專利名稱：一種雙極化單脈沖寬帶微帶天線裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及雙極化雷達、雙極化天線、單脈沖天線、電磁場理論、微波技術和電波傳播等技術領域，具體地說是一種雙極化單脈沖寬帶微帶天線裝置。
背景技術：
單脈沖天線是許多無線電測量和定位系統(tǒng)中的關鍵部件，例如無源雷達系統(tǒng)等。 單脈沖測角方法具有抗干擾能力強和測量精度高的特點，因此它是目前雷達等無線電系統(tǒng)中的一種主要的測角方法。單脈沖天線系統(tǒng)產生和波束與差波束兩個探測波束，并用它們精確跟蹤目標；和波束用來發(fā)射探測信號并接收目標回波信號，通過接收信號檢測目標的存在；差波束用來測量目標相對于天線軸線的空間角度信息。傳統(tǒng)的單脈沖天線為單極化工作模式，天線的極化方式多為圓極化和線極化的形式。無線電探測系統(tǒng)是基于電磁波承載的信息進行工作的，電磁波除了承載幅度、相位、頻率和空間方向信息之外，它還具有極化矢量特性，即在電磁波的給定傳播方向上，電磁場的場矢量隨著時間按照某個橢圓軌跡運動，該橢圓稱為極化橢圓，該特性用極化參數描述，常用的極化參數描述方法有橢圓極化參數、幅度和相位極化參數、Stokes參數和Poincare極化球等。電磁波的極化信息是一維重要的信息，它可以為提高電子系統(tǒng)的探測性能提供有效的技術手段。全極化電子系統(tǒng)，例如無源雷達系統(tǒng)，可以感知入射電磁波的極化信息，因此性能更為優(yōu)良。在全極化電子統(tǒng)中，雙極化天線是其關鍵部件，其性能直接決定著研制的電子系統(tǒng)能否實現。一般情況下， 要求雙極化天線還須具有較寬的頻帶，以探測寬頻率范圍內的目標信號。本發(fā)明針對上述應用背景，提出了一種寬帶雙極化單脈沖天線系統(tǒng)的設計方案。平面結構的微帶單脈沖天線由于其具有結構簡單、體積小、低剖面、成本低廉和易于制造等特點備受青睞。雙極化微帶貼片天線有兩種基本形式雙饋方形微帶貼片天線以及雙饋圓形貼片天線。雙饋方形微帶貼片天線，這是最為基本且最常用的雙極化單元。方形雙極化微帶天線的饋電有端饋和角饋兩種方式，端饋形式的雙極化貼片天線對臨近的兩邊同時進行饋電， 會有兩個基模Tili01產生。這兩個基模的幅度相等相位相同，但極化方向是互相垂直的角饋形式的方形雙極化微帶貼片，由腔模理論可以知道，在貼片的對角線上饋電得到的TM0JnTMw模激勵幅度相等、極化正交；當兩模的相位相差財時，能夠形成圓極化輻
射。圓形微帶貼片單元，它工作在TW11模式下時，該圓形貼片的周長等于一個波導波長，并
且在兩饋電口的距離為1/4 . 時，會有兩個相互正交的極化模產生。微帶天線的饋電結構是微帶天線中不可或缺的一部分，饋電形式的選擇恰當與否對天線的整體尺寸、輻射性能、工作帶寬及擴展成陣列的需要都會產生很大的影響。在微帶天線中，最為常用的饋電方式主要有微帶線饋電、同軸線饋電和共面波導饋電等。共面微帶線饋電是一種最為簡單且常用的饋電方式，設計和加工都很方便。然而，因為輻射貼片和微帶線是被設計在同一塊介質板上的，所以微帶線的色散以及寄生輻射等都會對天線的性能產生影響，往往容易造成天線的交叉極化電平相對較高。
