CN110380199B - 基于微带栅格和贴片的共口径双频带阵列天线 - Google Patents

基于微带栅格和贴片的共口径双频带阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于微带栅格和贴片的共口径双频带阵列天线，包括：天线辐射体、介质基板以及地平面；所述天线辐射体平行设置于所述介质基板的上表面；所述地平面平行设置于所述介质基板的下表面；所述天线辐射体包括：多个微带矩形环组成的栅格阵列天线和多个微带矩形贴片组成的贴片阵列天线，每个所述贴片阵列天线对应设置于一个所述微带矩形环中；所述天线辐射体采用差分同轴馈电。本发明的天线辐射体具有共口径，集成，尺寸小和双频带工作等优点。通过将栅格阵列天线和矩形贴片天线进行共口径设计，形成一个双频带共口径微带阵列天线。其中贴片单元与其两边的寄生单元可以提高低频段工作的栅格阵列天线的工作带宽。

Description

基于微带栅格和贴片的共口径双频带阵列天线
技术领域
本发明涉及天线微波技术领域，具体地，涉及基于微带栅格和贴片的共口径双频带阵列天线。
背景技术
天线作为通信设备电路信号与空间辐射电磁波的转换器，是空间无线通信的桥梁，其特性接影响无线网络的性能。随着5G时代的到来，移动通信网络对天线的性能提出了更高的要求。
由于5G通信需要向下兼容，未来存在着多种频段共存的局面，即除了具备覆盖传输的高频段，还需要对2G、3G、4G的频段进行支持。考虑到移动终端向“小”和“薄”发展的趋势，覆盖低频波段的天线需要具有小型化、多频段的特点，以最少的天线覆盖所有波段尤为重要。当前关于多频段小型化天线体积进一步缩小以及频段进一步拓展是全球研究的热点与难点。
公开号CN103606745A的专利公开了一种低剖面紧凑型双频段双极化共口径微带天线，由双层双面敷铜微波介质板组成，上层介质板上表面通过腐蚀工艺形成所需双频天线阵列及Ku频段天线馈电网络，下表面在接地板开L型耦合缝隙。Ka频段天线馈电网络位于下层介质板下层，通过缝隙对天线进行耦合馈电。天线覆盖的两个频率分别是Ka频段和Ku频段。
而栅格阵列天线和贴片天线从前都是独立开发设计应用，目前并没有基于二者的共口径双频带设计。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于微带栅格和贴片的共口径双频带阵列天线。
根据本发明提供的一种基于微带栅格和贴片的共口径双频带阵列天线，包括：天线辐射体、介质基板1以及地平面2；
所述天线辐射体平行设置于所述介质基板1的上表面；
所述地平面2平行设置于所述介质基板1的下表面；
所述天线辐射体包括：多个微带矩形环组成的栅格阵列天线3和多个微带矩形贴片组成的贴片阵列天线，每个所述贴片阵列天线对应设置于一个所述微带矩形环中；
所述天线辐射体采用差分同轴馈电。
优选地，设空间直角坐标系o-xyz包括：原点o、x轴、y轴、z轴；
所述介质基板1、所述地平面2平行于空间直角坐标系o-xyz的xoy面；
多个所述微带矩形环沿空间直角坐标系y轴方向交错排列组成栅格阵列；
多个所述微带矩形贴片沿空间直角坐标系x轴方向排列组成所述贴片阵列天线。
优选地，所述贴片阵列天线包括：
居中设置于所述微带矩形环中的矩形贴片单元5；
扩展低频段带宽的寄生单元(6)，设置于所述矩形贴片单元(5)两个短边外侧。
优选地，所述微带矩形环的短边宽度sw＝1mm，长边宽度lw＝0.8mm，短边长度s＝4.5mm，长边长度l＝9.4mm，所述微带矩形环的短边与y轴平行，长边与x轴平行；
所述矩形贴片单元5的短边宽度py＝2mm，长边宽度px＝2.45mm；
