專利名稱：集成式巴倫饋電的寬帶雙極化天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及雙極化天線，具體的說是一種適用于雷達(dá)和通信等無線電領(lǐng)域的，同時(shí)具有寬頻帶和雙極化兩種性能，能夠有效提高分辨率和信息傳輸速度的集成式巴倫饋電的寬帶雙極化天線。
背景技術(shù)：
寬帶雙極化天線技術(shù)在軍用和民用領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)于高分辨SAR合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)來說，為了獲得成像目標(biāo)不同物質(zhì)特性的細(xì)節(jié)信息，除要求天線具有大的工作帶寬外，還要求其具有多極化的工作模式，這就要求天線具備寬帶、雙極化工作能力。在民用方面，地面通信系統(tǒng)為抗多徑衰落而采用的極化分集技術(shù)也要求雙極化天線的性能進(jìn)
一步提聞。 現(xiàn)有的雙極化天線振子提供的相對(duì)帶寬一般都低于44. 5%，由此組成的天線陣的帶寬也受到限制，難以滿足市場(chǎng)需求，例如中國(guó)專利ZL200910036577. 7公開的天線振子，其相對(duì)帶寬僅有33. 3%，而少數(shù)能夠滿足要求的天線振子，如中國(guó)專利ZL2011100644857公開的雙極化寬頻輻射單元又存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)成本高的問題，不利于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。在現(xiàn)有雙極化振子天線中，采用常規(guī)振子結(jié)構(gòu)時(shí)，帶寬較窄；同時(shí)，對(duì)陣振子結(jié)構(gòu)的天線為平衡結(jié)構(gòu)，當(dāng)采用同軸線饋電時(shí)，需要加入平衡到不平衡的轉(zhuǎn)換器，即巴倫結(jié)構(gòu)，這也是最為常見的工作情況，饋電巴倫的設(shè)計(jì)是很困難的工作，特別是當(dāng)天線為雙極化工作模式時(shí)，饋電巴倫的設(shè)計(jì)尤為困難，因?yàn)樾枰O(shè)計(jì)兩個(gè)巴倫結(jié)構(gòu)，它們能夠合理裝配而互相影響較小，在電氣性能上實(shí)現(xiàn)較好的隔離度；因此設(shè)計(jì)隔離特性良好，易于裝配，加工簡(jiǎn)單，成本低廉的寬帶雙極化天線對(duì)于批量化生產(chǎn)具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)和不足，提出一種結(jié)構(gòu)合理、工藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的集成式巴倫饋電的天線單元，以及采用此種單元制成的能夠同時(shí)滿足寬頻帶和雙極化要求的集成式巴倫饋電的寬帶雙極化天線。一種集成式巴倫饋電的天線單元，包括介質(zhì)基板、天線振子以及饋電巴倫，其特征在于天線振子和饋電巴倫印刷于介質(zhì)基板的同一平面上，天線振子為蝶形，饋電巴倫由共面帶狀線和微帶線組成，天線振子與饋電巴倫之間設(shè)有轉(zhuǎn)角為45°的過渡段。本發(fā)明中所述天線振子的輻射單元為由三角形和半圓形結(jié)構(gòu)組成的蝶形偶極子，其中三角形部分寬度用R1表示，它代表蝶形振子臂的最寬處的寬度，三角形振子臂的長(zhǎng)度為W3，兩個(gè)三角形振子之間的饋電間隙為W1 ;半圓形部分位于輻射振子的外側(cè)，即在三角形振子的外側(cè)且與三角形振子相連接，其直徑為2 ，因此天線輻射單元的總長(zhǎng)度表示為L(zhǎng)total=ZwJwpR1。一種集成式巴倫饋電的寬帶雙極化天線，包括兩個(gè)相同的單極化蝶形天線單元，其特征在于兩個(gè)相同的單極化蝶形天線單元正交放置，其中一個(gè)單極化蝶形天線單元放置在另一個(gè)單極化蝶形天線單元饋電巴倫部分的帶狀線間隙中。本發(fā)明以圓弧蝶形天線為基本單元，提出了一種雙極化的寬帶天線結(jié)構(gòu)，該天線采用印刷電路技術(shù)加工制作，與傳統(tǒng)的雙極化天線在加工過程中往往需要采用焊接技術(shù)相t匕，有利于提高天線的制作精度，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有結(jié)構(gòu)合理，裝配簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，精度聞等優(yōu)點(diǎn)。


