專利名稱：一種帶有寄生單元的寬帶低交叉極化印刷偶極子天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于天線工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種印刷偶極子天線，具體來(lái)說(shuō)是一種可用于無(wú)線通信和相控陣?yán)走_(dá)的寬帶低交叉極化的雙層印刷偶極子天線。
背景技術(shù)：
印刷偶極子天線具有體積小、重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于集成、易于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)， 在通信和雷達(dá)中應(yīng)用廣泛。但其同時(shí)也存在帶寬較窄、交叉極化較高等缺點(diǎn)。在某些應(yīng)用中，為了提升系統(tǒng)的性能，需要天線具有寬頻帶和低交叉極化特性。例如在基站天線中，為了提高數(shù)據(jù)傳輸率需要增大天線帶寬。在雙極化基站天線中，為了保證高的極化隔離度， 還要求天線單元具有低的交叉極化特性。在相控陣?yán)走_(dá)中，為了有效對(duì)付嚴(yán)重電子干擾和 ARM(反輻射導(dǎo)彈)，通常采取降低天線副瓣電平和增加天線工作帶寬的方法來(lái)提高系統(tǒng)抗干擾性能。因此要求天線單元具有寬頻帶特性同時(shí)必需為低交叉極化天線，否則嚴(yán)重的交叉極化將使主極化的低副瓣本身失去意義。為了增大印刷偶極子天線帶寬和降低交叉極化，國(guó)內(nèi)外眾多專家學(xué)者對(duì)印刷偶極子天線進(jìn)行了廣泛而深入的研究。西安海天天線科技股份有限公司在專利CN101197470中公布了一種雙極化寬帶天饋單元，該天線單元將兩個(gè)用帶狀線饋電的對(duì)稱振子組成十字型結(jié)構(gòu)。此天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜且天線全由金屬構(gòu)成以至于天線顯得笨重。在駐波比小于1.5的情況下，天線兩端口的帶寬可達(dá)到17.4%。美國(guó)專利發(fā)明者Ipp0Iit0等在專利號(hào)US6072439 公開(kāi)的題為 “Base station antenna for dual polarization” 中提出了一種士45° 雙線極化的基站天線，天線單元采用印刷偶極子的形式，這種天線機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，但駐波比帶寬僅僅只有 15. 1% (1710MHz-1990MHz)。中電20所萬(wàn)濤等人設(shè)計(jì)了一種帶狀線饋電的印刷偶極子天線(電子測(cè)量技術(shù)， 2007，一種帶狀線饋電的新型寬帶印刷偶極子天線)。該作者在分析傳統(tǒng)微帶巴倫饋電印刷偶極子天線的基礎(chǔ)上，將單面輻射振子結(jié)構(gòu)改為雙面，將微帶饋電形式改為帶狀線饋電形式，提出了一種帶狀線饋電的新型寬帶印刷偶極子天線。這類天線在駐波比小于2時(shí)，阻抗帶寬可以做到45%。電子科技大學(xué)周占偉等人設(shè)計(jì)了帶狀線饋電的印刷偶極子陣列(電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，S波段寬帶低交叉極化印刷偶極子陣列天線的設(shè)計(jì))，所用單元輻射結(jié)構(gòu)和前者幾乎一樣，但相對(duì)帶寬達(dá)到50%，同時(shí)交叉極化降低到-30dB以下。西安電子科技大學(xué)李晉陽(yáng)等人設(shè)計(jì)了一個(gè)帶寄生單元的印刷偶極子天線(2009年天線年會(huì)上冊(cè)，帶有新型寄生單元的印刷偶極子天線)，該天線在傳統(tǒng)印刷偶極子的四周增加寄生單元的方式擴(kuò)展帶寬和提高增益?；阽R像原理，可以獲得52%的相對(duì)帶寬，同時(shí)帶寬內(nèi)增益比較穩(wěn)定。 但該天線尺寸很大，寄生單元距離偶極子約1/4波長(zhǎng)，在實(shí)際應(yīng)用中極為不便。