CN107809000B - 一种空中辐射场测量用微带低轴比圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空中辐射场测量用微带低轴比圆极化天线，包括介质基板，介质基板正面蚀刻有多个中心对称的圆形开槽单元，圆形开槽单元中心设置有单元中心矩形槽，单元中心矩形槽一侧设置有一个馈电探针焊接孔，馈电探针焊接孔采用同轴探针背向馈电；多个圆形开槽单元按照顺序旋转方式阵列排列；介质基板背面设置覆铜地板，覆铜地板对应圆形开槽单元处设置有槽，馈电探针焊接孔设置在槽内。该微带低轴比圆极化天线提高了圆极化纯度，实现低轴比特性，适用于空中微波辐射场的精确测量。

Description

一种空中辐射场测量用微带低轴比圆极化天线
技术领域
本发明涉及微波测量技术领域，具体涉及一种空中辐射场测量用基于微带阵列的低轴比圆极化天线，适用于来波信号为线极化且极化方向不确定时的微波信号测量。
背景技术
微波是指频率在300MHz到300GHz、对应的电波长在1m和1mm之间的电磁波。利用天线将接收到的辐射信号转换为传输线上的导行波，是评估来波信号频率、功率、时域等参数的重要手段。
空中微波辐射场测量时，受高空风力的影响，空中测试平台难以保持如地面辐射场测量时的稳定性，会使测量天线产生一定角度的旋转摆动以及水平和垂直方向的摆动，并且若来波信号为极化方向未知的线极化波时，若采用常规线极化天线作为测量天线，那么接收天线的摆动会导致收发天线之间的极化失配，带来较大的测量误差，降低辐射场参数测量的精确性。
圆极化天线在雷达、卫星通信、遥测遥控和电子战等领域有着广泛的应用，其相比线极化天线具有众多的优势：在雷达应用中可以降低云、雨的影响；在卫星通信应用中可以减小电离层法拉第旋转效应引起的极化畸变；在电子对抗中，可以侦察和干扰敌方各种线极化和椭圆极化的信号；在通信、遥感遥测等***应用中可以减少信号的漏失；可以适用于剧烈摆动或滚动的空中平台上信号的接收。常见的圆极化天线较好的轴比指标在1dB～3dB左右，无法满足空中辐射场高精度测量的要求。
发明内容
本发明提供了一种空中辐射场测量用微带低轴比圆极化天线，主要解决空中平台上常规线极化接收天线易失配造成微波辐射场测量精度较低的问题。该微带低轴比圆极化天线提高了圆极化纯度，实现低轴比特性，适用于空中微波辐射场的精确测量。
为达到以上目的，本发明的技术方案为：
一种空中辐射场测量用微带低轴比圆极化天线，其特征在于，包括介质基板，介质基板正面蚀刻有多个中心对称的开槽单元，开槽单元中心设置有单元中心矩形槽，单元中心矩形槽一侧设置有一个馈电探针焊接孔，馈电探针焊接孔采用同轴探针背向馈电；多个开槽单元按照顺序旋转方式阵列排列；介质基板背面设置覆铜地板，覆铜地板对应开槽单元处设置有槽，馈电探针焊接孔设置在槽内。
所述的介质基板为微带板。
所述的开槽单元材料为覆金属贴片。
所述的介质基板上的圆形开槽天线单元按2×2排列，顺序旋转90°，每个圆形开槽天线单元按照连续移相90°馈电。
所述的同轴探针采用SMA探针或N型探针。
所述的介质基板为矩形结构，介质基板的四个角上均设置有定位孔。
所述的开槽单元形状为圆形、椭圆、梯形或矩形。
与现有技术比较，本发明有益效果为：
