CN105609934A - 一种太赫兹圆极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种太赫兹圆极化天线，包括：固定支架；信号输入端；天线单元，天线单元包括：四个单元片，且四个单元片以十字交叉的形式固定连接在固定支架上；两个90度相移器，两个90度相移器的一端分别和四个单元片中位于同一平面上的两个单元片通过馈线连接，且两个90度相移器的另一端及另两个位于同一平面上的单元片通过馈线与信号输入端连接。本发明的方案能够使信号以圆极化的形式输出，避免了接收端出现交叉极化损耗，实现了宽频域工作和更好地收发耦合。

Description

一种太赫兹圆极化天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种太赫兹圆极化天线。

背景技术

随着现有通信频段资源的日益稀缺，通信的容量和速度要求迅速发展，人们将目光投向了太赫兹频段，太赫兹频段近来在生物医学，雷达探测，无线通信等领域有了长足的发展。太赫兹天线的发展和设计思路来看，主要从以下三方面开展：一是将传统天线按照频率进行比例缩放；二是对平面天线的介质层做消除表面波效应处理；三是用新型电磁材料来设计天线。

然而，现在的缩放天线，如喇叭、微带贴片天线，都属于窄带形式，不能充分利用太赫兹的宽广频域资源。此外，虽然有消除表面波的处理，但由于一般采取的都是驻波天线，高频电流在介质中反复震荡，会产生高的介质损耗。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种太赫兹圆极化天线，能够使信号以圆极化的形式输出，避免接收端出现交叉极化损耗，实现宽频域工作和更好地收发耦合。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

依据本发明的一个方面，提供了一种太赫兹圆极化天线，包括：

固定支架；

信号输入端；

天线单元，所述天线单元包括：四个单元片，且所述四个单元片以十字交叉的形式固定连接在所述固定支架上；

两个90度相移器，所述两个90度相移器的一端分别和所述四个单元片中位于同一平面上的两个单元片通过馈线连接，且所述两个90度相移器的另一端及另两个位于同一平面上的单元片通过所述馈线与所述信号输入端连接。

其中，所述固定支架为高阻电磁支架。

其中，所述馈线包括：主馈线、第一分支馈线、第二分支馈线、第三分支馈线和第四分支馈线，且所述第一分支馈线与第二分支馈线构成一矩形，所述第三分支馈线与第四分支馈线构成一矩形；

其中，所述主馈线为所述信号输入端，所述第一分支馈线上连接有一90度相移器，所述第二分支馈线上连接有另一90度相移器，且所述第一分支馈线、第二分支馈线、第三分支馈线和第四分支馈线的一端分别与一单元片连接，所述第一分支馈线、第二分支馈线、第三分支馈线和第四分支馈线的另一端均与所述主馈线连接。

其中，所述单元片包括第一金属贴片层、第二金属贴片层和第三金属贴片层，所述第一金属贴片层和第三金属贴片层为接地层，所述第二金属贴片层为中心导带层。

其中，所述第一金属贴片层、第二金属贴片层及第三金属贴片层上的曲线结构的一侧均开设多排扼流槽，且所述第一金属贴片层、第二金属贴片层及第三金属贴片层上的多排扼流槽在纵向方向上对齐，且位于同一平面上的两个单元片上的所述扼流槽关于所述固定支架对称。

其中，所述单元片包括两层金属贴片层，且其中一层金属贴片层为接地层，另外一层金属贴片层为中心导带层。

其中，所述两层金属贴片层上的曲线结构的一侧均开设多排扼流槽，且所述两层金属贴片层上的多排扼流槽在纵向方向上对齐，且所述位于同一平面上的两个单元片上的所述扼流槽关于所述固定支架对称。

本发明的有益效果是：

本发明的太赫兹圆极化天线，采用天线单元为组成核心，该天线单元属于Vivaldi行波天线，且行波天线的特点是将天线上电流以行波分布的方式在天线上传播，使天线上的电流呈行波态，能量在行进过程中全部或大部分辐射到空间中。又由于该天线单元末端的匹配负载的存在，所以使得本发明的太赫兹圆极化天线很好地抑制了反射波的出现，从而减少了波在介质中反复震荡现象，进而减小了介质损耗。

由于天线以行波状态工作，所以当频率变化时，本发明的太赫兹圆极化天线的输入阻抗近似不变，辐射方向图的变化也非常小，因此带宽较宽，进而实现了对太赫兹频域资源的充分利用。

此外，天线单元的四个单元片以十字交叉的形式固定连接在固定支架上，使得横纵单元馈源信号相位正交，在天线前方，信号能够以圆极化的形式输出，便于太赫兹天线收发耦合，避免了交叉极化损耗。