RongLin Li 等人在“Equivalent-Circuit Analysis of a Broadband Printed Dipole With Adjusted Integrated Balun and an Array for Base Station Applications，，(IEEE Transactions on mtennas md propagation，2009) —文中，對(duì)傳統(tǒng)微帶饋電的印刷偶極子天線的集成巴倫饋電點(diǎn)位置做了調(diào)整，由偶極子幵槽上端饋電變?yōu)橄露损侂?，以便于?shí)現(xiàn)雙極化，同時(shí)天線的阻抗帶寬保持不變，但改天線的相對(duì)帶寬較窄，只有40%。 與上述相關(guān)的代表性發(fā)明專利和論文相比，本發(fā)明采用在雙層印刷偶極子四周加載寄生單元的形式拓展天線帶寬和改善方向圖，在駐波比小于1.5的情況下達(dá)到了 75% 的阻抗帶寬。在阻抗帶寬范圍內(nèi)，天線的方向圖穩(wěn)定，增益在6. 3-9. ldB，法向方向交叉極化在-30dB以下。同時(shí)我們還組裝了一個(gè)8單元陣列天線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)得在陣列環(huán)境中， 天線單元的相對(duì)帶寬仍然到達(dá)75%。陣列天線的方向圖穩(wěn)定，增益在14-16dBi，交叉極化在-30dB以下。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鑒于上述技術(shù)背景，目的在于對(duì)現(xiàn)有的印刷偶極子天線存在的交叉極化高，帶寬不足問(wèn)題加以研究和解決，提出了一種帶有寄生單元的寬帶低交叉極化雙層印刷偶極子天線。該印刷偶極子天線適用于無(wú)線通信系統(tǒng)和相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)，它的基本結(jié)構(gòu)包括金屬反射板、兩層介質(zhì)板、帶狀線饋電集成巴倫、兩層主輻射貼片(即兩層偶極子臂)、偶極子臂上端的四個(gè)寄生單元、偶極子臂兩側(cè)的四個(gè)寄生單元。金屬反射板主要的作用是減小后向輻射和控制天線的波瓣寬帶。帶狀線集成巴倫通過(guò)在主輻射貼片上的開(kāi)槽來(lái)對(duì)主輻射貼片兩個(gè)臂進(jìn)行耦合饋電。偶極子臂上端的四個(gè)寄生單元目的是為了使其諧振在高頻段以展寬帶寬。偶極子臂兩側(cè)的四個(gè)寄生單元目的是為了改善天線的方向圖。本發(fā)明最大的創(chuàng)新在于在雙層印刷偶極子的上端增加寄生貼片拓展帶寬，在偶極子兩邊增加寄生貼片調(diào)節(jié)方向圖。該天線具有超寬頻帶特性和穩(wěn)定的方向圖，在駐波比小于1. 5的情況下可達(dá)75%的帶寬。本發(fā)明的特點(diǎn)是在雙層印刷偶極子的上端增加寄生貼片拓展天線帶寬以及在偶極子兩側(cè)增加寄生貼片調(diào)節(jié)天線方向圖。與傳統(tǒng)印刷偶極子相比，在天線大小幾乎不變的情況下，改善了天線的輻射性能。本發(fā)明實(shí)施方式是電磁波由帶狀線傳輸，在開(kāi)槽地方對(duì)主輻射貼片(偶極子兩臂)進(jìn)行耦合饋電。主輻射貼片較長(zhǎng)較寬，等效電長(zhǎng)度較大，諧振在低頻段。上端寄生貼片較短較窄，等效電長(zhǎng)度較小，諧振在高頻段。上端寄生貼片距離主輻射貼片很近，主輻射貼片輻射的電磁場(chǎng)耦合到寄生單元貼片，引起高頻諧振，從而增加天線的帶寬。該天線使用介電常數(shù)為2. 2的介質(zhì)板材料，具有高效率、重量輕、造價(jià)便宜和便于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，阻抗帶寬到達(dá)75%，在整個(gè)頻帶范圍內(nèi)，天線的方向圖穩(wěn)定，交叉極化低。


