CN103337696A - 变极化平板天线单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变极化平板天线单元，由多层金属层自上而下槽耦合而成；自上而下的最上层的金属层为辐射贴片印制层，印制层表面印制辐射贴片；第二层为刻蚀耦合槽；第三层为微带线馈线网络层，其上设置有带状线馈线网络；第四层为接地板，所述的第四层与第二、三层构成带线传输线。本发明给出的U形槽以“|”部分臂长作为调节变量，阻抗调配范围明显增大；采用双端口馈电结构，天线圆极化工作时，TM10、TM01简并模式场分布具有很好的对称性，圆极化正交隔离度高；采用带状线馈电网络结构，既有效减少寄生辐射、背射，又不至于过多增加平板天线剖面厚度。

Description

变极化平板天线单元

技术领域

本发明涉及一种平板天线，尤其是一种宽带、变极化槽耦合多层平板天线。

背景技术

在平板天线性能改进措施中，各项指标往往是相互制约的，例如采用高介电常数介质基板是天线小型化的直接高效手段之一，然而ε_r的升高又会导致天线辐射Q值升高，频带变窄。因此，设计天线时，要权衡各项指标要求，认真选取基板材料、天线结构、贴片形状、馈电方式等。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种新型的宽带、变极化槽耦合多层平板天线单元。

本发明所采用的技术方案为：一种变极化平板天线单元，由多层金属层自上而下槽耦合而成；自上而下的最上层的金属层为辐射贴片印制层，印制层表面印制辐射贴片；第二层为刻蚀耦合槽；第三层为微带线馈线网络层，其上设置有带状线馈线网络；第四层为接地板，所述的第四层与第二、三层构成带线传输线。

本发明所述的天线单元通过带线侧馈或同轴探针底馈方式由馈电端口馈入的电磁波，经带线馈电网络引导至带线终端形成电压最强处，沿线向源端λ_g/4磁场最强处由带线上层接耦合槽磁耦合至天线单元，其中λ_g为均匀介质带线内介质波长；天线辐射贴片在两端由于宽微带线终端截断效应形成等效辐射缝，两对对边缝上切向电场分量可等效为两对等幅同相磁流源向空间辐射，产生天线辐射场。

本发明所述的第二层的耦合槽的开槽方式为刻蚀U形耦合槽；采用U形槽耦合馈电、多层板天线结构，似于在电路理论中当采用参差调谐的紧耦合回路时，频带将会展宽。第二层的耦合槽的开槽方式还可以是矩形槽、多边形槽、线段槽、蝶形槽或哑铃形槽。蝶形槽以每一个臂张角α为变量进行调配，哑铃形槽以槽两端圆半径r进行调配，调节范围均很大程度上受辐射贴片下方空间限制，而U形槽以“|”部分臂长作为调节变量，阻抗调配范围明显增大。

本发明所述的平板天线单元采用双端口馈电，当一个馈电端口馈入微波能量，另一端口接匹配负载时，由贴片、接地板和基板组成的介质谐振腔激励起TM10模，在贴片终端等效辐射缝以单一线极化向空间辐射微波能量，两馈电口同时馈入微波能量，采用同一坐标系，介质谐振腔内激励起TM10、TM01简并模式，控制两端口馈电幅相关系；所述的天线单元可以分别实现左旋圆极化和右旋圆极化。采用单点馈实现圆极化，天线极化特性对辐射单元引入的附加不连续段尺寸、馈电点位置十分敏感，不宜于工程实现。而采用本发明双端口馈电结构，天线圆极化工作时，TM10、TM01简并模式场分布具有很好的对称性，圆极化正交隔离度高。

传统微带天线馈电网络与辐射贴片印制在介质板的同一层，这样馈线会产生寄生辐射，这在Ku波段变得不容忽略。常见的减小微带线寄生辐射的措施是将辐射贴片、微带线馈线网络印制在地板的两侧，这样带来了另一个弊端就是产生微带线背射，一种改进的措施是在微带线下放置反射板(或背腔)，由于反射板与微带线网络所在层的距离(或背腔厚度)一般为λ₀/4，这无疑增加了平板天线的剖面尺寸。本发明采用带状线馈电网络结构，所述的辐射贴片印制层的辐射贴片为距形，既有效减少寄生辐射、背射，又不至于过多增加平板天线剖面厚度。