貼近式耦合饋電，又稱為埋入式耦合饋電，屬于電磁耦合饋電方式的一種。這種饋電方式在結構上采用無接觸式饋電，通過饋線本身完成饋線與貼片間的耦合，便于層間連接。由于采用了不共面的設計方法，大大減少或消除了饋電結構對天線方向圖的寄生輻射， 從而可以獲得寬頻帶的駐波比特性。縫隙耦合饋電方法是由D. M. P. zar于1985年最早提出的，它也屬于電磁耦合饋電的一種。它將輻射單元和饋電單元分別設計在地板的兩側，有兩層介質層貼片和地面之間的天線介質層、饋電線和地面之間的饋電介質層，中間利用縫隙進行耦合。輻射場通過縫耦合到輻射結構，從而產生激勵?？p隙耦合饋電最顯著的優(yōu)點是它能夠獲得很大的帶寬。 在縫隙耦合饋電中，它的兩層介質基片被地板分隔開，微帶饋線通過開縫地板耦合到貼片。在微帶天線頻帶展寬方法中，基本思想是降低β值(品質因數)，具體方法是增大介質板的厚度、降低基片介電常數以及采用附加的匹配措施等。增加基片厚度，輻射電導會增大，因此可以降低總的β值，達到展寬頻帶的目的。實際中，該方法具有很大的局限性，因為通過增加基片厚度的方法來展寬頻帶的效果有限；而且基片過厚極容易引起表面波，影響天線的性能；除此之外，隨著基片厚度的增加，重量會增大，所占空間也隨之增大。采用大損耗基片和附加有耗材料也能降低β值，極大展寬頻帶，并且能夠降低貼片的尺寸，但是這種天線損耗太大，往往效率很低。采用多層介質基板結構，分別將天線貼片和饋電網絡設計在不同的介質基片上，能夠得到寬頻帶的駐波比特性；該微帶天線的饋電方式通常是電磁耦合的；但是，采用多層介質基板這種方法，在進行匹配調節(jié)時較為復雜且精度不高，在進行天線設計時，天線貼片以及饋電網絡的影響是要進行重點考慮的，大大增加了計算量和設計的難度。利用饋線匹配技術能夠達到展寬頻帶的目的，在眾多方法中，最常用的是開路微帶線匹配技術，它能夠將帶寬增大到兩倍左右；雖然該天線結構非常簡單、制作也很方便，并且很容易實現匹配，然而引入的傳輸線本身會產生輻射，對方向圖造成干擾，從而降低天線的效益。層疊貼片技術是微帶貼片天線中一種常用的頻帶展寬方法；它為一邊饋式層疊貼片天線的結構示意圖，將任意形狀的貼片蝕刻在接地介質板上，通過微帶傳輸線實現饋電，它是整個天線的輻射單元；另一個貼片天線蝕刻在沒有接地介質板的第二層上，與輻射貼片懸空放置，為寄生貼片；種方法可以將微帶貼片天線的相對帶寬擴展到30%左右。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對現有技術中存在的缺點和不足，提出一種能夠實現寬頻帶垂直和水平雙極化工作模式、既可以實現空間電磁波波達方向的測量和跟蹤，也可以感知入射電磁波的全極化信息的雙極化單脈沖寬帶微帶天線裝置。本發(fā)明可以通過以下措施達到
一種雙極化單脈沖寬帶微帶天線裝置，其特征在于由四個用于形成和波束以及方位和俯仰兩個平面的差波束的相同的雙極化微帶貼片天線單元組成，每個天線單元有兩個正交的極化端口，即水平Zf和垂直極化端口 F，對應形成每一個波束的垂直和水平兩個極化分量，兩個相鄰天線單元之間的距離為^ , d =50mm，和差波束是由四個單元所接收到的信號通過下式的運算得到
=4+4+4+Λ(OCN 102544724 A
權利要求
1. 一種雙極化單脈沖寬帶微帶天線裝置，其特征在于由四個用于形成和波束以及方位和俯仰兩個平面的差波束的相同的雙極化微帶貼片天線單元組成，每個天線單元有兩個正交的極化端口，即水平H和垂直極化端口 V，對應形成每一個波束的垂直和水平兩個極化分量，兩個相鄰天線單元之間的距離為d，d =50mm，和差波束是由四個單元所接收到的信號通過下式的運算得到
