一种宽带圆极化微带天线阵列的制作方法

本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种宽带圆极化微带天线阵列。

背景技术：

近年来，随着移动通信的快速发展，无线移动通信也得到了广泛应用。天线是无线移动通信系统的重要组成部分，负责无线信号的收发。在诸多天线种类中微带天线以其体积小、重量轻、平面结构易于与IC器件集成、易于批量加工以及成本低等众多优点受到市场青睐，得到了广泛应用。但是微带天线工作带宽窄的缺点(<5％)也极大地限制了微带天线的应用。圆极化天线在雷达、军事、卫星通信以及移动通信系统中有着广泛的应用。相对于线极化波而言，圆极化波能够抑制雨雾干扰，减小多径反射，具有很好的移动性，并且在发射和接收系统中，只要有一方应用了圆极化天线，接收天线以任何旋向都可以接收到信号，极大地方便了在无线通信系统中的应用。而圆极化微带天线因兼具了圆极化波和微带天线的优点，得到了广泛应用。

近年来随着高速数据通信时代的来临，宽带无线通信发展迅猛，宽带无线通信需要的工作带宽比较宽，而微带天线的工作带宽窄的缺点限制了其在发展迅猛的宽带无线通信领域的应用。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种宽带圆极化微带天线阵列，以解决现有技术中导致的上述多项缺陷。

为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：一种宽带圆极化微带天线阵列，包括多个天线单元、主馈电单元、馈电单元1、馈电单元2、馈电单元3、介质基板、地层Ⅱ组成，所述天线单元包括全相同且之间间距相同的天线单元1、天线单元2、天线单元3和天线单元4，相邻的天线单元在方向上依次旋转90度，天线单元的馈电信号幅度相等、相位依次相差0度，-90度，-180度和-270度，所述主馈电单元上连接有支路的馈电单元1、馈电单元2、馈电单元3，所述馈电单元1、馈电单元2、馈电单元3依次连接有天线单元1、天线单元2和天线单元3，所述主馈电单元连接有天线单元4。

优选的，所述天线单元的间距均相同，为0.6λ-0.9λ，λ为本发明天线的工作波长。

优选的，所述天线单元附在介质基板的一面，所述地层Ⅱ附在介质基板相对于天线单元的另一面。

优选的，所述天线单元包含第一辐射单元、第二辐射单元、第一H形开槽、第二H形开槽、第一馈电单元、第二馈电单元、90°移相功分网络、负载、接地过孔、焊盘、第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板、空气介质层、地层、垫片和天线端口，所述第一辐射单元附着在第一介质基板的上表面，所述第二辐射单元附着在第二介质基板的上表面，所述第一介质基板和第二介质基板之间为所述空气介质层，并由所述垫片支撑，所述地层附着在第二介质基板的下表面和第三介质基板的上表面，且两个地层接触，所述第一馈电单元和第二馈电单元附着在第三介质基板的下表面，所述第一馈电单元和第二馈电单元与第三介质基板的上表面的地层分别构成微带线，所述第一H形开槽和第二H形开槽为第二介质基板的下表面和第三介质基板的上表面的地层挖开的H形状的开槽，且第一H形开槽和第二H形开槽物理方向上互相垂直设置，第一馈电单元和第二馈电单元物理方向上互相垂直设置，所述第一馈电单元和第二馈电单元由第三介质基板的下表面边缘延伸至H形开槽下方，90°移相功分网络的输入端口为所述天线端口，90°移相功分网络的输出端口Ⅰ连接第一馈电单元，输出端口Ⅱ连接第二接馈电单元，90°移相功分网络的隔离端口与所述负载连接，负载经所述焊盘和焊盘上设有的所述接地过孔与地层连接。

优选的，所述第一H形开槽和第二H形开槽空隙中间的“-”结构的长度大于H形开槽两边的“|”结构的高度。

优选的，所述第二H形开槽大小和第一H形开槽大小相同，所述第二馈电单元大小和第一馈电单元大小相同，所述第二H形开槽和第二馈电单元的相对位置与第一H形开槽和第一馈电单元的相对位置相同。