本发明通过对微带圆极化天线单元进行组阵，提高圆极化纯度，实现低轴比特性。阵列天线单元数目和排列方式根据空中测量时波束宽度、天线增益等指标要求进行设计优化。阵列天线单元采用顺序旋转移相馈电方式。天线单元角度旋转是为了产生相互正交的极化场，降低单元间交叉耦合，增加驻波带宽和轴比带宽。馈电相位的旋转是为了提供产生圆极化所需要的相位延迟。这种微带低轴比圆极化天线通过对单元天线形式、单元数目、阵列形式、基板材料等参数优化设计，提高了圆极化纯度，实现低轴比特性。适用于空中微波辐射场的精确测量。具体优点如下：
(1)驻波系数小。该微带圆极化天线实测9GHz～10GHz范围内驻波均＜1.5，失配反射小，信号波形受失配引起的畸变较小。
(2)隔离度高。在9GHz～10GHz范围内隔离度>20dB。
(3)波束较宽。微带圆极化天线9.7GHz时1dB波束宽度约23°，3dB波束宽度约45°，其波束较宽，满足空中辐射场测量的需求。
(4)轴比极低。该天线轴比接近于0dB，意味着若来波信号为极化方向未知的线极化波时，即使旋转一周，测值也基本不变，测量精度较高。
进一步，微带低轴比圆极化天线采用圆形开槽天线单元按2×2排列，顺序旋转90°，每个单元按照连续移相90°馈电。能够实现圆极化天线的低轴比特性，提高了圆极化纯度，实现低轴比特性。适用于空中微波辐射场的精确测量。
附图说明
图1为微带圆形开槽4单元低轴比圆极化天线侧视图；
图2为微带圆形开槽4单元低轴比圆极化天线正视图；
图3为微带圆形开槽4单元低轴比圆极化天线背视图；
图4为圆极化天线驻波系数；
图5为圆极化天线单元隔离度；
图6为圆极化天线方向图；
图7为圆极化天线轴比；
图中，1为介质基板，2为开槽单元(覆铜贴片)，3为馈电探针焊接孔，4为单元中心矩形槽，5为安装定位孔，6为覆铜地板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述。
如图1～图3所示，一种X波段空中辐射场测量用的微带低轴比圆极化天线结构，在介质基板1(微带板)顶部蚀刻出4个天线圆形开槽单元2(覆铜贴片)，圆形开槽单元2中心设置单元中心矩形槽4，单元中心矩形槽4一侧开馈电探针焊接孔3，采用SMA探针背向馈电。
如图1和2所示，微带圆形开槽4单元低轴比圆极化天线。该天线主要由4个圆形开槽单元2(覆铜贴片)、介质基板1、覆铜地板6等组成。4个圆形开槽单元2(覆铜贴片)按照顺序旋转90°方式排列，每个单元在中心矩形开槽4侧边位置开馈电探针焊接孔3，采用同轴探针背向馈电。圆形开槽天线单元2按2×2排列，顺序旋转90°，每个单元按照连续移相90°馈电。
图3为一种空中辐射场测量用的微带圆形开槽4单元低轴比圆极化天线背视图。天线背面包括覆铜地板6和馈电探针焊接孔3。
本发明的基本原理：通过对微带圆极化天线单元进行组阵，提高圆极化纯度，实现低轴比特性。
阵列天线单元数目和排列方式根据空中测量时波束宽度、天线增益等指标要求进行设计优化。通常单元数目越多，天线增益越高，波束宽度越窄。
阵列天线单元采用顺序旋转移相馈电方式。天线单元角度旋转是为了产生相互正交的极化场，降低单元间交叉耦合，增加驻波带宽和轴比带宽。馈电相位的旋转是为了提供产生圆极化所需要的相位延迟。
本发明的基本实施步骤：
(1)根据应用频段选择介质材料和设计单元形式。
(2)根据空中辐射场测量要求的波束宽度、增益等指标选择单元数目和组阵形式。
(3)单元间应尽量采用顺序旋转移相馈电方式排列，以提高圆极化纯度。
这种微带低轴比圆极化天线通过对单元天线形式、单元数目、阵列形式、基板材料等参数优化设计，提高了圆极化纯度，实现低轴比特性。适用于空中微波辐射场的精确测量。