进一步地，固定支架为高阻电磁支架，使得能够很好地阻止各单元片之间的表面波耦合影响。

进一步地，馈线以矩形方式连接，使得本发明的太赫兹圆极化天线在实际的制作工艺及相关参数的计算过程及方法更加简单。

进一步地，天线单元的单元片包括三层金属贴片层，使得作为接地层的第一金属贴片层和第三金属贴片层分别与导带层输出的波矢量在垂直金属贴片方向的分量上，能够相互抵消，从而进一步地避免单个单元片输出信号的交叉电平出现。

进一步地，在任一个金属贴片层上的曲线结构的一侧均开设多排扼流槽，能够抑制由于终端匹配不理想而产生的回波现象，使能量输出率提高。

附图说明

图1表示本发明实施例的太赫兹圆极化天线的结构示意图；

图2表示本发明实施例中的天线单元的结构示意图；

图3表示本发明实施例中的天线单元的左视图；

图4表示本发明实施例中的天线单元的主视图；

图5表示本发明实施例中的单元片的分层解析图；

图6表示本发明实施例中太赫兹圆极化天线的馈线原理图；

图7表示本发明实施例中的单元片回波损耗图；

图8表示本发明实施例的太赫兹圆极化天线的160吉赫兹频点远场方向图。

其中图中：1、固定支架；2、信号输入端；3、天线单元；4、单元片；5、90度相移器；6、主馈线；7、第一分支馈线；8、第二分支馈线；9、第三分支馈线；10、第四分支馈线；401、第一金属贴片层；402、第二金属贴片层；403、第三金属贴片层；11、扼流槽；12、曲线结构。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

依据本发明实施例的一个方面，提供了一种太赫兹圆极化天线，如图1和图2所示，该太赫兹圆极化天线包括：

固定支架1；

信号输入端2；

天线单元3，所述天线单元3包括：四个单元片4，且所述四个单元片4以十字交叉的形式固定连接在所述固定支架1上；

两个90度相移器5，所述两个90度相移器5的一端分别和所述四个单元片4中位于同一平面上的两个单元片4通过馈线连接，且所述两个90度相移器5的另一端及另两个位于同一平面上的单元片4通过所述馈线与所述信号输入端2连接。

本发明实施例的太赫兹圆极化天线，以天线单元3为核心。由于该天线单元3属于Vivaldi行波天线，且行波天线的特点是将天线上电流以行波分布的方式在天线上传播。使天线上的电流呈行波态，能量在行进过程中全部或大部分辐射到空间中。又由于该天线单元3末端的匹配负载的存在，所以使得本发明的圆极化天线很好地抑制了反射波，从而减少了波在介质中反复震荡的现象，进而减小了介质损耗。

由于天线以行波状态工作，所以当频率变化时，本发明的圆极化天线的输入阻抗近似不变，辐射方向图的变化也非常小，因此带宽较宽，进而实现了对太赫兹频域资源的充分利用。

此外，天线单元的四个单元片以十字交叉的形式固定连接在固定支架上，使得横纵单元馈源信号相位正交，在天线前方，信号能够以圆极化的形式输出，便于太赫兹天线收发耦合，避免了交叉极化损耗。

可选地，固定支架1为高阻电磁支架，使得能够很好地阻止各单元之间的表面波耦合影响。

可选地，如图1所示，所述馈线包括：主馈线6、第一分支馈线7、第二分支馈线8、第三分支馈线9和第四分支馈线10，且所述第一分支馈线7与第二分支馈线8构成一矩形，所述第三分支馈线9与第四分支馈线10构成一矩形；

其中，所述主馈线6为所述信号输入端2，所述第一分支馈线7上连接有一90度相移器5，所述第二分支馈线8上连接有另一90度相移器5，且所述第一分支馈线7、第二分支馈线8、第三分支馈线9和第四分支馈线10的一端分别与一所述单元片4连接，所述第一分支馈线7、第二分支馈线8、第三分支馈线9和第四分支馈线10的另一端均与所述主馈线6连接。

本发明实施例的太赫兹圆极化天线，馈线以规则的矩形方式连接，使得本发明的太赫兹圆极化天线的实际制作工艺及相关参数的计算过程及方法更加简单。当然，可以理解的是，本发明实施例的太赫兹圆极化天线并不限于此馈线构成矩形，还可根据具体实际情况来设定。

可选地，如图3～5所示，所述单元片4包括第一金属贴片层401、第二金属贴片层402和第三金属贴片层403，该单元片4则呈对踵结构。其中，所述第一金属贴片层401和第三金属贴片层403为接地层，所述第二金属贴片层402为中心导带层。该三层金属贴片层结构的单元片，使得作为接地层的第一金属贴片层401和第三金属贴片层403能够分别与第二金属贴片层402输出的波矢量在垂直金属贴片方向的分量上，相互抵消，从而进一步地避免单个单元片输出信号的交叉电平出现。具体地，如图5所示，第一金属贴片层401、第二金属贴片层402及第三金属贴片层403的具体形状为图中矩形框内曲线构成的形状，其中第二金属贴片层402的端面可见图4中所示。