2.根據權利要求1所述的一種雙極化單脈沖寬帶微帶天線裝置，其特征在于所述雙極化微帶貼片天線單元的水平饋電端口采用的貼近式耦合饋電，垂直端口采用縫隙耦合方式實現饋電，該設計顯著增加了微帶天線的工作帶寬，同時垂直和水平極化都較好的實現了雙極化工作模式。
3.根據權利要求1所述的一種雙極化單脈沖寬帶微帶天線裝置，其特征在于所述雙極化微帶貼片天線單元采用層疊式貼片結構，由兩層方形貼片構成，上面的為寄生貼片，邊長為a，下面的為輻射貼片，邊長為b;天線工作時，這兩層貼片各產生一個諧振頻率，通過調整兩個諧振頻率的接近程度來達到展寬頻帶的目的，整個天線由四層介質板組成，這其中包括兩層貼片基板和兩層饋線基板，均采用圓形結構，直徑取c，分別將輻射貼片、寄生貼片蝕刻在兩層介質基板上，然后將蝕刻有寄生貼片的第一層介質板懸空倒置在蝕刻有輻射貼片的第二層介質板的上面，兩層貼片之間的距離為h，倒置的第一層介質板起到天線罩的作用，第三層介質板的上面敷設有凸型的微帶線，下面是一個開有縫隙的地板，縫隙采用兩個互相垂直的//型縫居中放置，在最后一層介質板的下面敷設凸型微帶線，其中，//、Z端口的微帶線是垂直放置的，//端口通過貼近式耦合方法實現饋電，Z端口通過縫隙耦合方式實現饋電，為了解決在地板上開縫帶來的背向輻射及低增益問題，在離接地板1/4個波長處加入厚度為Imm的銅片作為反射板。
4.根據權利要求1所述的一種雙極化單脈沖寬帶微帶天線裝置，其特征在于采用相對介電常數2. 65、厚度h=l. 55mm的聚四氟乙烯玻璃布板作為輻射貼片基板，選擇介電常數 2. 2、厚度h=l. 55mm的美國RT-5880介質板作為寄生貼片基板，水平饋電端口所在的介質基板選用介電常數與輻射貼片基板相同的介質板作為該饋線的基板，垂直饋電端口所在介質基板選用與寄生貼片相同的基板材料。
5.根據權利要求1所述的一種雙極化單脈沖寬帶微帶天線裝置，其特征在于該天線的各種設計參數如下a=17. 1mm、力=15. 7mm、c=39. 8mm、A=5. 6mm、水平饋電端口處饋線寬度 W1=L 5mm、垂直饋電端口處饋線寬度r3=l. 8mm、水平饋電端口處饋線進行阻抗變換后饋線寬度 =4mm、垂直饋電端口處饋線長度Z1=H. 1mm、水平饋電端口處進行阻抗變換后饋線長度 L2=9. 2mm、水平極化耦合縫隙長度^=10. 9mm、垂直極化耦合縫隙寬度/7=0. 8mm、水平極化稱合縫隙前端寬度6mm、垂直極化耦合縫隙前端寬度A=L 4mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及雙極化雷達、雙極化天線、單脈沖天線、電磁場理論、微波技術和電波傳播等技術領域，具體地說是一種雙極化單脈沖寬帶微帶天線裝置，其特征在于由四個用于形成和波束以及方位和俯仰兩個平面的差波束的相同的雙極化微帶貼片天線單元組成，每個天線單元有兩個正交的極化端口，即水平H和垂直極化端口V，對應形成每一個波束的垂直和水平兩個極化分量，兩個相鄰天線單元之間的距離為d，d=50mm，本發(fā)明與現有技術相比，該天線裝置既可以實現空間電磁波波達方向的測量和跟蹤，也可以感知入射電磁波的全極化信息，具有較為重要的實際工程意義。
文檔編號H01Q21/24GK102544724SQ20121006067
公開日2012年7月4日 申請日期2012年3月9日 優(yōu)先權日2012年3月9日
發(fā)明者宋立眾, 方慶園, 車升余 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(威海)