CN116111368A - 一种二元微带天线阵及其天线波束展宽优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二元微带天线阵及其天线波束展宽优化方法，涉及二元微带天线技术领域,包含双单元微带天线、馈电网络，所述双单元微带天线置于馈电网络上方，双单元微带天线的馈电点通过金属探针与馈电网络的馈电点连接，双单元微带天线包含馈电层和辐射贴片，所述馈电层的馈电点与辐射贴片的馈电点采用垂直金属馈电探针连接。本发明提供了一种层叠结构二元微带天线阵，将馈电网络和辐射贴片都设计在地板上层，天线工作频带宽，而且易于安装，该方法可以实现水平极化和垂直极化两种工作模式，只需调整馈电点位置，以辐射贴片为中心旋转90度即实现不同极化设计。

Description

一种二元微带天线阵及其天线波束展宽优化方法

技术领域

本发明涉及二元微带天线技术领域，一种二元微带天线阵及其天线波束展宽优化方法。

背景技术

在卫星定位、雷达探测、电子对抗等无线电通信***中，为了确保信号传输质量和传输速率，天线往往要具备很宽的波束宽度和较宽的频带。同时，随着现代无线电通信***朝着小型化趋势发展，天线的低剖面设计也是当前的一个研究热点。具有低剖面结构的宽波束天线，有利于提高***的机动性和灵活性。如何设计一款高性能的宽波束天线，是确保整个***性能的关键。

微带天线因其具有易共形、重量轻、低成本等优点被广泛应用，推动了基于微带天线实现宽波束的方法研究，常见的实现微带天线宽波束的方法有：

在微带天线上方加载金属折叠腔等结构，减小有效辐射口径；

保持微带天线接地板和辐射贴片尺寸不变，延长介质基板的尺寸，使电磁波在介质与空气边界反射,最终由介质终端辐射出去，使得天线在各个方向辐射均匀，实现宽波束；

在微带天线周围加载金属柱或金属壁，利用金属柱或者金属壁上感应电流的远场方向图与微带天线的方向图互补，实现宽波束；

采用三维地结构，将微带天线放置在立体的地上，利用地的斜面反射提高低仰角增益，展宽波束宽度。但以上这几种微带天线实现宽波束的技术方法，主要不足有剖面高、尺寸大，天线波束宽度受地板影响较大，不易于集成等，因此应用十分受限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有设计KU波段天线宽波束波束性能的不足，提供一种具有宽波束、低剖面特点的KU波段天线装置设计方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种二元微带天线阵，包含双单元微带天线、馈电网络，所述双单元微带天线置于馈电网络上方，双单元微带天线的馈电点通过金属探针与馈电网络的馈电点连接，

其中，双单元微带天线包含馈电层和辐射贴片，所述馈电层的馈电点与辐射贴片的馈电点采用垂直金属馈电探针连接；

作为本发明一种二元微带天线阵的进一步优选方案，所述双单元微带天线还包含上层介质板、下层介质板和地板，所述下层介质板紧固在地板上，所述馈电层设置在上层介质板、下层介质板之间，所述辐射贴片设置在上层介质板上。

作为本发明一种二元微带天线阵的进一步优选方案，所述馈电网络属于导电金属层，由馈电传输线和T型功分器组成，用于激励线化波，馈电点处通过馈电探针连接上层辐射贴片。

作为本发明一种二元微带天线阵的进一步优选方案，所述垂直金属馈电探针为过孔形式，及在上层介质板的馈电点加工为过孔，过孔两侧留有小焊盘，当层介质板、下层介质板在馈电点对准的情况下层叠起来，用于实现馈电网络向辐射贴片馈电。

作为本发明一种二元微带天线阵的进一步优选方案，所述上层介质板、下层介质板均为微波介质板，且微波介质板属于微波材料，损耗角正切小于0.001，微波介质板外轮廓形状大于辐射贴片与馈电网络所需面积，且微波介质板通过金属螺钉紧固在天线地板上，金属螺钉位置远离辐射贴片，用于避免产生耦合。