本发明的有益效果是：本发明给出的U形槽以“|”部分臂长作为调节变量，阻抗调配范围明显增大；采用双端口馈电结构，天线圆极化工作时，TM10、TM01简并模式场分布具有很好的对称性，圆极化正交隔离度高；采用带状线馈电网络结构，既有效减少寄生辐射、背射，又不至于过多增加平板天线剖面厚度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1(a)～(b)是本发明多层槽耦合平板天线结构示意图；

图2(a)～(e)为槽耦合天线常见开槽形式；

图3(a)～(b)为开蝶形、哑铃形槽多层槽耦合平板天线；

图4为槽耦合多层平板天线等效电路图；

图5为贴片天线辐射场的坐标系图；

图6(a)为天线方向图随槽长变化曲线；(b)为天线辐射效率随槽长变化曲线；

图7(a)为另一种取值的天线方向图随槽长变化曲线；(b)为另一种取值的天线辐射效率随槽长变化曲线；

图8(a)为S11随U形槽末端枝节长度变化；(b)为S12随U形槽末端枝节长度变化；

图9为天线方向图随开槽位置变化曲线。

具体实施方式

现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示的一种变极化平板天线单元，由多层金属层自上而下槽耦合而成；自上而下的最上层的金属层为辐射贴片印制层，印制层表面印制辐射贴片；第二层为刻蚀耦合槽；第三层为微带线馈线网络层，其上设置有带状线馈线网络；第四层为接地板，所述的第四层与第二、三层构成带线传输线。

本发明的耦合槽开槽方式除开简单矩形槽外，可以有多种形式，如图2(a)～(e)所示，图3(a)和(b)所示的是开蝶形槽、哑铃形槽。

对于矩形微带天线，贴片的长度L取值稍小于λ_g/2，可由下式确定：

$L=0.5{\mathrm{\λ}}_g-2\mathrm{\ΔL}=\frac{c}{2f_r\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}}-2\mathrm{\ΔL}---\left(1\right)$

式中： $\mathrm{\ΔL}=0.412h\frac{({\mathrm{\ϵ}}_e+0.3)(W/h+0.264)}{({\mathrm{\ϵ}}_e-0.258)(W/h+0.8)}$

采用均匀介质带线内介质波长

天线工作时，两组对边均有可能产生有效辐射缝，故天线贴片设计为正方形基本形状，边长均可由式(1)确定。

带线馈电网络取50Ω特性阻抗，根据基板材料不同，线宽由下式确定：

$W=\left\{\begin{array}{cc}h(\frac{30\mathrm{\&pi;}}{\sqrt{{\mathrm{\&epsiv;}}_r}{Z}_0}-0.441)& \sqrt{{\mathrm{\&epsiv;}}_r}{Z}_0<120\mathrm{\&Omega;}\\ h(0.85-\sqrt{0.6-(\frac{30\mathrm{\&pi;}}{\sqrt{{\mathrm{\&epsiv;}}_e}{Z}_0}-0.441)})& \sqrt{{\mathrm{\&epsiv;}}_r}{Z}_0>120\mathrm{\&Omega;}\end{array}\right.---\left(2\right)$

开槽位置应位于自带状线终端电压最大值处沿线向源端λ_g/4磁场最强处，记及终端效应实际长度略小于λ_g/4。

槽耦合多层平板天线由于矩形辐射元两端的等效辐射缝处产生电场不连续段，开路处电荷集中储存了电能，末端效应等效为一个电容。当考虑缝隙的辐射后，微带辐射元两端将等效一个电导G和一个电纳jB并联的导纳接在微带传输线的两端，自磁场槽耦合处至天线终端等效电路如图4所示：