所述寄生贴片单元6的短边宽度jx＝1mm，长边宽度jy＝2.4mm，和所述矩形贴片单元5的间隙为1mm，和所述微带矩形环的短边间隙为0.675mm。
优选地，所述微带矩形环的数量为8个,呈2、1、2...的队列沿y轴方向排布；
其中，奇数列中每列的两个所述微带矩形环共用一个短边，偶数列的所述微带矩形环的长边被分别两侧奇数列中的两个所述微带矩形环的长边共用；
每列所述微带矩形环均关于所有奇数列共用的短边所在的直线对称。
优选地，偶数列的所述微带矩形环的短边与两侧奇数列的所述微带矩形环的长边垂直相交的位置为奇数列的所述微带矩形环的长边的中心位置。
优选地，所述地平面2是介质基板1下表面的覆铜层。
优选地，所述微带矩形环的短边的电长度为高频谐振波长的一半，长边为谐振波长，长边传输电流，短边用于辐射；每个长边的电流分布以长边中间位置对称，相位相反，产生辐射相消，不辐射能量。
优选地，还包括探针，所述探针穿过所述介质基板1和地平面2，并与地平面2使用环形反焊盘绝缘隔开，两端分别与天线辐射体的馈电点和馈电网络连接。
优选地，所述栅格阵列天线3的面积尺寸19.3mm×18mm；
所述介质基板1为矩形，厚度t＝0.787mm，长度L1＝40mm，宽度L2＝40mm，介电常数εr＝2.2，介质基板的损耗角tanδ＝0.0009。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明的天线辐射体具有共口径，集成，尺寸小和双频带工作等优点。
2、本发明通过将栅格阵列天线和矩形贴片天线进行共口径设计，形成一个双频带共口径微带阵列天线。其中贴片单元及其两边的寄生单元可以提高低频段工作的栅格阵列天线的工作带宽。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的基于微带栅格和贴片的共口径双频带阵列天线的俯视图；
图2为本发明提供的基于微带栅格和贴片的共口径双频带阵列天线的侧视图；
图3为本发明提供的基于微带栅格和贴片的共口径双频带阵列天线的馈电网络结构示意图；
图4为本发明提供的基于微带栅格和贴片的共口径双频带阵列天线低频段S11和S21参数示意图；
图5为本发明提供的基于微带栅格和贴片的共口径双频带阵列天线高频段S22和S21参数示意图；
图6为本发明提供的基于微带栅格和贴片的共口径双频带阵列天线在28GHz，的实增益方向示意图；
图7为本发明提供的基于微带栅格和贴片的共口径双频带阵列天线在38GHz，的实增益方向示意图；
图中：
Figure BDA0002102054820000031
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1、2所示，本发明提供的一种基于微带栅格和贴片的共口径双频带阵列天线，可用于28GHz和38GHz两个无线通信频段，也可优化设计，覆盖其他特定的频段。包括：天线辐射体、介质基板1以及地平面2；天线辐射体平行设置于介质基板1的上表面；地平面2平行设置于介质基板1的下表面。还包括探针，探针穿过介质基板1和地平面2，并与地平面2使用环形反焊盘绝缘隔开，两端分别与天线辐射体的馈电点和馈电网络连接。
天线辐射体包括：多个微带矩形环组成的栅格阵列天线3和多个微带矩形贴片组成的贴片阵列天线，每个贴片阵列天线对应设置于一个微带矩形环中；天线辐射体采用差分同轴馈电。贴片阵列天线用于高频辐射，每个贴片都可以用同轴馈电进行激励。为了高频段的方向图和更小的交叉极化，贴天单元馈电使用了差分激励网络。栅格阵列天线3短边的电长度约为高频谐振波长一半，长边约为谐振波长。长边起到传输电流作用，短边用于辐射。此外其居中的矩形单元和寄生矩形单元可以扩展栅格天线的工作带宽。在高频段，矩形贴片单元谐振，产生辐射。