一种基于二元微带天线阵的天线波束展宽优化方法，具体包含如下步骤：

步骤1，通过在天线两边引入不对称分布引向贴片，其中，引向贴片包含引向贴片1号、引向贴片2号和引向贴片3号，同时在天线辐射贴片两侧贴片引向数量不同，2:1配置；

步骤2，通过调整引向贴片1号、引向贴片2号、引向贴片3号与天线辐射贴片1的间距；引向贴片1号与天线辐射贴片1的间距d1，引向贴片3号与天线辐射贴片1的间距d3，当d1与d3在λ/4左右时，其中，λ为天线工作波长，天线波束宽度最佳，同时还能保持天线辐射效率；

步骤3，调整引向贴片1号、引向贴片2号之间距离；调节引向贴片1号、引向贴片2号之间距离d2采用λ/2；

步骤4，调整引向贴片1号、引向贴片2号、引向贴片3号的长宽比，改变引向贴片1号、引向贴片2号、引向贴片3号采用长方形。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明提供了一种层叠结构二元微带天线阵，将馈电网络和辐射贴片都设计在地板上层，天线工作频带宽，而且易于安装，该方法可以实现水平极化和垂直极化两种工作模式，只需调整馈电点位置，以辐射贴片为中心旋转90度即实现不同极化设计；

2、本发明提供了一种在平整大地板紧贴安装条件下宽波束贴片天线设计方法，该方案具有斜面、阶梯等结构，在平整大地板条件下达到了水平130°波束宽度；

3、本发明提供了以一种低剖面紧凑结构的宽波束天线，在KU波段，天线总体高度只有2.5mm；

4、本发明提供了一种利用非对称贴片优化垂直极化微带天线波束宽度的方法，该方法采用3个引向贴片，可以用于垂直极化天线波束宽度的优化，且这种非对称结构可以优化垂直极化天线俯仰面的波束宽度；

5、本发明提供了一种利用对称贴片优化水平极化微带天线波束宽度的方法，该方法采用3个引向贴片，天线两个各排布2个形成对称结构，这种方法能够实现水平极化天线宽波束性能；

6、本发明利用本方法优化的天线尺寸小、剖面低、增益高、波束宽，对反射地面尺寸要求不严格，推广应用意义重大。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1是本发明双单元微带天线的侧面图；

图2是本发明双单元微带天线辐射贴片的结构示意图；

图3是本发明馈电网络的结构示意图；

图4是本发明天线波束展宽设计方法示意图。

实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步地补充说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本领域的技术人员应该明白，在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域的基础技术知识和手段，对本发明做出各种替换与变更，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明需要克服现有设计KU波段天线宽波束波束性能的不足，提供一种具有宽波束、低剖面特点的KU波段天线装置设计方法。设计内容分两部分，一是二元微带天线阵设计方法，二是二元微带天线阵波束展宽设计方法。

如图1至图3所示，天线设计为层叠结构二元微带天线阵，天线分为两层，第一层为馈电层，第二层为辐射贴片层，馈电层的馈电点与辐射贴片层馈电点采用垂直金属馈电探针连接，这样设计不仅实现宽频工作，而且具有较高的辐射增益。

为了方便安装，馈电探针设计为过孔形式，及在上层介质板的馈电点加工为过孔，过孔两侧留有小焊盘，当上下两层介质在馈电点对准的情况下层叠起来，不需要进行其他加工措施，即可实现馈电网络向辐射贴片馈电。

上下两层介质板为微波介质板，微波介质板属于微波材料，损耗角正切小于0.001，微波介质板外轮廓形状大于辐射贴片与馈电网络所需面积即可，且微波介质板通过金属螺钉紧固在天线地板上，金属螺钉位置远离辐射贴片，以免产生耦合。

馈电层网络属于导电金属层，图案如图3所示，由馈电传输线和T型功分器组成，用于激励线化波，馈电点处通过馈电探针连接上层辐射贴片；上层贴片为双单元微带天线，置于馈电网络上方，天线馈电点通过金属探针与馈电网络馈电点连接，图中馈电点给出的位置是垂直极化的情况，若是水平极化，只需将馈电点以辐射贴片为中心旋转90度即可。这种将馈电网络和辐射贴片都设计在地板上层的结构具有两点优势，一是天线工作频带宽，因为馈电层的介质厚度也作为了辐射天线的介质层，等效于增加了辐射天线厚度；二是便于安装，传统微带馈电设计在地板背侧，这样还需要对馈电网络进行屏蔽设计，馈电网络与天线设计为同一侧，则地板可以方便地应用于各种集成设计。

