CN104795638A

CN104795638A - 双频段圆极化共口径微带天线

Info

Publication number: CN104795638A
Application number: CN201510225206.9A
Authority: CN
Inventors: 杨鹏; 李岩; 闫飞
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2015-05-06
Filing date: 2015-05-06
Publication date: 2015-07-22

Abstract

本发明公开了一种尺寸较小且整体性能较好的双频段圆极化共口径微带天线。该天线通过采用K频段方形环贴片天线和Ka频段方形环贴片天线可以实现天线的小型化，并且通过共面嵌套形式将两个不同频率的天线设置在同一平面降低了天线的剖面高度，进一步减小了天线的尺寸，另外，通过采用K频段耦合器贴片并使用两点馈电的方式改善了K频段天线的轴比性能，拓宽了轴比带宽，同时通过在金属化通孔周围设置由金属通孔阵列围成的屏蔽腔，使金属化通孔和屏蔽腔构成了一个同轴线结构，从而消除了金属化通孔所带来的电感效应，同时也屏蔽了其所可能产生的辐射，因此天线的整体性能得到保障。适合在天线技术领域推广应用。

Description

双频段圆极化共口径微带天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种双频段圆极化共口径微带天线。

背景技术

共口径天线是将不同频段和极化的天线集成在同一个口径下的天线阵列形式。采用共口径天线可以使多副不同功能的天线安装在同一个空间内，跟多副天线分开安放相比，这种形式大大节省了所占的空间，使整个通信***更加紧凑。共口径天线的设计可以采用微带天线、对称阵子结构、螺旋天线结构、抛物面与螺旋天线等。但是由于微带天线具有质量轻、加工方便、低剖面、易组阵的优点。所以，大多数的共口径天线都是采用微带结构。目前不管是雷达***或通信***等电子设备中在不显著增加天线的体积和重量的情况下使天线在不同频率和不同极化方式工作的需求都在不断增加。因此共口径微带天线的研究具有重要的现实意义。

共口径天线的优点主要是使天线载体空间得到有效利用，使工作于不同频率或不同功能的天线能够共享同一口径并且都能正常工作。然而在相对狭小的空间内紧密的安装多副天线，通常会引起天线间产生强耦合，从而使天线性能恶化甚至导致某些天线无法正常工作。共口径天线的设计难度大，如果不能很好的解决各天线之间的相互隔离问题那么共口径的优势将会丧失殆尽。

目前关于双频段共口径微带天线结构的设计可大致分为以下三种类型：(1)共面嵌套结构。将高频波段的天线单元嵌入到低频波段天线单元内部实现双频段共口径微带天线。(2)叠层开孔结构。将高频波段的天线单元放置于低频段开孔正下方构成双频共口径微带天线。(3)交织结构。利用低频段天线单元之间的缝隙，将一个高频段的天线单元嵌入到多个低频段天线单元之间。但是传统的双频共口径微带天线仍存在尺寸大、异频段天线干扰强等问题。尤其在需要天线圆极化工作的领域(如卫星通信)，传统的馈电结构不利于共口径的设计，并且轴比带宽也常常难以满足需求，天线的整体性能较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种尺寸较小且整体性能较好的双频段圆极化共口径微带天线。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：该双频段圆极化共口径微带天线，包括从下到上依次层叠设置的第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板，所述第一介质基板的下表面设置有第一金属层，所述第一介质基板的上表面设置有K频段耦合器贴片，所述K频段耦合器贴片具有第一矩形引脚与第二矩形引脚，所述第一矩形引脚上设置有第一同轴馈电接头，第二矩形引脚上设置有第二同轴馈电接头，所述第二介质基板的上表面设置有第二金属层，所述第三介质基板的上表面设置有K频段方形环贴片、Ka频段方形环贴片、第一矩形贴片、第二矩形贴片、第三矩形贴片，所述Ka频段方形环贴片嵌套的设置在K频段方形环贴片内侧，所述第一矩形贴片设置在Ka频段方形环贴片内侧，第二矩形贴片、第三矩形贴片分别设置在K频段方形环贴片外侧，所述第一矩形贴片上设置有第三同轴馈电接头，所述第二介质基板上设置有第一金属化通孔与第二金属化通孔，所述第一金属化通孔贯穿第二介质基板、第三介质基板，所述第一金属化通孔的上端与第二矩形贴片相连，第一金属化通孔的下端与K频段耦合器贴片相连，所述第二金属化通孔贯穿第二介质基板、第三介质基板，所述第二金属化通孔的上端与第三矩形贴片相连，第二金属化通孔的下端与K频段耦合器贴片相连，所述第一介质基板上设置有第一金属通孔阵列与第二金属通孔阵列，所述第一金属通孔阵列贯穿第一介质基板、第二介质基板，所述第一金属通孔阵列环绕在第一金属化通孔四周并且第一金属通孔阵列的上端与第二金属层相连，第一金属通孔阵列的下端与第一金属层相连，所述第二金属通孔阵列环绕在第二金属化通孔四周并且第二金属通孔阵列的上端与第二金属层相连，第二金属通孔阵列的下端与第一金属层相连，所述Ka频段方形环贴片通过第一矩形贴片耦合馈电，所述K频段方形环贴片通过第二矩形贴片、第三矩形贴片耦合馈电。