贴片阵列天线包括：居中设置于微带矩形环中的矩形贴片单元5。
扩展低频段带宽的寄生单元：设置于矩形贴片单元5两个短边外侧，用于进一步扩展扩展栅格天线的工作带宽。
设空间直角坐标系o-xyz包括：原点o、x轴、y轴、z轴；介质基板1、地平面2平行于空间直角坐标系o-xyz的xoy面；多个微带矩形环沿空间直角坐标系y轴方向交错排列组成栅格阵列；多个微带矩形贴片沿空间直角坐标系x轴方向排列组成贴片阵列天线。
天线工作过程是，在低频段，激励源通过同轴馈电加载到栅格阵列和地板之间。在高频段工作时，矩形贴片单元谐振工作。
在本实施例中，微带矩形环的短边宽度sw＝1mm，长边宽度lw＝0.8mm，短边长度s＝4.5mm，长边长度l＝9.4mm，微带矩形环的短边与y轴平行，长边与x轴平行；矩形贴片单元5的短边宽度py＝2mm，长边宽度px＝2.45mm；寄生贴片单元6的短边宽度jx＝1mm，长边宽度jy＝2.4mm，和矩形贴片单元5的间隙为1mm，和微带矩形环的短边间隙为0.675mm。
微带矩形环的数量为8个，呈2、1、2、1、2的队列沿y轴方向排布；其中，1、3、5列中每列的两个微带矩形环共用一个短边，2、4列的微带矩形环的长边被分别两侧1、3、5列中的两个微带矩形环的长边共用；
每列微带矩形环均关于所有奇数列共用的短边所在的直线对称。偶数列的微带矩形环的短边与两侧奇数列的微带矩形环的长边垂直相交的位置为奇数列的微带矩形环的长边的中心位置。
地平面2是介质基板1下表面的覆铜层。
微带矩形环的短边的电长度为高频谐振波长的一半，长边为谐振波长，长边传输电流，短边用于辐射；每个长边的电流分布以长边中间位置对称，相位相反，产生辐射相消，不辐射能量。
基于微带栅格和贴片的共口径双频带阵列天线还包括探针，探针穿过介质基板1，两端分别与天线辐射体的馈电点(贴片单元馈电点9、栅格阵列天线馈电点10)、地平面2共地的馈电网络(栅格阵列天线馈电网络7、矩形贴片天线阵列馈电网络8)连接，用于辐射激励。
栅格阵列天线3的面积尺寸19.3mm×18mm；介质基板1为矩形，厚度t＝0.787mm，长度L1＝40mm，宽度L2＝40mm，介电常数εr＝2.2，介质基板的损耗角tanδ＝0.0009。
在本实施例中，天线体积仅为40mm×40mm×0.787mm，可覆盖28和38GHz两个频带。介质基板采用厚度为0.787mm的罗杰斯5880，地平面长宽为40×40mm。同轴馈电。图3的给出在厚度为0.127mm的罗杰斯5880板材上的天线馈电网络，其地平面(2)共地，低频段栅格馈电网络用一分二的功分器，两个分路有180°相位差。高频段矩形贴片阵列馈电网路用一分八，其上半部分和下半部分的端口相位差同样为180°，所以馈电网络采用平衡馈电方式。
所述基于微带栅格和贴片的共口径双频带阵列天线的栅格阵列天线反射系数和隔离度如图4所示。由图可知，低频段-10dB阻抗带宽达到20％，及其频率范围为26.2-32GHz。在频率范围27-32GHz内，隔离度大于20dB。
所述基于微带栅格和贴片的共口径双频带阵列天线的贴片单元阵列天线反射系数和隔离度如图5所示。由图可知，高频段-10dB阻抗带宽达到15％，及其频率范围为37-43GHz。在频率范围37-42GHz内，隔离度大于20dB。
所述基于微带栅格和贴片的共口径双频带阵列天线的栅格阵列天线工作于28GHz的辐射方向图，如图6所示。由图可知，在频率28GHz时，实增益达到15.8dBi；相比于主极化，交叉极化小了20dB。
