一种自解耦的圆极化滤波天线阵列

1.本发明属于无线通信技术领域，涉及天线设计，特别涉及一种自解耦的圆极化滤波天线阵列。


背景技术：

2.在卫星通信领域，圆极化天线因其可抑制雨雾的去极化效应和抗多径反射效应，而被广泛地应用于该领域。不同应用场合会对圆极化天线的性能提出某些特殊要求，比如宽波束、宽频带、高增益、较高的低仰角增益等。与此同时，圆极化天线阵列在不增加去耦合结构的情况下，会产生过多的同频干扰，影响阵列排布的密集程度，从而导致系统整体的体积增加，引入不必要的损耗。因此在增加天线数量的同时保证天线阵列良好的工作性能是天线阵列设计的难点之一，也是目前亟待解决的问题。


技术实现要素：

3.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种自解耦的圆极化滤波天线阵列，以解决现有的圆极化天线阵列性能与在排布紧凑的情况下实现端口间高隔离的问题。通过激励特殊的贴片天线结构使特定位置的电场强度减弱，实现端口间的高隔离；添加了寄生贴片提高天线工作带宽并提高天线高频滤波性能；在辐射贴片上添加了u型缝隙来提高天线的低频滤波特性，从而最终实现带通滤波效果，保证了较低的异频对系统的影响。
4.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
5.一种自解耦的圆极化滤波天线阵列，包括介质基板、寄生贴片基板、系统地板和若干天线单元；
6.每个所述天线单元包含两层结构，第一层为印刷于介质基板上的辐射贴片及其馈电贴片，所述辐射贴片与其馈电贴片形成微带贴片圆极化天线，二者之间留有缝隙，整体采用耦合馈电的方式；第二层为印刷于一个寄生贴片基板上的寄生贴片；
7.所述系统地板印刷于介质基板的下表面，所述寄生贴片基板平行设置于介质基板上方，与辐射贴片之间存有空气间隙，所述寄生贴片位于所述辐射贴片的正上方，二者中心相互对齐。
8.在一个实施例中，所述介质基板为矩形，所述寄生贴片基板为矩形，各寄生贴片基板依次相邻。
9.在一个实施例中，各所述辐射贴片沿x方向居中放置在介质基板上；每个所述寄生贴片居中放置在其寄生贴片基板上。
10.在一个实施例中，所述辐射贴片与寄生贴片的大小和形状均相同，均具有对称长度的切角。
11.在一个实施例中，各所述天线单元沿y方向水平排列，相邻天线单元的馈电端口间距等于0.53倍谐振频率波长。
12.在一个实施例中，所述辐射贴片采用耦合馈电的方式，其上有一个沿y轴对称的u型缝隙一，u型缝隙一总长度等于0.44倍的谐振频率波长；所述寄生贴片上有一个沿y轴对称的u型缝隙二，u型缝隙二的总长度等于0.29倍的谐振频率波长。
13.在一个实施例中，所述u型缝隙一和所述u型缝隙二的u型结构端部均向内侧延伸一段距离。
14.在一个实施例中，所述介质基板和寄生贴片基板的材质均为rogers rt5870，厚度分别为3.175mm和1.5mm，两者间空气间隙高度为4.4mm。
15.在一个实施例中，天线工作频率范围为3.29ghz-3.9ghz，相邻端口隔离度均小于-18db，在3.43ghz-3.52ghz频率范围相邻端口隔离度小于-27db，在3.38ghz-3.50ghz频率范围内天线轴比值小于-3db。
16.在一个实施例中，所述天线用于卫星导航抗干扰。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
18.本发明通过辐射贴片和馈电结构可产生两条耦合路径，在特定区域达到相反的相位和相等得振幅，将天线b放置于天线a的弱场区域中，可实现无需去耦结构的天线阵列抗同频干扰，实现天线单元之间得高隔离；同时添加寄生贴片与u型缝隙，减小异频对天线系统的影响，从而不增加额外滤波电路实现滤波效果。研究成果可为保障卫星导航装备的抗干扰能力和精准能力提供关键技术支撑。
