一种轻质异构高增益圆极化贴片天线阵列及其设计方法

本发明属于无线通信天线，具体涉及一种轻质异构高增益圆极化贴片天线阵列及其设计方法。

背景技术：

1、随着反无人机技术的迅猛发展，其在航拍、测绘及低空物流等领域的应用日益广泛。5.8ghz是无人机高清图传与控制链路的核心频段。然而，现有的机载天线难以兼顾物理形貌与辐射性能。传统全向或低增益机载天线辐射距离有限，难以满足远航图传需求；而传统高增益定向天线结构笨重、剖面过高，不仅大幅增加无人机负重，更会破坏机身空气动力学特性，严重影响飞行稳定性与续航。常规微带天线虽能降低剖面，但受限于板材表面波干扰与介质损耗，导致带内增益波动剧烈。

2、因此，如何在维持小型化、轻质化、低剖面的同时，在反无人机5.8ghz频段内提供平稳高增益，是反无人机前端天线领域亟待解决的工程技术瓶颈。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种轻质异构高增益圆极化贴片天线阵列及其设计方法，解决了现有技术中的问题。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种圆极化贴片天线阵列，包括：

4、地板；

5、第一扇形贴片和第二扇形贴片，设置于所述地板的上方，所述第一扇形贴片的圆心角小于所述第二扇形贴片的圆心角；所述第二扇形贴片相对于所述第一扇形贴片围绕天线中心轴线旋转90°呈正交分布；

6、馈电网络，设置于所述地板的下方；所述馈电网络分别与所述第一扇形贴片和所述第二扇形贴片连接，所述馈电网络根据输入的射频信号，分别为所述第一扇形贴片和所述第二扇形贴片提供具有90°相位差的激励信号；

7、其中，所述第一扇形贴片与所述地板之间设有第一介质层，所述第一介质层包括位于上方的介质一和位于下方且与所述地板相邻的空气介质二；所述第二扇形贴片与所述地板之间设有第二介质层，所述第二介质层包括位于上方的介质三和位于下方且与所述地板相邻的所述空气介质二；所述介质一的相对介电常数大于所述介质三的相对介电常数；

8、进一步地，所述第一扇形贴片和所述第二扇形贴片的圆心角均位于180°至350°之间，且所述第二扇形贴片的圆心角与所述第一扇形贴片的圆心角的差值大于15°。

9、进一步地，所述天线阵列还包括金属短路销钉，分别连接于所述第一扇形贴片与所述地板之间，以及所述第二扇形贴片与所述地板之间，作为所述第一扇形贴片和所述第二扇形贴片悬空于所述空气介质二上方的机械支撑结构。

10、进一步地，所述馈电网络包括一分二的t型微带功分网络和微带延迟线，所述微带延迟线的电长度为天线工作中心频率的四分之一波长；输入信号的相位通过所述微带延迟线进行配置；

11、所述馈电网络配置为：使输入至所述第一扇形贴片的信号滞后于所述第二扇形贴片的信号90°相位，以形成左旋圆极化辐射；或者，使输入至所述第一扇形贴片的信号超前于所述第二扇形贴片的信号90°相位，以形成右旋圆极化辐射。

12、进一步地，所述馈电网络通过不同的同轴探针分别穿过所述地板和所述空气介质二，与所述第一扇形贴片和所述第二扇形贴片馈电连接。

13、进一步地，所述第二扇形贴片距离所述地板的高度不小于所述第一扇形贴片距离所述地板的高度。

14、进一步地，所述第一扇形贴片与所述第二扇形贴片的高度差不大于天线工作中心频率对应自由空间波长的0.015倍。

15、进一步地，所述天线阵列的总体剖面高度不大于天线工作中心频率对应自由空间波长的0.07倍。

16、进一步地，所述第一扇形贴片与所述第二扇形贴片的中心间距为工作中心频率对应自由空间波长的0.7-1倍。

17、上述的圆极化贴片天线阵列的设计方法，包括以下步骤：

18、构建地板以及位于所述地板下方的馈电网络；

19、在所述地板的上方配置圆心角不同的第一扇形贴片和第二扇形贴片，使圆心角较大的所述第二扇形贴片相对于圆心角较小的所述第一扇形贴片围绕天线中心轴线旋转90°呈正交分布；

