左右旋圆极化可切换微带阵列天线设计方法技术

本发明专利技术公开的一种左右旋圆极化可切换微带阵列天线的设计方法，具有高增益

【技术实现步骤摘要】
左右旋圆极化可切换微带阵列天线设计方法


[0001]本专利技术涉及一种应用于雷达
、
毫米波卫星通信等的地面收发系统，尤其是宽频带左右旋圆极化可切换的微带天线设计方法
。
技术背景
[0002]相控阵雷达和外界信号的交流和传播离不开雷达的天线系统，天线系统性能的优劣很大限度上决定了雷达系统的优良
。
而就相控阵天线的发展方向而言，小型化
、
集成化
、
高增益是一重要方面
。
目前学术界研究的天线和工业界应用的天线均属于单天线或者阵列天线，单天线的形式各式各样，其电性能及辐射性能也不尽相同
。
多种
X
波段通信系统对双端口天线的隔离度有较高的要求，传统的单一的线极化天线已经不能满足实际的要求
。
单天线的辐射性能受到制作材料和设计等的限制，无法满足雷达
、
卫星通信
、
空间探测等方面的应用
。
在雷达通讯系统以及卫星导航系统等领域
,
圆极化天线因其结构简单
、
可降低多径效应和能够接收任意极化方式传输信号等特点
,
得到了广泛的应用
。
相较单元天线而言
,
阵列天线具有高增益
、
抗干扰能力强等优点
,
更适合卫星导航系统的长距离通信
。
阵列天线是将很多个单天线综合起来，形成较强的辐射能力
。
现阶段应用于卫星通信等方面的主流的阵列天线形式包括波导缝隙阵列
(
含基片集成波导的衍生类别
)、
平板阵列天线，包括喇叭阵列
、
微带阵列等
。
这些阵列天线形式不同，优势性能及不足也不一样
。
合成口径雷达
(SAR)
天线往往采用波导缝隙阵来实现，但其结构笨重，加工复杂
。
由于卫星通信的特殊性，要求阵列天线具有高增益
、
宽频带
、
多频段
、
双圆极化，以及低剖面
、
轻量化
、
小型化
、
易共形
、
易集成等优点特点，而由很多个双圆极化微带贴片线阵天线组成的微带阵列均可满足上述要，目前被广泛使用
。
这是由于微带阵列天线具有众多先天优势，如外形简朴，易于加工制作，成本低廉且体积小，容易同应用后端集成共形，易于实现多极化
、
变极化或多频点工作等长处，而其馈电网络可以和阵列天线共面集成于同一块介质基板上更是其他类型的阵列天线望尘莫及的特性
。
可是，微带阵列天线也存在部分固有缺陷，如增益较小，带宽窄，在高频段容易浮现表面波，单个阵元承受功率受到一定的限制等
。
微带天线要获得圆极化波的一种关键方式是激励起两个极化方向正交的，幅度相等的且相位相差
π
/2
的线极化波
。
最早的圆极化微带天线采用正交馈电方式，是通过使用馈电结构激发具有
90
°
相位差的两个正交线性极化模式产生圆极化
。
但这种天线构成天线阵元时，馈电电路之间会引起不希望有的耦合，从而限制了它的实际应用
。
微带天线实现圆极化有多种方式，有单点馈电法
、
多点馈电法和多元法
。
单点馈电法只有一个馈电点
。
首先由合适的馈电点产生正交简并模，然后对天线辐射结构引入微扰单元，使天线表面电流相位发生改变，使两个极化正交的简并模的相位差
90
度，从而满足辐射圆极化波所需条件
。
实际设计天线中有多种形式是通过单点馈电法来实现微带天线圆极化的
,
主要目的是为了引入合适的微扰单元，也称简并微扰单元，比如切角
、
开槽等
。
通过切角的方式得到圆极化，馈电点的位置
Xf
影响圆极化的圆度
。
传统切角单元天线阵以及顺序旋转相位组成的天线，通过切角实现圆极化的方式，辐射贴片需要设置为正方形，切角产生微扰的单馈圆极化天线的工作带宽通常比较窄
。
虽然宽频带
圆极化微带天线不采用开放式的谐振腔，避开了基于谐振系统的辐射
。
不但有较强的辐射功率，而且有较低的
Q
值，但是它需要很复杂的功分器组合电路形成圆极化馈电，不易实现，而且很难组阵
。
[0003]在采用边馈微带柜形贴片单元的基础上，根据微扰法，用切角的方法产生两种微带天线实现圆极化一般有双馈和单馈2种方法
。
双馈法利用功分器及相移网铬容易激励圆极化
。