19.该天线覆盖n78频段，具有抗异频干扰、天线之间隔离度高的优点，适用于卫星导航抗干扰领域。
附图说明
20.图1为本发明结构示意图。
21.图2为本发明辐射贴片的结构示意图。
22.图3为本发明寄生贴片的结构示意图。
23.图4为本发明传输系数曲线图。
24.图5为本发明反射系数与增益曲线图。
25.图6为本发明天线轴比值图。
26.图中：1、端口a；2、端口b；3、端口c；4、端口d；11、介质基板；12、系统地板；13、辐射贴片；14、馈电贴片；15、辐射贴片上u型缝隙；21、寄生贴片基板；22、寄生贴片；23、寄生贴片上u型缝隙。
具体实施方式
27.为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。
28.如前所述，针对现有天线阵列设计过程中解耦结构对天线辐射造成二次影响的问题，为实现抗干扰天线阵列辐射解耦一体化，本发明提供了一种基于弱场自解耦的圆极化滤波天线阵列，如图1所示，其主要包括介质基板11、系统地板12、寄生贴片基板21和若干天线单元。其中系统地板12印刷于介质基板11的下表面，其面积与介质基板11下表面面积相同。图1中示出了4个天线单元。
29.本发明各天线单元的结构相同，每个天线单元包含两层结构，第一层为印刷于介质基板11上的微带贴片圆极化天线，微带贴片圆极化天线由辐射贴片13及其馈电贴片14形成，辐射贴片13与其馈电贴片14之间留有缝隙，整体采用耦合馈电的方式；相邻天线单元的馈电端口间距相等。第二层为印刷于一个寄生贴片基板21上表面的寄生贴片22。
30.本发明天线单元采用两层结构，辐射单元从馈电结构获取能量，能量一部分会耦合给寄生贴片22，寄生贴片22接收到能量之后就会辐射到空间中，所以两个单元都具有辐射作用，会产生两个谐振点，这两个谐振点之间的距离以及它们的大小会影响天线的阻抗带宽。
31.寄生贴片基板21平行设置于介质基板11上方，与辐射贴片13之间存有空气间隙，其中，寄生贴片22位于辐射贴片13的正上方，二者中心相互对齐。改变空气间隙的高度可以调整谐振点位置，改变天线的阻抗带宽。
32.在图1所示的结构中，示出了4个天线单元的端口，分别为端口a1、端口b2、端口c3和端口d4。端口a1是天线单元a的端口，端口b2是天线单元b的端口。
33.示例地，介质基板11和寄生贴片基板21的材质均为rogers rt5870，厚度分别为3.175mm和1.5mm，两者间的空气间隙高度为4.4mm。
34.本发明实施例中，各天线单元沿y方向水平排列，相邻天线单元的馈电端口间距等于0.53倍谐振频率波长，馈电结构和辐射贴片产生的耦合路径在该处实现等辐反向的抵消。介质基板11和寄生贴片基板21均为矩形，各辐射贴片13沿x方向居中放置在介质基板11上；每个寄生贴片22居中放置在其寄生贴片基板21上，各寄生贴片基板21依次相邻。
35.容易理解，本发明的辐射贴片13最好与寄生贴片22的大小和形状均相同，示例地，二者外形为具有对称长度切角的矩形形状，作用是实现圆极化，需要产生两个空间上正交的线极化电场分量，并使二者振幅相等，相位相差90
°
，对称长度的切角使相位一个超前45
°
，另一个滞后45
°
，在远区辐射场就能产生圆极化辐射。
36.优选地，两个u型缝隙分别为蚀刻在辐射贴片13与寄生贴片22表面，同时辐射贴片13与寄生贴片22。具体可参考图2和图3，辐射贴片13采用耦合馈电的方式，其上有一个沿y轴对称的u型缝隙一15，u型缝隙一15总长度lx等于0.44倍的谐振频率波长。寄生贴片22上则有一个沿y轴对称的u型缝隙二23，u型缝隙二23的总长度lx等于0.29倍的谐振频率波长。
37.u型缝隙一15的作用是根据辐射相消原理，缝隙内外两侧电流方向相反，在远场会相互抵消，反映在增益曲线上就会产生增益零点。当增益零点靠近增益的通带边缘时，边带滚降率就会提高，从而优化滚降特性，实现低频处的滤波效果。
