專利名稱：一種t形微帶饋電低剖面雙極化瓦片天線單元設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種T形微帶饋電低剖面雙極化瓦片天線單元設(shè)計(jì)方法。具體是貼片單元通過(guò)同層T形微帶線耦合饋電、雙極化、上方加寄生單元展寬帶寬的微帶貼片天線。本發(fā)明天線具有饋電結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可抑制低頻信號(hào)干擾的優(yōu)點(diǎn)。不僅可以用作瓦片式陣列天線的單元，也可以獨(dú)立地用作極化分集系統(tǒng)的收、發(fā)天線。
背景技術(shù)：
瓦片式集成的天線陣列模塊為橫向集成縱向組裝(Griffin D W，Parfitt A J. Electromagnetic design aspects of packages for monolithic microwave integrated circuit-based arrays with integrated antenna elements[J]. IEEE Transactions Oil Antennas and Propagation, 1995,43(9) :927-931)，特別適合有源相控陣天線應(yīng)用(彭祥龍.相控陣天線集成技術(shù)[J]，電訊技術(shù).2010，50 (10) :112-117) 0瓦片式天線陣列模塊要求天線單元具有很小的剖面，微帶貼片天線因剖面低且易于加工而被廣泛選用。雙極化微帶貼片天線一般使用方形貼片(鐘順時(shí)，微帶天線理論與應(yīng)用，西安電子科技大學(xué)出版社，1991)。但方形貼片天線邊饋輸入阻抗大于300 Ω，常采用加阻抗變換器、 嵌入饋電或耦合饋電等方式解決阻抗匹配問(wèn)題(Stutzman&Thiele.天線理論與設(shè)計(jì)(第二版)，P197-202，人民郵電出版社，2006)。高阻抗的饋線線寬非常小，對(duì)加工精度要求高，采用阻抗變換會(huì)使饋電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜且產(chǎn)生寄生輻射。嵌入饋電結(jié)構(gòu)改變貼片形狀從而破壞了電流分布的均勻性，使天線交叉極化性能變差。耦合饋電方式得到了廣泛的研究，一般采用多層微帶結(jié)構(gòu)，通過(guò)下方接地板上的縫隙耦合，或者直接采用探針耦合?？p隙耦合饋電方式通常需要在天線背面λ/4處增加反射板以避免背瓣輻射，當(dāng)頻率較低時(shí)天線剖面很大；采用探針耦合的饋電方式對(duì)制造精度要求很高，而且剖面也較大。因此，上述天線形式不適合用作瓦片天線單元。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種T形微帶饋電低剖面雙極化瓦片天線單元設(shè)計(jì)方法，該天線單元具有饋電結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可抑制低頻信號(hào)干擾和剖面低易于集成的特點(diǎn)。為了設(shè)計(jì)一種T形微帶饋電低剖面雙極化瓦片天線單元，本發(fā)明的具體設(shè)計(jì)方案如下根據(jù)天線工作頻段和選用的介質(zhì)介電常數(shù)，確定底層微帶貼片和頂層微帶貼片的尺寸。貼片初始尺寸約為0.5Λ/Α，其中λ ^為中心頻率點(diǎn)自由空間波長(zhǎng)，、為介質(zhì)板等效介電常數(shù)。頂層貼片的尺寸稍大于底層貼片的尺寸。天線的介質(zhì)厚度和介電常數(shù)可以根據(jù)工作帶寬調(diào)整，增加介質(zhì)厚度或者采用低介電常數(shù)可以增大天線帶寬。底層微帶貼片的饋線阻抗選為50 Ω，根據(jù)阻抗值確定微帶線寬度。T形饋電網(wǎng)絡(luò)4的尺寸(長(zhǎng)度L2、寬度 W2)及其與貼片單元的間距d決定天線的輸入阻抗值。天線饋電微帶線和同軸連接處的焊盤(pán)尺寸需要根據(jù)同軸連接器的尺寸優(yōu)化，以使饋電網(wǎng)絡(luò)保持匹配。本設(shè)計(jì)方法的主要特征有底層微帶貼片單元與饋線位于同層，通過(guò)T形微帶線耦合饋電；貼片單元與饋電網(wǎng)絡(luò)不直接接觸。微帶貼片單元形狀為方形。頂層加寄生貼片展寬頻帶，寄生貼片單元形狀為方形。