圖1為本發(fā)明的帶有寄生單元的寬帶低交叉極化印刷偶極子天線的立體圖；圖2為本發(fā)明印刷偶極子天線的正反兩面和中間夾層正視圖；圖3為本發(fā)明印刷偶極子天線另外一種結(jié)構(gòu)形式的正反兩面和中間夾層正視圖；圖4為本發(fā)明印刷偶極子天線的駐波比仿真與測(cè)試曲線圖；圖5為本發(fā)明印刷偶極子天線在4. OGhz時(shí)的實(shí)測(cè)E面和H面方向圖；圖6為本發(fā)明印刷偶極子天線在2. 6-5. 6Ghz時(shí)的實(shí)測(cè)增益；圖7為本發(fā)明印刷偶極子天線在8單元陣列天線環(huán)境中駐波比測(cè)試曲線圖；圖8為本發(fā)明印刷偶極子天線8單元陣列在4. OGHz時(shí)的實(shí)測(cè)H面方向圖；具體實(shí)施方案圖1和圖2示例性的描述了一種帶有寄生單元的寬帶低交叉極化印刷偶極子天線設(shè)計(jì)裝置。依圖示描述，此裝置主要包括金屬反射板1、兩層介質(zhì)板2、帶狀線饋電集成巴倫3、兩層主輻射貼片(偶極子臂)4、偶極子臂上端四個(gè)寄生單元5、偶極子臂兩側(cè)四個(gè)寄生單元6和SMA接頭7。金屬反射板1采用3mm厚的鋁板，尺寸為10 cm*10cm，反射板中間鉆有4. Imm直徑的圓孔。兩層介質(zhì)板2都采用厚度為0. 7874mm、相對(duì)介電常數(shù)為2. 2的介質(zhì)板，兩層介質(zhì)板用膠水粘合。帶狀線集成巴倫3采用Γ形狀的巴倫，寬度為2mm，印制在兩層介質(zhì)板中間夾層。主輻射貼片4的長(zhǎng)度為38mm，約為低頻波長(zhǎng)的一半，寬度為8mm，在主輻射貼片中間開(kāi)有長(zhǎng)14mm、寬Imm的長(zhǎng)槽，主輻射貼片有兩層，分別印制在兩塊介質(zhì)板的兩個(gè)外表面。偶極子臂上端四個(gè)寄生單元5的長(zhǎng)度為18. 5mm，寬度為1. 5mm，距離偶極子臂 1.5mm，它的有效電長(zhǎng)度較主輻射貼片小，在高頻諧振。偶極子臂兩側(cè)四個(gè)寄生單元6的寬度為1.5mm，長(zhǎng)度為24mm。它可視為金屬反射板，改變波束寬度，也可視為四個(gè)單極子。兩側(cè)寄生單元的上端部分距離偶極子端很近，也可視為電容加載。圖3為寬帶低交叉極化印刷偶極子天線的另外一種形式，將寄生單元位置由原來(lái)的兩層介質(zhì)板外表面平移到兩層介質(zhì)板中間夾層，寄生單元的數(shù)量可以減少到原來(lái)的一半，輻射性能保持基本不變。接下來(lái)描述的是此實(shí)施方案的具體操作。當(dāng)微波信號(hào)由SMA接頭7進(jìn)入時(shí)，電流通過(guò)帶狀線集成巴倫3傳輸并在偶極子臂開(kāi)槽處耦合到主輻射貼片4。由于偶極子臂上端四個(gè)寄生單元5距離主輻射貼片4很近，主輻射貼片輻射的電磁波強(qiáng)耦合到偶極子臂上端四個(gè)寄生單元5，在高頻引起諧振。兩側(cè)的寄生單元6相當(dāng)于兩個(gè)金屬擋板，改變波束寬度。金屬反射板1的作用是減小后向輻射的能量，使天線工作時(shí)大部分能量都向前輻射。圖4為基于本發(fā)明思想設(shè)計(jì)出的寬帶低交叉極化印刷偶極子天線實(shí)測(cè)駐波比與仿真結(jié)果的對(duì)比。由仿真結(jié)果可以看出在駐波比小于1. 5的情況下，實(shí)測(cè)相對(duì)帶寬為75% (2. 5GHz-5. 5GHz)。實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，低頻的差異主要由于兩層介質(zhì)板之間存在空氣間隙。圖5為基于本發(fā)明思想設(shè)計(jì)出的寬帶低交叉極化印刷偶極子天線在中心頻率 4. OGHz測(cè)得的方向圖，包括E面主極化、E面交叉極化、H面主極化、和H面交叉極化。由方向圖可以看出，天線的法向交叉極化在_30dB以下。圖6為雙層印刷偶極子天線在2. 6GHz到5. 6GHz的范圍內(nèi)天線的增益隨頻率的變化曲線。由曲線可以看出，天線在整個(gè)工作頻帶范圍內(nèi)的增益在6. 3-9. IdBi。圖7為基于本發(fā)明思想設(shè)計(jì)出的印刷偶極子8單元陣列天線中單元駐波比測(cè)試曲線。