)上的電流呈現(xiàn)幅度較 為均勻的電流分布。
5. 如權(quán)利要求l所述的嵌入式隱形圓極化天線，其特征在于所述的兩根饋電電纜(3) 的內(nèi)導(dǎo)體(13)分別通過其上電連接的交叉饋電片(2)電連接在印制板(1)縫隙槽兩邊的 銅箔上。
6. 如權(quán)利要求1所述的嵌入式隱形圓極化天線，其特征在于印制板(1)上設(shè)置的微 帶單元的長(zhǎng)度L由下式確定丄《 0.49& /式中，入。為自由空間波長(zhǎng)；、為敷銅板基片的有效介電常數(shù)。
7. 如權(quán)利要求1所述的嵌入式隱形圓極化天線，其特征在于對(duì)小于2的電壓駐波比(VSWR)帶寬，用下式近似地得出式中，f為頻率(GHz) ;h為介質(zhì)基片厚度(in) ;B,為帶寬(MHz)。
8. 如權(quán)利要求l所述的嵌入式隱形圓極化天線，其特征在于由支撐介質(zhì)(12)固定在 上底板(7)和下地板(8)之間的3dB定向耦合器(6)包括，一個(gè)閉環(huán)框和對(duì)角點(diǎn)上向框內(nèi) 輻射不相交的直通臂(23)和耦合臂(24)，直通臂(23)和耦合臂(24)輸出之間的相位差為 90° 。
9. 如權(quán)利要求1所述的嵌入式隱形圓極化天線，其特征在于所述天線的尺寸是長(zhǎng)*寬*高=0. 38A*0. 38A*0. 09A ，其中，A為工作波長(zhǎng)。
10. 如權(quán)利要求1所述的嵌入式隱形圓極化天線，其特征在于作為天線輻射面的敷銅 箔基片放置在整個(gè)天線的最上端。
全文摘要
本發(fā)明提出的一種嵌入式隱形圓極化天線，旨在提供一種波束覆蓋范圍寬，覆蓋區(qū)域廣，能夠承受高功率并能同時(shí)接收多個(gè)頻段信號(hào)，能在寬角范圍內(nèi)接收和發(fā)射圓極化電磁波，能實(shí)現(xiàn)寬角覆蓋的嵌入式隱形圓極化天線。它包括，印制板(1)、電纜組件(10)、帶狀線饋電網(wǎng)絡(luò)(11)、高頻接頭(9)，電纜組件由2×2矩形陣列在印制板上的兩根饋電電纜(3)和兩根平衡電流電纜(4)組成，其中兩根饋電電纜與帶狀線饋電網(wǎng)絡(luò)中的3dB定向耦合器(6)的端口(20)、端口(21)相連，另外兩根平衡電流電纜的外導(dǎo)體與印制板上的銅箔相連，外部信號(hào)源上的高頻信號(hào)電流通過高頻接頭饋入3dB定向耦合器分配到所述電纜組件，由饋電電纜(3)上的交叉饋電片(2)饋入印制板。
文檔編號(hào)H01Q13/08GK101707277SQ20091021630
公開日2010年5月12日 申請(qǐng)日期2009年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月23日
發(fā)明者張?jiān)? 溫剛 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所