CN103078182B - 一种宽带背腔式微波毫米波圆极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结构简单、可靠的背腔式宽带圆极化天线方案，该天线具有频带宽、结构简单、方向图稳定的优点，易于微波至毫米波的各波段应用。该天线由线极化的激励源和背腔共同构成，激励源产生的电场和背腔轴线成一定的夹角，因此该电场可以分解为沿背腔短轴线和长轴线两个方向的相互垂直的分量，前者将激励起背腔的基模，其相位可由背腔的深度控制，再与后者相叠加便可产生宽频带圆极化辐射。

Description

一种宽带背腔式微波毫米波圆极化天线

技术领域

本发明属于无线通信技术、雷达技术领域，具体涉及一种宽带背腔式微波毫米波圆极化天线，可以用于圆极化的微波、毫米波等通信系统系统中。

背景技术

电磁波的极化是指电场在电磁波传送过程中，以何种方式运动。一般地，电磁波是椭圆极化的，线极化和圆极化为椭圆极化的两种特殊形式。对椭圆极化的电磁波而言，电场的旋转方向决定其极化方式，沿传播方向看，以顺时针方向旋转传播的电磁波称为右旋极化，以逆时针方向旋转传播的电波则称为左旋极化。

作为椭圆极化的一种特例，圆极化的电磁波在无线通信系统中有着众多的优点。一般收发系统的天线会选择相同极化方式来实现信号的传输，相比线极化天线，圆极化天线具有更优势，因为它不仅能降低多径效应的影响，具有很强抗干扰、防雨雾的能力，而且允许接收和发射天线放置方向更灵活。例如，在接收圆极化的电磁波时，圆极化天线的角度可以任意的，不会带来极化失配损耗，因此相比线极化的电磁波而言，通常有着更高的传输效率，它在实际的通信系统中已经得到了广泛的应用。例如，在C波段卫星通信中，电磁波经过大气的电离层时会产生法拉第旋转效应，从而使得信号中电场的方向发生一定的偏转，采用圆极化的电磁波就可以避免法拉第旋转效应带来的极化失配等问题。

另一方面，随着无线通信技术的发展，高数据率成为系统的主要目标之一，因此系统对工作带宽的要求也越来越高，这也对用于发射和接收电磁波的天线的带宽提出了更高的要求，因此宽带圆极化天线越来越成为高性能通信系统的首选。

目前，现有的圆极化天线形式有很多，包括微带天线、槽天线、平面或轴向螺旋天线、正交偶极子天线等等。但这些圆极化天线各具优缺点，例如微带天线的圆极化带宽较窄，如果希望实现宽带的圆极化性能，则需要采用更加复杂的馈电结构。再例如，轴向螺旋天线虽然具有很大的圆极化带宽，但在微波波段它的体积往往较大，不易于实际的应用，同时在毫米波波段也很难加工和制作。单馈点的正交偶极子天线虽然结构相对简单，但带宽很窄，馈电处的结构过于精细，也不易用于毫米波波段，而独立馈电的正交偶极子天线则需要外加的90度功分器，显著增加了天线的成本。

从以上分析可知，在实际的工程中，结构简单的宽带圆极化天线有着急切的需求和广泛的应用，本发明正是针对这一需求而提出，它不但可以实现宽带圆极化特性，同时也适用于微波、毫米波的不同频段中。

发明内容

发明目的：

本发明的目的是为了提供一种结构简单的宽带圆极化天线，降低由圆极化天线引入的系统成本和带宽限制，使之适用于射频无线局域网通讯系统、毫米波超高速无线局域网等多种微波毫米波通信系统中。该发明也可以用于构建其他军事及民用领域的阵列天线。

技术方案：

本发明所述的一种宽带背腔式微波毫米波圆极化天线，基本结构包括金属背腔以及与背腔轴线成一定角度的偶极子激励源。本发明的特点在于，偶极子激励源会产生沿偶极子轴向的电场，该电场沿背腔短轴线方向的分量会激励背腔的基模，利用背腔基模辐射的电场与偶极子电场沿背腔长轴线方向的分量，可以在垂直于背腔口径的方向上实现圆极化的性能。采用不同的偶极子形式和不同的背腔形式，经过详细优化后则可以实现不同带宽的背腔式微波毫米波圆极化天线。

本发明所构建的宽带背腔式微波毫米波圆极化天线不受偶极子激励源形式的限制，可以是细偶极子天线、印刷偶极子天线等平面天线形式，也可以是双锥天线、圆柱形偶极子天线等立体结构的天线形式。同时本发明的圆极化带宽会随着背腔的外形不同而不同，这也是与普通圆极化天线有所区别的关键之一。