虽然使用双馈法激励圆极化波时，轴比带宽小于
2.5。
但馈线结构复杂，空间受限，较难组阵
。
单馈法又称微扰法，微扰法馈电网络相比双馈法更小
。
微扰法通过引入微扰元产生2个正交简并模合成圆极化波
。
微带天线的激励方法也称为馈电方法，种类很多，馈电方式的不同天线的性能也大有差异
。
展宽带宽也有很多方案，如宽缝法
、
层叠法等
。
宽缝法，这类天线有超宽的带宽，普遍大于
20
％，但增益较低，仅3～
4dBi。
为降低微带馈电网络对阵列天线辐射性能的影响，在天线单元的设计中，采用多层结构，将微带馈线与辐射贴片分开放置
。
由多个微带天线单元可以组成微带阵列天线，通过馈电网络对每一个单元馈电
。
但是微带馈电网铬如果和辐射单元位于相同介质板表面，随着单元数量的增加，庞杂的馈线网络必将影响天线整体辐射性能
。
前面几种均为谐振式天线，所以圆极化轴比带宽较窄
。
[0004]目前已知的双圆极化微带天线阵，其实现方式有两种：一是四点馈电的方式，需要结合定向耦合器和不等相位功分器组成馈电网络
。
双圆极化微带阵列天线及高增益圆极化微带天线，易于提高阻抗带宽和极化带宽，抑制交叉极化
。
缺点是馈电网络较复杂，成本较高，尺寸较大
。
常见的微带双极化天线的激励方式主要采用口径耦合馈电
。
这种馈电的好处是拓展了带宽，降低了交叉极化，而且减少了馈电网络对天线辐射单元的耦合
。
但缺点是对加工精度要求高，加工工艺复杂，而且口径的存在增加了天线的背向辐射，往往需要在天线的下方增加一块反射板，增加了天线的高度和重量
。
此外，口径耦合的效率也没有直接馈电高，组阵后难以获得较高增益
。
微带天线的优点是体积小
、...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种左右旋圆极化可切换微带阵列天线的设计方法，具有如下技术特征：首先设计出天线的阵元，采用多层结构的介质基板和金属贴片组成天线单元，并增加一层寄生单元拓展阻抗带宽；每个天线单元的辐射贴片和寄生贴面采用双切角结构，将贴片的对角切去部分作为简并模微扰元，实现简并模分离形成产生圆极化的简并微扰单元，并且激励辐射贴片生成馈电网络的结构，以实现圆极化特性；在每个天线单元馈电层的四周，制作线阵金属化过孔，以减少单元之间的互耦；接地面置于辐射贴片与微带馈线之间，微带馈线不和辐射贴片在同一个面，在介质基板的下方，馈电方式采用微带馈线激励耦合缝隙的方式，一个极化采用
T
形馈线激励对应一个“工”字形缝，另一个极化采用长条矩形馈线激励对应一个“工”字形缝，且两个“工”字形缝结构耦合正交分布，两个微带馈线各自激励通过蚀刻的“工”字形耦合缝槽馈电，微带线馈电结构通过耦合缝隙地激发辐射单元，采用最常见的2×2阵列排列方式的旋转四元子阵按照四元中心依次旋转0°
、90
°
、180
°
、270
°
顺序旋转相位技术组成阵列；当天线的左旋端口被激励时，天线工作在左旋圆极化，激励端口切换至右旋端口时，则天线极化切换为右旋圆极化，通过后端程序控制自动实现端口切换，实现左右旋圆极化可切换的功能
。2.
如权利要求1所述的左右旋圆极化可切换微带阵列天线的设计方法，其特征在于：在每个天线单元馈电层中，对应一个“工”字形缝的
T
形馈线横向搭接在竖向“工”字形缝上，且连接臂为长条矩形体，另一
T
形馈线通过横向“工”字形缝连接在另一长条矩形体上
。3.
如权利要求1所述的左右旋圆极化可切换微带阵列天线的设计方法，其特征在于：两条长条矩形体分别对应一个“工”字形缝，在空间上耦合正交分布
。4.
如权利要求1所述的左右旋圆极化可切换微带阵列天线的设计方法，其特征在于：多层结构的介质基板和金属贴片组成的多频圆极化天线单元包括：从上至下依次层叠的寄生贴片
(1)
，第一层介质基板
(2)
，辐射贴片
(3...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖顺，李桂华，郭超，郭娜，李烨，
申请(专利权)人：浩泰智能成都科技有限公司，
类型：发明
国别省市：