一种互补的双频正交极化微带天线阵设计方法与流程

本发明涉及微带天线阵设计的技术领域，特别涉及一种互补的双频正交极化微带天线阵设计方法，其采用公用寄生贴片的微带天线阵。

背景技术：

微带天线具有剖面低、重量轻、易加工、易共形安装、以及可与其它电路元件制作在同一电路等优点。微带天线使用多层结构，添加寄生贴片，可增加工作带宽。采用正交极化的工作方式可以提高天线端口的隔离度，提到天线效率。双频微带天线通常可以由两种方式实现：使用双频单元同时覆盖两个频段，这种结构使用一种馈电网络，结构相对简单，但是频率比不好控制，且两个频带的带宽相对较窄，阵面面积相对较大；使用两个不同工作频带的单元组合，这种结构频段比相对好调整，但是其馈电结构相对较复杂。

根据目前检索发现，Nasimuddin等(Z.N.Chen,"Wideband microstrip antennas with sandwich substrate,"IET Microw.Antennas Propag.,vol.2,pp.538-546,2008.)提出了一种采用4个寄生贴片的微带天线，采用三层基板的结构，可以有效展宽带宽。Jie Wu等(Y.J.Cheng and Y.Fan,"Millimeter-wave wideband high-efficiency circularly polarized array antenna,"IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.64,pp.535-542,2016.)同样提出了一种采用4个寄生贴片的微带天线，并通过缝隙耦合馈电来实现宽频带。Lotfollah L.Shafai等(W.A.Chamma,M.Barakat,P.C.Strickland,and G.Seguin,"Dual-Band Dual-Polarized Perforated Microstrip Antenna for SAR Application,"IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.46,pp.58-66,2000.)提出了一种应用于SAR的双频双极化微带天线阵，采用不同频段的两种微带天线进行组共口面设计，实现了阵列的小型化和双频工作特性，并改变馈电点方向实现双极化。Ralph Pokuls等(J.Uher and D.M.Pozar,"Dual-Frequency and Dual-Polarization Microstrip Antennas for SAR application,"IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.46,pp.1289-1296,1998.)讨论了双频双极化微带阵的设计方法，通过三种阵元天线类型的组合方式的对比，得出缝隙天线与贴片天线组合具有结构简单，辐射性能好的优点。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题为：提供一种互补的双频正交极化微带天线阵设计方法，使得一般具有4个寄生贴片的宽带微带天线可以组成微带阵列，满足小型化、双频工作和正交极化特性。

本发明采用的技术方案为：提供一种互补的双频正交极化微带天线阵设计方法，其设计步骤如下：

选定一般具有4个寄生贴片的单频单极化宽带微带天线结构；

对所述单频单极化宽带微带天线单元分别采用下述步骤设计：

通过天线结构尺寸的放大或者缩小，将天线工作频段搬移至所需的两个频段上，使得大尺寸天线结构对应低频，小尺寸天线结构对应高频；

在所述低频天线结构中，将馈电点右侧2个寄生贴片的尺寸缩小，与所述高频天线结构中对应位置的寄生贴片尺寸一致，得到低频天线A；同样将馈电点左侧2个寄生贴片的尺寸缩小，得到低频天线B；

按照低频天线A、高频天线和低频天线B的顺序排列组合为微带天线阵单元，去掉高频天线的4个寄生贴片，将低频天线中尺寸小的寄生贴片代替高频天线的寄生贴片，使得高频天线与低频天线A和B公用寄生贴片；

将高频天线以各贴片为中心旋转90°，组成微带天线阵单元A，同样将2个低频天线以各贴片为中心旋转90°，组成微带天线阵单元B；

根据所需增益及方向图要求，可将所述微带天线阵单元A和B组合为阵列，并根据阵列单元数量设计馈电网络，形成互补的两种双频正交极化微带天线阵。

具体地，按照低频天线A、高频天线和低频天线B的顺序排列组合时，保证3个天线极化方向相同，且天线基板合并为整体。

具体地，所述公用寄生贴片随着高频天线旋转，不随低频天线旋转。

具体地，调节所述低频天线A和B中4个寄生贴片的间距，使其工作频段不偏移，保证频段内辐射方向图不发生畸变。

具体地，微带天线阵金属地板隔离馈电网络与辐射贴片，防止馈电网络辐射影响阵列辐射方向图。

具体地，此微带天线阵设计方法适用于频率比<2的双频微带阵结构。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用公用寄生贴片的设计思路，在保证工作频段和良好辐射性能的前提下，有效减小了天线阵的尺寸。

