一种小倍频的双频叠层微带天线的制作方法

本实用新型涉及微带天线技术领域，具体涉及一种小倍频的双频叠层微带天线。

背景技术：

微带天线作为一种低剖面天线，体积小，重量轻，剖面低，具有平面结构，并可制成与导弹、卫星等载体表面共形结构。因此广泛应用于卫星导航和卫星通信等窄频通信领域。

一般的卫星通信收发频点是不同的，在整机设计时，没有太多的物理空间给天线做分离式设计，因此要设计小尺寸的双频天线。通常的解决方案是通过高介电常数的微带贴片天线来降低尺寸，再进行双层重叠设计，这种技术简单成熟，易于调整。但是它并不是各个单频段微带天线的简单叠加，因为在重叠过程中，各层微带贴片之间会产生相互的电磁干扰，频率越近，越会使多频天线的谐振频率改变，各项性能指标也会产生恶化。

西安电子科技大学的史雪莹等人提出的《一种改进了阻抗带宽和低仰角增益的双频圆极化微带天线的设计》，文中介绍了一款可用于卫星通信的圆极化微带双频叠层天线，采用双层结构实现了双频(1590MHz，2491MHz)天线的特性。与用探针独立直接馈电相比，此文中的天线馈电方式为圆形贴片耦合馈电。仿真结果显示可以获得较好的圆极化特性、比较宽的驻波比和较高的低仰角增益。对于低频段(1590MHz)，阻抗带宽为130MHz，相对带宽为8.2％。对于高频段(2491MHz)，阻抗带宽为390MHz，相对带宽达到了15.7％。在低仰角为10°时获得的增益分别为-0.57dB和1.49dB，与用探针直接馈电相比，低仰角增益改善了1dB和0.6dB。

然而，现有技术的缺点主要在于两点：

一、双频的倍频值过高，具有一定使用限制。如史雪莹上文所述，卫星通信接收频率为2491MHz，发射频率为1590MHz，高低频率的倍频值：2491MHz÷1590MHz≈1.6。如果叠层天线的倍频值高，表明两个频点间隔较远，阵子的耦合相对弱，可以适用于叠层设计，但是对于小倍频值需求时，该方案不可采用，表明该方案的通用性、实用性不强。

二、馈电小圆形贴片内嵌到上层贴片内部，工艺复杂，工程实现可能性低，批量生产成功率低。如西电史雪莹上文所述，文中通过对该天线的研究和分析，讨论了圆形贴片的阻抗效应。给出了圆形贴片在不同的位置处对驻波的影响，包括圆形贴片放置在上层介质内部(如图1所示)；圆形贴片放置在下层介质内部；和圆形贴片放置在上层介质上部三种情况。最后得出的结论是圆形贴片内嵌到上层贴片内部时，获得了最好的阻抗带宽。但是，在介质片内部再内嵌小贴片的设计方法会导致天线的生产工艺复杂、产品稳定性差，同时可靠性也不够的问题。

因此，行业内急需研发一种两个频点的阻抗匹配达到最优状态、做法工程易于实现且性能稳定可靠的双频叠层微带天线。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种小倍频的双频叠层微带天线。

本实用新型的目的通过以下的技术方案实现：

一种小倍频的双频叠层微带天线，包括：上下贴合的上层介质和下层介质；上层介质的厚度h1<1mm；下层介质设置有耦合孔，上层介质的同轴馈针穿过下层介质的耦合孔，上层介质的介电常数大于下层介质的介电常数，上层介质的中心设置有孔径可调的第一金属化通孔，下层介质的中心设置有孔径可调的第二金属化通孔，第一金属化通孔的中心点和第二金属化通孔的中心点在同一竖直线上。

优选地，上层介质的厚度和下层介质的厚度的公式均为：其中f为微带天线的中心频率，BW为带宽。

优选地，预设天线的接收频率为F1：2185MHz，发射频率为F2：1995MHz，高低频率的倍频比值：F1÷F2≈1.1；则上层介质为进口高频复合板材Arlon TC600，介电常数为6.15，尺寸为32×32×0.8；下层介质为进口高频复合板材Arlon AD410，介电常数为4.1，尺寸为40×40×3.1；上层介质的厚度h1为0.8mm，下层介质的厚度h2为3.1mm。

优选地，上层介质的最大极化增益为6.5dB，下层介质的最大极化增益为5.5dB。

优选地，第一金属化通孔的直径d1＝5mm，第二金属化通孔的直径d2＝4mm。

优选地，微带天线的阻抗为48欧姆。

本实用新型相对于现有技术具有如下的优点：

本实用新型通过调整上下层介质的介电常数及厚度，上层介质采取超薄式设计，能使双频叠层微带天线的无源增益都大于5dB，满足了一种小倍频的双频叠层微带天线的使用要求，克服了双频叠层天线必须在收发倍频比值高的条件下使用的局限性，适合于各种卫星通信系统及小倍频比值的频段。