进一步的是，所述第一介质基板和第二介质基板均采用相对介电常数为2.2，厚度为0.254mm的Rogers 5880介质板。

进一步的是，所述第三介质基板采用相对介电常数为2.2，厚度为0.787mm的Rogers 5880介质板。

本发明的有益效果：该双频段圆极化共口径微带天线通过采用K频段方形环贴片天线和Ka频段方形环贴片天线可以实现天线的小型化，与传统的矩形贴片天线相比尺寸缩减了三分之一，并且通过共面嵌套形式将两个不同频率的天线设置在同一平面降低了天线的剖面高度，进一步减小了天线的尺寸，另外，通过采用K频段耦合器贴片并使用两点馈电的方式改善了K频段天线的轴比性能，拓宽了轴比带宽，同时通过在金属化通孔周围设置由金属通孔阵列围成的屏蔽腔，使金属化通孔和屏蔽腔构成了一个同轴线结构，从而消除了金属化通孔所带来的电感效应，同时也屏蔽了其所可能产生的辐射，因此天线的整体性能得到保障，再者，该双频段圆极化共口径微带天线可采用成熟的PCB技术制造，具有成本低、精度高、重复性好、易加工、易平面集成的特点，可实现批量化生产制造。

附图说明

图1是本发明双频段圆极化共口径微带天线的结构示意图；

图2是本发明双频段圆极化共口径微带天线的侧视图；

图3是本发明双频段圆极化共口径微带天线的俯视几何尺寸示意图；

图4是本发明双频段圆极化共口径微带天线的侧视几何尺寸示意图；

图5为本发明双频段圆极化共口径微带天线的K频段输入端反射系数仿真结果；

图6为本发明双频段圆极化共口径微带天线的K频段在Phi＝0°和Phi＝90°平面内的辐射方向图；

图7为本发明双频段圆极化共口径微带天线的K频段轴比随频率变化曲线；

图8为本发明双频段圆极化共口径微带天线的Ka频段输入端反射系数仿真结果；

图9为本发明双频段圆极化共口径微带天线的Ka频段在Phi＝0°和Phi＝90°平面内的辐射方向图；

图10为本发明双频段圆极化共口径微带天线的Ka频段轴比随频率变化曲线；

图中标记说明：第一介质基板1、第一金属层2、K频段耦合器贴片3、第一同轴馈电接头4、第二同轴馈电接头5、第二介质基板6、第二金属层7、第三介质基板8、K频段方形环贴片9、Ka频段方形环贴片10、第一矩形贴片11、第二矩形贴片12、第三矩形贴片13、第三同轴馈电接头14、第一金属化通孔15、第二金属化通孔16、第一金属通孔阵列17、第二金属通孔阵列18。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、2所述，该双频段圆极化共口径微带天线，包括从下到上依次层叠设置的第一介质基板1、第二介质基板6、第三介质基板8，所述第一介质基板1的下表面设置有第一金属层2，所述第一介质基板1的上表面设置有K频段耦合器贴片3，所述K频段耦合器贴片3具有第一矩形引脚与第二矩形引脚，所述第一矩形引脚上设置有第一同轴馈电接头4，第二矩形引脚上设置有第二同轴馈电接头5，所述第二介质基板6的上表面设置有第二金属层7，所述第三介质基板8的上表面设置有K频段方形环贴片9、Ka频段方形环贴片10、第一矩形贴片11、第二矩形贴片12、第三矩形贴片13，所述Ka频段方形环贴片10嵌套的设置在K频段方