一種雙頻共口面陣列天線的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于天線技術領域，具體涉及一種雙頻共口面陣列天線的設計。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著無線通信技術的迅猛發展，人類的生產生活方式產生了巨大的變化。天線作為輻射和接收電磁波的關鍵部件，其性能的好壞對無線通信系統有著至關重要的影響。在許多情況下，如移動通信、雷達通信中，需要使用的天線具有較尖銳的方向圖和較高的增益，如拋物面天線，或者由許多單元天線按一定的方式排列起來組成的陣列天線。陣列天線本身具備面積大，增益高，功率大等特點。一般來講，大型的陣列天線主要用于軍用、科研單位和通信基站等領域，像飛機或者戰船上的火控雷達，預測天氣的大型氣象雷達等，都需要陣列天線。
[0003]相比于傳統陣列天線，雙頻陣列天線不僅具有較高的增益，而且能同時工作在兩個頻段，減小了不同頻段間信息的相互干擾，具有很大的應用優勢。雙頻工作模式下的陣列天線大體來說分為兩類，共口面和非共口面。共口面就是天線不同的頻段采用同一個口徑進行工作。比如無線通信中的基站天線就采用了這種方式，同時為PCS和頂T系統服務。同一個天線采用多個天線系統來實現多頻段的工作方式屬于非共口面，如美國的SR1-C中不同頻段采用不同天線系統。與非共口面天線相比，共口面天線可以把頻率、極化特性不同的多個天線合理設計在同一口徑內，在保持天線結構緊湊的同時，還具有多頻、多極化工作的性能，是衛星通信天線未來的發展趨勢。
[0004]雙頻共口面陣列天線設計的關鍵在于輻射單元結構和形式的確立。一個輻射性能良好、尺寸小、頻帶寬的輻射單元是構成陣列天線的基礎。輻射單元的結構形式主要有微帶貼片、微帶振子、縫隙等。傳統雙頻陣列天線的結構形式多種多樣，但大都存在著尺寸大、輻射單元結構復雜、難于加工等問題，這都限制了其在無線通信領域中的應用。此外，在實際設計過程中還要考慮輻射單元間距和互耦的影響，不同頻率間的隔離度，以及如何提高陣列增益和帶寬等諸多問題。
[0005]2012年張申等人在《微帶雙頻天線的研究與設計》一文中提出了一種工作在UHF/X頻段內的雙頻共口面微帶天線陣的設計方案。其中，UHF頻段輻射單元采用窄縫結構，微帶線中心耦合饋電；X頻段輻射單元采用微帶貼片結構，同軸饋電。但由于UHF頻段波長太長，采用窄縫輻射會導致整體結構偏大，重量增加。而且X頻段輻射單元采用同軸饋電的方式，使得陣列的匹配難度加大，結構更加復雜。

【發明內容】

[0006]本發明公開了一種雙頻共口面陣列天線，該天線通過L波段貼片陣列和P波段縫隙陣列復合而成，低頻縫隙采用“啞鈴形”縫隙結構，大大減小了陣列尺寸。此外，底部通過加載泡沫層起到了支撐緩沖的作用。通過在縫隙背面加載金屬反射板實現了共口面單向輻射，并進一步提高了天線的增益。本發明旨在改善傳統雙頻陣列天線結構復雜、尺寸大的問題。
[0007]本發明通過下述技術方案實現:
[0008]—種雙頻共口面陣列天線，天線包括四層，從上到下依次為第一輻射層、第二輻射層、泡沫層和金屬反射板層，各層之間均采用固定連接方式。
[0009]所述第一輻射層為L波段陣列輻射層，包括第一介質基板以及刻蝕于其正面的四個尺寸相同的單元輻射貼片及其饋電網絡；所述饋電網絡包括折疊微帶線、“T”字形饋電線；