附圖I是本發(fā)明中單極化蝶形天線振子的幾何示意圖。附圖2a是本發(fā)明中印刷在介質(zhì)基板正面上的天線振子和饋電巴倫的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖2b是本發(fā)明中印刷基板背面的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖3是本發(fā)明中寬帶雙極化天線的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖4是現(xiàn)有技術(shù)中扇形偶極子蝶形天線的形狀。附圖5為端口 I的VSWR仿真結(jié)果。附圖6為端口 2的VSWR仿真結(jié)果。附圖7為端口之間的隔離度仿真結(jié)果。附圖8a頻率為9GHz時(shí)的雙極化天線端口 I的zoy面增益方向圖 附圖8b頻率為9GHz時(shí)的雙極化天線端口 I的面增益方向圖。
附圖8c頻率為9GHz時(shí)的雙極化天線端口 2的面增益方向圖。附圖8d頻率為9GHz時(shí)的雙極化天線端口 2的面增益方向圖。
附圖8e頻率為9GHz時(shí)的雙極化天線端口 I的面軸比方向圖。
附圖8f頻率為9GHz時(shí)的雙極化天線端口 I的面軸比方向圖。附圖8g頻率為9GHz時(shí)的雙極化天線端口 2的面軸比方向圖。附圖8h頻率為9GHz時(shí)的雙極化天線端口 2的面軸比方向圖。附圖9a頻率為IOGHz時(shí)的雙極化天線端口 I的面增益方向圖。附圖9b頻率為IOGHz時(shí)的雙極化天線端口 I的面增益方向圖。附圖9c頻率為IOGHz時(shí)的雙極化天線端口 2的面增益方向圖。附圖9d頻率為IOGHz時(shí)的雙極化天線端口 2的面增益方向圖。附圖9e頻率為IOGHz時(shí)的雙極化天線端口 I的面軸比方向圖。附圖9f頻率為IOGHz時(shí)的雙極化天線端口 I的_7似面軸比方向圖。附圖9g頻率為IOGHz時(shí)的雙極化天線端口 2的面軸比方向圖。附圖9h頻率為IOGHz時(shí)的雙極化天線端口 2的面軸比方向圖。附圖標(biāo)記天線振子I、過渡段2、饋電巴倫3、介質(zhì)基板4、金屬地板5。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。蝶形天線是一種傳統(tǒng)的寬帶天線形式，已獲得廣泛應(yīng)用。蝶形天線的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉和易于制作。常見的蝶形天線一般為平面三角形偶極子蝶形天線和扇形偶極子蝶形天線；相比較平面三角形偶極子蝶形天線，扇形偶極子蝶形天線的末端反射較弱，因此在應(yīng)用中更為有利。扇形偶極子蝶形天線的形狀如圖4所示。具體參數(shù)為展開角a、單臂長(zhǎng)度I和天線片的厚度為d。
本發(fā)明基于扇形偶極子蝶形天線，設(shè)計(jì)了一種雙極化天線結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的基本思想是將兩個(gè)相同的單極化蝶形天線單元正交放置，構(gòu)成雙極化天線的結(jié)構(gòu)，在空間形成兩個(gè)極化輻射場(chǎng)，進(jìn)而可以感知全極化的電磁波。