CN105811102B - 一种小型化低剖面宽频带双圆极化微带天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化低剖面宽频带双圆极化微带天线，所述天线由第一介质基板、金属支撑框架、第二介质基板和第三介质基板构成。第一介质基板上下表面均有寄生金属贴片，上表面贴片尺寸比下表面贴片尺寸大且两者通过4个金属化通孔连接；第二介质基板上表面有馈电贴片；第三介质基板包括4条带状线、90°电桥、2个馈电探针和2个射频同轴连接器。本发明采用90°电桥与双馈点技术实现双圆极化，综合采用叠层结构和通过金属化通孔相连的双寄生贴片结构展宽微带天线带宽，使天线带宽达到19.4％，且频带范围内圆极化轴比小于1.3dB；具有小型化低剖面特性，体积为0.45λ₀×0.45λ₀×0.075λ₀。

Description

一种小型化低剖面宽频带双圆极化微带天线

技术领域

本发明涉及通信和导航领域的天线技术，具体为一种小型化低剖面宽频带双圆极化微带天线。本发明适合作为相控阵天线的阵元，因此适用于车载、机载等低剖面卫星移动通信中对带宽和圆极化性能要求比较高的场合。

背景技术

微带天线具有低剖面、重量轻和低成本等优点，但其固有的窄频带特性(一般相对带宽小于5％)限制了它的应用范围。人们采用了很多技术来展宽微带天线带宽，如采用非规则金属贴片、叠层结构等措施。但是采用非规则金属贴片难以设计，并且往往会影响天线的极化性能；采用叠层结构设计简单，容易保证天线极化性能，但高度不好控制。另外，为了实现圆极化，可采用单馈点加微扰贴片结构，此种方式圆极化轴比带宽较窄；还可采用多馈点技术实现圆极化，通过合理设计馈电网络能够实现较宽的圆极化轴比带宽。

经专利检索，与本发明密切相关的有关专利具体如下：专利号：CN200810114878.2，圆极化宽频带电容补偿探针馈电叠层微带天线阵，通过叠层结构和电容补偿探针技术实现了大于20％的驻波带宽，但只实现了单圆极化；专利号：CN201010521963.8，一种单馈宽带圆极化叠层微带天线及其馈电装置，通过叠层结构实现了15.6％的3dB轴比带宽，并且天线高度>0.14λ₀；专利号：CN201310444387.5，UHF频段双频圆极化低剖面空气微带天线，能够实现双频段工作，不具备宽频带特性；专利号：CN201420045812.3，高宽带双极化微带天线，天线工作频带为5150～5850MHz，不到13％，且为线极化；专利号：CN201420167391.1，一种宽带双圆极化微带天线，能够实现双圆极化工作，驻波带宽达到56.5％但频带内圆极化轴比已经达到6dB；专利号：CN201420206459.2，宽带宽角扫描的双圆极化微带天线，其3dB带宽大于40％，频带内轴比小于3dB，但天线高度已经达到0.42λ₀，远远不能满足低剖面的要求。

综上所述，采用一些技术措施展宽微带天线的工作带宽在工程上是容易实现的，但是往往会带来天线的圆极化特性变差、天线高度增加等问题。

发明内容

本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足之处，提供一种小型化低剖面宽频带双圆极化微带天线，本发明实现了宽频带和良好的双圆极化特性，并且拥有小型化、低剖面的特点，具有很高的工程应用前景。

本发明技术解决方案为：一种小型化低剖面宽频带双圆极化微带天线，包括从上到下依次固定连接的第一介质基板3、金属支撑框架7、第二介质基板8和第三介质基板10；第一介质基板3的上表面腐蚀形成有中心有孔的上寄生金属贴片4，其下表面腐蚀形成有下寄生金属贴片5，上寄生金属贴片4的尺寸大于下寄生金属贴片5的尺寸且通过4个金属化通孔6连接；4个金属化通孔6关于第一介质基板3的中心对称；第二介质基板8的上表面腐蚀形成有馈电贴片9；第三介质基板10上设置有4条带状线11、90°电桥12、2个馈电探针13和2个射频同轴连接器2，90°电桥12的输入端和隔离端分别通过2条带状线11与2个射频同轴连接器2一一对应相连接，其直通端和耦合端分别通过2条带状线11与2个馈电探针13一一对应相连接；馈电贴片9通过2个金属化通孔与2个馈电探针13一一对应相连接。

