一种C波段超宽带圆极化微带天线阵列及环阵多波束天线的制作方法

一种c波段超宽带圆极化微带天线阵列及环阵多波束天线
技术领域
1.本发明属于天线通讯设备技术领域，具体涉及一种c波段超宽带圆极化微带天线阵列及环阵多波束天线。


背景技术：

2.随着电子技术的快速发展，发展更高频段的新型超宽带传输技术，以突破带宽瓶颈，增大通信系统容量已成为迫切需求，超宽带高频天线随之成为产业界和学术界的研究热点。相比线极化电磁波，圆极化电磁波经反射后会产生旋向相反的电磁波，因而具有良好的抗雨雾干扰和抗多径效应能力。同时，在机载、车载等运动平台搭载的通信终端中，圆极化波相比线极化波具有更好的极化匹配特性，通信效果更稳定。由于超宽带圆极化高频天线，既可满足通信带宽的需求，又可充分发挥圆极化波的优势，因此具有良好的应用前景和研究价值。
3.现代卫星通信及车船载等动中通移动通信系统的工作带宽较大、通信距离远，且移动通信终端载体具有旋转运动特性。为了满足卫星通信及车船载等动中通移动通信系统的要求，终端天线需要具有超宽带、高增益、圆极化辐射特性。然而，现有终端天线的带宽、增益和辐射方位往往无法符合现代卫星通信及车船载等动中通移动通信系统所需的性能要求。
4.因此，需要提出一种c波段超宽带圆极化微带天线阵列及环阵多波束天线，解决现有终端天线圆极化带宽窄、增益低、不能全向覆盖，无法满足现代卫星通信及车船载等动中通移动通信系统所需的性能要求的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明提供一种c波段超宽带圆极化微带天线阵列及环阵多波束天线，用以解决现有终端天线圆极化带宽窄、增益低、不能全向覆盖，无法满足现代卫星通信及车船载等动中通移动通信系统所需的性能要求的技术问题。
6.为了解决上述问题，本发明提供一种c波段超宽带圆极化微带天线阵列，包括功分网络和多个天线单元；所述天线单元用于发射和接收电磁波信号；所述天线功分网络用于将多个所述天线单元进行级联，构成天线阵列；
7.所述天线单元包括天线叠层辐射单元和天线圆极化馈电网络；所述天线圆极化馈电网络与所述天线叠层辐射单元、所述天线功分网络电气连接；
8.所述天线叠层辐射单元包括自上而下叠层设置的上层单元和下层单元；所述上层单元和所述下层单元形成谐振回路；
9.所述天线圆极化馈电网络用于对所述天线叠层辐射单元进行双馈点馈电。
10.进一步的，所述上层单元包括叠层设置的上层辐射贴片和上层介质基板；所述下层单元包括叠层设置的下层辐射贴片和下层介质基板；
11.其中，相邻两个叠层之间为空气缝隙，采用塑料框架进行支撑连接。
12.进一步的，所述天线圆极化馈电网络包括宽带功分移相器和双馈微带线；所述宽带功分移相器与所述下层辐射贴片通过所述双馈微带线进行电气连接；所述宽带功分移相器还与所述天线功分网络电气连接；
13.所述宽带功分移相器用于对所述下层辐射贴片进行双馈点90度相位差馈电。
14.进一步的，所述天线功分网络包括功分器和底层介质基板；所述功分器刻蚀在所述底层介质基板的下层；
15.所述功分器为微带线形式，通过阻抗变换构成预设功分结构。
16.进一步的，所述上层辐射贴片和下层辐射贴片均由金属铜箔构成；所述上层介质基板采用罗杰斯低介电常数基板；所述下层介质基板采用罗杰斯高介电常数基板。
17.进一步的，所述塑料框架包括可拆卸框架；所述可拆卸框架内设置填充层；所述填充层为分块镂空结构。
18.进一步的，所述下层辐射贴片与所述双馈微带线的电气连接点采用金属化过孔；所述金属化过孔贯穿所述下层介质基板，且置于所述下层介质基板内部；所述金属化过孔内部填充树脂材料。
19.进一步的，所述上层介质基板、空气缝隙组件、下层介质基板均刻有螺钉通孔；所述螺钉通孔设置有匹配的固定螺钉。