在以上二元微带天线阵设计基础上，本发明给出了该二元微带天线阵天线波束展宽设计方法，示意图如图4所示，本发明的天线装置在结构上包括上层引向贴片、天线辐射贴片、下层电路、基板和介质等组成。本发明展宽微带天线波束的技术方法如下：

本发明通过在天线两边引入不对称分布引向贴片，其中，引向贴片包含引向贴片1号、引向贴片2号和引向贴片3号，同时在天线辐射贴片两侧贴片引向数量不同，2:1配置，能够保持俯仰面也具有比较宽的波束宽度，通过调整：

①调整引向贴片1号、引向贴片2号、引向贴片3号与天线辐射贴片1的间距；

②调整引向贴片1号、引向贴片2号之间调距；

③调整引向贴片1号、引向贴片2号的尺寸（长宽比）；

④介质1与介质2制作介质台阶等4个要素能够优化天线波束。

图4中介质1和介质2是引向贴片下面的介质板，下面侧视图中上层介质板和下层介质板是辐射贴片下面的介质。介质1、介质2的厚度等于天线上层和下层介质板厚度之和。

通过优化，本发明水平面3dB波束宽度可以优于120°，俯仰面波束宽带优于35°，其中水平面是指垂直于天线辐射贴片1和辐射贴片2轴线的平面，俯仰面是指穿过天线辐射贴片1和辐射贴片2轴线的平面。

措施①：

引向贴片1号、引向贴片2号、引向贴片3号与天线辐射贴片1、天线辐射贴片2间距d1、d3越小，天线在水平面波束宽度越宽，d1、d3不能一味减小，否则虽然低仰角增益有所提高，但法向增益降低明显；通过仿真和调试发现，当d1与d3在λ/4（λ为天线工作波长）左右时，天线波束宽度最佳，同时还能保持天线辐射效率。

措施②：

通过调试发现，引向贴片1号、引向贴片2号间距d2在λ/2左右时，天线水平面波束宽度宽且平坦，该距离对波束宽度影响不明显，也可以是引向贴片1号、引向贴片2号与天线辐射贴片1、天线辐射贴片2平行设计。若d2减小甚至为0，天线波束在低仰角处增益下降明显，设计推荐采用λ/2。

措施③：

改变引向贴片1号、引向贴片2号、引向贴片3号形状可以优化天线方向图，引向贴片形状可以是正方形、长方形、椭圆形等，为使设计具有指导性，本发明采用长方形，调试发现正方形并不是最佳结果，以引向贴片1为例，长为L，宽为W，长宽比为L/W，W为λ/4（λ为天线工作波长）且长宽比为2左右时，天线宽波束性能最佳，波束宽度内增益抖动最小；引向贴片2尺寸与引向贴片1相同，引向贴片3形状也为矩形，但尺寸与引向贴片1明显不同，W为λ/4左右，但长宽比为5.6左右时，天线宽波束性能最佳，引向贴片3采用单贴片这种非对称结构可以使俯仰面波束宽度保持在40°以上。这种非对称引向结构设计是针对天线辐射贴片1和辐射贴片2是垂直极化的情况，若天线辐射贴片1和辐射贴片2是水平极化，实践中发现引向贴片3也可以采用引向贴片1和2的形式，用2个贴片，并以天线辐射贴片为中心与引向贴片1和2对称，这种方法能够实现水平极化天线宽波束性能，且俯仰、水平两个面的波束宽度与垂直天线相似。

措施④ ：

引向贴片1号、引向贴片2号、引向贴片3号使用的介质厚度与天线辐射贴片相同，介质1和介质2介电常数可以等于或高于天线辐射贴片使用的介质；

本发明使用的引向贴片使用介质介电常数是2.65，高于天线辐射贴片使用的介质的介电常数；天线辐射贴片使用介质介电常数是2.2；介电常数水平方向有个阶梯变化有利于天线增益在波束宽度内平坦。

