专利名称：一种t形微带馈电低剖面双极化瓦片天线单元设计方法
技术领域：
本发明涉及一种T形微带馈电低剖面双极化瓦片天线单元设计方法。具体是贴片单元通过同层T形微带线耦合馈电、双极化、上方加寄生单元展宽带宽的微带贴片天线。本发明天线具有馈电结构简单、可抑制低频信号干扰的优点。不仅可以用作瓦片式阵列天线的单元，也可以独立地用作极化分集系统的收、发天线。
背景技术：
瓦片式集成的天线阵列模块为横向集成纵向组装(Griffin D W，Parfitt A J. Electromagnetic design aspects of packages for monolithic microwave integrated circuit-based arrays with integrated antenna elements[J]. IEEE Transactions Oil Antennas and Propagation, 1995,43(9) :927-931)，特别适合有源相控阵天线应用(彭祥龙.相控阵天线集成技术[J]，电讯技术.2010，50 (10) :112-117) 0瓦片式天线阵列模块要求天线单元具有很小的剖面，微带贴片天线因剖面低且易于加工而被广泛选用。双极化微带贴片天线一般使用方形贴片(钟顺时，微带天线理论与应用，西安电子科技大学出版社，1991)。但方形贴片天线边馈输入阻抗大于300 Ω，常采用加阻抗变换器、 嵌入馈电或耦合馈电等方式解决阻抗匹配问题(Stutzman&Thiele.天线理论与设计(第二版)，P197-202，人民邮电出版社，2006)。高阻抗的馈线线宽非常小，对加工精度要求高，采用阻抗变换会使馈电网络复杂且产生寄生辐射。嵌入馈电结构改变贴片形状从而破坏了电流分布的均勻性，使天线交叉极化性能变差。耦合馈电方式得到了广泛的研究，一般采用多层微带结构，通过下方接地板上的缝隙耦合，或者直接采用探针耦合。缝隙耦合馈电方式通常需要在天线背面λ/4处增加反射板以避免背瓣辐射，当频率较低时天线剖面很大；采用探针耦合的馈电方式对制造精度要求很高，而且剖面也较大。因此，上述天线形式不适合用作瓦片天线单元。
发明内容
本发明的目的在于提供一种T形微带馈电低剖面双极化瓦片天线单元设计方法，该天线单元具有馈电结构简单、可抑制低频信号干扰和剖面低易于集成的特点。为了设计一种T形微带馈电低剖面双极化瓦片天线单元，本发明的具体设计方案如下根据天线工作频段和选用的介质介电常数，确定底层微带贴片和顶层微带贴片的尺寸。贴片初始尺寸约为0.5Λ/Α，其中λ ^为中心频率点自由空间波长，、为介质板等效介电常数。顶层贴片的尺寸稍大于底层贴片的尺寸。天线的介质厚度和介电常数可以根据工作带宽调整，增加介质厚度或者采用低介电常数可以增大天线带宽。底层微带贴片的馈线阻抗选为50 Ω，根据阻抗值确定微带线宽度。T形馈电网络4的尺寸(长度L2、宽度 W2)及其与贴片单元的间距d决定天线的输入阻抗值。天线馈电微带线和同轴连接处的焊盘尺寸需要根据同轴连接器的尺寸优化，以使馈电网络保持匹配。本设计方法的主要特征有底层微带贴片单元与馈线位于同层，通过T形微带线耦合馈电；贴片单元与馈电网络不直接接触。微带贴片单元形状为方形。顶层加寄生贴片展宽频带，寄生贴片单元形状为方形。天线单元辐射两种极化。本发明微带天线的有益技术效果体现在下述几个方面1、底层微带贴片单元通过T形微带线耦合馈电，使贴片单元与馈电网络不直接接触，避免了天线系统低频、直流信号的串扰；底层微带贴片单元与馈线位于同层，天线结构简单；耦合馈电形式的贴片单元馈电点处的输入阻抗低，降低了馈电网络匹配难度。顶层加寄生贴片，拓展了天线的工作带宽。2、天线馈电结构没有破坏辐射贴片的形状，保持了较高的极化纯度。3、整个天线为平面结构、剖面低，适合作为瓦片式阵列的天线单元。4、在天线两种极化端口同时激励并配以特定的相位差，可以实现其他极化。最终设计结果表明，本发明天线具有良好的频带特性，在20%的工作频带内驻波小于1.8，交叉极化电平低于-17dB。天线剖面积低。