20.本发明还提供一种c波段超宽带圆极化微带环阵多波束天线，所述天线由呈环状分布的多个如上述任一所述的c波段超宽带圆极化微带天线阵列通过相位矩阵级联组成。
21.本发明还提供一种c波段超宽带圆极化多波束相控阵微带天线，所述天线环形阵面由多个如上述任一所述的c波段超宽带圆极化微带天线阵列通过相位矩阵和射频开关切换工作，形成环阵多波束相控阵天线。
22.与现有技术相比，本发明的有益效果包括：本发明提供的c波段超宽带圆极化微带天线阵列包括多个天线单元和天线功分网络；通过天线功分网络将多个天线单元进行级联，构成天线阵列；所述天线单元包括天线叠层辐射单元和天线圆极化馈电网络；其中，天线叠层辐射单元自上而下底层设置有形成谐振回路的上层单元和下层单元。本实施例提供的c波段超宽带圆极化微带天线阵列中，天线叠层辐射单元由上层单元和下层单元组成谐振回路，当该谐振回路工作频率与下层单元的谐振频率相近时，可有效展宽天线阻抗带宽，在所需工作频段范围内天线驻波比较小；通过天线圆极化馈电网络对天线叠层辐射单元进行双馈点馈电，可有效拓展天线圆极化轴比带宽；通过功分网络将包含圆极化馈电的天线单元进行级联，构成天线阵列，实现了微带阵列天线超宽带圆极化辐射，在所需频段内具有良好的驻波比、轴比及增益特性(相对带宽达29.8％)。此外，在本实施例所提供的天线阵列的基础上，技术人员还能够根据使用需求进行相位矩阵级联和环阵的设计，在方位面形成多个可切换波束，实现360度全方位覆盖，以满足机载式、车载式移动通信终端的全向辐射需求。
附图说明
23.图1为本发明提供的一种c波段超宽带圆极化微带天线阵列一实施例的结构示意图；
24.图2为本发明提供的一种c波段超宽带圆极化微带天线阵列一实施例的分层结构
示意图；
25.图3为本发明提供的天线单元一实施例的结构侧视示意图；
26.图4为本发明提供的一种c波段超宽带圆极化微带环阵多波束天线一实施例的结构示意图；
27.图5为本发明提供的一种c波段超宽带圆极化多波束相控阵微带天线一实施例的结构示意图；
28.图6为本发明提供的在f
l
～fhghz工作频段1
×
4天线子阵驻波比一实施例的实验结果图；
29.图7为本发明提供的在f
l
～fhghz工作频段1
×
4天线子阵轴比一实施例的实验结果图；
30.图8为本发明提供的在f
l
～fhghz工作频段1
×
4天线子阵增益一实施例的实验结果图；
31.图9为本发明提供的在f
l
～fhghz工作频段4
×
4天线子阵环阵增益一实施例的实验结果图；
32.其中，1-天线叠层辐射单元；2-天线圆极化馈电网络；3-天线功分网络；4-上层单元；5-下层单元；11-螺钉通孔；12-固定螺钉；14-24
×
4天线环阵；15-4
×
4多波束天线阵面；21-双馈微带线；22-宽带功分移相器；31-功分器；32-底层介质基板；41-上层辐射贴片；42-上层介质基板；43-塑料框架；51-下层辐射贴片；52-下层介质基板。
具体实施方式
33.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
34.本发明实施例提供了一种c波段超宽带圆极化微带天线阵列，如图1所示，包括功分网络3和多个天线单元；所述天线单元用于发射和接收电磁波信号；所述天线功分网络3用于将多个所述天线单元进行级联，构成天线阵列；
35.所述天线单元包括天线叠层辐射单元1和天线圆极化馈电网络2；所述天线圆极化馈电网络2与所述天线叠层辐射单元1、所述天线功分网络3电气连接；
36.所述天线叠层辐射单元1包括自上而下叠层设置的上层单元4和下层单元5；所述上层单元4和所述下层单元5形成谐振回路；
37.所述天线圆极化馈电网络2用于对所述天线叠层辐射单元进行双馈点馈电。
