CN108682971A - 一种Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线,由上至下依次包括第一层介质基板、中层地板、第二层介质基板,第一层介质基板上表面设有辐射贴片天线阵列,第二层介质基板下表面设有微带馈电网络,其中,辐射贴片天线阵列包括M*N个等间距排列的辐射贴片天线单元,所述每个辐射贴片天线单元均分别通过贯穿第一层介质基板、中层地板以及第二层介质基板的金属探针与微带馈电网络连接。本发明可用于近程探测,工作频段为Ku和Ka波段,并且在两个频段上拥有较宽的阻抗带宽和波束宽度,同时具有良好的辐射增益和方向图。
Description
技术领域
本发明属于阵列天线技术领域,具体涉及一种Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线。
背景技术
在日新月异的信息技术领域里,无线通信技术己经成为不可或缺的信息交流手段,应用领域不断扩大,是当今发展速度最快的工程技术之一。无线通信技术不光在导弹制导、微波遥感、卫星和雷达通信等军事领域得到了广泛应用,同时,也在物联网、移动通信、无线局域网等民用领域得到了迅速发展和广泛应用。无线通信***正在其低成本、移动性强等优点在整个通信***中占据着越来越重要的位置。可重构天线的研究旨在寻找一种天线设计方案,该方案能够将许多天线的功能融合于同一天线或阵列天线中,从而用一个天线就可以满足***所有收发信号的需求。在无线通信***受限的空间内,可重构天线可以有效地利用频率和空间资源,一方面通过天线资源自适应配置,大大提高通信***的传输容量,另一方面通过天线结构的可重构,满足通信***多通信业务的融合。具有频率可重构功能的天线,其工作频率就可以在一定的频带范围内具有连续或离散可调能力,同时天线的辐射方向图,极化特性基本保持不变。现有频率可重构天线的馈电方式基本使用同轴馈电,使用此馈电方式,天线单元不易组成阵列天线,并且单个频率可重构天线的辐射增益很小,不能满足实际应用要求。
发明内容
本发明提出一种Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线,针对工作频段为Ka和Ku波段的近程探测。
为达到以上目的,本发明的技术方案为:一种Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线,由上至下依次包括第一层介质基板、中层地板、第二层介质基板,第一层介质基板上表面设有辐射贴片天线阵列,第二层介质基板下表面设有微带馈电网络,其中,辐射贴片天线阵列包括M*N个等间距排列的辐射贴片天线单元,所述每个辐射贴片天线单元均分别通过贯穿第一层介质基板、中层地板以及第二层介质基板的金属探针与微带馈电网络连接,并且金属探针与中层地板绝缘。
优选地,所述每个辐射贴片天线单元由一个圆形贴片嵌套一个方形贴片组成,所述方形贴片中间设有开槽,所述圆形贴片与方形贴片通过8个射频开关元件连接。
进一步地,所述射频开关元件焊接在圆形贴片和方形贴片之间的缝隙上,所述射频开关元件焊接在方形贴片中间开槽的缝隙上,其边缘与方形贴片边缘重合。
优选地,所述微带馈电网络主馈线的形状为矩形。
优选地,所述微带馈电网络主馈线的一端通过集总激励端口与中层地板连成一体。
优选地,所述微带馈电网络的主馈线通过两个PIN二极管与阻抗匹配贴片连接,用于改变阵列天线的阻抗匹配。
优选地,所述每个金属探针的外表面与方形贴片中间槽线相切。
本发明与现有技术相比较,具有如下显著优点:
(1)本发明的Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线的工作频段为Ku和Ka波段,跳变的频段范围比较大。
(2)本发明的Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线拥有较大的阻抗带宽和较高的辐射增益,具有良好的辐射特性,能够满足实际应用的需求。
(3)本发明的Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线通过在馈电网络主馈线上改变天线的阻抗匹配,使用同一个馈电网络实现频率可重构,而且天线的尺寸较小。
附图说明
图1是本发明Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线单元的俯视图。
图2是本发明4*4Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线的俯视图。
图3是本发明4*4Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线的仰视图。
图4是本发明4*4Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线的正视图。
图5是本发明4*4Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线的左视图。
图6是本发明2*2Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线中心频率为17.5GHz的俯视图。
图7是本发明2*2Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线中心频率为17.5GHz的仰视图。
图8是本发明2*2Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线中心频率为35GHz的俯视图。
图9是本发明2*2Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线中心频率为35GHz的仰视图。
图10是本发明2*2Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线中心频率为17.5GHz的回波损耗示意图。