38.u型缝隙二23的作用同样时根据辐射相消原理，但是是在寄生贴片上实现，因为添加寄生贴片本身会在高频段引入谐振点，所以u型缝隙23主要是影响天线的高频段的滤波特性。
39.在本发明的实施例中，u型缝隙一15和u型缝隙二23的一种具体结构，其u型结构端部均向内侧延伸一段距离，作用是改变缝隙内外电流流向，从而实现在远场的相互抵消。
40.本发明实施例中，其他结构尺寸见表1所示：
41.表1
[0042][0043][0044]
其中：l0为介质基板11的长度，l1为辐射贴片13的长度，l2为辐射贴片13的宽度，l3为馈电贴片14近辐射贴片长边长度，l4为端口左侧馈电贴片长度，l5为端口右侧馈电贴片长度，l6为寄生贴片基板21的长度，l7为寄生贴片基板21的宽度，l8为寄生贴片22的长度，l9为寄生贴片22的宽度，l10为u型缝隙一15的长边长度，l11为u型缝隙二23的长边长度，w0为介质基板1的宽度，w1为馈电贴片14与辐射贴片13间的缝隙宽度，w2为馈电贴片14近辐射贴片长边宽度，w3为u型缝隙一15的缝隙宽度，w4为u型缝隙一15的宽边长度，w5为u型缝隙一15的开口处边长，w6为u型缝隙二23的缝隙宽度，w7为u型缝隙二23的宽边长度，w8为u型缝隙二23的开口处边长。
[0045]
本发明通过对通过辐射贴片和馈电结构可产生两条耦合路径，在特定区域达到相反的相位和相等的振幅，将天线单元b放置于天线单元a的弱场区域中，可实现无需去耦结构的天线阵列抗同频干扰，实现天线单元之间的高隔离；同时，蚀刻在辐射贴片与寄生贴片上的u型缝隙分别在低频与高频处产生增益零点，可减小异频对天线系统的影响，从而实现整体抗异频干扰。
[0046]
该天线覆盖n78频段，具有抗异频干扰、高隔离度的优点，适合用于卫星导航抗干扰领域。
[0047]
本发明的效果可结合仿真结果作进一步说明：
[0048]
如图4所示，为本实施例一种基于弱场自解耦的圆极化滤波天线阵列的传输系数图。其中|s
21
|为天线端口a1对端口b2的正向传输系数；|s
32
|为天线端口b2对端口c3的正向传输系数；|s
43
|为天线端口c3对端口d4的正向传输系数。显然，在工作频率3.29ghz-3.9ghz内，相邻端口隔离度均小于-18db，在3.43ghz-3.52ghz频率范围内相邻端口隔离度小于-27db。
[0049]
如图5所示，为本实施例一种基于弱场自解耦的圆极化滤波天线阵列的反射系数系数与增益曲线图。其中|s
11
|为天线端口a的反射系数，工作频带为3.29ghz-3.9ghz；|s
22
|为天线端口b的反射系数，工作频带为3.31-3.92ghz；|s
33
|为天线端口c的反射系数，工作频带为3.26-3.96ghz；|s
44
|为天线端口d的反射系数，工作频带为3.23-3.91ghz。由增益图可以看出，工作频带内平均增益约为6dbic，峰值增益6.7dbic，出现在3.45ghz。同时，系统整体具有明显的带外抑制，实现了滤波效果。
[0050]
如图6所示，为本实施例一种基于弱场自解耦的圆极化滤波天线阵列的轴比值曲线图。在3.38ghz-3.50ghz频率范围内天线轴比值低于-3db。
[0051]
综上，本发明的天线阵列具有高隔离、抗异频干扰、排布紧凑等优点，同时，在无额外解耦结构和无额外滤波电路的情况下完成设计，一定程度上减小了天线阵列的尺寸，适用于卫星导航抗干扰领域。
[0052]
以上对本发明所提供的一种基于弱场自解耦的圆极化滤波天线阵列的进行了详细介绍，并应用了详细的结构设计参数对本发明的原理及实施方式进行了阐述及实现。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。