印刷偶極子平行排列，間距為46mm。圖7中給出了陣列左側(cè)四個(gè)天線單元的測(cè)試結(jié)果， 從圖中可以看出，在陣列環(huán)境中，天線相對(duì)帶寬仍然達(dá)到75%。圖8為印刷偶極子8單元陣列天線在4. OGHz時(shí)的H面天線方向圖，包括其交叉極化方向圖。從圖中可以看出，交叉極化在_30dB以下。以上是向熟悉本發(fā)明領(lǐng)域的工程技術(shù)人員提供的對(duì)本發(fā)明及其實(shí)施方案的描述， 這些描述應(yīng)被視為是說(shuō)明性的，而非限定性的。工程技術(shù)人員可據(jù)此發(fā)明權(quán)利要求書(shū)中的思想做具體的操作實(shí)施， 自然也可以據(jù)以上所述對(duì)實(shí)施方案做一系列的變更。上述這些都應(yīng)被視為本發(fā)明的涉及范圍。
權(quán)利要求
1.一種帶有寄生單元的寬帶低交叉極化印刷偶極子天線，主要包括金屬地板(1)、兩層介質(zhì)板(2)、帶狀線饋電集成巴倫(3)、兩層主輻射貼片(4)、偶極子臂上端的四個(gè)寄生單元(5)、偶極子臂兩側(cè)的四個(gè)寄生單元(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有寄生單元的寬帶低交叉極化印刷偶極子天線，其特征在于在印刷偶極子臂上端有四個(gè)寄生單元，寄生單元為水平放置的條形貼片，緊挨著偶極子臂，印制在兩層介質(zhì)板的兩個(gè)外表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有寄生單元的寬帶低交叉極化印刷偶極子天線，其特征在于在印刷偶極子臂兩側(cè)有四個(gè)寄生單元，寄生單元為豎直放置的條形貼片，印制在兩層介質(zhì)板的兩個(gè)外表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有寄生單元的寬帶低交叉極化印刷偶極子天線，其特征在于所有的寄生單元可以由兩層介質(zhì)板的兩個(gè)外表面平移到兩層介質(zhì)板夾層，輻射特性保持基本不變的同時(shí)，寄生單元的總個(gè)數(shù)可以減少一半。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有寄生單元的寬帶低交叉極化印刷偶極子天線，其特征在于可以去掉印刷偶極子臂兩側(cè)的四個(gè)寄生單元，同時(shí)天線的阻抗帶寬基本不變。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種帶有寄生單元的寬帶低交叉極化印刷偶極子天線。該天線具有頻帶寬、交叉極化低、方向圖穩(wěn)定、尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。該天線采用雙層印刷偶極子形式，同時(shí)在偶極子臂的上端和兩側(cè)加載矩形貼片。其基本結(jié)構(gòu)包括金屬地板、兩層介質(zhì)板、帶狀線饋電巴倫、雙層印刷偶極子臂、偶極子臂上端的矩形貼片、偶極子臂兩側(cè)的矩形貼片和SMA接頭。本發(fā)明最大的創(chuàng)新在于通過(guò)在雙層印刷偶極子臂的上端和兩側(cè)加載矩形貼片形式的寄生單元獲得超寬頻帶特性和穩(wěn)定的方向圖特性，在駐波比小于1.5的情況下可達(dá)75％的帶寬，同時(shí)在帶寬內(nèi)方向圖穩(wěn)定，交叉極化低、增益在6.1-9.3dBi。合理改變本天線的尺寸，即可構(gòu)成本發(fā)明的其它具體實(shí)施方案。
文檔編號(hào)H01Q1/38GK102437416SQ20111024486
公開(kāi)日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2011年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月25日
發(fā)明者朱全江, 楊仕文, 熊偉, 羅偉, 聶在平, 鄭麗, 龔雪 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)