本发明提供了一种层叠结构二元微带天线阵，将馈电网络和辐射贴片都设计在地板上层，天线工作频带宽，而且易于安装，该方法可以实现水平极化和垂直极化两种工作模式，只需调整馈电点位置，以辐射贴片为中心旋转90度即实现不同极化设计。

本发明提供了一种在平整大地板紧贴安装条件下宽波束贴片天线设计方法，该方案具有斜面、阶梯等结构，在平整大地板条件下达到了水平130°波束宽度。

本发明提供了以一种低剖面紧凑结构的宽波束天线，在KU波段，天线总体高度只有2.5mm。

本发明提供了一种利用非对称贴片优化垂直极化微带天线波束宽度的方法，该方法采用3个引向贴片，可以用于垂直极化天线波束宽度的优化，且这种非对称结构可以优化垂直极化天线俯仰面的波束宽度。

本发明提供了一种利用对称贴片优化水平极化微带天线波束宽度的方法，该方法采用3个引向贴片，天线两个各排布2个形成对称结构，这种方法能够实现水平极化天线宽波束性能。

本发明利用本方法优化的天线尺寸小、剖面低、增益高、波束宽，对反射地面尺寸要求不严格，推广应用意义重大。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.一种二元微带天线阵，其特征在于：包含双单元微带天线、馈电网络，所述双单元微带天线置于馈电网络上方，双单元微带天线的馈电点通过金属探针与馈电网络的馈电点连接，

其中，双单元微带天线包含馈电层和辐射贴片，所述馈电层的馈电点与辐射贴片的馈电点采用垂直金属馈电探针连接。

2.根据权利要求1所述的一种二元微带天线阵，其特征在于：所述双单元微带天线还包含上层介质板、下层介质板和地板，所述下层介质板紧固在地板上，所述馈电层设置在上层介质板、下层介质板之间，所述辐射贴片设置在上层介质板上。

3.根据权利要求1所述的一种二元微带天线阵，其特征在于：所述馈电网络属于导电金属层，由馈电传输线和T型功分器组成，用于激励线化波，馈电点处通过馈电探针连接上层辐射贴片。

4.根据权利要求1所述的一种二元微带天线阵，其特征在于：所述垂直金属馈电探针为过孔形式，及在上层介质板的馈电点加工为过孔，过孔两侧留有小焊盘，当层介质板、下层介质板在馈电点对准的情况下层叠起来，用于实现馈电网络向辐射贴片馈电。

5.根据权利要求2所述的一种二元微带天线阵，其特征在于：所述上层介质板、下层介质板均为微波介质板，且微波介质板属于微波材料，损耗角正切小于0.001，微波介质板外轮廓形状大于辐射贴片与馈电网络所需面积，且微波介质板通过金属螺钉紧固在天线地板上，金属螺钉位置远离辐射贴片，用于避免产生耦合。

6.一种基于权利要求1至5任一项所述的二元微带天线阵的天线波束展宽优化方法，其特征在于：具体包含如下步骤：

步骤1，通过在天线两边引入不对称分布引向贴片，其中，引向贴片包含引向贴片1号、引向贴片2号和引向贴片3号，同时在天线辐射贴片两侧引向贴片数量不同，2:1配置；

步骤2，通过调整引向贴片1号、引向贴片2号、引向贴片3号与天线辐射贴片1的间距；引向贴片1号与天线辐射贴片1的间距d1，引向贴片3号与天线辐射贴片1的间距d3，当d1与d3在λ/4左右时，其中，λ为天线工作波长，天线波束宽度最佳，同时还能保持天线辐射效率；

步骤3，调整引向贴片1号、引向贴片2号之间距离；调节引向贴片1号、引向贴片2号之间距离d2采用λ/2；

步骤4，调整引向贴片1号、引向贴片2号、引向贴片3号的长宽比，改变引向贴片1号、引向贴片2号、引向贴片3号采用长方形。

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