将表面贴片和传输线模型结合起来，研究图1所示模型及图4所示等效电路，馈电点在矩形贴片宽边中分线上任意点时，贴片上馈电点处输入阻抗为：

$Z_1=\frac{1}{Y_0}[\frac{Z_0\cos \mathrm{\&beta;}{L}_1+j{Z}_w\sin \mathrm{\&beta;}{L}_1}{Z_w\cos \mathrm{\&beta;}{L}_1+j{Z}_0\sin \mathrm{\&beta;}{L}_1}+\frac{Z_0\cos \mathrm{\&beta;}{L}_2+j{Z}_w\sin \mathrm{\&beta;}{L}_2}{Z_w\cos \mathrm{\&beta;}{L}_2+j{Z}_0\sin \mathrm{\&beta;}{L}_2}{]}^{-1}---\left(3\right)$

式中：

$\left\{\begin{array}{c}{Z}_w=\frac{1}{Y_w}=\frac{1}{G_w+j{B}_w}\\ G_w=0.0083W/{\mathrm{\&lambda;}}_0\\ B_w=0.01668\frac{\mathrm{\&Delta;L}}{h}\frac{W}{{\mathrm{\&lambda;}}_0}{\mathrm{\&epsiv;}}_e\\ {\mathrm{\&epsiv;}}_e=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_r-1}{2}{(1+\frac{12h}{W})}^{-1/2}\\ \frac{\mathrm{\&Delta;L}}{h}=0.412\frac{({\mathrm{\&epsiv;}}_e+0.3)(W/h+0.264)}{({\mathrm{\&epsiv;}}_e-0.258)(W/h+0.8)}\\ W=L\end{array}\right.---\left(4\right)$

带线终端至耦合槽，以及U形槽至矩形贴片的耦合效应可以分别用一个集总容抗X_c1，X_c2来表示，这样，50Ω特性阻抗带线终端输入导纳为：

$Y_{\mathrm{in}}=\frac{1}{Z_1}+j(X_{C1}+X_{C2})---\left(5\right)$

如图5中矩形贴片天线两辐射缝可等效为仅有沿y方向分量且与x分量无关的磁流，每个辐射缝等效磁流密度为

对于整个矩形贴片来讲，天线的辐射等效为二元缝阵的辐射，天线的辐射场可由下式确定：

式中

$A=-j\frac{2\mathrm{VW}}{\mathrm{\&lambda;}{r}^{\&prime;}}{e}^{-j{k}_0{r}^{\&prime;}},$ r′是微带片中心到场点的距离。由此得到天线方向图函数：

则时H面方向图与

时E面方向图为：

天线主瓣的半功率角宽度可近似由下式计算：

$\left\{\begin{array}{c}2{\mathrm{\&theta;}}_{0.5E}=2{\cos }^{-1}{\left[\frac{1}{2(1+\frac{\mathrm{\&beta;L}}{2})}\right]}^{1/2}\\ 2{\mathrm{\&theta;}}_{0.5H}=2{\cos }^{-1}{\left[\frac{7.03}{(3{\mathrm{\&beta;}}^2{L}^2+{\mathrm{\&beta;}}^2{h}^2)}\right]}^{1/2}\end{array}\right.---\left(9\right)$

容易得到天线方向性系数为： $D=\frac{8L^2{\mathrm{\&pi;}}^2}{{\&Integral;}_0^{2\mathrm{\&pi;}}{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\&beta;}L\cos \mathrm{\&theta;}}{2}\right){\tan }^2\mathrm{\&theta;}\sin \mathrm{\&theta;d\&theta;}{\mathrm{\&lambda;}}^2}---\left(10\right)$

图1所示多层板天线各层基板选取为：最上层板介电常数ε_r＝2.3，厚度h₁＝0.5mm，介质损耗tgδ＝0.0013，下面两层板介电常数ε_r＝2.65，厚度h₂＝h₃＝0.8mm，介质损耗tgδ＝0.0025，基板尺寸30mm×30mm，贴片尺寸6.9mm×6.9mm。天线一端口接馈源，另一端口接匹配负载，工作在水平极化方式。

