微带阵列天线的制作方法

1.本实用新型涉及天线通信技术领域，具体涉及一种微带阵列天线。


背景技术：

2.信息技术快速发展，为了更好的适应无线通信大容量、多元化的发展需求，针对天线的设计也提出更高的要求。
3.随着无线通讯技术的发展，天线作为一种无线通讯设备中必不可少的元器件，获得了广泛的应用和重要的技术进步。天线的功能是完成发射机和接收机以及空间电磁波之间的能量转换。它具有辐射方向性和极化等指标特性。极化是指辐射电磁波时其电场矢量在空间中的指向。常见的极化方向有圆极化、线极化和椭圆极化等等。根据极化的不同，可以将天线分为线极化、圆极化。通常为了在收发天线之间实现最大的功率传输，应采用极化性质相同的发射天线和接收天线。
4.目前，s波段阵列天线对于收、发频段较为接近的场景下，若将发射天线和接收天线极化为极化形式相同可以通过宽带单元组阵加双工器实现收发功能；若极化形式不同，则天线难以在同一口径下有效地工作。此时一般采用收发频段天线分口径排布设计，但该种方案会出现整个天线口径面过大、重量大的缺点，造成整个系统布局困难。
5.因此，有必要提供改进的技术方案以克服现有技术中存在的以上技术问题。


技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种微带阵列天线，通过将接收天线单元和发射天线单元交叉排列组阵，可以使得收发天线单元共天线口径面，同时采用接收馈电网络和发射馈电网络的独立设计，可以解决在有限空间内实现s波段接收频段双圆极化、而发射频段线极化的通信问题，最终实现具有高增益、低剖面以及重量轻的微带阵列天线。
7.根据本实用新型第一方面，提供了一种微带阵列天线，包括：接收天线阵列，包括多个接收天线单元，每个接收天线单元均包括形成于第一介质基板上表面的寄生圆环贴片和形成于第二介质基板上表面的主辐射圆环贴片；
8.发射天线阵列，包括多个发射天线单元，每个发射天线单元均包括形成于所述第一介质基板上表面的寄生矩形贴片和形成于所述第二介质基板上表面的主辐射矩形贴片；
9.接收馈电网络，设置于第三介质基板的上表面，分别通过馈电探针与所述多个接收天线单元连接；
10.发射馈电网络，设置于所述第二介质基板的上表面，分别与所述多个发射天线单元连接；
11.其中，所述接收天线阵列与所述发射天线阵列彼此交叉排布。
12.可选地，所述第一介质基板、所述第二介质基板和所述第三介质基板从上到下依次层叠排布；以及
13.所述微带阵列天线还包括：设置于所述第一介质基板和所述第二介质基板之间的支撑层。
14.可选地，所述支撑层的形成材料为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫。
15.可选地，每个接收天线单元内，所述寄生圆环贴片的物理中心与所述主辐射圆环贴片的物理中心位于同一竖直线上，且所述寄生圆环贴片的尺寸大于所述主辐射圆环贴片的尺寸。
16.可选地，每个发射天线单元内，所述寄生矩形贴片的尺寸大于所述主辐射矩形贴片的尺寸。
17.可选地，所述接收馈电网络包括：多个90
°
电桥和用于连接所述多个90
°
电桥的馈电走线，
18.每个90
°
电桥均通过双馈电探针对应连接一个接收天线单元中的主辐射圆环贴片，以实现正交馈电。
19.可选地，所述接收馈电网络和所述发射馈电网络的连接形式均为串并馈结合。
20.可选地，所述微带阵列天线还包括：
21.位于所述馈电探针周围的多个接地柱，用于实现接收馈电网络与金属地之间的电连接。
22.可选地，所述接收天线阵列和所述发射天线阵列均为3*3天线阵列。
23.可选地，所述接收天线阵列和所述发射天线阵列的阵列间距均为120mm
±
1mm。