有益效果：

本发明所构建的宽带背腔式微波毫米波圆极化天线，是通过背腔的基模和激励源电场与之垂直的分量一起，在背腔口径的垂直方向上形成圆极化波束的。天线的背腔不但起着天线的地板的作用，也支配着圆极化辐射的实现，具有结构简单的优势，只需要一个背腔、一个偶极子激励源和相应的馈电网络，即可以适中的尺寸实现较大的轴比带宽、稳定方向图、较高的增益以及良好的驻波比等性能，也可以方便地应用于微波、毫米波等各频段。

相比另一种结构简单的微带天线而言，其圆极化特性可以通过切角来实现，但定向辐射特性需要由较大的地面来保证，再者它的圆极化带宽非常窄，通常不到5%，不易用于宽带的通信系统中。如果采用双馈点的形式来提高圆极化带宽，则需要额外的90度功分器等组件，无疑增加了天线的复杂度和成本，同时功分器的损耗也额外降低了天线的增益。

圆极化平面螺旋天线虽然可以实现很宽的圆极化带宽，也可以通过印制电路板工艺制造，但首先它是双向辐射的，需要一个较大的地面来达到定向辐射的目的，再者其工作机理也决定了这类天线占用了很大的面积却只能实现较低的增益，一般只有几个dBi。对于轴向螺旋天线而言，虽然也可以实现很宽的圆极化带宽，但它复杂的立体结构决定了它的应用范围只能局限于微波频段，在毫米波波段会受制于加工精度、成本等多种因素，因此不易大规模应用。

其他类型的天线实现圆极化辐射也具有这样或那样的缺点，也决定了它们只能应用于一些特性的场合或特定的频率范围，因此本发明所构建的宽带背腔式微波毫米波圆极化天线具有诸多的优势。

附图说明

图1(a)是本发明的三维视图；

图1(b)是本发明的顶视图；

图2(a)是可用作本发明的平面激励源结构图示例一，细偶极子天线；

图2(b)是可用作本发明的平面激励源结构图示例二，三角形蝴蝶结偶极子天线；

图2(c)是可用作本发明的平面激励源结构图示例三，矩形蝴蝶结偶极子天线；

图2(d)是可用作本发明的平面激励源结构图示例四，扇形蝴蝶结偶极子天线；

图2(e)是可用作本发明的平面激励源结构图示例五，改进的偶极子天线；

图3(a)是可用作本发明的立体激励源结构图示例一，圆柱形偶极子天线；

图3(b)是可用作本发明的立体激励源结构图示例二，双锥天线；

图3(c)是可用作本发明的立体激励源结构图示例三，变形的双锥天线；

图4(a)是本发明中腔体结构示例之一，带椭圆柱形腔体的圆极化天线侧视图；

图4(b)是本发明中腔体结构示例之一，带椭圆柱形腔体的圆极化天线顶视图；

图5(a)是本发明中腔体结构示例之二，带双段椭圆柱形腔体的圆极化天线侧视图；

图5(b)是本发明中腔体结构示例之二，带双段椭圆柱形腔体的圆极化天线顶视图；

图6(a)是本发明中腔体结构示例之三，带椭圆柱椎体形腔体的圆极化天线侧视图；

图6(b)是本发明中腔体结构示例之三，带椭圆柱椎体形腔体的圆极化天线顶视图；

图7(a)是本发明中腔体结构示例之四，带复合椭圆腔体的圆极化天线侧视图；

图7(b)是本发明中腔体结构示例之四，带复合椭圆腔体的圆极化天线顶视图；

图8(a)是本发明外形结构示例之一，长方形或正方形天线结构侧视图；

图8(b)是本发明外形结构示例之一，长方形或正方形天线结构顶视图；

图9(a)是本发明外形结构示例之二，圆形天线结构侧视图；

图9(b)是本发明外形结构示例之二，圆形天线结构顶视图；

图10(a)是本发明外形结构示例之三，椭圆形天线结构侧视图；

图10(b)是本发明外形结构示例之三，椭圆形天线结构顶视图；

图11(a)是本发明的第一个具体实施方式示例——圆形轮廓的、带椭圆柱形背腔的圆极化平面偶极子天线俯视图；

图11(b)是本发明的第一个具体实施方式示例的剖视图；

图11(c)是本发明的第一个具体实施方式示例的平面偶极子激励源及馈电结构图；

图12是本发明的第一个具体实施方式示例的驻波比仿真和测试结果；

图13是本发明的第一个具体实施方式示例的增益和轴比仿真结果；

图14是本发明的第一个具体实施方式示例的方向图仿真结果；

图15(a)是本发明的第二个具体实施方式示例——圆形轮廓的、带椭圆柱形组合背腔的圆极化平面偶极子天线的俯视图；

图15(b)是本发明的第二个具体实施方式示例的剖视图；

图15(c)是本发明的第二个具体实施方式示例的平面蝴蝶结偶极子激励源及馈电结构图；

图16是本发明的第二个具体实施方式示例的驻波比、增益和轴比的仿真结果；

图17是本发明的第二个具体实施方式示例的方向图仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明所述的一种宽带背腔式微波毫米波圆极化天线技术方案，以椭圆背腔为例进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施示例。

