CN102394376A

CN102394376A - 毫米波圆极化一维和差车载通信天线

Info

Publication number: CN102394376A
Application number: CN2011101934556A
Authority: CN
Inventors: 刘埇; 闫丕贤; 吕昕; 倪鸿宾; 孙厚军
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2011-07-12
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2031-07-12
Also published as: CN102394376B

Abstract

本发明涉及一种毫米波圆极化一维和差车载通信天线，属于天线技术领域。包括平面和差网络、耦合馈电斜缝、波导槽、金属壁、微带缝隙面、硬质支撑泡沫、微带圆极化栅和金属板；平面和差网络的和口及差口为与外部的连接端口，平面和差网络背面为波导槽，二者由耦合馈电斜缝连接；金属壁位于波导槽的两侧；平面和差网络、耦合馈电斜缝、波导槽和金属壁整体作为天线背板；金属板位于天线背板的反面，覆盖平面和差网络，微带缝隙面通过导电胶与波导槽粘合；硬质支撑泡沫位于金属壁中间并固定在其上，覆盖微带缝隙面；微带圆极化栅粘贴在硬质支撑泡沫上表面。本发明既解决了金属波导缝隙阵加工成本高、成品率低、工作带宽窄和加工周期长的缺点，又解决了微带贴片阵列天线增益低的缺点。

Description

毫米波圆极化一维和差车载通信天线

技术领域

本发明涉及一种毫米波圆极化一维和差车载通信天线，属于天线技术领域。

背景技术

随着移动卫星通信技术和汽车导航系统的迅速发展，车载智能天线系统得到了越来越多的应用，一个性能良好的车载智能天线通信、定位系统对天线具有较高要求。

金属波导缝隙天线是一种容易实现窄波束、高增益、低副瓣的天线，具有剖面低、易集成、体积小等优点，方便装载于车辆上，是一种广泛应用于通信和雷达系统的天线。传统金属波导缝隙天线阵列一般采用的是宽边驻波缝隙阵的形式，但其有着加工难度大、成品率低、加工成本高、工作带宽窄的缺点。微带贴片阵列天线也是一种具有平面型、易集成、体积小等优点的阵列天线形式，但其辐射效率低，导致增益较低。

发明内容

本发明针对现有技术的上述缺陷，针对车载通信系统的天线需求，基于传统矩形波导宽边缝隙阵的原理，提出一种毫米波圆极化一维和差车载通信天线。本发明天线体积小，与车载电子系统兼容性高，可广泛应用于各种车载通信定位系统中。

该毫米波圆极化一维和差车载通信天线，包括平面和差网络、耦合馈电斜缝、波导槽、金属壁、微带缝隙面、硬质支撑泡沫、微带圆极化栅和金属板；平面和差网络的和口及差口为与外部的连接端口，平面和差网络背面为波导槽，二者由耦合馈电斜缝连接；金属壁位于波导槽的两侧；平面和差网络、耦合馈电斜缝、波导槽和金属壁整体作为天线背板；金属板位于天线背板的反面，覆盖平面和差网络，微带缝隙面通过导电胶与波导槽粘合；硬质支撑泡沫位于金属壁中间并固定在其上，覆盖微带缝隙面；微带圆极化栅粘贴在硬质支撑泡沫上表面。

所述的平面和差网络包括和口、差口、平面魔T和弯波导槽；和口及差口通过波导与平面魔T连接，为外部连接端口，并从平面魔T分出两条馈电弯波导槽，平面和差网络将天线的两部分接收信号通过平面魔T实现矢量和差，实现水平维的和差。

所述的耦合馈电斜缝包括多个倾斜缝隙，连接波导槽以及平面和差网络；通过电磁场耦合作用实现信号在天线辐射部分与平面和差网络之间的传输。

所述的波导槽包括多个加工出的矩形直波导槽，按照天线阵列要求呈现二维对称排布，使电磁波在波导槽中实现谐振状态。

所述的金属壁包括与波导槽平行的两条金属壁；通过同时调节其高度和间距，对天线进行波束赋形，使天线波束满足俯仰、水平维的波束要求，并起到提高1～2dB增益的作用。

所述的微带缝隙面为经过印刷刻蚀工艺处理的单面介质覆铜板；其金属面加工出矩形缝隙阵列，并与波导槽紧固在一起，表面为介质层；微带缝隙面与波导槽组成天线辐射部分，将波导槽内呈谐振状态的电磁波通过缝隙辐射到自由空间，并通过介质层起到展宽天线工作带宽的作用。

所述的金属板其上制作两个孔供平面和差网络的和口及差口与外部连接使用。

所述的微带圆极化栅为经过印刷刻蚀工艺处理的单面介质覆铜板；其金属面加工出平行斜线极化栅，并与硬质支撑泡沫粘贴，表面为介质层，将线极化波转化为左旋或者右旋圆极化波，通过介质层起到展宽圆极化带宽的作用。