24.本实用新型的有益效果是：通过将接收天线单元和发射天线单元交叉排列组阵，可以使得收发天线单元共天线口径面，同时采用接收馈电网络和发射馈电网络的独立设计，解决了在有限空间内实现s波段接收频段双圆极化、而发射频段线极化的通信问题，最终实现具有高增益、低剖面以及重量轻的微带阵列天线。
25.另一方面，本实用新型的技术方案采用发射馈电网络与主辐射贴片共面设计，以及接收馈电网络采用串并馈结合形式，左、右旋功分网络在同一层布局实现，和发射馈电网络采用串并馈、阵子反相结合形式，能够在实现走线布局的情况下降低路径较长带来的插损，进而提升阵列天线增益。
26.应当说明的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本实用新型。
附图说明
27.通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
28.图1示出根据本实用新型实施例提供的微带阵列天线的侧视图；
29.图2示出根据本实用新型实施例提供的微带阵列天线的侧视图；
30.图3示出根据本实用新型实施例提供的接收天线阵列的结构示意图；
31.图4示出根据本实用新型实施例提供的发射天线阵列的结构示意图；
32.图5示出根据本实用新型实施例提供的接收馈电网络的结构示意图；
33.图6示出根据本实用新型实施例提供的发射馈电网络的结构示意图；
34.图7示出根据本实用新型实施例提供的接收天线单元的立体结构示意图；
35.图8示出根据本实用新型实施例提供的接收天线单元的侧视图；
36.图9示出根据本实用新型实施例提供的接收天线单元的俯视图；
37.图10示出根据本实用新型实施例提供的发射天线单元的立体结构示意图；
38.图11示出根据本实用新型实施例提供的发射天线单元的侧视图；
39.图12示出根据本实用新型实施例提供的微带阵列天线在接收频段的左、右旋的端口电压驻波比仿真结果示意图；
40.图13示出根据本实用新型实施例提供的微带阵列天线在发射频段的端口电压驻波比仿真结果示意图；
41.图14示出根据本实用新型实施例提供的微带阵列天线在接收频段的左旋增益仿真结果示意图；
42.图15示出根据本实用新型实施例提供的微带阵列天线在接收频段的左旋轴比仿真结果示意图；
43.图16示出根据本实用新型实施例提供的微带阵列天线在接收频段的右旋增益仿真结果示意图；
44.图17示出根据本实用新型实施例提供的微带阵列天线在接收频段的右旋轴比仿真结果示意图；
45.图18示出根据本实用新型实施例提供的微带阵列天线在发射频段的增益仿真结果示意图。
具体实施方式
46.为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施例。但是，本实用新型可以通过不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反的，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。
47.下面，参照附图对本实用新型进行详细说明。
48.参考图1和图2，本实用新型实施例中的微带阵列天线100主要工作于s波段，且能够同时实现在接收频率和发射频率下的双频工作。微带阵列天线100包括：多个接收天线单元1、多个发射天线单元2、与多个接收天线单元1连接的接收馈电网络3，以及与多个发射天线单元2连接的发射馈电网络4。
49.同时，该微带阵列天线100由自上而下依次层叠排布的寄生辐射贴片层10、支撑层20、主辐射贴片层30、接收馈电网络层40及金属地层组成。其中，寄生辐射贴片层10包括第一介质基板和形成于该第一介质基板上的寄生辐射贴片，寄生辐射贴片包括寄生圆环贴片和寄生矩形贴片。主辐射贴片层30包括第二介质基板、形成于该第二介质基板上的主辐射贴片以及发射馈电网络4，主辐射贴片包括主辐射圆环贴片和主辐射矩形贴片。接收馈电网络层40包括第三介质基板和形成于该第三介质基板上的接收馈电网络3。本实施例中，第二介质基板和第三介质基板共用同一金属地，这样可以将接收馈电网络3和发射馈电网络4分别设置在不同的介质基板上，进而能够有效的提高天线单元的隔离度，降低耦合效应。
