专利名称：一种双频段阵列天线的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种双频段阵列天线。
背景技术：
现代无线通信或雷达等电子工程经常需要一幅阵列天线能在两个频段工作，这样可以一幅天线具有两幅天线的功能。同时具有高效率、低交叉极化、规则的方向图等电气性能和重量轻、剖面低、结构紧凑的双频段天线更容易受到人们的青睐。具有上述性能的双频段阵列天线不但可以简化系统组成，节约成本，提高系统的可靠性，还可以减小天线的安装空间，便于伪装等。目前一些新型的双频段阵列天线相继被人们研制出来了并分别应用在不同的领域，这些双频段阵列天线大致可以归纳为1、利用弧形探针馈电的圆环辐射阵列单元和印刷偶极子阵列单元嵌套组成的双频段阵列天线，虽然该双频段阵列天线的剖面比较低，但受到该种阵列单元结构形式的制约，该种阵列单元很难应用到频率较高的场合。其最高工作频率达不到本说明书论述的双频段阵列天线的最高工作频率。2、由辐射贴片阵列单元和印刷缝隙(印刷在接地面上)阵列单元嵌套组成的双频段阵列天线，辐射贴片阵列单元工作在低频段，印刷缝隙阵列单元工作在高频段。但印刷缝隙阵列单元的工作频带过窄，达不到本说明书论述的双频段阵列天线的工作频带(相对带宽13% )。同时由于该双频段阵列天线由两层介质板材组成，不具备低剖面、轻重量的天线结构。虽然将介质板材换成泡沫塑料可以减轻天线的重量，但接地面上的辐射缝隙会在反方向产生不必要的辐射，导致阵列天线的增益下降，方向图的前后比电平下降。3、利用双极化微带天线阵列单元嵌套组成的双频段阵列天线，但微带天线阵列单元的工作频带过窄。4、利用加有寄生单元的介质涂覆对称偶极子作为阵列单元组成的双频段阵列天线，这种特殊形式的偶极子阵列单元可以在两个频段工作。通过在阵列单元后面加角形反射器，可以控制水平面方向图的形状。但由于角形反射板的存在，这种双频段阵列天线不具有低剖面、轻重量的天线结构。5、利用宽频带“兔耳”宽带辐射阵列单元组成的双频带(多、宽频带)阵列天线， “兔耳”辐射阵列单元和其他宽带辐射阵列单元相比虽然具有良好的交叉极化性能，但是其高度比较高，不能实现低剖面的天线结构。6、利用Vivaldi缝隙宽带辐射阵列单元组成的双频带(多、宽频带)阵列天线，为了实现双频带(多、宽频带)阵列天线，可以将多个不同尺寸的阵列单元(分别对应不同的频段)进行嵌套放置，并采用多层反射板结构，这样避免了方向图出现栅瓣甚至恶化。但这种阵列天线高度较高，不能实现低剖面的阵列天线结构。
实用新型内容本实用新型所要解决的实际问题，在于克服现有技术存在的缺陷，提出了一种双
3频段低剖面阵列天线，可有效降低两个频段阵列天线的相互影响。本实用新型双频段低剖面阵列天线，包括低频段阵列单元、高频段阵列单元以及馈电网络；其特征是所述低频段阵列单元、高频段阵列单元和馈电网络相互嵌套，高频段阵列单元与低频段阵列单元为上下嵌套；所述低频段阵列单元采用贴片辐射单元，并列馈电方式；高频段阵列单元采用双线平衡馈电的印刷偶极子天线，并用印刷Balim实现不平衡-平衡转换；高频段阵列单元采用并馈和串馈融合的混合馈电。本实用新型双频段阵列天线，由下至上分为三层，其特征是第1层是低频段阵列天线的介质板材，该介质板材的下表面是接地面，上表面是低频段阵列天线的微带线馈电网络；第2层是低频段的贴片辐射单元，贴片辐射单元与微带线馈电网络之间通过馈电探针连接，馈电探针沿贴片辐射单元的长度方向偏离贴片辐射单元的中心；第3层是高频段阵列天线的介质板材，高频段阵列天线的阵列单元及印刷馈电网络印刷在高频段阵列天线介质板材的上表面和下表面。本实用新型，低频段阵列天线的阵列单元采用贴片辐射单元，高频段阵列天线的阵列单元采用双线平衡馈电的宽带印刷偶极子天线，采用将两者上下错开嵌套放置的方法实现了两个频段的阵列单元共口面，结构紧凑、尺寸小，减小了两个频段阵列天线的相互影响；高频段阵列天线采用混合馈电技术，进一步降低了两个频段阵列天线的相互影响。