其中，所述的上寄生金属贴片4、下寄生金属贴片5和馈电贴片9均为圆形或者正方形。

其中，第一介质基板3的下寄生金属贴片5的中心位置开有十字缝。

其中，所述的90°电桥12为90°电桥芯片或者90°电桥带状线网络。

其中，90°电桥12为90°电桥芯片时，第二介质基板8的中心位置开孔，该孔用于容纳90°电桥芯片；90°电桥芯片的周围开设有多个金属化通孔。

其中，所述的馈电探针和射频同轴连接器周围均开设有多个金属化通孔。

其中，所述的小型化低剖面宽频带双圆极化微带天线的体积为0.45λ₀×0.45λ₀×0.075λ₀，其中，λ₀为中心频率电磁波在自由空间传播的波长。

其中，所述的第二介质基板8的介电常数比第一介质基板3的介电常数大。

其中，所述的两个馈电探针13的中心位置与馈电贴片9中心的连线成90°角。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明采用馈电贴片和双层寄生贴片，产生多个谐振频率，经过合理设计各层贴片的尺寸和间距，使多个谐振频段连为一体，展宽微带天线的工作频带。

2、本发明的双层寄生贴片通过四个金属化通孔连接，上层贴片比下层贴片略大，经验证，相比相互独立的两层寄生贴片结构，此结构可极大地展宽工作频带。

3、本发明的第一介质基板和第二介质基板的介电常数较低，两者之间再利用金属框架构造空气介质，进一步降低了整个微带天线的等效介电常数，从而降低品质因数，有助展宽天线的工作频带。

4、本发明综合采用叠层结构和通过金属化通孔连接的双寄生贴片结构，使得本发明具有宽频带特性，ActiveVSWR≤2的相对带宽达到19.4％。

5、本发明采用性能优良的90°电桥芯片和双馈点馈电技术，使得天线内部两个馈电探针处信号在宽频带范围内保持正交，宽频带范围内圆极化性能良好，轴比小于1.3dB。

6、本发明合理设计两个介质基板与中间空气层的厚度，使得本发明具有小型化低剖面的特点，体积仅为0.45λ₀×0.45λ₀×0.075λ₀，尤其适合作为相控阵天线的阵元，应用于移动通信和导航等领域中。

附图说明

图1是本发明的侧上方三维结构图。

图2是本发明的分层结构图。

图3是本发明的第一介质基板的侧上方视图。

图4是本发明的第一介质基板的侧下方视图。

图5是本发明的第三介质基板的三维视图。

图6是本发明的有源驻波比带宽图。

图7是本发明的频带内轴比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

一种小型化低剖面宽频带双圆极化微带天线，如图1所示，为一种层式结构。小型化低剖面宽频带双圆极化微带天线1从上到下依次设置有：第一介质基板3、金属支撑框架7、第二介质基板8和第三介质基板10，如图2所示；第一介质基板3由上敷铜层、中间介质和下敷铜层组成；第二介质基板8由上表面敷铜层和介质板组成；第三介质基板10由上敷铜层、中间带状线、下敷铜层和两层介质组成，上敷铜层与中间带状线、下敷铜层与中间带状线之间均设置有介质。

如图3、图4所示，第一介质基板3的上下两表面分别设置有上寄生金属贴片4和下寄生金属贴片5，均采用圆形结构，上寄生金属贴片4的尺寸略大于下寄生金属贴片5的尺寸且通过四个金属化通孔6连接，4个金属化通孔6关于第一介质基板3的中心对称；上寄生金属贴片4中心开孔，下寄生金属贴片5中心开十字缝，孔的尺寸与十字缝的尺寸相当。本实例中，第一介质基板的介电常数为2.2，厚度为1.5mm，上寄生金属贴片4半径为26.5mm，下寄生金属贴片5半径为25.5mm。

第二介质基板8上表面设置有圆形馈电贴片9，第二介质基板8与圆形馈电贴片9的中心开有相同大小的孔，用于放入90°电桥芯片12。第二介质基板8的介电常数比第一介质基板3的介电常数大，在本例中，第二介质基板介电常数为3.5，厚度为2.5mm，圆形馈电贴片9的半径为20.5mm。

第三介质基板10用于实现在两个馈电探针13处信号的±90°相位差，再经馈电贴片9、上寄生金属贴片4和下寄生金属贴片5形成圆极化信号，并将圆极化信号辐射出去。如图5所示，第三介质基板10上设置有4条带状线11、90°电桥芯片12、2个馈电探针13和2个射频同轴连接器2(本发明采用SMP接头，且一个SMP接口为左旋圆极化口，另一个为右旋圆极化口)。2个馈电探针13与90°电桥芯片12之间的两条带状线形状相同，2个射频同轴连接器2与90°电桥芯片12之间的带状线长度可以不同。90°电桥芯片12、射频同轴连接器2、带状线11和馈电探针13的周围均打有多个金属化通孔6，使上下两金属表面电位相等，大大改善微带天线的驻波性能。