50.其中，第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板的形成材料相同。且示例性的，寄生辐射贴片和主辐射贴片均可选用介电常数为3.0，厚度为0.762mm的印制板腐蚀形
成。以及第一介质基板所在的寄生辐射贴片层10是寄生层，引入空气介质可以有效的降低等效介电常数，从而较好的拓展带宽，提高天线增益。
51.支撑层20位于第一介质基板和第二介质基板之间，用于为寄生辐射贴片层10和主辐射贴片层30提供支撑。示例性的，支撑层20的形成材料为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫(简称pmi泡沫)。
52.参考图7、图8和图9，本实施例中，每个接收天线单元1均通过微带形式实现，并工作于tm11模式，具体包括：位于寄生辐射贴片层10上表面的寄生圆环贴片11和位于主辐射贴片层30上表面的主辐射圆环贴片12。其中，主辐射圆环贴片12对应的内外圆半径分别为r1、r2；以及寄生圆环贴片11的物理中心与主辐射圆环贴片12的物理中心位于同一竖直线上，且寄生圆环贴片11的尺寸略大于主辐射圆环贴片12的尺寸。主辐射圆环贴片12的上方是厚度为h1的pmi泡沫，用于支撑位于顶部的寄生圆环贴片11。同时，寄生圆环贴片11和主辐射圆环贴片12均选用介电常数为3.0，厚度为0.762mm的印制板腐蚀形成。
53.主辐射圆环贴片12上设置有两个馈电点，分别通过两个馈电探针42与3db的90
°
电桥41连接进行正交馈电。每个接收天线单元1均可通过具有90
°
相位差的等幅馈电网络合成圆极化信号(包括左旋圆极化信号和右旋圆极化信号)。其中，90
°
电桥41为带状线设计，位于主辐射圆环贴片12的下方。
54.进一步地，在每一馈电探针42的周围均设置有多个接地柱43，用于实现接收馈电网络3与金属地层50间的电连接。
55.参考图10和图11，本实施例中，每个发射天线单元2均通过微带形式实现，采用微带线共面馈电长条形(即寄生矩形贴片21和主辐射矩形贴片22的宽度均对应小于一定的阈值)贴片，该长条形贴片工作于tm01模式，具体包括：位于寄生辐射贴片层10上表面的寄生矩形贴片21和位于主辐射贴片层30上表面的主辐射矩形贴片22。主辐射矩形贴片22的上方是厚度为h1的pmi泡沫，用于支撑位于顶部的寄生矩形贴片21。寄生矩形贴片21的尺寸大于主辐射矩形贴片22的尺寸，以实现更好的信号耦合。同时，寄生矩形贴片21和主辐射矩形贴片22均选用介电常数为3.0，厚度为0.762mm的印制板腐蚀形成。
56.可选地，寄生矩形贴片21的物理中心与主辐射矩形贴片22的物理中心可位于同一竖直线上，也可仅为位于同一竖直面上，即主辐射矩形贴片22相对于该竖直面与主辐射矩形贴片22的相交线左右对称。
57.进一步的，主辐射矩形贴片22直接与位于同一层结构中的发射馈电网络连接进行馈电，进而形成线极化信号。
58.本实施例中，采用寄生辐射贴片与主辐射贴片相结合的结构实现接收/发射天线单元的功能，使得寄生辐射贴片产生的电磁能量与主辐射贴片的辐射能量能够实现有效的幅相补偿，起到改善收发微带天线辐射性能的作用，具有提高安装天线罩后的远场方向图的圆度，提高微带天线电磁信号收发质量，保证射频系统安全性和可靠性的技术效果。
59.进一步地，在本实用新型一个可能的实施例中，微带阵列天线100包含有9个如图7中所示的接收天线单元1和9个如图9中所示的发射天线单元2，该9个接收天线单元1组成3*3的接收天线阵列，如图3所示，该接收天线阵列的阵列间距l1选取为120mm