20、在所述第一扇形贴片与所述地板之间配置包含介质一和空气介质二的第一介质层，在所述第二扇形贴片与所述地板之间配置包含介质三和所述空气介质二的第二介质层；

21、根据所述第一扇形贴片与所述第二扇形贴片的圆心角差异，设置所述介质一的相对介电常数大于所述介质三的相对介电常数，以缩小不同圆心角扇形贴片间的物理尺寸差距；

22、配置所述馈电网络穿过所述地板与所述空气介质二，分别与所述第一扇形贴片和所述第二扇形贴片实现馈电连接，并基于一分二功分结构与四分之一波长延迟线，为所述第一扇形贴片和所述第二扇形贴片提供具有90°相位差的射频信号。

23、本发明的有益效果：

24、1、本发明在辐射贴片下方采用了分层的悬置微带结构，引入了空气介质二，并将天线的总体剖面高度控制在不大于工作中心频率自由空间波长0.07倍的范围内；通过用空气层替换大部分实心介质板，（应该是用实心介质板替换大部分空气层）这种结构有效降低了天线的等效介电常数，从而减少了介质损耗和表面波干扰。基于仿真结果显示，天线在工作频段内增益稳定保持在8.6dbi（左旋）或9.3dbi（右旋）以上。该设计在有效抑制常规微带天线增益波动的同时，维持了轻质和低剖面特性，避免了对无人机飞行（用在反无人机）稳定性和续航的负面影响。

25、2、本发明采用了圆心角不同的第一扇形贴片（较小）和第二扇形贴片（较大）来构建异构辐射层；为了平衡两者，限定第一扇形贴片下方的介质一的相对介电常数大于第二扇形贴片下方介质三的相对介电常数（实施例中介质一为相对介电常数4.4的fr4，介质三为空气）。较高介电常数的材料会产生慢波效应；根据这一原理，介质一增加了圆心角较小的第一扇形贴片的电长度，弥补了其物理面积较小带来的谐振偏移。这种材料特性与物理形状的协同设计，成功缩小了不同圆心角扇形贴片天线之间的物理尺寸差距，有利于阵列的紧凑布局与整体天线的小型化。

26、3、本发明使用了顺序旋转馈电技术，将第二扇形贴片相对于第一扇形贴片围绕中心轴线旋转90°呈轴对称分布；同时，底层的馈电网络基于四分之一波长的微带延迟线，为两个贴片提供相同的功率和相差90°的相位差。空间上的90°正交布局与馈电信号上的90°相位差相结合，能够有效激发出圆极化波。根据实施例的测试曲线，这种异构加顺序旋转的设计使天线在5.42ghz至6.35ghz（左旋）等较宽的频段内保持良好的阻抗匹配，并且其轴比小于3db的频段成功覆盖了反无人机5.8ghz的核心工作频段，保障了复杂通信链路中的抗干扰能力。

27、4、本发明的悬置微带结构中，导电支撑件采用了金属短路销钉，分别连接第一、第二扇形贴片与下方地板；并且底层能量分配采用了结构简单的一分二t型微带功分网络；由于空气层缺乏实体支撑，大面积的薄膜贴片容易发生形变或塌陷；金属短路销钉的引入不仅提供了必要的机械支撑刚性，保证了悬置空气层厚度的结构稳定性（金属短路销钉还有调节阻抗匹配，抑制不想要的模式的作用），还与简单的一分二微带功分网络相配合，显著降低了加工装配的难度与制造成本，提升了该天线在工程批量制造中的实用性。