一种混合角馈双极化微带贴片天线装置的制作方法

本发明涉及微波与天线技术领域，具体的说是一种混合角馈双极化微带贴片天线装置。

背景技术：

天线作为无线电通信系统中的传感器装置，发挥着不可替代的作用。通常情况下，无线电电子系统采用单极化工作模式，天线也为单极化工作状态；为了有效提升无线电系统的性能，电磁波的极化特性日益获得重要关注，极化信息的利用越来越多。双极化天线是双极化电子系统的传感器装置，在实际工程中，双极化天线的设计十分关键。常用的双极化天线有双极化微带天线、双极化振子天线、双极化喇叭天线和双极化缝隙天线等。其中，双极化微带天线是一种常用的形式之一，由于其低剖面、低成本和灵活的性能，获得广泛应用。

微带天线的馈电方式有多种，例如微带线侧馈、同轴线底馈、缝隙耦合馈电、临近耦合馈电等。角馈是一种新的微带贴片馈电方式。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种适用于卫星遥感、导航、飞行器遥控遥测、移动通信、雷达探测等无线电系统中的混合角馈双极化微带贴片天线装置。

本发明可以通过以下措施达到：

一种混合角馈双极化微带贴片天线装置，其特征在于设有介质基板，介质基板上设有方形微带贴片辐射器、侧馈微带线、阻抗调配枝节、底馈同轴线，其中方形微带贴片辐射器的一个角与侧馈微带线的前端相连，阻抗调配枝节与侧馈微带线相连，底馈同轴线对方形微带贴片辐射器中与侧馈微带线相连的角相邻的另一个角进行底馈，使天线处于双极化工作方式；其中方形微带贴片的尺寸应满足式(1)：

式中:fr为贴片谐振频率；a'为贴片的等效边长；εef为等效相对介电常数。谐振电阻ra与fr、wj及h有关，其经验公式为:

wj及h满足

根据腔模理论,角馈时将同时激发tm10模和tm01模,因此方形贴片下腔体区域的内场为(忽略了高次模)：

式中a为贴片边长,ω为角频率，μ为基片导磁率，b0为常数(激励系数)。

本发明中同轴线底馈位置和微带线侧馈位置在方形微带线的相邻的角上，可激励出双极化正交的场模式侧馈微带线的阻抗需要采用阻抗变变换段和阻抗调谐段，本发明采用渐变线阻抗变换和开路单枝节调配器实现阻抗匹配，其中，采用渐变线阻抗变换完成阻抗的实部为50欧姆，开路单枝节调配器产生对应的电抗，实现调谐，最终获得和特性阻抗为50欧姆的微带线的匹配。

综上所述，本发明提出了一种采用角馈和同轴线底馈结合的混合馈电双极化微带天线系统装置；整个天线采用同一块印刷电路制成，设计简单，成本低廉、加工精度高，具有较宽的带宽和较好的极化特性和方向图特性。本发明适用于于卫星遥感、导航、飞行器遥控遥测、无线通信和雷达等无线电系统中。

附图说明：

附图1是本发明的结构示意图。

附图2是本发明中方形贴片的结构示意图。

附图3是本发明中方形贴片及坐标系示意图。

附图4是本发明的结构示意图，其中图4(a)是本发明的主视图，图4(b)是本发明的后视图。

附图5是本发明实施例中混合馈电双极化微带天线的电路特性仿真结果，其中5(a)为微带线侧馈端口，5(b)为同轴线底馈端口，5(c)为端口隔离度。

附图6是本发明实施例中双极化微带天线的端口1的辐射特性仿真结果，其中6(a)是三维增益方向图，6(b)是三维轴比方向图，6(c)是xoz面的增益方向图，6(d)是xoz面的轴比方向图，6(e)是yoz面的增益方向图，6(f)是yoz面的轴比方向图。

附图7是本发明实施例中双极化微带天线的端口2的辐射特性仿真结果，7(a)是三维增益方向图，7(b)是三维轴比方向图，7(c)是xoz面的增益方向图，7(d)是xoz面的轴比方向图，7(e)是yoz面的增益方向图，7(f)是yoz面的轴比方向图。