所述基于微带栅格和贴片的共口径双频带阵列天线的贴片单元阵列天线工作于38GHz的辐射方向图，如图7所示。由图可知，在频率38GHz时，实增益达到13.5dBi；相似地，交叉极化较主极化小了15dB。在主瓣波束范围内，交叉极化水平进一步降低。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种基于微带栅格和贴片的共口径双频带阵列天线，其特征在于，包括：天线辐射体、介质基板(1)以及地平面(2)；
所述天线辐射体平行设置于所述介质基板(1)的上表面；
所述地平面(2)平行设置于所述介质基板(1)的下表面；
所述天线辐射体包括：多个微带矩形环组成的栅格阵列天线(3)和多个微带矩形贴片组成的贴片阵列天线，每个所述贴片阵列天线对应设置于一个所述微带矩形环中；
所述天线辐射体采用差分同轴馈电；
设空间直角坐标系o-xyz包括：原点o、x轴、y轴、z轴；
所述介质基板(1)、所述地平面(2)平行于空间直角坐标系o-xyz的xoy面；
多个所述微带矩形环沿空间直角坐标系y轴方向交错排列组成栅格阵列；
多个所述微带矩形贴片沿空间直角坐标系x轴方向排列组成所述贴片阵列天线；
所述贴片阵列天线包括：
居中设置于所述微带矩形环中的矩形贴片单元(5)；
扩展低频段带宽的寄生贴片单元(6)，设置于所述矩形贴片单元(5)两个短边外侧；
所述微带矩形环的短边宽度sw＝1mm，长边宽度lw＝0.8mm，短边长度s＝4.5mm，长边长度l＝9.4mm，所述微带矩形环的短边与y轴平行，长边与x轴平行；
所述矩形贴片单元(5)的短边宽度py＝2mm，长边宽度px＝2.45mm；
所述寄生贴片单元(6)的短边宽度jx＝1mm，长边宽度jy＝2.4mm，和所述矩形贴片单元(5)的间隙为1mm，和所述微带矩形环的短边间隙为0.675mm；
所述微带矩形环的短边的电长度为高频谐振波长的一半，长边为谐振波长，长边传输电流，短边用于辐射；每个长边的电流分布以长边中间位置对称，相位相反，产生辐射相消，不辐射能量。
2.根据权利要求1所述的基于微带栅格和贴片的共口径双频带阵列天线，其特征在于，所述微带矩形环的数量为8个，呈2、1、2...的队列沿y轴方向排布；
其中，奇数列中每列的两个所述微带矩形环共用一个短边，偶数列的所述微带矩形环的长边被分别两侧奇数列中的两个所述微带矩形环的长边共用；
每列所述微带矩形环均关于所有奇数列共用的短边所在的直线对称。
3.根据权利要求2所述的基于微带栅格和贴片的共口径双频带阵列天线，其特征在于，偶数列的所述微带矩形环的短边与两侧奇数列的所述微带矩形环的长边垂直相交的位置为奇数列的所述微带矩形环的长边的中心位置。
4.根据权利要求1所述的基于微带栅格和贴片的共口径双频带阵列天线，其特征在于，所述地平面(2)是介质基板(1)下表面的覆铜层。
5.根据权利要求1所述的基于微带栅格和贴片的共口径双频带阵列天线，其特征在于，还包括探针，所述探针穿过所述介质基板(1)和地平面(2)，并与地平面(2)使用环形反焊盘绝缘隔开，两端分别与天线辐射体的馈电点和馈电网络连接。
6.根据权利要求1所述的基于微带栅格和贴片的共口径双频带阵列天线，其特征在于，所述栅格阵列天线(3)的面积尺寸19.3mm×18mm；
所述介质基板(1)为矩形，厚度t＝0.787mm，长度L1＝40mm，宽度L2＝40mm，介电常数εr＝2.2，介质基板的损耗角tanδ＝0.0009。
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