图1显示了该天线10的基本结构，包括椭圆背腔101、偶极子激励源102以及高频信号源103。偶极子激励源102和椭圆背腔101的长轴有一定的角度，使前者的辐射场分解为沿椭圆背腔101长轴和短轴两个方向的分量。对椭圆背腔101而言，其基模的场分布类似于椭圆波导的主模，电场沿椭圆的短轴方向，该模式可以由偶极子激励源102激发的电场在该方向上的分量进行激励。椭圆背腔101的基模的电场和由偶极子激励源102激发的电场在椭圆长轴方向上的分量，构成一对方向正交的电场。它们的幅度和相位则可以通过椭圆背腔101的深度和偶极子激励源102放置的角度进行调节，当它们之间的相位差达到90度、幅度基本相等时，该天线便可实现良好的圆极化辐射。

图2列举了可用作本发明的多种平面偶极子激励源结构。图2(a)为平面细偶极子结构21，它的两个臂201是由两长方形构成；图2(b)为平面蝴蝶结偶极子天线22（或平面双锥天线），它的两个臂202均为三角形结构；图2(c)为改进的平面蝴蝶结偶极子23，它的两个臂203为三角形和矩形的组合结构；图2(d)为另一种平面蝴蝶结偶极子天线24（或平面双锥天线），它的两个臂204分别为一个扇形结构；图2(e)为第三种平面蝴蝶结偶极子天线25（或平面双锥天线）。这些偶极子均可在各自的中心由信号源210进行馈电。由于平面结构可以通过多种简单、可靠、低成本的方法实现，例如印制板工艺等，同时又具有高加工精度的特点，所以它们不但可以用于射频、微波波段，也可以用在毫米波、亚毫米波波段。

除了平面偶极子可以用作本发明的激励源外，多种立体结构的偶极子天线也可应用于此，图3例举了几种立体结构的偶极子激励源。图3(a)为圆柱形偶极子31，它的每个臂为一定长度的圆柱形导体301；图3(b)为圆锥形偶极子32（或称双锥天线），每个臂为有限长圆锥302；图3(c)为改进型偶极子33，每个臂303由圆柱和圆锥共同构成。这些激励源结构对称性较平面结构更好，但是在毫米波、亚毫米波波段的加工较困难，可以用于毫米波低端以下的频段。

天线背腔的形状决定着天线圆极化带宽等电气性能。图4给出了本发明中最基本的圆极化天线形式40，它由椭圆柱形背腔401和激励源402共同构成，由高频信号源410进行馈电。图5给出了发明的第一种改进型天线50，它由组合背腔501和激励源502共同构成，组合背腔501是由两段大小不同的椭圆柱形背腔构成，在电气性能方面起着拓宽天线工作带宽的作用。同样以拓宽天线工作带宽为目的的改进型天线如图6和图7所示，天线背腔分别为椭圆锥形背腔601和另一种组合背腔701，分别由激励源602和702进行激励，其中组合背腔701是由一段椭圆柱形和一段椭圆锥形共同构成。本发明中列举的背腔形状仅仅是基于本发明的思想的前提下，诸多可行的背腔方案中典型的四种，但本发明的保护范围不局限于图4至图7的四种背腔形状，也可以是其他改进型。在这几种天线背腔中，背腔401的加工较为方便，其次是背腔501、601、701，对目前的机械加工技术而言，这些背腔的实现已经完全没有技术方面的问题，且成本也较低。

本发明中的天线外形对其电气性能也有重要的影响，其轴比一定程度上也受制于不同的天线形状。图8至图10给出了几种常见的天线轮廓，分别为长方形轮廓801、圆形轮廓901、椭圆形轮廓1001，它们分别由激励源802、902、1002进行激励，三种天线的A-A'面视图分别见图8(b)、图9(b)、图10(b)。天线轮廓不局限于图8至图10所列举的三种形式，同样也可以是其他改进的形状，其中内部背腔的形状803、903、1003可以是图4、图5、图6和图7中的任何一个或其他改进的背腔形状，而激励源802、902、1002则可以是图2或图3中的任意一种结构的天线或其他改进的激励源。

