[发明专利]双馈双频双圆极化微带贴片天线

说明书

本发明一种公开的双馈双频双圆极化微带贴片天线，旨在提供一种频率比、天线极化方式任意的圆极化微带贴片天线。本发明通过下述技术方案予以实现：将上层贴片馈电点设置在贴片轴线上，下层贴片馈电点设置在下层方形贴片对角线上，形成两个馈电点独立馈电的双馈电形式；上层方形微带贴片对角线上切角形成微扰元，激励出两个正交且相差90°的简并模，使贴片上电流沿着贴片四组槽线顶端中心区域循环流动实现高频点圆极化，被上层微带天线贴片覆盖的下层微带天线贴片四周对角加载不等长T枝节激励出两个正交且相差90°的简并模，使贴片上电流沿着贴片边缘T型枝节循环流动实现低频点圆极化，上下两层天线同心层叠形成双频双圆极化工作状态。

技术领域

本发明涉及一种双频微带贴片天线，尤其适用于任意频率比任意极化的双馈双频双圆极化微带贴片天线。

背景技术

随着集成电路行业的发展，要求移动终端的体积进一步减小。天线作为无线通信系统中最重要的部件之一，其尺寸成为制约移动通信系统小型化的瓶颈之一。传统天线在形式和功能等方面已无法满足电子器件小型化的发展需求。另一方面，由于各种无线通信技术共存的局面决定了无线通信系统需要兼容不同的通信模式，这样系统需要多个天线来协同完成通讯任务，而移动终端空间狭小，多副天线工作时将产生严重的耦合，降低了通信质量。解决这个问题的方法是采用同一天线覆盖多个频段的方案，即多频天线技术。天线的小型化设计对于系统的小型化、集成化有非常重要的作用。天线的设计难点在于天线尺寸小、频率比任意、天线极化方式任意等。随着移动通信、雷达、空间探测和生物医学等技术领域的快速发展，微带天线如今已成为应用最广泛、技术最成熟且发展最迅速的天线类型之一。由于集成电路技术和材料领域的发展，微带天线的制作工艺得到了保证。19世纪80年代中微带天线理论已趋于成熟，同时各种形式的微带天线不断涌现。现如今，微带天线已应用于大约100MHz-100GHz的宽广频域上的大量无线电设备中，特别是在飞行器上和地面便携设备中需要圆极化/双极化、双频段的微带天线。微带天线其基片厚度与波长相比一般很小，因而能够实现一维小型化。与普通微波天线相比，微带天线剖面薄，体积小，重量轻，易共形，便于获得圆极化，其主要缺点是频带窄。基本的圆形微带天线是在介质基板上贴一层圆形金属贴片，基板的另一面是地板。基片内部的电场只有z向分量，磁场只有z分量和y分量。典型的微带天线通常是在底层为导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的。微带天线一般采用微带线或同轴电缆等馈线以侧馈或者底馈等方式进行馈电，从而在导体贴片与导体接地板之间激励起射频电磁场，并通过它们之间的缝隙辐射向外部空间。因此，微带天线也常被看作是缝隙天线的一种类型并与之归为一类。由于介质基片的厚度通常远小于天线的工作波长，因此微带天线具有剖面低、体积小、易共形等优势。此外微带天线可采用光刻工艺制造，具有低成本优势且易于大批量生产。最常见的微带天线结构是一块一面是金属接地板、另一面是金属辐射贴片的薄介质板，该金属辐射贴片最常见的为矩形贴片，也有圆形、三角形、长条型等多种形状。这种微带天线就是所谓的最为典型的微带天线，也称为微带贴片天线。在实际的应用中，经常需要双频工作。有时要求微带天线在频率间隔较大的两个频段圆极化工作。特别是在现代的移动全球定位系统中，通常要求双频之一为圆极化。但是为了进一步降低干扰，卫星通信上下行频率一般不同，两频段的圆极化旋向也不同。这就需要设计一种能够实现双频双圆极化的天线，所谓双圆极化就是指天线在两个工作频段上的圆极化旋向相反。实现圆极化的基本原理是: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°。通常而言，双频/多频天线是由两个或多个谐振单元组合在一起，其中每个谐振单元都有各自的谐振频率，只要各谐振频率间隔合理，并在各谐振频率上能够实现良好的阻抗匹配，就能通过谐振交叠技术产生双频或多频天线。目前，这种谐振交叠技术已成为双频/多频天线的主要设计方法之一。现有技术双频圆极化微带天线的设计思路有两个:一是增加单个微带天线的带宽，将需要的两个频段包含到微带天线的带宽内；另一是使微带天线工作在离散的两个频段。对频率间隔较小的双频圆极化微带来说，第一种思路是可行的，但对频率间隔较大的两个频段，这种方法显然就不可行了。后一种思路则克服了频率间隔大小这个限制，理论上，它适用于频率间隔任意大的双频圆极化微带天线。双频圆极化天线通常由工作在两个频段的单点馈电圆极化微带天线层叠起来，形成双频圆极化天线。圆极化的实现方法多种多样，传统的微带天线实现圆极化的方式主要有正交双馈、贴片切角、表面开槽等。双频圆极化天线的主要设计思路也是利用谐振交叠技术将两个不同频率下的圆极化谐振单元组合成双频圆极化天线，体现在传统微带贴片天线的设计中通常为再添加一层谐振在另一频率上的贴片构成双层贴片微带天线。而微带缝隙天线或者将微带贴片与缝隙相结合也是双频圆极化微带天线的常见实现形式。双频双圆极化天线即两个工作频段内圆极化旋向相反，因为圆极化天线可接受任意极化的来波却不能接受与其自身旋向相反的圆极化波，这种设计一方面可以进一步提高发射和接受之间的隔离，提高抗干扰能力，另一方面还能在一定程度上对频率进行复用，但由于辐射单元之间存在较强的耦合，这种天线相较双频同向圆极化天线的设计更为困难。最典型的双频双圆极化天线结构同样是将两个辐射相反旋向圆极化波的微带贴片结合构成层叠结构。目前实现单馈电双频双圆极化天线的方法主要有两种，一种是使用层叠方式，但这种方式通常会引入多种介质、多层空气层，加工不便，并且多层结构占用的空间较大。另一种方法是在圆形贴片上开槽，并采用阵列的形式实现宽带圆极化的特性或通过环形槽实现双频圆极化。层叠方式将工作频率高的微带天线放在上层，用高介电常数的介质基板；工作频率低的微带天线放在下层，用低介电常数的介质基板。下层微带天线贴片被上层微带天线贴片的基板覆盖，相当于介质覆盖的天线而形成叠层双频微带天线。介质的覆盖将对微带天线的特性阻抗、谐振频率、Q值等产生影响，主要的影响是使下层微带天线贴片的谐振频率向低频偏移。贴片天线的阻抗频带正比于介质基片的厚度h，而微带天线的介质基片厚度通常很小，因此其阻抗频带宽度的典型值通常只有百分之几，这是微带贴片天线的一个劣势。由于介质覆盖微带天线的设计十分复杂，为了完成对上层微带天线贴片的馈电，通常在下层微带天线贴片中心插入一个金属圆柱，将下层微带天线贴片的中心用金属柱短路，上层微带天线贴片的馈电探针和介质套穿过短路金属圆柱对上层微带天线贴片馈电。这些方法都在一定程度上展宽了微带天线的带宽，但是结构都比较复杂，对设计和加工都增加了一定的困难。