CN103779668A - 阵列天线及其圆极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列天线，其包括若干按照一定规律排列的圆极化天线，所述圆极化天线包括一平面状接地层、与接地层相平行的一辐射单元及安装在接地层上的信号传输线。所述接地层上设有一安装孔，信号传输线包括电性绝缘地经过安装孔并沿大致垂直于接地层方向延伸的中心导线以及电性连接至接地层的接地导线，辐射单元面向接地层设有供中心导线耦合的馈入点，所述阵列天线上的若干圆极化天线共享同一接地层。

Description

阵列天线及其圆极化天线

【技术领域】

本发明是关于一种圆极化天线和具有该圆极化天线的阵列天线，尤其是涉及一种用于传输毫米波的圆极化天线和具有该圆极化天线的指向性阵列天线。

【背景技术】

随着数据交换速率需求的不断提升，特别是全高清视频传输需求的出现，基于厘米波的无线传输技术已逐渐不能满足需求。从21世纪初开始，无线通讯领域对基于毫米波，特别是60GHz频段毫米波无线通讯技术的研究取得了显著的进步，相对于IEEE 802.11 a/b/g/n使用的2.4GHz频段和5GHz频段而言，60GHz频段拥有更多的可用带宽。

请参阅2010年11月9日公告的美国专利第US 7,830,312号，该专利揭示了一种应用在60GHz 频段的毫米波天线，所述毫米波天线包括平行设置的第一衬底及第二衬底，第一衬底及第二衬底上分别设有阵列天线。为了使分别位于第一衬底及第二衬底上的阵列天线之间耦合在一起，该毫米波天线采用了若干由金属材料构成的通孔连接在两者之间，这种组装方法首先要求将第一衬底及第二衬底上的若干阵列天线与若干通孔分别对齐，这种通过金属线路实现不同平面之间信号传输的阵列天线组装过程较为复杂。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种结构简单，衰减量小的阵列天线。

为了实现上述目的，本发明提供一种阵列天线，其包括一平面状接地层，与接地层平行设置的一信号辐射体及一信号传输线，所述接地层上设有一安装孔，信号传输线包括中心导线及电性连接至接地层的接地导线，所述中心导线电性绝缘地经过所述安装孔沿大致垂直于接地层方向朝信号辐射体延伸，信号辐射体包括若干间隔设置并平行于接地层的辐射单元，所述辐射单元朝接地层垂直延伸设有与中心导线耦合的辐射柱。

所述信号辐射体还包括设置在接地层与辐射单元之间的反射层，反射层上设有若干通孔可容纳辐射柱通过。

所述接地层与反射层的周边围设有将两者相连的金属侧缘，接地层、反射层及金属侧缘三者大致构成一封闭的辐射空间。

所述辐射单元大致成圆形并于该圆形的周边设有一对对称的凹口，所述若干辐射单元位于同一平面。

所述辐射柱偏离辐射单元的中心并与中心导线平行。

辐射柱设置在以中心导线为轴心的圆周上，与中心导线距离相同的若干辐射柱将其所在的圆周等分。

与中心导线距离相同的辐射柱具有相同的长度。

所述辐射柱的长度随着离中心导线的距离增加而增加，但始终辐射单元与接地层之间的距离。

本发明的目的还在于提供一种结构简单的阵列圆极化天线。

为了实现上述目的，本发明提供一种圆极化天线，其包括一平面状接地层，与接地层平行设置的一辐射单元，及一信号传输线，所述接地层设有一安装孔，信号传输线包括电性绝缘地经过安装孔并沿大致垂直于接地层方向延伸的中心导线以及电性连接至接地层的接地导线，所述辐射单元面向接地层设有供中心导线耦合的馈入点。