本发明的阵列天线发射状态的工作过程为：所需发射的电磁波信号由和口输入平面和差网络，经过平面魔T分为两路等幅同相信号，分别传入两条馈电弯波导槽；其输出信号通过耦合馈电斜缝进入波导槽中，通过波导槽和微带缝隙面向外辐射；辐射出的线极化波经过两侧的金属壁实现波束赋形；赋形后的线极化波透过微带圆极化栅产生水平和竖直方向的相位差，形成左旋或右旋圆极化波发射出去。

本发明的阵列天线接收状态的工作过程为：自由空间的电磁波到达天线表面，通过微带圆极化栅改变极化方式后，进入天线辐射部分形成导行电磁波信号；信号通过耦合馈电斜缝进入平面和差网络的两条馈电弯波导槽，其输出的两路信号经过平面魔T实现一维的矢量和差，再分别通过和口及差口输出至下一个连接器件。

有益效果

本发明是基于微带-波导集成理念提出的，使用介质微带缝隙面代替波导开缝的宽边，保证了天线具有金属波导宽边缝隙阵列的工作特性，同时实现了显著的成本降低、高成品率并提高了工作带宽；利用阵列上下平行的两条金属壁实现波束压缩和赋形，并提高了天线增益(辐射效率)；使用微带圆极化栅实现左旋或右旋圆极化；利用平面魔T实现水平维波束的和方向图与差方向图。

本发明既解决了金属波导缝隙阵加工成本高、成品率低、工作带宽窄和加工周期长的缺点，又解决了微带贴片阵列天线增益低的缺点，可以提供一种成本低、成品率高(一致性高)、工作带宽宽、加工周期短、高增益且满足和波束与差波束方向图要求的毫米波介质复合波导缝隙阵列天线；本发明涉及的天线体积小，便于车辆装载，特别适用于车载通信、定位系统。

附图说明

图1是本发明优选实施例的结构示意图；

图2是具体实施方式中阵列天线的微带缝隙面结构图；其中(a)为正面图，(b)为反面图；

图3是具体实施方式中阵列天线的微带圆极化栅结构图；其中(a)为正面图，(b)为反面图；

图4是具体实施方式中阵列天线的天线背板结构图；其中(a)为正面图，(b)为反面图；

图5是具体实施方式中阵列天线的f0±400MHz电压驻波比曲线；

图6是具体实施方式中阵列天线在f0-200MHz频点水平面和差方向图；

图7是具体实施方式中阵列天线在f0频点水平面和差方向图；

图8是具体实施方式中阵列天线在f0+200MHz频点水平面和差方向图；

图9是具体实施方式中阵列天线在f0-200MHz频点俯仰面方向图；

图10是具体实施方式中阵列天线在f0频点俯仰面方向图；

图11是具体实施方式中阵列天线在f0+200MHz频点俯仰面方向图。

标号说明：

1-微带圆极化栅，2-硬质支撑泡沫，3-微带缝隙面，4-耦合馈电斜缝，5-波导槽，6-左侧金属壁，7-右侧金属壁，8-金属板，9-平面和差网络。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

作为本发明的一种优选实施例，毫米波圆极化一维和差车载通信天线的结构如图1及图4(b)所示。本阵列天线包括微带圆极化栅1、硬质支撑泡沫2、微带缝隙面3、耦合馈电斜缝4、波导槽5、金属壁(包括左侧金属壁6和右侧金属壁7)、金属板8和平面和差网络9。

以信号接收过程为顺序，天线的结构为：微带圆极化栅1粘贴在硬质支撑泡沫2的上表面，并放置于微带缝隙面3正上方，并保证平整度；硬质支撑泡沫2的两侧分别与左侧金属壁6和右侧金属壁7固定为一体。微带缝隙面3的金属面与波导槽5粘合在一起。波导槽5的背面为平面和差网络9，二者由耦合馈电斜缝4连接。耦合馈电斜缝4、波导槽5、金属壁与平面和差网络9组成天线背板；平面和差网络9采用平面魔T和波导槽组成，由金属板8覆盖，其上保留和口及差口。

本实施例的硬质支撑泡沫2为一种可工作于24～38GHz频率、低损耗的防火介质材料，其介电常数接近于空气。将硬质泡沫2制成长方体，用环氧胶把微带圆极化栅1、硬质支撑泡沫2、左侧金属壁6和右侧金属壁7粘合在一起。

本实施例的微带圆极化栅1为Rogers5880单面介质覆铜板，如图2(a)和(b)所示，宽度为36mm，长度为229mm，介质厚度0.254mm、介电常数为2.2，覆铜厚度0.018mm，做镀金处理。其上加工的斜线栅宽度1.2mm，倾斜角45°。