38.本实施例提供的一种c波段超宽带圆极化微带天线阵列，包括多个天线单元和天线功分网络；通过天线功分网络将多个天线单元进行级联，构成天线阵列；所述天线单元包括天线叠层辐射单元和天线圆极化馈电网络；其中，天线叠层辐射单元自上而下底层设置有形成谐振回路的上层单元和下层单元。本实施例提供的超带宽圆极化天线阵列中，天线叠层辐射单元由上层单元和下层单元组成谐振回路，当该谐振回路工作频率与下层单元的谐振频率相近时，可有效展宽天线阻抗带宽，在所需工作频段范围内天线驻波比较小；通过天线圆极化馈电网络对天线叠层辐射单元进行双馈点馈电，可有效拓展天线圆极化轴比带宽；通过功分网络将包含圆极化馈电的天线单元进行级联，构成天线阵列，实现了微带阵列天线超宽带圆极化辐射，在所需频段内具有良好的驻波比、轴比及增益特性，相对带宽达
29.8％。此外，在本实施例所提供的天线阵列的基础上，技术人员还能够根据使用需求进行相位矩阵级联和环阵的设计，在方位面形成多个可切换波束，实现360度全方位覆盖，以满足机载式、车载式移动通信终端的全向辐射需求。
39.作为优选的实施例，如图2所示，所述上层单元4包括叠层设置的上层辐射贴片41和上层介质基板42；所述下层单元5包括叠层设置的下层辐射贴片51和下层介质基板52；
40.其中，相邻两每个叠层之间为空气缝隙，采用塑料框架43进行支撑连接。
41.本实施例中，天线采用叠层圆形贴片形式，下层单元为馈电贴片，上层单元为寄生贴片，上下层单元形成谐振回路，在所需工作频段范围内天线驻波比小于2.0。空气缝隙组件可有效提升天线增益，在所需工作频段范围内，1
×
4天线子阵增益为10.8～12.5dbi，通过相位矩阵级联构成的m
×
4天线子阵增益可进一步提升。
42.作为优选的实施例，所述塑料框架43包括可拆卸框架；所述可拆卸框架内设置填充层；所述填充层为分块镂空结构。
43.作为一个具体的实施例，天线叠层之间为塑料框架43设置低损耗材料的框架，填充垫高处理，填充层进行分块镂空处理，制作成可拆卸框架。
44.作为优选的实施例，所述上层辐射贴片41和下层辐射贴片51均由金属铜箔构成；所述上层介质基板42采用罗杰斯低介电常数基板；所述下层介质基板52采用罗杰斯高介电常数基板。选用上述材质和板材技术，能够降低介电损耗、提升天线的驻波比、轴比及增益特性。
45.作为优选的实施例，请参见图2，所述天线圆极化馈电网络2包括宽带功分移相器22和双馈微带线21；所述宽带功分移相器22与所述下层辐射贴片51通过所述双馈微带线21进行电气连接；所述宽带功分移相器22还与所述天线功分网络3电气连接；
46.所述宽带功分移相器用于对所述下层辐射贴片进行双馈点90度相位差馈电。
47.本实施例天线馈电网络采用宽带功分移相器(3db电桥)，对辐射贴片进行90度相位差馈电，可有效拓展天线圆极化轴比带宽，3db电桥相对于威尔金森功分馈电，结构更为简易，轴比带宽更宽，在f
l
～fhghz工作频段范围内天线轴比小于2.0db，轴比带宽达29.8％，使天线在所需频段内，实现良好的驻波、轴比及增益特性。
48.作为优选的实施例，如图2所示，所述天线功分网络3包括功分器31和底层介质基板32；所述功分器31刻蚀在所述底层介质基板32的下层；
49.所述功分器31为微带线形式，通过阻抗变换构成预设功分结构。
50.如图3所示，图3为天线单元的结构侧视示意图。
51.作为一个具体的实施例，所述功分器31为t型功分器，所述t型功分器与天线圆极化馈电网络2中的宽带功分移相器22(3db电桥)电气连接。所述预设功分结构为一分二分四功分结构；通过阻抗变换，构成一分二分四功分结构。如图2所示，功分网络将包含圆极化馈电的天线单元进行级联，构成1
×
4天线阵列。
52.作为一个具体的实施例，所述底层介质基板32采用低损耗介质基板，底层介质基板32上层覆有金属铜箔。通过采用低损耗介质基板，并在基板上覆金属铜箔，可进一步降低插入损耗，提升天线阵列的增益特性。