±
1mm(即任意相邻的两个寄生圆环贴片或任意相邻的两个主辐射圆环贴片的物理中心间的距离)。其下层的接收馈电网络3在对应每个接收天线单元1的下方位置均设置有90
°
电桥41，该90
°
电桥41
通过贯穿第二介质基板的金属化过孔、采用馈电探针与各个接收天线单元1上的双馈电点进行正交馈电，且每个90
°
电桥41之间均通过馈电走线彼此连接，如图5所示，该接收馈电网络3采用串并馈结合的连接形式，其左旋功分网络和右旋功分网络在同一层结构中(接收馈电网络层40)布线实现，在能够实现走线布局的情况下尽量降低路径较长带来的插损，提升阵列天线增益。
60.该9个发射天线单元2组成3*3的发射天线阵列，如图4所示，该发射天线阵列的阵列间距l2选取为120mm
±
1mm(即任意相邻的两个寄生矩形贴片或任意相邻的两个主辐射矩形贴片的物理中心间的距离)。其对应的发射馈电网络4与其主辐射矩形贴片位于同一层结构中(主辐射贴片层30)，以微带共面的形式馈电给各个主辐射矩形贴片22，如图6所示，该发生馈电网络4采用串并馈结合、以及阵子反相结合的连接形式，在能够实现走线布局的情况下尽量降低路径较长带来的插损，提升阵列天线增益。
61.本实用新型中，接收天线阵列与发射天线阵列彼此之间交叉排布，如将发射天线阵列中的发射天线单元穿插在接收天线阵列中的多个接收单元中间，进而可得到如图1所示的微带阵列天线100。其中，接收天线阵列与发射天线阵列中各自对应的寄生辐射贴片和主辐射贴片均位于同一层中并彼此交叉排布，实现了双圆极化的接收天线阵列与线极化的发射天线阵列的共口径面设计。同时，发射天线阵列中，在保证对线极化信号的发射满足要求的情况下采用宽度尽可能小的长条形贴片以加大同一层结构中接收天线单元与发射天线单元间的间隙距离，改善了微带阵列天线100的隔离度，并预留了发射馈电网络4的布局空间。
62.基于上述描述，本实用新型中的微带阵列天线100可通过上述接收天线阵列工作在接收频段内，并实现对圆极化信号的接收；也可通过上述发射天线阵列工作于发射频段内，并实现对线极化的天线信号的发射，解决了在有限空间内实现s波段接收频段双圆极化、而发射频段线极化的通信问题。进一步的，该微带阵列天线100的工作原理为：
63.在接收频段内：圆极化信号经过接收天线阵列接收后，信号通过两个馈电探针输入到90
°
电桥41，再经90
°
电桥41合成一路信号从微带阵列天线100对应的连接器如射频同轴连接器输出到后端信号处理设备。
64.在发射频段内：通过连接器如射频同轴连接器向发射天线阵列输入信号，信号由发射馈电网络4经多个主辐射矩形贴片22和多个寄生矩形贴片21耦合馈电后，从而形成线极化信号从微带阵列天线100的表面发射出去。
65.进一步的，对微带阵列天线100进行仿真的结果图如图12至图18所示。
66.由图12和图13可见，微带阵列天线100在接收频段范围内和发射频段范围内的电压驻波比均小于2.0，满足工程使用要求。
67.由图14和图15可看出，微带阵列天线100在接收频段实现左旋圆极化功能的高中低频点的最小增益为17.9dbi，圆极化轴比小于1db，满足工程使用要求。
68.由图16和图17可看出，微带阵列天线100在接收频段实现右旋圆极化功能的高中低频点的最小增益为17.1dbi，圆极化轴比小于1.2db，满足工程使用要求。
69.图18可以看出，微带阵列天线100在发射频段的天线增益为17.7dbi，满足工程使用要求。
70.最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，
而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。