印刷式阵列单元不仅具有低剖面的天线结构，同时也易于与微波电路集成，且加工一致性好，寄生效应小，可以使天线工作在更高的频段。由于每个频段用各自的阵列单元而不是采用双频段(多频段或者宽频带)阵列单元工作，解决了双频段(多频段或宽频带)阵列单元交叉极化低下、馈电结构复杂、辐射效率低下、频道隔离低下等问题。利用优化后的阵列单元形式并进行馈电网络的优化设计，同时合理配置阵列天线的阵列单元间距可以减小两个阵列天线之间的相互影响，保证天线具有规则的方向图；在该双频段阵列天线中采用了易于进行功率控制的印刷式馈电网络，这样方便对每个频段的阵列天线进行波束赋形处理。
图1是本实用新型的双频段阵列天线的侧视图。1是低频段阵列天线的介质板材， 2是接地面，3是低频段阵列天线的微带线馈电网络，4是低频段阵列天线的贴片辐射单元，5是馈电探针，6是高频段阵列天线的介质板材，7是高频段阵列天线的阵列单元及印刷式馈电网络。图2是本实用新型的高频段阵列天线的俯视图，8是高频段阵列天线的印刷式馈电网络，9是高频段阵列天线的阵列单元(即宽带印刷偶极子)，10是高频段阵列天线的平衡-不平衡转换器(Balun)。图3是本实用新型的低频段阵列天线的俯视图，11是低频段阵列天线的微带线馈电网络，12是低频段阵列天线的阵列单元(即贴片辐射单元)。图4是测试的双频段阵列天线的驻波比图，(a)是高频段阵列天线的驻波比图， (b)是低频段阵列天线的驻波比图。图5是阵列天线在5800MHz的辐射方向图。图6是阵列天线在MOOMHz的辐射方向图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本实用新型做详细说明。由图1、图2、图3，本双频段阵列天线，第1层是低频段阵列天线的介质板材，该介质板材的下表面是接地面，上表面是低频段阵列天线的微带线馈电网络。第2层是低频段的贴片辐射单元。贴片辐射单元与微带线馈电网络之间通过馈电探针连接，馈电探针沿贴片辐射单元的长度方向偏离贴片辐射单元的中心。第3层是高频段阵列天线的介质板材， 高频段阵列天线的阵列单元及印刷馈电网络印刷在高频段阵列天线介质板材的上下表面。 下面再详细论述每部分的设计考虑及优点。1.高频段考虑到高频段的工作频率较高，应该选用损耗正切角相对较小的介质板材来减小介质损耗。同时需要选用介质板材厚度较薄的板材来保证辐射偶极子两臂反相及减少表面波损耗。由于高频段阵列天线的阵列单元及印刷馈电网络都处在低频段阵列天线的上部，必须尽量减小高频段阵列天线对低频段阵列单元的影响。简化阵列单元及馈电网络结构是减小高频段阵列天线对低频段阵列天线影响需要考虑的措施之一。并馈方法虽然可以获得对称的辐射方向图，且方便进行方向图的控制，但在频率较高时，其复杂的馈电结构及过长的传输线将导致传输损耗过大。串馈方法具有简单的物理结构，可使馈线对低频段阵列单元的影响降到最低，但频率偏离中心频率时，随着阵列单元数目的增加，阵列天线的辐射方向图的交叉极化电平及副瓣电平都会增加，甚至出现波瓣分裂的现象。所以选用融合并馈及串馈技术的混合馈电方法。阵列单元选用采用双线平衡馈电的印刷偶极子天线，通过加粗印刷偶极子天线的宽度可以拓宽阵列单元的阻抗带宽。为了对天线的辐射方向图进行赋形，利用四分之一波长转换，结合传输线理论可以进行每个阵列单元的功率分配，实现阵列天线的波束赋形设计。2.低频段考虑到低频段阵列天线的工作频率较低，可以选用成本相对低廉的环氧板材。由于低频段阵列天线的阵列单元处在高频段阵列天线的阵列单元的下面，高频段阵列单元对其具有反射、寄生等作用。低频段阵列单元与高频段阵列单元的间距及低频段阵列单元的宽度、长度等对两者的相互影响具有关键的作用、但阵列单元的宽度、长度又决定低频段阵列单元的谐振频率。