(2)本发明采用低频天线A、高频天线和低频天线B的顺序排列组合方式，在保证宽频带的前提下，实现双频和正交极化的特性。

(3)本发明具有可扩展性，根据需求组合不同单元数的阵列，匹配相应馈电网络，实现双频正交极化微带天线阵列。

(4)本发明具有互补性，可设计互补的两种双频正交极化微带天线阵。

附图说明

图1为本发明的一种互补的双频正交极化微带天线阵设计方法流程图；

图2A为本发明选定一般具有4个寄生贴片的宽带微带天线侧视图；

图2B为本发明选定一般具有4个寄生贴片的宽带微带天线第一介质基板的俯视示意图；

图2C为本发明选定一般具有4个寄生贴片的宽带微带天线第二介质基板的俯视示意图；

图3为本发明实例低频天线寄生贴片与驱动贴片的合成示意图；

图4为本发明实例高频天线寄生贴片与驱动贴片的合成示意图；

图5A为本发明实例低频天线A寄生贴片与驱动贴片的合成示意图；

图5B为本发明实例低频天线B寄生贴片与驱动贴片的合成示意图；

图6为本发明实例微带天线阵单元寄生贴片与驱动贴片的合成示意图；

图7A为本发明实例微带天线阵单元A寄生贴片与驱动贴片的合成示意图；

图7B为本发明实例微带天线阵单元B寄生贴片与驱动贴片的合成示意图；

图8A为本发明实例五元双频正交极化微带天线阵A寄生贴片与驱动贴片合成示意图；

图8B为本发明实例五元双频正交极化微带天线阵A馈电网络示意图；

图8C为本发明实例五元双频正交极化微带天线阵A的S参数仿真曲线；

图8D为本发明实例五元双频正交极化微带天线阵A低频主极化/交叉极化增益方向图；

图8E为本发明实例五元双频正交极化微带天线阵A高频主极化/交叉极化增益方向图；

图9A为本发明实例五元双频正交极化微带天线阵B寄生贴片与驱动贴片合成示意图；

图9B为本发明实例五元双频正交极化微带天线阵B馈电网络示意图；

其中，附图标记含义为：

200：选定的一般具有4个寄生贴片的单频单极化宽带微带天线；

210：选定天线的第一表面；

211：选定天线的寄生贴片；

220：选定天线的第一介质基板；

230：选定天线的第二表面；

231：选定天线的驱动贴片；

240：选定天线的第二介质基板；

250：选定天线的第三表面；

260：选定天线的第三介质基板；

270：选定天线的第四表面；

310：低频天线；

311：低频天线的馈电点左侧寄生贴片；

312：低频天线的馈电点右侧寄生贴片；

410：高频天线；

411：高频天线的馈电点左侧寄生贴片；

412：高频天线的馈电点右侧寄生贴片；

510：低频天线A；

520：低频天线B；

610：微带天线阵单元；

611：微带天线阵单元中公用寄生贴片；

710：微带天线阵单元A；

720：微带天线阵单元B；

810：五元双频正交极化微带天线阵A；

820：五元双频正交极化微带天线阵A馈电网络；

910：五元双频正交极化微带天线阵B；

920：五元双频正交极化微带天线阵B馈电网络；

L1：低频天线A和B中大尺寸寄生贴片与小尺寸寄生贴片间距；

W1：低频天线中寄生贴片间距；

W2：高频天线中寄生贴片间距。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

图1为本发明的一种互补的双频正交极化微带天线阵设计方法流程图。如图1中所示，本实施例的方法包括：

选定一般具有4个寄生贴片的单频单极化宽带微带天线结构200；

对所述单频单极化宽带微带天线单元分别采用下述步骤设计：

步骤110：对选定为微带天线尺寸进行放大或缩小。

在步骤中，具体地，通过天线结构尺寸的放大或者缩小，将天线工作频段搬移至所需的两个频段上，使得大尺寸天线结构对应低频310，小尺寸天线结构对应高频410；

步骤120：在低频天线结构310中，对馈电点左右两侧寄生贴片分别尺寸缩小。

具体地，在所述低频天线结构310中，将馈电点右侧2个寄生贴片312的尺寸缩小，与所述高频天线410结构中对应位置的寄生贴片412尺寸一致，得到低频天线A510；同样将馈电点左侧2个寄生贴片311的尺寸缩小，得到低频天线B520；