90°电桥芯片12放入第二介质基板8的中心孔内，90°电桥芯片12的输入端和隔离端分别通过2条带状线11与2个射频同轴连接器2相连接，其直通端和耦合端分别通过2条带状线11与2个馈电探针13相连接。本例中，第三介质基板10的厚度为1.0mm。

金属支撑框架7四角打有通孔，位于第一介质基板3和第二介质基板8之间，作为两者的连接和支撑件，这种叠层结构可以降低微带天线的等效介电常数，从而展宽天线带宽。金属支撑框架7厚度为5.5mm。

第一介质基板3、金属支撑框架7、第二介质基板8和第三介质基板10四部分通过四个螺钉连接。

另外，第一介质基板3和第二介质基板8四边均打密集金属化通孔6，当本发明作为相控阵天线阵元时，此项措施可以在阵元之间起到隔离作用，从而减小阵元互耦。

如图6、图7所示，本实例的有源驻波比(Active VSWR)带宽范围为1.948GHz～2.365GHz，相对带宽为19.4％，在带宽内轴比<1.3dB。本实例天线体积为0.45λ₀×0.45λ₀×0.075λ₀，λ₀为中心频率电磁波在自由空间传播的波长。

本发明的工作原理为：

接收信号时：圆极化信号经过双层寄生金属贴片和馈电贴片接收后，信号通过两个馈电探针输入到90°电桥芯片，再经90°电桥芯片合成1路信号从微带天线对应的1个射频同轴连接器输出到后端信号处理设备；

发射信号时：通过射频同轴连接器向微带天线输入信号，信号经过90°电桥芯片分为两路幅度相等、相位正交的信号，分别经两个馈电探针给馈电贴片强制馈电，对两层寄生金属贴片耦合馈电，从而形成圆极化信号从天线表面发射出去。

Claims (9)

1.一种小型化低剖面宽频带双圆极化微带天线，其特征在于：包括从上到下依次固定连接的第一介质基板(3)、金属支撑框架(7)、第二介质基板(8)和第三介质基板(10)；第一介质基板(3)的上表面腐蚀形成有中心有孔的上寄生金属贴片(4)，其下表面腐蚀形成有下寄生金属贴片(5)，上寄生金属贴片(4)的尺寸大于下寄生金属贴片(5)的尺寸且通过4个金属化通孔(6)连接；4个金属化通孔(6)关于第一介质基板(3)的中心对称；第二介质基板(8)的上表面腐蚀形成有馈电贴片(9)；第三介质基板(10)上设置有4条带状线(11)、90°电桥(12)、2个馈电探针(13)和2个射频同轴连接器(2)，90°电桥(12)的输入端和隔离端分别通过2条带状线(11)与2个射频同轴连接器(2)一一对应相连接，其直通端和耦合端分别通过2条带状线(11)与2个馈电探针(13)一一对应相连接；馈电贴片(9)通过2个金属化通孔与2个馈电探针(13)一一对应相连接。

2.根据权利要求1所述的一种小型化低剖面宽频带双圆极化微带天线，其特征在于：所述的上寄生金属贴片(4)、下寄生金属贴片(5)和馈电贴片(9)均为圆形或者正方形。

3.根据权利要求1或2所述的一种小型化低剖面宽频带双圆极化微带天线，其特征在于：第一介质基板(3)的下寄生金属贴片(5)的中心位置开有十字缝。

4.根据权利要求1所述的一种小型化低剖面宽频带双圆极化微带天线，其特征在于：所述的90°电桥(12)为90°电桥芯片或者90°电桥带状线网络。

5.根据权利要求4所述的一种小型化低剖面宽频带双圆极化微带天线，其特征在于：90°电桥(12)为90°电桥芯片时，第二介质基板(8)的中心位置开孔，该孔用于容纳90°电桥芯片；90°电桥芯片的周围开设有多个金属化通孔。

6.根据权利要求1所述的一种小型化低剖面宽频带双圆极化微带天线，其特征在于：所述的馈电探针和射频同轴连接器周围均开设有多个金属化通孔。

7.根据权利要求1所述的一种小型化低剖面宽频带双圆极化微带天线，其特征在于：所述的小型化低剖面宽频带双圆极化微带天线的体积为0.45λ₀×0.45λ₀×0.075λ₀，其中，λ₀为中心频率电磁波在自由空间传播的波长。

8.根据权利要求1所述的一种小型化低剖面宽频带双圆极化微带天线，其特征在于：所述的第二介质基板(8)的介电常数比第一介质基板(3)的介电常数大。

9.根据权利要求1所述的一种小型化低剖面宽频带双圆极化微带天线，其特征在于：所述的两个馈电探针(13)的中心位置与馈电贴片(9)中心的连线成90°角。