53.作为优选的实施例，所述下层辐射贴片与所述双馈微带线的电气连接点采用金属化过孔；所述金属化过孔贯穿所述下层介质基板，且置于所述下层介质基板内部；所述金属
化过孔内部填充树脂材料。
54.作为优选的实施例，如图2所示，所述上层介质基板42、空气缝隙组件43、下层介质基板52均刻有螺钉通孔11；所述螺钉通孔设置有匹配的固定螺钉12。通过固定螺钉将各个叠层板以及空气缝隙组件固定连接。
55.作为一个具体的实施例，所述底层介质基板32上也设置有相匹配的螺钉通孔。
56.为了满足全向辐射的使用需求，本实施例还提供一种c波段超宽带圆极化微带环阵多波束天线，如图4所示，所述环状阵列天线14由呈环状分布的多个如上述技术方案任一所述的超宽带圆极化天线阵列组成。
57.图4展示了24个1
×
4天线子阵呈环状分布形成的24
×
4天线环阵，实现全方位全项覆盖。
58.本实施例还提供一种c波段超宽带圆极化微带环阵多波束天线，如图5所示，所述多波束天线阵面15由多个如上述技术方案任一所述的超宽带圆极化天线阵列通过相位矩阵级联构成。
59.图5展示了4个1
×
4子阵通过相位矩阵级联工作，形成一个4
×
4多波束天线阵面，具有高增益定向波束，在方位面形成多个可切换波束，从而可实现360度全向覆盖。
60.下面通过具体实验数据，结合图6-图9对本实施例所提供的天线阵列的效果进行展示和说明。
61.请参见图6，图6是在f
l
～fhghz工作频段1
×
4天线子阵驻波比实验结果图，其中，横坐标为频率，纵坐标为驻波比，从图中可以看出本实施例的天线子阵在f
l
～fhghz工作频段整个频段内驻波比均在2.0:1以内，满足多波束环阵天线对驻波带宽的要求。
62.请参见图7，图7是在f
l
～fhghz工作频段1
×
4天线子阵轴比实验结果图，其中，横坐标为频率，纵坐标为轴比，从图中可以看出本实施例的天线子阵在f
l
～fhghz整个频段范围内轴比均在2db以内，满足多波束环阵天线对圆极化带宽的要求。
63.请参见图8，图8是在f
l
～fhghz工作频段1
×
4天线子阵增益实验结果图，其中，横坐标为频率，纵坐标为增益，从图中可以看出本实施例的天线子阵在f
l
～fhghz工作频段整个频段范围内1
×
4天线子阵增益为10.8～12.5dbi，可用于高增益环阵天线的子阵单元设计。
64.请参见图9，图9是在f
l
～fhghz工作频段4
×
4天线子阵环阵增益实验结果图，其中，横坐标为频率，纵坐标为增益，从图中可以看出本实施例的天线天线子阵环阵在f
l
～fhghz工作频段整个频段范围内4
×
4天线子阵环阵增益为15.5～17.4dbi，满足机载式、车载式移动通信终端对宽带圆极化、全向高增益天线的应用需求。
65.本实施例提供一种c波段超宽带圆极化微带天线阵列，包括多个天线单元和天线功分网络；通过天线功分网络将多个天线单元进行级联，构成天线阵列；所述天线单元包括天线叠层辐射单元和天线圆极化馈电网络；其中，天线叠层辐射单元自上而下底层设置有形成谐振回路的上层单元和下层单元。
66.本实施例提供的超带宽圆极化天线阵列中，天线叠层辐射单元由上层单元和下层单元组成谐振回路，当该谐振回路工作频率与下层单元的谐振频率相近时，可有效展宽天线阻抗带宽，在所需工作频段范围内天线驻波比较小；通过天线圆极化馈电网络对天线叠层辐射单元进行双馈点馈电，可有效拓展天线圆极化轴比带宽；通过功分网络将包含圆极化馈电的天线单元进行级联，构成天线阵列，实现了微带阵列天线超宽带圆极化辐射，在所
需频段内具有良好的驻波比、轴比及增益特性(相对带宽达29.8％)。此外，在本实施例所提供的天线阵列的基础上，技术人员还能够根据使用需求进行天线子阵和环阵的设计，在方位面形成多个可切换波束，实现360度全方位覆盖，以满足机载式、车载式移动通信终端的全向辐射需求。