天線單元輻射兩種極化。本發(fā)明微帶天線的有益技術(shù)效果體現(xiàn)在下述幾個(gè)方面1、底層微帶貼片單元通過(guò)T形微帶線耦合饋電，使貼片單元與饋電網(wǎng)絡(luò)不直接接觸，避免了天線系統(tǒng)低頻、直流信號(hào)的串?dāng)_；底層微帶貼片單元與饋線位于同層，天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；耦合饋電形式的貼片單元饋電點(diǎn)處的輸入阻抗低，降低了饋電網(wǎng)絡(luò)匹配難度。頂層加寄生貼片，拓展了天線的工作帶寬。2、天線饋電結(jié)構(gòu)沒(méi)有破壞輻射貼片的形狀，保持了較高的極化純度。3、整個(gè)天線為平面結(jié)構(gòu)、剖面低，適合作為瓦片式陣列的天線單元。4、在天線兩種極化端口同時(shí)激勵(lì)并配以特定的相位差，可以實(shí)現(xiàn)其他極化。最終設(shè)計(jì)結(jié)果表明，本發(fā)明天線具有良好的頻帶特性，在20%的工作頻帶內(nèi)駐波小于1.8，交叉極化電平低于-17dB。天線剖面積低。


下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖，通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地描述。圖1為本發(fā)明天線的結(jié)構(gòu)透視圖；圖2為本發(fā)明天線的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；圖3為本發(fā)明天線的饋電單元；圖4為實(shí)施例1的實(shí)測(cè)端口駐波曲線；圖5為實(shí)施例1的實(shí)測(cè)極化隔離曲線；圖6為實(shí)施例1的實(shí)測(cè)水平極化E面方向圖；圖7為實(shí)施例1的實(shí)測(cè)水平極化H面方向圖；圖8為實(shí)施例1的實(shí)測(cè)垂直極化E面方向圖；圖9為實(shí)施例1的實(shí)測(cè)垂直極化H面方向圖；圖10為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 參見(jiàn)圖1、圖2，一種T形微帶饋電低剖面雙極化瓦片天線單元。整個(gè)天線包括頂層寄生天線單元1、底層激勵(lì)天線單元2和支撐金屬板7。頂層寄生天線單元為貼片天線， 微帶板5的介電常數(shù)為2. 55、厚度為1. 524mm ；底層激勵(lì)天線單元包括貼片2和T形饋電網(wǎng)絡(luò)3兩部分，微帶板6的介電常數(shù)為2. 55、厚度為1. 524mm。天線背部用金屬板7作為支撐。天線包含兩種正交極化輻射單元，為便于表述將其作如圖1所示的水平(H)、垂直(V) 極化定義。參見(jiàn)圖3，底層激勵(lì)天線單元通過(guò)同層T形微帶線耦合饋電，貼片單元與T形饋電網(wǎng)絡(luò)間距d為0. 2mm。微帶貼片單元是方形，尺寸為6. 9mm ；饋線網(wǎng)絡(luò)的線寬Wl為2mm、線寬 W2為7. 1mm。T形饋電網(wǎng)絡(luò)部分4的長(zhǎng)度L2為0. 2mm ；寬度為Wl的饋線阻抗為50 Ω。頂層方形寄生貼片尺寸為7. 2mm。本發(fā)明工作原理如下底層貼片為激勵(lì)單元，通過(guò)同層T形微帶線4耦合饋電。每種極化單元分別由對(duì)應(yīng)的饋電網(wǎng)絡(luò)饋電。T形饋電網(wǎng)絡(luò)4的尺寸(長(zhǎng)度L2、寬度W2)及其與貼片單元的間距d決定天線的輸入阻抗值，調(diào)節(jié)饋電網(wǎng)絡(luò)4的尺寸和間距d使天線輸入阻抗與饋線3阻抗相匹配；貼片單元與饋電網(wǎng)絡(luò)的縫隙相當(dāng)于寄生電容，避免了天線系統(tǒng)低頻、直流信號(hào)的串?dāng)_。底層天線輻射進(jìn)一步激勵(lì)頂層的寄生貼片，拓展了天線的工作帶寬。本發(fā)明性能如下圖4為本發(fā)明天線實(shí)施例1的實(shí)測(cè)端口駐波曲線，可見(jiàn)在2GHz頻帶內(nèi)駐波小于 1. 8。圖5為本發(fā)明天線實(shí)施例1的實(shí)測(cè)極化隔離曲線，可見(jiàn)在2GHz頻帶內(nèi)駐波隔離高于 14dB。