本發(fā)明首先提出了一種單極化蝶形天線單元，其特征在于天線振子和饋電巴倫印刷于介質(zhì)基板的同一平面上，天線振子為蝶形，饋電巴倫由共面帶狀線和微帶線組成，天線振子與饋電巴倫之間設(shè)有轉(zhuǎn)角為45°的過渡段，其中所述天線振子的輻射單元為由三角形和半圓形結(jié)構(gòu)組成的蝶形偶極子，其中三角形部分寬度用R1表示，它代表蝶形振子臂的最寬處的寬度，三角形振子臂的長(zhǎng)度為W3，兩個(gè)三角形振子之間的饋電間隙為W1 ;半圓形部分位于輻射振子的外側(cè)，即在三角形振子的外側(cè)和三角形振子相連接，其直徑為2 ;于是，該振子總長(zhǎng)度可表不為=Lttrtal=ZwJw^Rp本發(fā)明中上述天線單元采用微帶電路加工技術(shù)，介質(zhì)基板選取微波介質(zhì)覆銅板材，對(duì)于單極化的蝶形天線來說，振子形狀采用三角形偶極子和半圓形結(jié)構(gòu)組合的方式，其示意圖如圖I所示，饋電位置采用共面帶狀線結(jié)構(gòu)如附圖2，帶狀線間隙正好為正交放置的另一個(gè)天線提供安裝空間，即另一個(gè)天線單元直接插入該帶狀線間隙，即可以實(shí)現(xiàn)正交的饋電結(jié)構(gòu)而構(gòu)成寬帶雙極化天線裝置；由于蝶形天線單元屬于對(duì)稱的平衡結(jié)構(gòu)，當(dāng)采用同 軸電纜饋電時(shí)，必須采用平衡到不平衡的轉(zhuǎn)換器(Balun)，本發(fā)明采用共面帶狀線到微帶線轉(zhuǎn)換的Balun對(duì)該蝶形天線進(jìn)行饋電，該巴倫與蝶形振子在介質(zhì)基板的同一個(gè)平面上如附圖2所示，易于加工，避免了焊接過程，可以有效控制加工和焊接誤差，因此，可稱之為集成巴倫饋電方式；考慮到雙極化天線安裝過程中的裝配需要，在蝶形天線單元和饋電巴倫之間加入轉(zhuǎn)角為45度的過渡段，減少了兩個(gè)極化單元之間的耦合，使得天線加工和裝配更為方便?；谏鲜鎏炀€單元，本發(fā)明還提出了一種集成式巴倫饋電的寬帶雙極化天線，包括兩個(gè)相同的單極化蝶形天線單元，其特征在于兩個(gè)相同的單極化蝶形天線單元正交放置，其中一個(gè)單極化蝶形天線單元放置在另一個(gè)單極化蝶形天線單元饋電巴倫部分的帶狀線間隙中，該天線的三維結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。實(shí)施例
本發(fā)明設(shè)計(jì)了一個(gè)具體的集成巴倫饋電的雙極化蝶形天線，圖2給出了確定該天線一個(gè)極化單元的結(jié)構(gòu)示意圖，該集成巴倫饋電的天線單元包含三個(gè)組成部分，I為輻射單元，2為從天線輻射單元到集成巴倫的過渡段，3為共面帶狀線到微帶線的集成巴倫結(jié)構(gòu)，在輸出端采用90度彎折的微帶傳輸線，在下方焊接SMA接頭，以便于天線的與其它設(shè)備的連接，微帶線的特性阻抗為50歐姆。下面給出該天線的結(jié)構(gòu)描述如附圖2所示，天線振子的三角形部分寬度用R1表示，它代表蝶形振子臂的最寬處的寬度，三角形振子臂的長(zhǎng)度為W3，兩個(gè)三角形振子之間的饋電間隙為W1 ;半圓形部分位于輻射振子的外側(cè)，即在三角形振子的外側(cè)和三角形振子相連接，其直徑為2 ;共面帶狀線金屬導(dǎo)帶的寬度為W2，兩個(gè)金屬導(dǎo)帶之間的間隙為W1 ;與蝶形輻射單元相連的共面帶狀線長(zhǎng)度為氏。過渡段仍采用平行的帶狀線結(jié)構(gòu)，該平行帶狀線和上述給蝶形振子直接饋電的帶狀線之間的傾斜角為Θ i，即該平行帶狀線和天線軸線相交角度為Q1，過渡段在天線軸線(即垂直方向)上的投影為H3;集成饋電巴倫部分由一段均勻的垂直方向的共面帶狀線(該帶狀線與過渡段相連接)、扇形調(diào)配枝節(jié)、直線微帶漸變線和90度彎轉(zhuǎn)微帶線組成；垂直方向的與過渡段相連接的共面帶狀線高度為H4 ;扇形枝節(jié)的半徑為R2，扇形的角度為0 2 ;直線微帶漸變線的長(zhǎng)度為W4 ；90度彎轉(zhuǎn)微帶線的水平部分的長(zhǎng)度為W5，垂直部分的高度為H7，微帶線的寬度為w6。介質(zhì)基板的厚度為h。