图11是本发明2*2Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线中心频率为17.5GHz的辐射增益示意图。
图12是本发明2*2Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线中心频率为35GHz的回波损耗示意图。
图13是本发明2*2Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线中心频率为35GHz的辐射增益示意图。
图14是本发明4*4Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线中心频率为17.5GHz的俯视图。
图15是本发明4*4Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线中心频率为17.5GHz的仰视图。
图16是本发明4*4Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线中心频率为35GHz的俯视图。
图17是本发明4*4Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线中心频率为35GHz的仰视图。
图18是本发明4*4Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线中心频率为17.5GHz的回波损耗示意图。
图19是本发明4*4Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线中心频率为17.5GHz的辐射增益示意图。
图20是本发明4*4Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线中心频率为35GHz的回波损耗示意图。
图21是本发明4*4Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线中心频率为35GHz的辐射增益示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例,对本发明作详细说明:
一种Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线,由上至下依次包括第一层介质基板13、中层地板11、第二层介质基板14,第一层介质基板13上表面设有辐射贴片天线阵列,第二层介质基板14下表面设有微带馈电网络12,其中,辐射贴片天线阵列包括M*N个等间距排列的辐射贴片天线单元,所述每个辐射贴片天线单元均分别通过贯穿第一层介质基板13、中层地板11以及第二层介质基板14的金属探针15与微带馈电网络12连接。本发明采用金属探针15和微带馈电网络12组合的馈电方式。在其他实施例中,微带馈电网络12采用并联馈电的方式。所述辐射贴片天线阵列、中层地板11和微带馈电网络12均为金属电镀层,采用导电性能较好的金属材料,如:金、银、铜。
进一步的实施例中,所述每个辐射贴片天线单元由一个圆形贴片9嵌套一个方形贴片10组成,所述方形贴片10中间设有开槽,所述圆形贴片9与方形贴片10通过8个射频开关元件1-8连接。通过在圆形贴片9和方形贴片10之间的缝隙上加载射频开关元件改变辐射电长度,实现天线的频率可重构。在其他实施例中,所述射频开关元件为PIN二极管,通过直流偏置电路,控制PIN二极管导通与断开。辐射贴片天线单元组成阵列时,不同波段的天线阻抗不同。因此在微带馈电网络主馈线上改变天线的阻抗匹配,通过控制PIN二极管导通与断开实现阻抗切换,使用同一个馈电网络结构,使两个波段的天线均具有良好的阻抗匹配。
进一步的实施例中,所述射频开关元件1、2、4、5、6、8焊接在圆形贴片9和方形贴片10之间的缝隙上,所述射频开关元件3、7焊接在方形贴片10中间开槽的缝隙上。
进一步的实施例中,所述微带馈电网络12主馈线的形状为矩形。
进一步的实施例中,所述微带馈电网络12主馈线的一端通过集总激励端口16与中层地板11连成一体。
进一步的实施例中所述微带馈电网络12的主馈线通过两个PIN二极管17、18与阻抗匹配贴片连接,用于改变阵列天线的阻抗匹配。
进一步的实施例中,所述每个金属探针15的外表面与方形贴片10中间槽线相切。
本发明的Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线在两个频段上,拥有较大的阻抗带宽、较高的辐射增益,同时具有良好的辐射方向图。天线单元的排列和馈电网络的设计,使阵列天线实现小型化功能。
实施例1
参见图1、图2、图3、图4和图5,本实施例提供一种Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线,由上至下依次包括第一层介质基板13、中层地板11、第二层介质基板14,第一层介质基板13上表面设有辐射贴片天线阵列,第二层介质基板14下表面设有微带馈电网络12,其中,辐射贴片天线阵列包括4*4个等间距排列的辐射贴片天线单元,所述每个辐射贴片天线单元均分别通过贯穿第一层介质基板13、中层地板11以及第二层介质基板14的金属探针15与微带馈电网络12连接,并且金属探针15与中层地板11绝缘。每个辐射贴片天线单元由一个圆形贴片9嵌套一个方形贴片10组成,所述方形贴片10中间设有开槽,所述圆形贴片9与方形贴片10通过8个射频开关元件1-8连接,通过直流偏置电路,控制射频开关元件1-8导通与断开,实现频率可重构。所述微带馈电网络12主馈线的形状为矩形,其左边缘通过集总激励端口16与中层地板11连成一体。
参见图14、图15、图16和图17,本实施例以天线中心频率为17.5GHz和35GHz,辐射贴片天线阵列为4*4为例进行仿真,阵元间距为6.8mm,天线两层介质板采用Rogers RT/duroid 5880,介电常数为2.2的板材,上层介质板尺寸为30.4mm*30.4mm*0.6mm,下层介质板尺寸为30.4mm*30.4mm*0.5mm。