67.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种c波段超宽带圆极化微带天线阵列，其特征在于，包括功分网络和多个天线单元；所述天线单元用于发射和接收电磁波信号；所述天线功分网络用于将多个所述天线单元进行级联，构成天线阵列；所述天线单元包括天线叠层辐射单元和天线圆极化馈电网络；所述天线圆极化馈电网络与所述天线叠层辐射单元、所述天线功分网络电气连接；所述天线叠层辐射单元包括自上而下叠层设置的上层单元和下层单元；所述上层单元和所述下层单元形成谐振回路；所述天线圆极化馈电网络用于对所述天线叠层辐射单元进行双馈点馈电。2.根据权利要求1所述的一种c波段超宽带圆极化微带天线阵列，其特征在于，所述上层单元包括叠层设置的上层辐射贴片和上层介质基板；所述下层单元包括叠层设置的下层辐射贴片和下层介质基板；其中，相邻两个叠层之间为空气缝隙，采用塑料框架进行支撑连接。3.根据权利要求2所述的一种c波段超宽带圆极化微带天线阵列，其特征在于，所述天线圆极化馈电网络包括宽带功分移相器和双馈微带线；所述宽带功分移相器与所述下层辐射贴片通过所述双馈微带线进行电气连接；所述宽带功分移相器还与所述天线功分网络电气连接；所述宽带功分移相器用于对所述下层辐射贴片进行双馈点90度相位差馈电。4.根据权利要求1所述的一种c波段超宽带圆极化微带天线阵列，其特征在于，所述天线功分网络包括功分器和底层介质基板；所述功分器刻蚀在所述底层介质基板的下层；所述功分器为微带线形式，通过阻抗变换构成预设功分结构。5.根据权利要求2所述的一种c波段超宽带圆极化微带天线阵列，其特征在于，所述上层辐射贴片和下层辐射贴片均由金属铜箔构成；所述上层介质基板采用罗杰斯低介电常数基板；所述下层介质基板采用罗杰斯高介电常数基板。6.根据权利要求2所述的一种c波段超宽带圆极化微带天线阵列，其特征在于，所述塑料框架为可拆卸框架；所述可拆卸框架内设置填充层；所述填充层为分块镂空结构。7.根据权利要求3所述的一种c波段超宽带圆极化微带天线阵列，其特征在于，所述下层辐射贴片与所述双馈微带线的电气连接点采用金属化过孔；所述金属化过孔贯穿所述下层介质基板，且置于所述下层介质基板内部；所述金属化过孔内部填充树脂材料。8.根据权利要求3所述的一种c波段超宽带圆极化微带天线阵列，其特征在于，所述上层介质基板、空气缝隙组件、下层介质基板均刻有螺钉通孔；所述螺钉通孔设置有匹配的固定螺钉。9.一种c波段超宽带圆极化微带环阵多波束天线，其特征在于，所述天线由呈环状分布的多个如权利要求1-8任一所述的c波段超宽带圆极化微带天线阵列通过相位矩阵级联组成。10.一种c波段超宽带圆极化环状多波束相控阵天线，其特征在于，所述天线环形阵面由多个如权利要求1-8任一所述的c波段超宽带圆极化微带天线阵列通过相位矩阵和射频开关切换工作，形成环阵多波束相控阵天线。

技术总结
本申请公开了一种C波段超宽带圆极化微带天线阵列及环阵多波束天线，包括功分网络和多个天线单元；天线单元用于发射和接收电磁波信号；天线功分网络用于将多个所述天线单元进行级联，构成天线阵列；天线单元包括天线叠层辐射单元和天线圆极化馈电网络；天线圆极化馈电网络与天线叠层辐射单元、天线功分网络电气连接；天线叠层辐射单元包括自上而下叠层设置的上层单元和下层单元；天线圆极化馈电网络用于对所述天线叠层辐射单元进行双馈点馈电。本发明能够有效展宽天线阻抗带宽、拓展天线圆极化轴比带宽，在所需频段内具有良好的驻波比、轴比及增益特性，解决了现有技术中的移动通信终端天线圆极化带宽窄、增益低、不能全向覆盖的问题。问题。问题。


技术研发人员：罗文凌 汪进军 罗沙 唐雨果 李静武 郑昌杰 陈晨 刘凌辉 张军 孙春芳
受保护的技术使用者：武汉中元通信股份有限公司
技术研发日：2023.06.05
技术公布日：2023/7/22