下面结合说明书附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。图1为本发明天线的结构透视图；图2为本发明天线的结构侧视图；图3为本发明天线的馈电单元；图4为实施例1的实测端口驻波曲线；图5为实施例1的实测极化隔离曲线；图6为实施例1的实测水平极化E面方向图；图7为实施例1的实测水平极化H面方向图；图8为实施例1的实测垂直极化E面方向图；图9为实施例1的实测垂直极化H面方向图；图10为本发明优选实施例2的结构示意具体实施例方式实施例1 参见图1、图2，一种T形微带馈电低剖面双极化瓦片天线单元。整个天线包括顶层寄生天线单元1、底层激励天线单元2和支撑金属板7。顶层寄生天线单元为贴片天线， 微带板5的介电常数为2. 55、厚度为1. 524mm ；底层激励天线单元包括贴片2和T形馈电网络3两部分，微带板6的介电常数为2. 55、厚度为1. 524mm。天线背部用金属板7作为支撑。天线包含两种正交极化辐射单元，为便于表述将其作如图1所示的水平(H)、垂直(V) 极化定义。参见图3，底层激励天线单元通过同层T形微带线耦合馈电，贴片单元与T形馈电网络间距d为0. 2mm。微带贴片单元是方形，尺寸为6. 9mm ；馈线网络的线宽Wl为2mm、线宽 W2为7. 1mm。T形馈电网络部分4的长度L2为0. 2mm ；宽度为Wl的馈线阻抗为50 Ω。顶层方形寄生贴片尺寸为7. 2mm。本发明工作原理如下底层贴片为激励单元，通过同层T形微带线4耦合馈电。每种极化单元分别由对应的馈电网络馈电。T形馈电网络4的尺寸(长度L2、宽度W2)及其与贴片单元的间距d决定天线的输入阻抗值，调节馈电网络4的尺寸和间距d使天线输入阻抗与馈线3阻抗相匹配；贴片单元与馈电网络的缝隙相当于寄生电容，避免了天线系统低频、直流信号的串扰。底层天线辐射进一步激励顶层的寄生贴片，拓展了天线的工作带宽。本发明性能如下图4为本发明天线实施例1的实测端口驻波曲线，可见在2GHz频带内驻波小于 1. 8。图5为本发明天线实施例1的实测极化隔离曲线，可见在2GHz频带内驻波隔离高于 14dB。图6、7为实施例1天线中心频点水平极化实测E面、H面方向图；图8、9为实施例 1天线中心频点垂直极化实测E面、H面方向图。可见天线交叉极化电平低于-17dB。实施例2 本发明的优选实施例2如图10，是一个应用于X波段的4X8双极化天线阵列。此天线阵列由32个阵元沿口径周期排列而成，水平向、垂直向的单元间距均为15mm。每个单元有水平和垂直两种极化。该天线阵列可以提高天线增益，配以幅、相加权，可以实现扫描功能。以上内容是结合具体的优选方式对本发明所做的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做成若干简单推演或替换，如采用不同形状的贴片单元和不同尺寸比的T 形馈线，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的发明保护范围。
权利要求
1.一种T形微带馈电低剖面双极化瓦片天线单元设计方法，包括τ形微带馈线、底层激励天线单元和顶层寄生天线单元设计。其特征在于Α、微带馈电网络为T形结构；B、T形馈电网络与贴片单元位于同层，天线剖面低；C、天线单元有两套T形馈电网络，实现双极化辐射。
2.根据权利要求1所述的T形微带馈电低剖面双极化瓦片天线单元，其特征在于馈电网络为T形结构，它与贴片单元2间距为d ；T形馈电网络与贴片边平行部分馈线4的尺寸和间距d决定着天线单元的输入阻抗；T形馈电网络与贴片边垂直部分的馈线3的阻抗与天线输入阻抗相匹配。
3.根据权利要求1所述的T形微带馈电低剖面双极化瓦片天线单元，其特征在于贴片单元与T形馈电网络位于同层，天线剖面高度仅为介质厚度。
4.根据权利要求1所述的T形微带馈电低剖面双极化瓦片天线单元，其特征在于天线单元有两种极化，每种极化分别对应各自的馈电网络。
全文摘要
本发明涉及一种T形微带馈电低剖面双极化瓦片天线单元设计方法。特点是天线贴片单元由T形微带线耦合馈电，馈电网络和贴片单元位于同层，有两种极化馈电网络；寄生单元位于激励单元正上方。本发明天线具有抑制天线系统低频信号干扰能力，在20％的相对带宽内驻波比小于1.8、交叉极化电平小于-17dB；采用T形微带线耦合馈电与天线辐射单元共面设计，可显著减小天线单元厚度。本发明不仅可以用作瓦片式阵列天线的单元，也可以独立地用作极化分集系统的收、发天线。
文档编号H01Q1/38GK102570015SQ20111036715
公开日2012年7月11日 申请日期2011年11月18日 优先权日2011年11月18日
发明者常德杰, 徐勤, 陈文俊, 高国明 申请人:中国船舶重工集团公司第七二四研究所