因此必须在这些性能之间进行优化处理。由于其微带线馈电网络印刷在接地面反面，对高频段阵列天线的阵列单元影响不大，为了方便进行天线辐射方向图的赋形，选用了并馈技术。实施例以应用在无线局域网的双频段阵列天线为例，低频段要覆盖IEEE 802. Ilb (2400-2483MHz)频段，高频段要覆盖 IEEE 802. lla(5150-5850MHz)频段。则高频段如图1、2所示，高频段阵列天线由64(8X8)个宽带印刷偶极子组成，板材选用介电常数ε, = 2. 2，厚度为0.78mm的Tef Ion板材。为保证级联相邻阵列单元及级联子阵同相，级联相邻阵列单元间距或级联相邻子阵列间距设计为中心频率的一个波长。为了实现输入端口的信号平衡传输到阵列单元，如图2所示，在信号输入端口和微带线馈电网络之间加了一个印刷式曲线渐变的平衡-不平衡转换器(Balim)。阵列单元离接地面高度10mm， 这样不但可以获的良好的阻抗特性，也可以获得低剖面的阵列天线结构。图4(a)为其测试的驻波比曲线，从中看出，该阵列天线的相对阻抗带宽达到13%。图5为其中一个频率点 (5800MHz)的辐射方向图，从其副瓣电平、交叉极化电平、零深电平、独立阵列天线(不考虑低频段阵列天线)和双频段阵列天线(考虑低频段阵列天线)对比结果可以看出，低频段阵列天线对高频段阵列天线的影响基本可以忽略。低频段如图1、3所示，低频段阵列天线由160X4)个贴片辐射单元组成，板材选用介电常数ε, = 4. 4，厚度为1.0mm的FR4板材。贴片辐射单元离接地面高度6mm，馈电探针的一端在沿贴片辐射单元长度方向偏离贴片辐射单元中心线6mm的地方与贴片辐射单元连接， 另一端与微带线馈电网络相连接。相邻阵列单元间距是高频段相邻阵列单元间距的2倍。 考虑到阵列单元的阻抗特性及两个频段阵列天线之间的相互影响，阵列单元的尺寸优化设计为长度X宽度=12XMmm。图4(b)为其测试的驻波比曲线，从中看出，在带宽之内该阵列天线满足阻抗特性。图6为其中一个频率点0400MHz)的辐射方向图，从其副瓣电平、交叉极化电平、零深电平、独立阵列天线(不考虑低频段阵列天线)和双频段阵列天线(考虑低频段阵列天线)对比结果可以看出，虽然高频段阵列天线对其的影响比其对高频段阵列天线的影响要大，但由于高频段阵列天线结构简单，其对低频段阵列天线的影响降到了最低，低频段阵列天线的方向图没有恶化。说明了该阵列天线设计的有效性。
权利要求1. 一种双频段低剖面阵列天线，包括低频段阵列单元、高频段阵列单元以及馈电网络； 其特征是所述低频段阵列单元、高频段阵列单元和馈电网络相互嵌套，高频段阵列单元与低频段阵列单元为上下嵌套；所述低频段阵列单元采用贴片辐射单元，并列馈电方式；高频段阵列单元采用双线平衡馈电的印刷偶极子天线，并用印刷平衡-不平衡转换器实现不平衡-平衡转换；高频段阵列单元采用并馈和串馈融合的混合馈电。
专利摘要本实用新型公开了一种双频段低剖面阵列天线，其低频段阵列单元、高频段阵列单元和馈电网络相互嵌套，高频段阵列单元与低频段阵列单元为上下嵌套；所述低频段阵列单元采用贴片辐射单元，并列馈电方式；高频段阵列单元采用双线平衡馈电的印刷偶极子天线，并用印刷平衡-不平衡转换器实现不平衡-平衡转换；高频段阵列单元采用并馈和串馈融合的混合馈电方式。馈电网络采用印刷式馈电网络，便于进行辐射方向图的赋形。本实用新型两个频段阵列单元共口面，结构紧凑、尺寸小，减小了两个频段阵列的相互影响。解决了双频(多频或宽频带)阵列单元交叉极化低、馈电结构复杂、辐射效率低、频道隔离低等问题。
文档编号H01Q9/04GK201985254SQ20112008235
公开日2011年9月21日 申请日期2011年3月25日 优先权日2011年3月25日
发明者何山红, 彭文峰 申请人:星动通讯科技(苏州)有限公司