优选的，所述第一H形开槽和第二H形开槽位于所述第二辐射单元的下方。

优选的，所述第一辐射单元位于第二辐射单元的上方。

优选的，所述第一辐射单元和第二辐射单元均为方形金属板。

在另一种实施例中，所述第一辐射单元和第二辐射单元的长度是可变化的。

在本实施例中，所述空气介质层厚度为可变化的。

在本实施例中，所述90°移相功分网络将一路信号分成幅度相等、相位相差90度的两路信号。

采用以上技术方案的有益效果是：本发明结构宽带圆极化微带天线阵列因各天线单元第一馈电单元和第二馈电单元分别经第一H形开槽和第二H形开槽与第二辐射单元的耦合以及第一辐射单元和第二辐射单元的耦合，可将本微带天线的工作频率带宽有效拓宽到20％以上，通过运用口径耦合的馈电技术和增加耦合辐射单元的方法，将微带天线的工作带宽有效提高，并且90°移相功分网络具有宽带工作特性，同时圆极化单元天线相邻单元方向相对旋转90度以及馈电信号幅度相等相位相对相差90度的方法构成了圆极化天线阵列，将圆极化微带阵列天线的工作频率带宽和轴比带宽都有效提高。有效解决了微带天线窄的问题，拓宽了微带天线的应用市场。

附图说明

图1是本发明宽带圆极化微带天线阵列实施例1的俯视结构示意图。

图2是本发明宽带圆极化微带天线阵列实施例1的在其厚度方向的相对位置关系结构示意图。

图3是本发明宽带圆极化微带天线阵列实施例2中天线单元的俯视结构示意图。

图4是本发明宽带圆极化微带天线阵列实施例2中天线单元的在其厚度方向的相对位置关系结构示意图。

图5是本发明宽带圆极化微带天线阵列实施例3中天线单元的示意图。

图6是本发明宽带圆极化微带天线阵列主馈电单元和支路馈电单元1,2和3实现图。

图7是本发明宽带圆极化微带天线阵列主馈电单元和支路馈电单元1,2和3其等效电路结构示意图。

图8是本发明宽带圆极化微带天线阵列和所采用圆极化微带天线单元的驻波比(VSWR)仿真和测试结果图。

图9是本发明宽带圆极化微带天线阵列和所采用圆极化微带天线单元的轴比(AR)仿真和测试结果图。

其中，1-第一辐射单元，2-第二辐射单元，301-第一H形开槽，302-第二H形开槽，401-第一馈电单元，402-第二馈电单元，5-第一介质基板，6-第二介质基板,7-第三介质基板，8-垫片，9-空气介质层，10-地层，11-90°移相功分网络，12-负载，13-天线端口，14-接地过孔，15-焊盘，16-输出端口Ⅰ，17-输出端口Ⅱ，18-隔离端口，191-天线单元1,192-天线单元2,193-天线单元3，194-天线单元4，201-主馈电单元，202-馈电单元1,203-馈电单元2,204-馈电单元3,21-介质基板，22-地层Ⅱ。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步阐述本发明。

实施例1

图1-图2出示本发明宽带圆极化微带天线阵列的具体实施方式：一种宽带圆极化微带天线，包括多个天线单元、主馈电单元201、馈电单元1 202、馈电单元2 203、馈电单元3 204、介质基板21、地层Ⅱ22组成，所述天线单元包括全相同且之间间距相同的天线单元1 191、天线单元2 192、天线单元3 193和天线单元4 194，相邻的天线单元在方向上依次旋转90度，天线单元的馈电信号幅度相等、相位依次相差0度，-90度，-180度和-270度，所述主馈电单元201上连接有支路的馈电单元1 202、馈电单元2 203、馈电单元3 204，所述馈电单元1 202、馈电单元2 203、馈电单元3 204依次连接有天线单元1 191、天线单元2 192和天线单元3 193，所述主馈电单元201连接有天线单元4 194。所述主馈电单元201、馈电单元1 202、馈电单元2 203、馈电单元3 204，从主馈电单元201输入的信号，分成四路幅度相等，相位依次相差0度，-90度，-180度和-270度的四路信号依次给天线单元1 191、天线单元2 192、天线单元3 193和天线单元4 194馈电。