此外，本实用新型通过设计了同轴馈针穿过下层介质的耦合孔，直接激励上层介质，并且通过调整上层介质的厚度，使激励源耦合到下层介质的有效功率达到最优；同时通过调整上下介质层中心的金属化通孔的直径，间接调整了各自的馈电位置，使天线获得了良好的驻波比特性。本方案抛弃看在介质片内部再内嵌小贴片的做法，减小了工艺复杂性，工程上易于实现，本方案批量生产稳定可靠，调试量少。

附图说明

图1是西电史雪莹等人提出的馈电圆形贴片放置在上层介质内部天线的几何结构图。

图2是本实用新型的小倍频的双频叠层微带天线的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

参见图2、一种小倍频的双频叠层微带天线，包括：上下贴合的上层介质和下层介质12；上层介质11的厚度h1<1mm；下层介质12设置有耦合孔16，上层介质11的同轴馈针15穿过下层介质12的耦合孔16，上层介质11的介电常数大于下层介质12的介电常数，上层介质11的中心设置有孔径可调的第一金属化通孔13，下层介质12的中心设置有孔径可调的第二金属化通孔14，第一金属化通孔13的中心点和第二金属化通孔14的中心点在同一竖直线上。

其中，上层介质11的厚度和下层介质12的厚度的公式均为：其中f为微带天线的中心频率，BW为带宽。

需要说明的是，本方案的双频叠层微带天线的预设接收频率为F1：2185MHz，发射频率为F2：1995MHz，高低频率的倍频比值：F1÷F2≈1.1。如果采用常规叠层、相同厚度的设计。因为收发倍频比值低，高低频的辐射阵子的电长度相差无几，如采用介电常数10的高介电常数板材，天线的电长度为：λ1＝43mm，λ2＝47.4mm，无法采用常规的叠层设计方案，同时由于天线相互之间频率相近，耦合严重，导致增益降低。因此，天线的介质基板的介电常数及厚度h1必须根据项目需求做特殊调整。下层介质12选用相对较低的介电常数基板，上层介质11选用相对较高的介电常数基板，将两个频点的电长度做区别设计。从仿真得知，上层介质11的厚度h1主要影响下层介质12的增益值，上层介质11的厚度h1大于3mm时，下层介质12的最大极化增益约为0dB；当上层介质11的厚度h1减小到2mm时，下层介质12的最大极化增益约为3dB；当上层介质11的厚度h1减小到1mm时，下层介质12的最大极化增益约为6dB；合理地利用这个变化趋势，通过调整上层介质11的厚度h1的厚度来控制上下层介质12的耦合深度，可以将上下两层介质的极化增益同时优化到最佳状态。

在本实施例，预设天线的接收频率为F1：2185MHz，发射频率为F2：1995MHz，高低频率的倍频比值：F1÷F2≈1.1；则上层介质11为进口高频复合板材Arlon TC600，介电常数为6.15，尺寸为32×32×0.8；下层介质12为进口高频复合板材Arlon AD410，介电常数为4.1，尺寸为40×40×3.1；上层介质11的厚度h1为0.8mm，下层介质12的厚度h2为3.1mm。在本实施例，实测数据表明：上层介质11的最大极化增益为6.5dB，下层介质12的最大极化增益为5.5dB，两者同时达到仿真最优值。

需要说明的是，本方案设计了同轴馈针15穿过下层贴片的耦合孔16，直接激励上层介质11，并且通过调整上层介质11的厚度，使激励源耦合到下层介质12的有效功率达到最优。这种做法工程上易于实现，批量生产稳定可靠，调试量少。

此外，微带天线阻抗取决于其馈电点的位置，距离介质中心越远，阻抗实部越大。因为上层介质11的介电常数大于下层介质12的介电常数，因此同一个馈电位置条件下，上层介质11的阻抗实部大于下层介质12。本方案因为两层介质共用一个馈针，不用单独调整馈针的位置。因此，通过调整各自介质层中心金属通孔直径(零电流密度孔)，间接调整了各自的馈电位置。最终第一金属化通孔13的直径d1＝5mm，第二金属化通孔14的直径d2＝4mm。时，实测天线的阻抗接近50欧姆，获得了良好的驻波比特性。在本实施例，微带天线的阻抗为48欧姆。

本方案通过同轴馈针15穿过下层介质12的耦合孔16，直接激励上层介质11，并且通过调整上层介质11、下层介质12中心的金属通孔直径尺寸，使两个频点的阻抗匹配达到最优状态。这种做法工程上易于实现，性能稳定可靠。

上述具体实施方式为本实用新型的优选实施例，并不能对本实用新型进行限定，其他的任何未背离本实用新型的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。