形环贴片9内侧，所述第一矩形贴片11设置在Ka频段方形环贴片10内侧，第二矩形贴片12、第三矩形贴片13分别设置在K频段方形环贴片9外侧，所述第一矩形贴片11上设置有第三同轴馈电接头14，所述第二介质基板6上设置有第一金属化通孔15与第二金属化通孔16，所述第一金属化通孔15贯穿第二介质基板6、第三介质基板8，所述第一金属化通孔15的上端与第二矩形贴片12相连，第一金属化通孔15的下端与K频段耦合器贴片3相连，所述第二金属化通孔16贯穿第二介质基板6、第三介质基板8，所述第二金属化通孔16的上端与第三矩形贴片13相连，第二金属化通孔16的下端与K频段耦合器贴片3相连，所述第一介质基板1上设置有第一金属通孔阵列17与第二金属通孔阵列18，所述第一金属通孔阵列17贯穿第一介质基板1、第二介质基板6，所述第一金属通孔阵列17环绕在第一金属化通孔15四周并且第一金属通孔阵列17的上端与第二金属层7相连，第一金属通孔阵列17的下端与第一金属层2相连，所述第二金属通孔阵列18环绕在第二金属化通孔16四周并且第二金属通孔阵列18的上端与第二金属层7相连，第二金属通孔阵列18的下端与第一金属层2相连，所述Ka频段方形环贴片10通过第一矩形贴片11耦合馈电，所述K频段方形环贴片9通过第二矩形贴片12、第三矩形贴片13耦合馈电。该双频段圆极化共口径微带天线通过采用K频段方形环贴片9天线和Ka频段方形环贴片10天线可以实现天线的小型化，与传统的矩形贴片天线相比尺寸缩减了三分之一，并且通过共面嵌套形式将两个不同频率的天线设置在同一平面降低了天线的剖面高度，进一步减小了天线的尺寸，另外，通过采用K频段耦合器贴片3并使用两点馈电的方式改善了K频段天线的轴比性能，拓宽了轴比带宽，同时通过在金属化通孔周围设置由金属通孔阵列围成的屏蔽腔，使金属化通孔和屏蔽腔构成了一个同轴线结构，从而消除了金属化通孔所带来的电感效应，同时也屏蔽了其所可能产生的辐射，因此天线的整体性能得到保障，再者，该双频段圆极化共口径微带天线可采用成熟的PCB技术制造，具有成本低、精度高、重复性好、易加工、易平面集成的特点，可实现批量化生产制造。

进一步的是，所述第一介质基板1和第二介质基板6均采用相对介电常数为2.2，厚度为0.254mm的Rogers 5880介质板。所述第三介质基板8采用相对介电常数为2.2，厚度为0.787mm的Rogers 5880介质板。

实施例

本实施例中双频段圆极化共口径微带天线工作在K20GHz/Ka30GHz波段。第一介质基板1和第二介质基板6采用相对介电常数为2.2，厚度h1＝h2＝0.254mm的Rogers 5880介质板，第三介质基板8采用相对介电常数为2.2，厚度h3＝0.787mm的Rogers 5880介质板，尺寸如图4所示。双频段圆极化共口径微带天线的尺寸如图3所示，具体参数如下所述：如图3所示，天线具体尺寸为：a1＝3.3mm，b1＝2.6mm，L1＝2mm，w1＝0.3mm，s1＝0.4mm，h1＝0.254mm，h2＝0.254mm，h3＝0.787mm，a2＝2.25mm，b2＝1.85mm，L2＝1mm，w2＝0.2mm，s2＝0.2mm，p＝0.25mm。