在本实施例中，所述天线单元的间距均相同，为0.6λ-0.9λ，λ为本发明天线的工作波长。

在本实施例中，所述天线单元附在介质基板21的一面，所述地层Ⅱ22附在介质基板21相对于天线单元的另一面。

在本实施例中，所述天线单元为圆极化微带天线单元。

实施例2

图3-图4出示本发明宽带圆极化微带天线阵列中天线单元的具体实施方式：一种宽带圆极化微带天线，包含第一辐射单元1、第二辐射单元2、第一H形开槽301、第二H形开槽302、第一馈电单元401、第二馈电单元402、90°宽带移相器11、负载12、接地过孔14、焊盘15、第一介质基层5、第二介质基层6、第三介质基板7、空气介质层9、地层10和垫片8。所述第一辐射单元1附着在第一介质基板5的上表面，所述第二辐射单元2附着在第二基板6的上表面，第一介质基板5和第二介质基板6之间为空气介质层9，并由垫片8支撑。所述地10层附着在第二介质基板6的下表面和第三介质基板7的上表面，两个地层10相互接触。所述馈电单元401和402附着在第三介质基板7的下表面，馈电单元401和402与第三介质基板7的上表面的地10分别构成微带线。所述第一H形开槽301和第二H形开槽302为第二介质基板6的下表面和第三介质基板7的上表面的地层10挖开的H形开槽。第一H形开槽301和第二H形开槽302物理方向上互相垂直，第一馈电单元401和第二馈电单元402物理方向上互相垂直。90°宽带移相器11将从本发明的宽带圆极化微带天线的天线端口13输入的电磁能量分成幅度相等、相位相差90度的两路信号，传输至90°宽带移相器11的输出端口Ⅰ16和输出端口Ⅱ17，输出端口Ⅰ16连接馈电单元401，输出端口Ⅱ17连接馈电单元402。幅度相等、相位相差90度的两路信号分别沿第一馈电单元401和第二馈电单元402与地层10构成的微带线传输。所述第一馈电单元401通过第一H行开槽301与第二辐射单元2进行能量耦合，第二辐射单元2再将电磁能量耦合到第一辐射单元1。所述的第二馈电单元402通过第二H行开槽302与第二辐射单元2进行能量耦合，第二辐射单元2再将电磁能量耦合到第一辐射单元1。最终幅度相等，相位相差90度的两路信号组成圆极化电磁波辐射出本发明的宽带圆极化微带天线。所述90°宽带移相器11的隔离端口18与负载12连接，负载12经焊盘15和焊盘上的接地过孔14与地层10连接。使用本方法的方法，本发明实现了一个宽带圆极化微带天线单元，使本发明的微带天线单元的工作带宽提高到20％以上。所述天线单元包括全相同且之间间距相同的天线单元1 191、天线单元2 192、天线单元3 193和天线单元4 194，相邻的天线单元在方向上依次旋转90度，天线单元的馈电信号幅度相等、相位依次相差0度，-90度，-180度和-270度，所述主馈电单元201上连接有支路的馈电单元1 202、馈电单元2 203、馈电单元3 204，所述馈电单元1 202、馈电单元2 203、馈电单元3 204依次连接有天线单元1 191、天线单元2 192和天线单元3 193，所述主馈电单元201连接有天线单元4 194。所述主馈电单元201、馈电单元1 202、馈电单元2 203、馈电单元3 204，从主馈电单元201输入的信号，分成四路幅度相等，相位依次相差0度，-90度，-180度和-270度的四路信号依次给天线单元1 191、天线单元2 192、天线单元3 193和天线单元4 194馈电。

在本实施例中，所述天线单元的间距均相同，为0.6λ-0.9λ，λ为本发明天线的工作波长。

在本实施例中，所述第一馈电单元401和第二馈电单元402由第三介质基板7的下表面边缘分别延伸至第一H形开槽301和第二H形开槽302的下方。

在本实施例中，所述第一H形开槽301和第二H形开槽302空隙中间的“-”为瘦长条结构，H形开槽两边的“|”为短条结构，“-”结构的长度大于“|”结构的长度。

在本实施例中，所述第二H形开槽302大小和第一H形开槽301大小相同，所述第二馈电单元402大小和第一馈电单元401大小相同，所述第二H形开槽302和第二馈电单元402的相对位置与第一H形开槽301和第一馈电单元401的相对位置相同。

在本实施例中，所述第一H形开槽301和第二H形开槽302位于所述第二辐射单元2的下方。

在本实施例中，所述第一辐射单元1位于第二辐射单元2的上方。

在本实施例中，所述第一辐射单元1和第二辐射单元2均为方形金属板。

所述天线单元中的所述第一辐射单元1和第二辐射单元2的长度是可变化的，以便于第一辐射单元1的谐振频率和第二辐射单元2的谐振频率不完全一样，但是靠得很近，以便拓宽本宽带圆极化微带天线阵列的各个天线单元的工作频率带宽。

在本实施例中，所述的空气介质层9厚度为可变化的，该厚度可以调节第一辐射单元1和第二辐射单元2之间的能量耦合度，使得第一辐射单元1和第二辐射单元2能量耦合最优，以便拓宽本宽带圆极化微带天线阵列的各个天线单元的工作频率带宽。