可选地，如图3和图5所示，所述第一金属贴片层401、第二金属贴片层402及第三金属贴片层403上的曲线结构12的一侧均开设多排扼流槽11，且所述第一金属贴片层401、第二金属贴片层402及第三金属贴片层403上的多排扼流槽11在纵向方向上对齐，且所述位于同一平面上的两个单元片4上的所述扼流槽11关于所述固定支架1对称。

本发明实施例的太赫兹圆极化天线中开设的扼流槽11，即为在金属贴片层的光滑曲线处开设了几个缺口，使其不光滑，从而使得电流不能沿着金属边通畅的流动，实现抑制由于终端匹配不理想而产生的回波现象，最终使能量输出率提高。

当然可以理解的是，本发明实施例的太赫兹圆极化天线中，天线单元3的单元片4具体包括几层金属贴片层，并不限于此。还可采用包括两层金属贴片层的单元片4，且其中一层金属贴片层为接地层，另外一层金属贴片层为中心导带层。

可选地，该两层金属贴片层上的曲线结构12的一侧均开设多排扼流槽11，且所述两层金属贴片层上的多排扼流槽11在纵向方向上对齐，且所述位于同一平面上的两个单元片4上的所述扼流槽11关于所述固定支架1对称。

当本发明实施例的太赫兹圆极化天线在信号输入端2存在输入信号时，如图6所示，该输入信号通过主馈线6等幅均分为四等分，分别传输进入四个单元片。其中，进入到90°相移器的信号发生转换，产生正交信号，从而使得横、纵信号分量合成输出圆极化波。

如图7所示，本发明实施例的太赫兹圆极化天线的单元片4的回波损耗曲线尖锐，可达到近30吉赫兹的通带，并且对阻带的抑制效果良好。

此外，由图8可知，本发明实施例的太赫兹圆极化天线在160吉赫兹频点远场方向图中，主瓣增益可达13分贝(dB)以上，半功率角约15°，副瓣电平小于-5dB。由此可见本发明实施例的太赫兹圆极化天线方向性强，集束性能好，辐射能力强。

以上所述的是本优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明所述的原理前提下还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种太赫兹圆极化天线，其特征在于，包括：

固定支架；

信号输入端；

天线单元，所述天线单元包括：四个单元片，且所述四个单元片以十字交叉的形式固定连接在所述固定支架上；

两个90度相移器，所述两个90度相移器的一端分别和所述四个单元片中位于同一平面上的两个单元片通过馈线连接，且所述两个90度相移器的另一端及另两个位于同一平面上的单元片通过所述馈线与所述信号输入端连接。

2.如权利要求1所述的太赫兹圆极化天线，其特征在于，所述固定支架为高阻电磁支架。

3.如权利要求1所述的太赫兹圆极化天线，其特征在于，所述馈线包括：主馈线、第一分支馈线、第二分支馈线、第三分支馈线和第四分支馈线，且所述第一分支馈线与第二分支馈线构成一矩形，所述第三分支馈线与第四分支馈线构成一矩形；

其中，所述主馈线为所述信号输入端，所述第一分支馈线上连接有一90度相移器，所述第二分支馈线上连接有另一90度相移器，且所述第一分支馈线、第二分支馈线、第三分支馈线和第四分支馈线的一端分别与一单元片连接，所述第一分支馈线、第二分支馈线、第三分支馈线和第四分支馈线的另一端均与所述主馈线连接。

4.如权利要求1所述的太赫兹圆极化天线，其特征在于，所述单元片包括第一金属贴片层、第二金属贴片层和第三金属贴片层，所述第一金属贴片层和第三金属贴片层为接地层，所述第二金属贴片层为中心导带层。

5.如权利要求4所述的太赫兹圆极化天线，其特征在于，所述第一金属贴片层、第二金属贴片层及第三金属贴片层上的曲线结构的一侧均开设多排扼流槽，且所述第一金属贴片层、第二金属贴片层及第三金属贴片层上的多排扼流槽在纵向方向上对齐，且位于同一平面上的两个单元片上的所述扼流槽关于所述固定支架对称。

6.如权利要求1所述的太赫兹圆极化天线，其特征在于，所述单元片包括两层金属贴片层，且其中一层金属贴片层为接地层，另外一层金属贴片层为中心导带层。

7.如权利要求6所述的太赫兹圆极化天线，其特征在于，所述两层金属贴片层上的曲线结构的一侧均开设多排扼流槽，且所述两层金属贴片层上的多排扼流槽在纵向方向上对齐，且所述位于同一平面上的两个单元片上的所述扼流槽关于所述固定支架对称。