在本實(shí)例中，設(shè)計(jì)了一種工作于X波段的雙極化蝶形天線結(jié)構(gòu)，根據(jù)圖2中的結(jié)構(gòu)參數(shù)定義，該天線所相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為蝶形振子臂的最寬處的寬度Ri=3mm,扇形枝節(jié)的半徑R2=4mm,兩個(gè)三角形振子之間的饋電間隙w^mm,共面帶狀線金屬導(dǎo)帶的寬度W2=Imm,三角形振子臂的長(zhǎng)度w3=5mm,直線微帶漸變線的長(zhǎng)度w4=4mm,90度彎轉(zhuǎn)微帶線的水平部分的長(zhǎng)度w5=5mm,微帶線的寬度w6=3mm,與蝶形福射單元相連的共面帶狀線長(zhǎng)度H1=Smm,過渡段在天線軸線上的投影H3=7mm,垂直方向的與過渡段相連接的共面帶狀線高度比=4臟，90度彎轉(zhuǎn)微帶線的垂直部分高度叫=6. 5mm,平行帶狀線和天線軸線相交角度^=45°，扇形的角度0 2=60 °，介質(zhì)基板的厚度h為I毫米,相對(duì)介電常數(shù)為2. 2。 采用全波電磁仿真軟件對(duì)該天線進(jìn)行了性能仿真，其兩個(gè)端口的輸入駐波比(VSWR)分別如圖5和圖6所示，兩個(gè)端口的隔離度如圖7所示。由圖可見，該天線在頻率為
8.5GHz-10. 5GHz范圍內(nèi)的平均駐波比為2，隔離度優(yōu)于20dB，可以滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。為了表征該天線的輻射特性，在此選擇兩個(gè)主平面，一個(gè)是平面，另一個(gè)是 平面，分別給出兩個(gè)主平面內(nèi)的輻射功率方向圖和軸比方向圖的仿真結(jié)果，以說明該天
線的輻射方向特性和輻射場(chǎng)的極化特性。在仿真模型的坐標(biāo)系中，對(duì)于極化端口 I來說，電平面(E面)為yoz平面,磁平面(H平面)為平面；對(duì)于極化端口 2來說，電平面(E面)為平面，磁平面(H平面)為_7%平面。圖8和圖9分別給出了 9GHz和IOGHz時(shí)的輻射特性。在仿真模型中，主輻射方向?yàn)檩S方向，從實(shí)際出發(fā)，在主輻射方向附近考察波束寬度情況。對(duì)于極化端口 I，在頻率為9GHz時(shí)，E面和H面的波束寬度分別約為112度和190度，增益約為I. 6dB，主輻射方向上的軸比約為20dB ;在頻率為IOGHz時(shí)，E面和H面的波束寬度分別約為94度和246度，增益約為3. 7dB，主輻射方向上的軸比約為14dB。對(duì)于極化端口 2，在頻率為9GHz時(shí)，E面和H面的波束寬度分別約為105度和97度，增益約為0. 8dB，主輻射方向上的軸比約為16dB ;在頻率為IOGHz時(shí)，E面和H面的波束寬度分別約為92度和88度，增益約為3. 2dB，主輻射方向上的軸比約為25dB。由仿真結(jié)果可以看出，該天線在兩個(gè)極化端口上均表現(xiàn)出寬波束方向圖性能，在主波束范圍內(nèi)，輻射場(chǎng)近似為線極化，但是方向圖表現(xiàn)出一定的不對(duì)稱性；該天線的兩個(gè)極化端口能夠分別感知兩個(gè)電磁場(chǎng)極化分量，可以實(shí)現(xiàn)雙極化寬帶的工作性能。本發(fā)明提出一種基于寬帶蝶形天線的雙極化天線單元的實(shí)現(xiàn)方案；該方案的特點(diǎn)是采用寬帶的蝶形振子輻射器，以提高其頻帶寬度；同時(shí)采用集成式的共面帶狀線到微帶線的寬帶巴倫結(jié)構(gòu)，該巴倫與天線集成在同一個(gè)介質(zhì)平面上，在實(shí)現(xiàn)平衡端到不平衡端轉(zhuǎn)換的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了從蝶形天線輸入端的輸入阻抗到饋電點(diǎn)處50歐姆阻抗之間的阻抗變換，該巴倫的重要優(yōu)點(diǎn)之一是具有超寬帶的工作性能，非常適合于寬帶天線系統(tǒng)，在本發(fā)明中，引入共面帶狀線到微帶線的集成巴倫饋電方式，十分有利于采用微帶電路加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)該天線，天線裝配中無需連接處的焊接，只要在饋電的微帶線端口上焊接上SMA接頭即可，因此，該天線也適合于大型雙極化天線陣列使用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有結(jié)構(gòu)合理，裝配簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，精度高等優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種集成式巴倫饋電的天線單元，包括介質(zhì)基板、天線振子以及饋電巴倫，其特征在于天線振子和饋電巴倫印刷于介質(zhì)基板的同一平面上，天線振子為蝶形，饋電巴倫由共面帶狀線和微帶線組成，天線振子與饋電巴倫之間設(shè)有轉(zhuǎn)角為45°的過渡段。