在本实施例中，所述90°移相功分网络将一路信号分成幅度相等、相位相差90度的两路信号。

天线单元作为发射天线时，电磁能量由天线单元的天线端口13输入进移90°宽带移相器11。90°宽带移相器11将电磁能量分成幅度相等，相位相差90度的两路信号并将两路信号分别传输至90°宽带移相器11的输出端口Ⅰ16和输出端口Ⅱ17。第一路信号沿第一馈电单元401与地层10构成的微带线传输，并通过第一H形开槽301与第二辐射单元2进行能量耦合，第二辐射单元2再将电磁能量耦合到第一辐射单元1。与第一路信号幅度相等，相位相差90度的第二路信号沿第二馈电单元402与地层10构成的微带线传输，并通过第二H形开槽302与第二辐射单元2进行能量耦合，第二辐射单元2再将电磁能量耦合到第一辐射单元1。最终幅度相等，相位相差90度的两路信号组成圆极化电磁波辐射出天线单元的宽带圆极化微带天线单元。

天线单元作为接收天线时，第一辐射单元1接收电磁能量，第一辐射单元1将电磁能量耦合至第二辐射单元2，第二辐射单元2通过第一H形开槽301和第二H形开槽302将电磁能量分别耦合至第一馈电单元401和第二馈电单元402，第一馈电单元401和第二馈电单元402与第三介质基板7上表面的地组成两组微带线，电磁能量分别沿微带线将电磁能量传输至90°宽带移相器11的输出端口Ⅰ16和输出端口Ⅱ17。90°宽带移相器11将两路合成为一路信号传输至天线端口13。

因第一馈电单元401和第二馈电单元402与第二辐射单元2的耦合以及第一辐射单元1和第二辐射单元2的耦合，可将本微带天线单元的工作频率带宽有效拓宽到20％以上，并且90°宽带移相器11具有宽带工作特性。使用本方法的方法，每个天线单元实现了一种宽带圆极化微带天线单元。

实施例3

图5出示了图3-图4出示本发明宽带圆极化微带天线阵列中天线单元的实施方式：天线单元采用窄带圆极化微带天线单元。所述天线单元包括全相同且之间间距相同的天线单元1 191、天线单元2 192、天线单元3 193和天线单元4 194，相邻的天线单元在方向上依次旋转90度，天线单元的馈电信号幅度相等、相位依次相差0度，-90度，-180度和-270度，所述主馈电单元201上连接有支路的馈电单元1 202、馈电单元2 203、馈电单元3 204，所述馈电单元1 202、馈电单元2 203、馈电单元3 204依次连接有天线单元1 191、天线单元2 192和天线单元3 193，所述主馈电单元201连接有天线单元4 194。所述主馈电单元201、馈电单元1 202、馈电单元2 203、馈电单元3 204，从主馈电单元201输入的信号，分成四路幅度相等，相位依次相差0度，-90度，-180度和-270度的四路信号依次给天线单元1 191、天线单元2 192、天线单元3 193和天线单元4 194馈电。

在本实施例中，所述天线单元的间距均相同，为0.6λ-0.9λ，λ为本发明天线的工作波长。

在本实施例中，所述天线单元附在介质基板21的一面，所述阵列地层Ⅱ22附在介质基板21相对于天线单元的另一面。

当本发明中的天线单元采用实施例2、实施例3中或者其他类型的圆极化天线单元的时候，均能产生天线的工作频率带宽和轴比带宽都得到了显著提高的效果。

综合考虑主馈电单元201和支路馈电单元1 202,馈电单元2 203和馈电单元3 204输出等幅，相位依次相差-90度的设计要求以及可生产性，选择了一组比较合适的特性阻抗值，如表1所示。

表1

图7是本发明宽带圆极化微带天线阵列和所采用圆极化天线单元的驻波比(VSWR)仿真和测试结果，图8是本发明宽带圆极化微带天线阵列和所采用圆极化天线单元的轴比(AR)仿真和测试结果。由图7和图8可论证，本发明的宽带圆极化微带天线阵列VSWR<2的驻波比测试结果为102％，频率为4.3-13.26GHz，天线的AR<3dB的轴比带宽为43.7％，频率为7.7-12GHz。可见，本宽带圆极化微带阵列天线的工作频率带宽和轴比带宽都得到了显著提高。

基于上述，本发明结构宽带圆极化微带天线阵列因各天线单元第一馈电单元和第二馈电单元分别通过第一H形开槽和第二H形开槽与第二辐射单元的耦合以及第一辐射单元和第二辐射单元的耦合，可将本微带天线的工作频率带宽有效拓宽到20％以上，通过运用口径耦合的馈电技术和增加耦合辐射单元的方法，将微带天线的工作带宽有效提高，并且90°宽带移相器构成的移相功分网络具有宽带工作特性，同时圆极化单元天线相邻单元方向相对旋转90度以及馈电信号幅度相等相位相对相差90度的方法构成了圆极化天线阵列，将圆极化微带天线阵列的工作频率带宽和轴比带宽都有效提高。有效解决了微带天线窄的问题，拓宽了微带天线的应用市场。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。