圖6、7為實(shí)施例1天線中心頻點(diǎn)水平極化實(shí)測(cè)E面、H面方向圖；圖8、9為實(shí)施例 1天線中心頻點(diǎn)垂直極化實(shí)測(cè)E面、H面方向圖?？梢?jiàn)天線交叉極化電平低于-17dB。實(shí)施例2 本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例2如圖10，是一個(gè)應(yīng)用于X波段的4X8雙極化天線陣列。此天線陣列由32個(gè)陣元沿口徑周期排列而成，水平向、垂直向的單元間距均為15mm。每個(gè)單元有水平和垂直兩種極化。該天線陣列可以提高天線增益，配以幅、相加權(quán)，可以實(shí)現(xiàn)掃描功能。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選方式對(duì)本發(fā)明所做的詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本發(fā)明具體實(shí)施僅限于這些說(shuō)明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做成若干簡(jiǎn)單推演或替換，如采用不同形狀的貼片單元和不同尺寸比的T 形饋線，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所提交的權(quán)利要求書(shū)確定的發(fā)明保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種T形微帶饋電低剖面雙極化瓦片天線單元設(shè)計(jì)方法，包括τ形微帶饋線、底層激勵(lì)天線單元和頂層寄生天線單元設(shè)計(jì)。其特征在于Α、微帶饋電網(wǎng)絡(luò)為T(mén)形結(jié)構(gòu)；B、T形饋電網(wǎng)絡(luò)與貼片單元位于同層，天線剖面低；C、天線單元有兩套T形饋電網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)雙極化輻射。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的T形微帶饋電低剖面雙極化瓦片天線單元，其特征在于饋電網(wǎng)絡(luò)為T(mén)形結(jié)構(gòu)，它與貼片單元2間距為d ；T形饋電網(wǎng)絡(luò)與貼片邊平行部分饋線4的尺寸和間距d決定著天線單元的輸入阻抗；T形饋電網(wǎng)絡(luò)與貼片邊垂直部分的饋線3的阻抗與天線輸入阻抗相匹配。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的T形微帶饋電低剖面雙極化瓦片天線單元，其特征在于貼片單元與T形饋電網(wǎng)絡(luò)位于同層，天線剖面高度僅為介質(zhì)厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的T形微帶饋電低剖面雙極化瓦片天線單元，其特征在于天線單元有兩種極化，每種極化分別對(duì)應(yīng)各自的饋電網(wǎng)絡(luò)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種T形微帶饋電低剖面雙極化瓦片天線單元設(shè)計(jì)方法。特點(diǎn)是天線貼片單元由T形微帶線耦合饋電，饋電網(wǎng)絡(luò)和貼片單元位于同層，有兩種極化饋電網(wǎng)絡(luò)；寄生單元位于激勵(lì)單元正上方。本發(fā)明天線具有抑制天線系統(tǒng)低頻信號(hào)干擾能力，在20％的相對(duì)帶寬內(nèi)駐波比小于1.8、交叉極化電平小于-17dB；采用T形微帶線耦合饋電與天線輻射單元共面設(shè)計(jì)，可顯著減小天線單元厚度。本發(fā)明不僅可以用作瓦片式陣列天線的單元，也可以獨(dú)立地用作極化分集系統(tǒng)的收、發(fā)天線。
文檔編號(hào)H01Q1/38GK102570015SQ20111036715
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月18日
發(fā)明者常德杰, 徐勤, 陳文俊, 高國(guó)明 申請(qǐng)人:中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所