[0010]所述單元輻射貼片為朝向一致且均勻分布四角的“凹”字形金屬貼片，一對單元輻射貼片之間通過一條兩端彎折90度的折疊微帶線連接，所述折疊微帶線的彎折段連接單元輻射貼片的凹槽底部；所述“T”字形饋電線一條邊位于第一介質基板的中線上，其兩端分別連接于兩折疊微帶線的中間位置，另一條邊延伸至第一介質基板的邊沿，為饋電端P ;
[0011]所述第二輻射層為P波段陣列輻射層，包括第二介質基板、覆蓋其正面刻蝕有四個相同尺寸“啞鈴型”縫隙的金屬地板、以及設置于其背面的微帶饋線；所述微帶饋線的形狀與第一輻射層的饋電網絡相同，其饋電端口的方向相反；
[0012]所述縫隙分布于四個角，形狀為兩端是矩形的“啞鈴形”縫隙，且平行于“T”字形饋電線延伸至邊沿的一條邊；
[0013]所述“T”字形饋電線延伸至第一介質基板邊沿的一條邊分為寬度不同的兩段，其位于邊沿的一段寬度較窄，靠近中心的一段寬度較寬；
[0014]本發明通過采用在貼片陣列地板上開縫隙的形式實現了雙頻結構，高頻貼片陣列和低頻縫隙陣列共用一個金屬地板，在不影響天線性能的前提下，合理利用了天線的有限空間，使得天線更加緊湊。通過引入“啞鈴形”縫隙，大大減小了天線的尺寸和重量。底部通過加載泡沫層起到支撐緩沖的作用。通過加載金屬反射板，除了起屏蔽保護作用之外，還可以起到減小背向輻射，提高增益的作用。相比于傳統陣列天線，本發明在實現雙頻共口面的同時，減小了天線尺寸和重量，使得整體更加結構簡單，更有利于機械加工和制造。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發明實施例天線陣列的立體結構示意圖；
[0016]圖2是本發明實施例天線陣列第一輻射層的結構示意圖；
[0017]圖3是本發明實施例天線陣列第二輻射層的結構示意圖；
[0018]圖4是本發明實施例輻射單元的Sll、S22仿真曲線圖。
[0019]圖中標記說明:第一輻射層(I)，第二輻射層(2)，泡沫層(3)，金屬反射板層(4)，單元輻射貼片(1-1)，第一介質基板(1-2)，折疊微帶線(1-3)，“τ”字形微帶線(1-4)，金屬地板(2_1)，第二介質基板(2-2)，饋電網絡(2-3)。
【具體實施方式】
[0020]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。
[0021]本實施例所述的雙頻共口面陣列天線的長X寬為L0XW0，LO = 300mm, WO =400mm，采用的介質基板材料是介電常數ε r = 4.4，厚度為1.6mm的FR-4環氧樹脂板，金屬層均采用厚度為0.8mm的覆銅設計。
[0022]如圖2所示，第一輻射層為L波段陣列，其中四個大小為alXbl的“凹”字形單元福射貼片分別位于第一介質基板(1-2)正面的四個角，al = 28mm，bl = 37.2mm ;折疊微帶線(1-3)為50 Ω微帶線，通過對單元輻射貼片開矩形槽，實現了和50 Ω微帶線的匹配與連接，槽的大小為a2Xb2，a2 = 7mm, b2 = 6mm,折疊微帶線的尺寸為b3 = 3mm a3 = 11mm, m= 80mm。饋電網絡采用50 Ω-25 Ω-35.35 Ω的T型網絡實現匹配，饋線的寬度分別為b3 =3謹，b4 = 8.36謹，b5 = 8.5謹，垂直方向上的長度為n = 7Ctam。