参见图1和图2,上层辐射贴片天线阵列、中层地板11和下层微带馈电网络12均为金属电镀层,本实施例采用铜材质。
参见图1、图2和图3,天线单元上的PIN二极管1、2、4、5、6、8和下层馈电网络主馈线上的PIN二极管17为第一组开关,PIN二极管3、7和18为第二组开关。
图14是第一组开关导通,第二组开关断开时,本发明4*4Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线中心频率为17.5GHz的俯视图。
图15是第一组开关导通,第二组开关断开时,本发明4*4Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线中心频率为17.5GHz的馈电网络示意图。
图18和图19是本发明4*4Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线中心频率为17.5GHz的回波损耗和辐射增益示意图。
从仿真结果看,本发明4*4Ku/Ka波段频率可重构微带天线工作在Ku波段时,中心频率为17.5GHz,天线的阻抗带宽为430MHz,相对带宽为2.46%,天线最大增益为15.18dB,波束宽度为29.85°。
图16是第一组开关断开,第二组开关导通时,本发明4*4Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线中心频率为35GHz的俯视图。
图17是第一组开关断开,第二组开关导通时,本发明4*4Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线中心频率为35GHz的馈电网络示意图。
图20和图21是本发明4*4Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线中心频率为35GHz的回波损耗和辐射增益示意图。
从仿真结果看,本发明4*4Ku/Ka波段频率可重构微带天线工作在Ka波段时,中心频率为35GHz,天线的阻抗带宽为1.84GHz,相对带宽为5.26%,天线最大增益为15.65dB,波束宽度为17.68°。
实施例2
参见图6、图7、图8和图9,以天线中心频率为17.5GHz和35GHz,阵元数为2*2为例,阵元间距为6.8mm,天线两层介质板采用Rogers RT/duroid 5880,介电常数为2.2的板材,上层介质板尺寸为16.8mm*16.8mm*0.6mm,下层介质板尺寸为16.8mm*16.8mm*0.5mm。
图10和图11是本发明2*2Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线中心频率为17.5GHz的回波损耗和辐射增益示意图。
从仿真结果看,本发明2*2Ku/Ka波段频率可重构微带天线工作在Ka波段时,中心频率为17.5GHz,天线的阻抗带宽为650MHz,相对带宽为3.71%,天线最大增益为10.11dB。
图12和图13是本发明2*2Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线中心频率为35GHz的回波损耗和辐射增益示意图。
从仿真结果看,本发明2*2Ku/Ka波段频率可重构微带天线工作在Ka波段时,中心频率为35GHz,天线的阻抗带宽为1.9GHz,相对带宽为5.43%,天线最大增益为10.75dB。
Claims (7)
1.一种Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线,其特征在于,由上至下依次包括第一层介质基板[13]、中层地板[11]、第二层介质基板[14],第一层介质基板[13]上表面设有辐射贴片天线阵列,第二层介质基板[14]下表面设有微带馈电网络[12],其中,辐射贴片天线阵列包括M*N个等间距排列的辐射贴片天线单元,所述每个辐射贴片天线单元均分别通过贯穿第一层介质基板[13]、中层地板[11]以及第二层介质基板[14]的金属探针[15]与微带馈电网络[12]连接,并且金属探针[15]与中层地板[11]绝缘。
2.根据权利要求1所述的Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线,其特征在于,所述每个辐射贴片天线单元由一个圆形贴片[9]嵌套一个方形贴片[10]组成,所述方形贴片[10]中间设有开槽,所述圆形贴片[9]与方形贴片[10]通过8个射频开关元件[1-8]连接。
3.根据权利要求2所述的Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线,其特征在于,所述射频开关元件[1、2、4、5、6、8]焊接在圆形贴片[9]和方形贴片[10]之间的缝隙上,所述射频开关元件[3、7]焊接在方形贴片[10]中间开槽的缝隙上。
4.根据权利要求1所述的Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线,其特征在于,所述微带馈电网络[12]主馈线的形状为矩形。
5.根据权利要求1所述的Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线,其特征在于,所述微带馈电网络[12]主馈线的一端通过集总激励端口[16]与中层地板[11]连成一体。
6.根据权利要求1所述的Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线,其特征在于,所述微带馈电网络[12]的主馈线通过两个PIN二极管[17、18]与阻抗匹配贴片连接,用于改变阵列天线的阻抗匹配。
7.根据权利要求1所述的Ku/Ka波段频率可重构微带阵列天线,其特征在于,所述每个金属探针[15]的外表面与方形贴片[10]中间槽线相切。
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