步骤130：将低频天线A510、高频天线410和低频天线B520组合，并去掉高频天线410中4个寄生贴片411和412。

具体地，按照低频天线A510、高频天线410和低频天线B520的顺序排列组合为微带天线阵单元610，去掉高频天线410的4个寄生贴片411和412，将低频天线A510和B520中尺寸小的寄生贴片611代替高频天线的寄生贴片411和412，使得高频天线410与低频天线A510和B520公用寄生贴片611；

步骤140：将组合中的高频天线410和2个低频天线510和520，分别旋转90°。

具体地，将高频天线410以各贴片为中心旋转90°，组成微带天线阵单元A710，同样将2个低频天线510和520以各贴片为中心旋转90°，组成微带天线阵单元B720；

步骤150：将阵列单元进行组阵，并设计馈电网络。

具体地，根据所需增益及方向图要求，可将所述微带天线阵单元710和720组合为阵列，并根据阵列单元数量设计馈电网络820和920，形成互补的两种双频正交极化微带天线阵，例如五元阵810和910。

具体地，按照低频天线A510、高频天线410和低频天线B520的顺序排列组合时，保证3个天线极化方向相同，且天线基板合并为整体。

具体地，所述公用寄生贴片611随着高频天线410旋转，不随低频天线510和520旋转；

具体地，调节所述低频天线A510和B520中4个寄生贴片的间距L1，使其工作频段不偏移，保证频段内辐射方向图不发生畸变。

具体地，微带天线阵金属地板隔离馈电网络与辐射贴片，防止馈电网络辐射影响阵列辐射方向图。

具体地，此微带天线阵设计方法适用于频率比<2的双频微带阵结构。

如图2A、2B和2C所示，选定天线200为三层板压合结构：包括第一表面210、第一介质基板220、第二表面230、第二介质基板240、第三表面250、第三介质基板260和第四表面270；第一表面210上为寄生贴片211；第二表面230上为驱动贴片231；第三表面250为天线的金属地板；第四表面700上为馈电线。

如图3和4所示，低频天线310的4个寄生贴片311和312相距W1，高频天线410的4个寄生贴片411和412相距W2。

如图5A和5B所示，低频天线A510与低频天线B520中两种不同尺寸的寄生贴片间距为L1。

如图6、7A和7B所示，在微带天线阵单元610中，高频天线410、低频天线A510和低频天线B520公用寄生贴片611；微带天线阵单元A710为低频天线A510、旋转的高频天线410和低频天线B520组成，微带天线阵单元B720为旋转的低频天线A510、高频天线410和旋转的低频天线B520组成。

如图8A、8B所示，五元双频正交极化微带天线阵810由5个微带天线阵单元A710和馈电网络820组成。

如图8C所示，其为本发明实例五元双频正交极化微带天线阵A的S参数仿真曲线，两端口隔离度均大于20dB，低频带宽为40％，高频带宽为19.7％。

如图8D和8E所示，其为本发明实例五元双频正交极化微带天线阵A高频主极化/交叉极化增益方向图，两频段交叉极化分别为40dB和27dB，波束宽度分别为±21°和±15°。

如图9A、9B所示，五元双频正交极化微带天线阵910由5个微带天线阵单元B720和馈电网络920组成。

由上述本发明较佳实施例可知，应用本发明的优点为：采用公用寄生贴片，有效减小天线的尺寸；采用低频天线A、高频天线和低频天线B组合排列的方式实现双频和正交极化的特性；具有可扩展性，适于组阵；具有互补性，可设计互补的两种双频正交极化微带天线阵。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员依然可以对前述实施例所记载的技术方法进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。