[0023]如圖3所示，第二輻射層為P波段陣列，其中四個“啞鈴形”輻射縫隙刻蝕于第一福射層地板的四個角，縫隙尺寸如圖所示，LI = 7mm, Wl = 80mm, L2 = 5.2mm, W2 = 64mm。這種結構充分利用了有限的地板空間，大大減小了天線尺寸，使整體結構更加緊湊。另外，饋電方式采用微帶線耦合饋電，饋電網絡刻蝕于第二介質層背面，能量通過第二介質層耦合進福射縫隙。微帶饋線的尺寸如圖所示，分別為L3 = 20mm, W3 = 3mm, P = 180mm, W4 =8.36mm，L5 = 43.5mm，W5 = 8.47mm, Q = 180mm。
[0024]由于縫隙天線的雙向輻射特性，因此在饋電網絡下面加一個金屬反射板，從而實現雙頻陣列的單向共口面輻射，并且進一步提高了天線的增益。金屬反射板的厚度為1mm。金屬反射板和第二輻射層之間添加了一層厚度為30_的泡沫材料，可以起到支撐和緩沖的作用，使天線結構更加穩定。
[0025]圖4是本發明實施例輻射單元的Sll和S22仿真曲線圖，輻射單元在900MHz頻段Sll < -10dB，相應的反射系數小于0.3，帶寬約為40MHz左右，基本覆蓋了 ISM 900MHz頻段和GSM下行通信頻段；在2.4GHz頻段時，S22 < -1OdB帶寬約為80MHz，基本覆蓋了 ISM
2.4GHz頻段，滿足設計要求并可適用于多種應用。
【主權項】
1.一種雙頻共口面陣列天線，包括四層，從上到下依次為第一輻射層、第二輻射層、泡沫層和金屬反射板層，各層之間均采用固定連接方式； 所述第一輻射層為L波段陣列輻射層，包括第一介質基板以及刻蝕于其正面的四個尺寸相同的單元輻射貼片及其饋電網絡；所述饋電網絡包括折疊微帶線、“T”字形饋電線；所述單元輻射貼片為朝向一致且均勻分布四角的“凹”字形金屬貼片，一對單元輻射貼片之間通過一條兩端彎折90度的折疊微帶線連接，所述折疊微帶線的彎折段連接單元輻射貼片的凹槽底部；所述“T”字形饋電線一條邊位于第一介質基板的中線上，其兩端分別連接于兩折疊微帶線的中間位置，另一條邊延伸至第一介質基板的邊沿，為饋電端口 ； 所述第二輻射層為P波段陣列輻射層，包括第二介質基板、覆蓋其正面刻蝕有四個相同尺寸“啞鈴型”縫隙的金屬地板、以及設置于其背面的微帶饋線；所述微帶饋線的形狀與第一輻射層的饋電網絡相同，其饋電端口的方向相反；所述縫隙分布于四個角，形狀為兩端是矩形的“啞鈴形”縫隙，且平行于“T”字形饋電線延伸至邊沿的一條邊。2.如權利要求1所述的一種雙頻共口面陣列天線，其特征在于:所述“T”字形饋電線延伸至第一介質基板邊沿的一條邊分為寬度不同的兩段，其位于邊沿的一段寬度較窄，靠近中心的一段寬度較寬。
【專利摘要】該發明公開了一種雙頻共口面陣列天線，屬于天線技術領域。天線包括四層，從上到下依次為第一輻射層、第二輻射層、泡沫層和金屬反射板層；通過L波段貼片陣列和P波段縫隙陣列復合而成，低頻縫隙采用“啞鈴形”縫隙結構，大大減小了陣列尺寸；此外，底部通過加載泡沫層起到了支撐緩沖的作用；通過在縫隙背面加載金屬反射板實現了共口面單向輻射，并進一步提高了天線的增益。本發明旨在改善傳統雙頻陣列天線結構復雜、尺寸大的問題。
【IPC分類】H01Q21/30, H01Q13/10
【公開號】CN105356070
【申請號】CN201510563743
【發明人】趙強, 徐進, 殷海榮, 路志剛, 岳玲娜, 張雷
【申請人】電子科技大學
【公開日】2016年2月24日
【申請日】2015年9月8日