本实施例的微带缝隙面3为Rogers5880单面介质覆铜板，如图3(a)和(b)所示，宽度为28mm，长度为229mm，介质厚度0.254mm、介电常数为2.2，覆铜厚度0.018mm，做镀金处理。其上加工的矩形缝隙宽度0.6mm，长度3.3mm左右。

本实施例的天线背板为铝材料，如图4(a)和(b)所示，其上下表面采用本色导电氧化或者镀银处理以起到更好的保护作用；本实施例中为本色导电氧化。天线背板长度229mm，宽度72mm，厚度为23.5mm。金属壁6高度为4.5mm，波导槽5位于金属壁6的中间，深度2.74mm，宽度5.48mm，长度104mm。耦合馈电斜缝4位于波导槽5中间，宽度0.6mm。

由图5可以看出，天线工作带宽700MHz，驻波比小于2。

将本实施例制作的阵列天线在暗室中进行测试，所得实验结果如图6到图11所示。从中可以看出，在低、中、高三个频点上，和波束水平维3dB波束宽度实现±1.5°覆盖，副瓣小于-18dB；和波束俯仰维3dB波束宽度覆盖-15°～+15°；俯仰和水平维3dB波束范围内轴比小于5dB；差波束零深优于-25dB；在去除和波束主瓣覆盖角度、副瓣电平低于-25dB不计，且水平维与天线阵面法向方向成±90°波束角内的情况下，差波束方向图对和波束方向图的波束覆盖率优于98％。

由阵列天线在暗室中测试得到的表1可以看出，在低、中、高三个频点上的测试轴比均小于5dB。

表1阵列天线测试结果

频率	f0-200MHz	f0	f0+200MHz
				轴比(dB)	3.8	3.9	4.1

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡是在本发明权利要求范围内所作的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims

1.毫米波圆极化一维和差车载通信天线，其特征在于：包括平面和差网络、耦合馈电斜缝、波导槽、金属壁、微带缝隙面、硬质支撑泡沫、微带圆极化栅和金属板；平面和差网络的和口及差口为与外部的连接端口，平面和差网络背面为波导槽，二者由耦合馈电斜缝连接；金属壁位于波导槽的两侧；平面和差网络、耦合馈电斜缝、波导槽和金属壁整体作为天线背板；金属板位于天线背板的反面，覆盖平面和差网络，微带缝隙面通过导电胶与波导槽粘合；硬质支撑泡沫位于金属壁中间并固定在其上，覆盖微带缝隙面；微带圆极化栅粘贴在硬质支撑泡沫上表面。

2.如权利要求1所述的毫米波圆极化一维和差车载通信天线，其特征在于：所述的平面和差网络包括和口、差口、平面魔T和弯波导槽；和口及差口通过波导与平面魔T连接，为外部连接端口，并从平面魔T分出两条馈电弯波导槽，平面和差网络将天线的两部分接收信号通过平面魔T实现矢量和差，实现水平维的和差。

3.如权利要求2所述的毫米波圆极化一维和差车载通信天线，其特征在于：所述的耦合馈电斜缝包括多个倾斜缝隙，连接波导槽以及平面和差网络；通过电磁场耦合作用实现信号在天线辐射部分与平面和差网络之间的传输。

4.如权利要求3所述的毫米波圆极化一维和差车载通信天线，其特征在于：所述的波导槽包括多个加工出的矩形直波导槽，按照天线阵列要求呈现二维对称排布，使电磁波在波导槽中实现谐振状态。

5.如权利要求4所述的毫米波圆极化一维和差车载通信天线，其特征在于：所述的金属壁包括与波导槽平行的两条金属壁；通过同时调节其高度和间距，对天线进行波束赋形，使天线波束满足俯仰、水平维的波束要求，并起到提高1～2dB增益的作用。

6.如权利要求5所述的毫米波圆极化一维和差车载通信天线，其特征在于：所述的微带缝隙面为经过印刷刻蚀工艺处理的单面介质覆铜板；其金属面加工出矩形缝隙阵列，并与波导槽紧固在一起，表面为介质层；微带缝隙面与波导槽组成天线辐射部分，将波导槽内呈谐振状态的电磁波通过缝隙辐射到自由空间，并通过介质层起到展宽天线工作带宽的作用。

7.如权利要求6所述的毫米波圆极化一维和差车载通信天线，其特征在于：所述的金属板其上制作两个孔供平面和差网络的和口及差口与外部连接使用。

8.如权利要求7所述的毫米波圆极化一维和差车载通信天线，其特征在于：所述的微带圆极化栅为经过印刷刻蚀工艺处理的单面介质覆铜板；其金属面加工出平行斜线极化栅，并与硬质支撑泡沫粘贴，表面为介质层，将线极化波转化为左旋或者右旋圆极化波，通过介质层起到展宽圆极化带宽的作用。