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種集成式巴倫饋電的天線單元，其特征在于所述天線振子的輻射單元為由三角形和半圓形結(jié)構(gòu)組成的蝶形偶極子。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種集成式巴倫饋電的天線單元，其特征在于共面帶狀線到微帶線的集成巴倫結(jié)構(gòu)在輸出端采用90度彎折的微帶傳輸線，在下方焊接SMA接頭，微帶線的特性阻抗為50歐姆。
4.一種采用如權(quán)利要求3中所述天線單元制成的集成式巴倫饋電的寬帶雙極化天線，包括兩個(gè)相同的單極化蝶形天線單元，其特征在于兩個(gè)相同的單極化蝶形天線單元正交放置，其中一個(gè)單極化蝶形天線單元放置在另一個(gè)單極化蝶形天線單元饋電巴倫部分的帶狀線間隙中。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種集成式巴倫饋電的寬帶雙極化天線,其特征在于該天線所相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為蝶形振子臂的最寬處的寬度R1=Smm,扇形枝節(jié)的半徑R2=4mm，兩個(gè)三角形振子之間的饋電間隙W1=Zmm,共面帶狀線金屬導(dǎo)帶的寬度W2=Imm,三角形振子臂的長(zhǎng)度w3=5mm,直線微帶漸變線的長(zhǎng)度w4=4mm, 90度彎轉(zhuǎn)微帶線的水平部分的長(zhǎng)度w5=5mm,微帶線的寬度w6=3mm,與蝶形福射單元相連的共面帶狀線長(zhǎng)度H1=Smm,過渡段在天線軸線上的投影H3=7mm,垂直方向的與過渡段相連接的共面帶狀線高度H4=4mm,90度彎轉(zhuǎn)微帶線的垂直部分高度H7=6. 5mm，平行帶狀線和天線軸線相交角度0 1=45°，扇形的角度9 2=60°，介質(zhì)基板的厚度A為I毫米,相對(duì)介電常數(shù)為2. 2。
全文摘要
本發(fā)明涉及雙極化天線，具體的說是一種適用于雷達(dá)和通信等無線電領(lǐng)域的，同時(shí)具有寬頻帶和雙極化兩種性能，能夠有效提高分辨率和信息傳輸速度的集成式巴倫饋電的寬帶雙極化天線，包括兩個(gè)相同的單極化蝶形天線單元，其特征在于兩個(gè)相同的單極化蝶形天線單元正交放置，其中一個(gè)單極化蝶形天線單元放置在另一個(gè)單極化蝶形天線單元饋電巴倫部分的帶狀線間隙中，本發(fā)明以圓弧蝶形天線為基本單元，提出了一種雙極化的寬帶天線結(jié)構(gòu)，該天線采用印刷電路技術(shù)加工制作，與傳統(tǒng)的雙極化天線在加工過程中往往需要采用焊接技術(shù)相比，有利于提高天線的制作精度，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有結(jié)構(gòu)合理，裝配簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，精度高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01Q21/24GK102800956SQ201210294170
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月18日
發(fā)明者宋立眾, 房亮, 方慶園, 聶玉明, 楊龍 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)