(1)驻波系数小。目前常见的商用微带圆极化天线，为了兼顾轴比、波束宽度等指标，驻波系数一般在1.5～2左右，图4中的微带圆极化天线实测9GHz～10GHz范围内驻波均＜1.5，失配反射小，信号波形受失配引起的畸变较小。
(2)隔离度高。天线单元角度旋转产生相互正交的极化场，降低单元间交叉耦合，提高了单元隔离度。图5为天线中相邻单元的隔离度，在9GHz～10GHz范围内隔离度>20dB。
(3)波束较宽。通常阵列天线单元数目越多，天线增益越高，波束宽度越窄。作为一种用于空中辐射场测量用的天线，过窄的波束宽度会导致瞄准难度提高。微带圆极化天线9.7GHz时1dB波束宽度约23°，3dB波束宽度约45°，如图6所示，其波束较宽，满足空中辐射场测量的需求。
(4)轴比极低。常见的商用圆极化天线较好的轴比指标在1dB～3dB左右，无法满足空中辐射场高精度测量的要求。所设计的微带圆极化天线，在9.7GHz时，增益约为11.6dB，轴比约为0.1dB，如图7所示。该天线轴比接近于0dB，意味着若来波信号为极化方向未知的线极化波时，即使旋转一周，测值也基本不变，测量精度较高。
另外，值得注意的是：(1)天线所选用的基板材料、天线单元覆铜的表面工艺还需要考虑待测信号功率、空中环境温湿度等因素。(2)要实现圆极化天线的低轴比特性，其各单元馈电的幅度和相位也需要有较高的精度。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，阵列单元形式不限于圆形开槽式，根据实际需要还可以为椭圆、梯形、矩形等其他形状，贴片材料不限于覆铜，根据实际需要还可以为铝等其它金属，馈电探针不限于SMA探针，根据实际需要还可以为N型等其它同轴探针。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种空中辐射场测量用微带低轴比圆极化天线，其特征在于，包括介质基板(1)，介质基板(1)正面蚀刻有多个中心对称的开槽单元(2)，开槽单元(2)中心设置有单元中心矩形槽(4)，单元中心矩形槽(4)一侧设置有一个馈电探针焊接孔(3)，馈电探针焊接孔(3)采用同轴探针背向馈电；多个开槽单元(2)按照顺序旋转方式阵列排列；介质基板(1)背面设置覆铜地板(6)，覆铜地板(6)对应开槽单元(2)处设置有槽，馈电探针焊接孔(3)设置在槽内；
所述的介质基板(1)上的圆形开槽天线单元(2)按2×2排列，顺序旋转90°，每个圆形开槽天线单元(2)按照连续移相90°馈电；
该极化天线实测9GHz～10GHz范围内驻波均＜1.5，隔离度>20dB；在9.7GHz时，增益为11.6dB，轴比为0.1dB。
2.根据权利要求1所述的一种空中辐射场测量用微带低轴比圆极化天线，其特征在于，所述的介质基板(1)为微带板。
3.根据权利要求1所述的一种空中辐射场测量用微带低轴比圆极化天线，其特征在于，所述的开槽单元(2)材料为覆金属贴片。
4.根据权利要求1所述的一种空中辐射场测量用微带低轴比圆极化天线，其特征在于，所述的同轴探针采用SMA探针或N型探针。
5.根据权利要求1所述的一种空中辐射场测量用微带低轴比圆极化天线，其特征在于，所述的介质基板(1)为矩形结构，介质基板(1)的四个角上均设置有定位孔(5)。
6.根据权利要求1所述的一种空中辐射场测量用微带低轴比圆极化天线，其特征在于，所述的开槽单元(2)形状为圆形、椭圆、梯形或矩形。
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