图11给出了本发明的第一种具体实施方式，一个由平面偶极子激励的、带椭圆柱形背腔的宽带微波毫米波圆极化天线110。该天线为圆形轮廓1101，采用椭圆柱形背腔1102，由平面偶极子进行激励，该偶极子的两臂1103和1104分别印制在介质基片1105上的正反两面，通过一巴伦1108和微带线1106相连，微波或毫米波信号则由一同轴接头1109馈入该天线。为了方便地进行馈电，可以在椭圆柱形背腔1102的底部开一个长方形的槽1107，将微带线穿过该槽实现简单可靠的馈电结构。

图11给出的仅仅是诸多可行的馈电方式中的一种，除了采用微带线进行馈电外，本发明也可以采用波导进行馈电，通过波导—鳍线过渡对偶极子进行馈电，同时也可以将波导的场等效为偶极子的辐射场，由波导直接进行馈电。

图12给出了本发明的第一种具体实施方式的驻波比仿真和测试曲线。图中可以看出，测试结果和仿真结果吻合较好，测试的阻抗带宽略大于仿真结果，同时测试的工作频段略有下移，这是由于加工和安装误差引起的。图13给出了天线增益和轴比的仿真结果。从图12和13可以看出，该示例在53GHz至65GHz的频段内可以实现3dB以下的轴比，在该频段内增益为8.2至9.7dBi，同时驻波比仿真结果在1.8:1以下。图14给出了该天线在60GHz的方向图仿真结果，分别对应A-A'平面、垂直于A-A'的平面以及它们之间的对角面，可以看到该天线可以实现良好的右旋圆极化辐射和对称的方向图，同时在很大的角度范围内，交叉极化相当小。这些结果证明了该天线具有良好的圆极化性能。

图15给出了本发明的第二种具体实施方式，一个由平面蝴蝶结偶极子激励的、带椭圆形背腔的宽带微波毫米波圆极化天线150。该天线为圆形轮廓1501，采用组合的椭圆柱形背腔1502，由平面蝴蝶结偶极子进行激励，该偶极子的两臂1503和1504分别印制在介质基片1505上的正反两面，通过一巴伦1508和微带线1506相连，微波或毫米波信号则由一同轴接头1509馈入该天线。为了方便地进行馈电，可以在组合的椭圆柱形背腔1502的底部开一个长方形的槽1507，同样将微带线穿过该槽实现简单可靠的馈电结构。

图16是本发明的第二种具体实施方式的驻波比、轴比、增益的仿真结果。由图中可以看出，该天线在44至55GHz的频段内满足3dB轴比的圆极化指标，对应的百分比轴比带宽为22%，较第一种具体实施方式略有改善。在此频段内，同时满足驻波比小于2:1的指标，增益为7.4至9.7dBi。图17给出了该天线的方向图在45、50、55GHz的仿真结果，可以看到其方向图对称性较好，同时在很大的角度范围内交叉极化电平均很低。

Claims (9)

1.一种宽带背腔式微波毫米波圆极化天线，包括椭圆背腔、线极化激励源和相应的馈电结构；其特征在于：线极化激励源产生的电场和椭圆背腔的长轴线或短轴线形成一定的夹角，使该电场可以分解为沿椭圆背腔相互垂直的长轴线和短轴线方向上的两个分量，椭圆背腔的电场沿椭圆的短轴方向，为其基模的场分布，类似于椭圆波导的主模。

2.根据权利要求1所述的一种宽带背腔式微波毫米波圆极化天线，其特征在于：所述的沿背腔短轴线方向上的激励电场分量，其相位可以由背腔的深度进行调节，从而实现圆极化辐射所要求的相位关系。

3.根据权利要求1所述的一种宽带背腔式微波毫米波圆极化天线，其特征在于：线极化激励源是偶极子，或者是开口波导。

4.根据权利要求1所述的一种宽带背腔式微波毫米波圆极化天线，其特征在于：背腔形状不局限于椭圆柱形背腔，也可以是长方体背腔，或是组合椭圆背腔，或是组合长方形背腔。

5.根据权利要求1所述的一种宽带背腔式微波毫米波圆极化天线，其特征在于：馈电结构是同轴线，或波导，或微带线，或平行带线。

6.根据权利要求1所述的一种宽带背腔式微波毫米波圆极化天线，其特征在于：天线外形轮廓是长方形，或是正方形，或是圆形，或是椭圆形。

7.根据权利要求3所述的偶极子线极化激励源，其特征在于：偶极子激励源可以是平面偶极子，也可以是立体偶极子。

8.根据权利要求7所述的平面偶极子线极化激励源，其特征在于：平面偶极子是平面细偶极子，或是三角形蝴蝶结偶极子，或是矩形蝴蝶结偶极子，或是扇形蝴蝶结偶极子。

9.根据权利要求7所述的立体偶极子线极化激励源，其特征在于：立体偶极子是圆柱形偶极子，或是双锥形偶极子。