附图标记：1为方形贴片辐射器，2为双极化辐射器的介质基板；3为侧馈的微带线，4为阻抗调配枝节，5为底馈的同轴线，6为阻抗变换段。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的说明。

本发明研究了一种采用角馈和同轴线底馈结合的混合馈电双极化微带天线系统装置，该天线由方形微带贴片、侧馈微带线、阻抗调配枝节和底馈同轴线组成。侧馈微带线、阻抗调配枝节位于单层微波印刷电路基板的一侧，对方形微带贴片进行侧馈，在另一个临近的方形贴片的角上，采用同轴线进行侧馈，使天线处于被双极化的工作模式。本发明设计的采用角馈和同轴线底馈结合的混合馈电双极化微带天线系统模型如图1所示。在图1中，1为方形贴片辐射器，2为双极化辐射器的介质基板；3为侧馈的微带线，4为阻抗调配枝节，5为底馈的同轴线，6为阻抗变换段。

角馈方形贴片通过单元四条边与接地板之间的边缘场产生辐射场，总合成场是te10模和te01模的迭加，主极化是垂直极化，如图2所示。方形贴片的尺寸满足式(1)：

式中:fr为贴片谐振频率；a'为贴片的等效边长；εef为等效相对介电常数。谐振电阻ra与fr、wj及h有关，其经验公式为:

wj及h最好满足谐振频率的计算值与测试值的误差最小。

考虑如图3所示的天线单元，基片厚度h远小于工作波长,因而可以应用空腔模型理论及微扰法来推导其谐振频率计算公式。根据腔模理论,角馈时将同时激发tm10模和tm01模,因此方形贴片下腔体区域的内场为(忽略了高次模)：

式中a为贴片边长,ω为角频率，μ为基片导磁率，b0为常数(激励系数)。

图4和图5分别给出了设计的采用角馈和同轴线底馈结合的混合馈电双极化微带天线的前视图和后视图。可以看出，同轴线底馈位置和微带线侧馈位置在方形微带线的相邻的角上，可激励出双极化正交的场模式。合理调整同轴线的位置，可实现端口的阻抗为50欧姆的谐振状态；侧馈微带线的阻抗需要采用阻抗变变换段和阻抗调谐段，本发明采用渐变线阻抗变换和开路单枝节调配器实现阻抗匹配，其中，采用渐变线阻抗变换完成阻抗的实部为50欧姆，开路单枝节调配器产生对应的电抗，实现调谐，最终获得和特性阻抗为50欧姆的微带线的匹配。

实施例：

本发明设计了一个具体的采用角馈和同轴线底馈结合的混合馈电双极化微带天线装置，采用全波电磁仿真软件对该天线阵列进行了性能仿真，仿真实验结果验证了本发明所提出的采用角馈和同轴线底馈结合的混合馈电双极化微带天线装置的可行性和有效性。

本发明设计的采用角馈和同轴线底馈结合的混合馈电双极化微带天线的电路特性如图5所示，由图可见，在中心工作频点f0上，该天线的端口1(微带线侧馈端口)的回波损耗约为-10db，端口2(同轴线底馈端口)的回波损耗约为低于-5.4db，端口隔离度约为-25db。

为了表征该天线的辐射特性，图6和图7分别给出在频率f0时的天线的辐射增益方向图和轴比方向图的仿真结果。在工作频点上，设计的采用角馈和同轴线底馈的混合馈电双极化微带天线的端口1的辐射增益约为3.2db，主辐射方向轴比大于17db；端口1的辐射增益约为5db，主辐射方向轴比大于27db；。

综上所述，本发明提出了一种采用角馈和同轴线底馈结合的混合馈电双极化微带天线系统装置；整个天线采用同一块印刷电路制成，设计简单，成本低廉、加工精度高，具有较宽的带宽和较好的极化特性和方向图特性。本发明适用于于卫星遥感、导航、飞行器遥控遥测、无线通信和雷达等无线电系统中。