带线上接地板U形槽槽宽、“—”部分槽长主要影响槽耦合平板天线的辐射效率，图6、7给出两变量取不同值时天线E面方向图与辐射效率计算曲线。

由图6可以看出耦合槽槽长对天线辐射方向图、辐射效率影响不大，这也说明由于带线对微波能量的束缚引导作用，能量主要在带线周围通过U形槽向上耦合。图7表明槽宽取不同值时天线辐射效率变换波动较大，同时天线方向性、主辐射方向最大增益变化明显，加大槽宽天线主辐射方向增益反而下降，这主要由于随着槽宽的增加，U形槽沿垂直槽长边方向电场产生畸变，不能看作定值，进而导致贴片天线等效磁流辐射源发生畸变，影响天线辐射方向图。

带状线上接地板U形槽“|”部分作为终端开路调配枝节主要影响天线的输入阻抗即匹配特性，根据带线的周期性结构，其长度应取小于一个介质波长，图8给出U形槽“|”部分取不同长度值时天线单端口S参数计算曲线。可以看出随着U形槽“|”部分枝节长度的增加谐振频率降低，同时图8(b)显示按此方案设计的槽耦合多层平板天线两输入端口具有好的端口隔离特性。

开缝位置即天线进行槽耦合处是影响天线方向图的主要因素，图9给出U形槽开槽位置fed_poi与贴片中心距离变化时天线E面方向图计算曲线。可以看出，开槽靠近贴片中心时天线具有好的方向性，随着开槽位置偏离贴片中心，天线主辐射方向偏离θ＝0°，增益亦有所降低，这主要源于开槽位于正中心时，两辐射缝位置对称，自槽耦合处入视阻抗相同，辐射贴片两端等效磁流源幅相具有高的一致性。

采用带状线作为馈电网络与传统微带线(馈线网络与辐射贴片在地板两侧)馈电时，天线单元下半空间尾瓣辐射方向图，选取座标系使天线正下方θ＝90°。采用传统微带线馈电方式，天线后向辐射较为明显，对于本文给出的带状线馈电结构，尽管由于天线基板尺寸有限，仍会有部分能量从介质板边沿辐射形成尾瓣，但天线尾瓣明显降低，可以有效降低背射效应。

以上说明书中描述的只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离发明的实质和范围。

Claims (6)

1.一种变极化平板天线单元，其特征在于：由多层金属层自上而下槽耦合而成；自上而下的最上层的金属层为辐射贴片印制层，印制层表面印制辐射贴片；第二层为刻蚀耦合槽；第三层为微带线馈线网络层，其上设置有带状线馈线网络；第四层为接地板，所述的第四层与第二、三层构成带线传输线。

2.如权利要求1所述的变极化平板天线单元，其特征在于：所述的第二层的耦合槽的开槽方式为刻蚀U形耦合槽。

3.如权利要求1所述的变极化平板天线单元，其特征在于：所述的第二层的耦合槽的开槽方式还包括矩形槽、多边形槽、线段槽、蝶形槽或哑铃形槽。

4.如权利要求1所述的变极化平板天线单元，其特征在于：所述的天线单元通过带线侧馈或同轴探针底馈方式由馈电端口馈入的电磁波，经带线馈电网络引导至带线终端形成电压最强处，沿线向源端λ_g/4磁场最强处由带线上层接耦合槽磁耦合至天线单元，其中λ_g为均匀介质带线内介质波长；天线辐射贴片在两端由于宽微带线终端截断效应形成等效辐射缝，两对对边缝上切向电场分量可等效为两对等幅同相磁流源向空间辐射，产生天线辐射场。

5.如权利要求4所述的变极化平板天线单元，其特征在于：所述的平板天线单元采用双端口馈电，当一个馈电端口馈入微波能量，另一端口接匹配负载时，由贴片、接地板和基板组成的介质谐振腔激励起TM10模，在贴片终端等效辐射缝以单一线极化向空间辐射微波能量，两馈电口同时馈入微波能量，采用同一坐标系，介质谐振腔内激励起TM10、TM01简并模式，控制两端口馈电幅相关系；所述的天线单元可以分别实现左旋圆极化和右旋圆极化。

6.如权利要求1所述的变极化平板天线单元，其特征在于：所述的辐射贴片印制层的辐射贴片为距形。

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