该双频段圆极化共口径微带天线在K频段的反射系数如图5所示，由于使用了K频段耦合器贴片3，所以整个天线的阻抗带宽很宽，然而其实际的辐射带宽却比较窄，图5也给出了该天线的实际工作频率范围。图6给出了该天线在Phi＝0°和Phi＝90°平面内的辐射方向图，其最大增益为6.7dB，其可以和传统的微带天线相比拟。天线随频率变化的轴比如图7所示，由于使用了两点馈电的方式来对该天线进行馈电，因此其具有很宽的轴比带宽范围，且在工作带宽范围内，轴比均小于2dB。

而该天线在Ka频段的反射系数如图8所示，其阻抗带宽为28.2–30GHz。图9给出了该天线在Phi＝0°和Phi＝90°平面内的辐射方向图，最大增益为7.8dB，其增益高于K频段天线的增益，这一方面是由于相对于K频段的天线，Ka频段天线所对应的的地板电尺寸比较大；另一方面是由于K频段天线使用了耦合器来对其馈电，而耦合器本身是有一定损耗的。天线随频率变化的轴比如图10所示，由于使用的是单点馈电的方式来对该天线进行馈电，因此轴比带宽远小于阻抗带宽，其轴比带宽为29.5-29.9GHz。

Claims

1.双频段圆极化共口径微带天线，其特征在于：包括从下到上依次层叠设置的第一介质基板(1)、第二介质基板(6)、第三介质基板(8)，所述第一介质基板(1)的下表面设置有第一金属层(2)，所述第一介质基板(1)的上表面设置有K频段耦合器贴片(3)，所述K频段耦合器贴片(3)具有第一矩形引脚与第二矩形引脚，所述第一矩形引脚上设置有第一同轴馈电接头(4)，第二矩形引脚上设置有第二同轴馈电接头(5)，所述第二介质基板(6)的上表面设置有第二金属层(7)，所述第三介质基板(8)的上表面设置有K频段方形环贴片(9)、Ka频段方形环贴片(10)、第一矩形贴片(11)、第二矩形贴片(12)、第三矩形贴片(13)，所述Ka频段方形环贴片(10)嵌套的设置在K频段方形环贴片(9)内侧，所述第一矩形贴片(11)设置在Ka频段方形环贴片(10)内侧，第二矩形贴片(12)、第三矩形贴片(13)分别设置在K频段方形环贴片(9)外侧，所述第一矩形贴片(11)上设置有第三同轴馈电接头(14)，所述第二介质基板(6)上设置有第一金属化通孔(15)与第二金属化通孔(16)，所述第一金属化通孔(15)贯穿第二介质基板(6)、第三介质基板(8)，所述第一金属化通孔(15)的上端与第二矩形贴片(12)相连，第一金属化通孔(15)的下端与K频段耦合器贴片(3)相连，所述第二金属化通孔(16)贯穿第二介质基板(6)、第三介质基板(8)，所述第二金属化通孔(16)的上端与第三矩形贴片(13)相连，第二金属化通孔(16)的下端与K频段耦合器贴片(3)相连，所述第一介质基板(1)上设置有第一金属通孔阵列(17)与第二金属通孔阵列(18)，所述第一金属通孔阵列(17)贯穿第一介质基板(1)、第二介质基板(6)，所述第一金属通孔阵列(17)环绕在第一金属化通孔(15)四周并且第一金属通孔阵列(17)的上端与第二金属层(7)相连，第一金属通孔阵列(17)的下端与第一金属层(2)相连，所述第二金属通孔阵列(18)环绕在第二金属化通孔(16)四周并且第二金属通孔阵列(18)的上端与第二金属层(7)相连，第二金属通孔阵列(18)的下端与第一金属层(2)相连，所述Ka频段方形环贴片(10)通过第一矩形贴片(11)耦合馈电，所述K频段方形环贴片(9)通过第二矩形贴片(12)、第三矩形贴片(13)耦合馈电。

2.如权利要求1所述的双频段圆极化共口径微带天线，其特征在于：所述第一介质基板(1)和第二介质基板(6)均采用相对介电常数为2.2，厚度为0.254mm的Rogers 5880介质板。

3.如权利要求2所述的双频段圆极化共口径微带天线，其特征在于：所述第三介质基板(8)采用相对介电常数为2.2，厚度为0.787mm的Rogers 5880介质板。