所述辐射单元大致成圆形并于该圆形的周边设有一对对称的凹口，所述辐射单元偏离其中心垂直延伸设有辐射柱，所述馈入点系位于辐射柱上。

相较于现有技术，本发明所揭示的阵列天线及其圆极化天线因具有简单的结构而易于组装，且具有在较大的带宽范围内衰减量小的优点。

【附图说明】

图1为符合本发明圆极化天线的立体分解图。

图2为图1所示圆极化天线轴化比率随操作频率变化的模拟曲线图。

图3为图1所示圆极化天线的峰值增益与操作频率之间的关系示意图。

图4为图1所示圆极化天线的辐射场型图。

图5为图1所示圆极化天线的史密斯图(Smith Chart)。

图6为图1所示圆极化天线的回波损耗随操作频率变化的模拟曲线图。

图7为符合本发明第一实施方式的阵列天线的立体分解图。

图8为图7所示阵列天线另一视角的立体分解图。

图9为图7所示阵列天线的仰视图。

图10为图9所示阵列天线沿A-A方向的剖视图。

图11为图7所示阵列天线的轴化比率随操作频率变化的模拟曲线图。

图12为图7所示阵列天线的峰值增益与操作频率之间的关系示意图。

图13为符合本发明第二实施方式的阵列天线的仰视图。

图14为符合本发明第三实施方式的阵列天线的仰视图。

图15为图13及图14所示不同阵列天线轴化比率随操作频率变化对比图。

图16为图13及图14所示不同阵列天线峰值增益随操作频率变化曲线对比图。

图17为符合本发明第四实施方式的阵列天线的仰视图。

图18为图17所示阵列天线的轴化比率随操作频率变化的模拟曲线图。

图19为图17所示阵列天线的峰值增益与操作频率之间的关系示意图。

图20为符合本发明第五实施方式的阵列天线的仰视图。

图21为图20所示阵列天线的轴化比率随操作频率变化的模拟曲线图。

图22为图20所示阵列天线的峰值增益与操作频率之间的关系示意图。

图23为符合本发明第六实施方式的阵列天线的仰视图。

图24为符合本发明第七实施方式的阵列天线的仰视图。

图25为图23所示符合本发明第六实施方式的阵列天线的侧视图。

图26为图23及图24所示不同阵列天线的轴化比率随操作频率变化的模拟曲线图。

图27为图23及图24所示不同阵列天线的峰值增益随操作频率变化的模拟曲线图。

【具体实施方式】

本发明所揭示的圆极化天线及其阵列天线工作于极高频无线网络用以收发60GHz频段对应的毫米波信号。如图1所示为符合本发明的圆极化天线100包括一由片状金属构成的平面状接地层40、与接地层40相平行的一辐射单元30及安装在接地层40上的信号传输线5。

所述接地层40上设有安装孔401，信号传输线5包括经过该安装孔401的中心导线51、电性连接至接地层40的接地导线52、位于接地导线52与中心导线51之间的第一绝缘层53及包覆在接地导线52外的第二绝缘层50，中心导线51沿大致垂直于接地层40的方向朝辐射单元30延伸。

所述辐射单元30大致成片状的圆形并在其周边设有一对凹口302，该凹口302沿辐射单元30的中心对称设置。辐射单元30偏离其中心朝接地层40垂直延伸设有辐射柱311。高频信号直接从辐射柱311上的任意位置作为馈入点输入，中心导线51与辐射柱311中间不需要波导。中心导线51与辐射柱311均系由柱状金属构成，是以，中心导线51的末端直接与辐射单元30电性接触以替代辐射柱311也能形成圆极化天线(未图示)。

图2所示为圆极化天线100在主波束方向上的轴化比率与操作频率之间关系的模拟曲线图，从图中可以看出，单一的辐射单元30在约为59.35 GHz 至60.70 GHz之间的频段内，其主波束方向上的轴化比率低于2 dB，也可以理解为本发明所揭示的圆极化天线100对应轴化比率为2 dB的频宽约为1.35 GHz。

图3所示为圆极化天线100的峰值增益（Peak Gain）在50 GHz至70 GHz频段内的模拟曲线图，其中测试曲线801为理论峰值增益，测试曲线802 系为计算反射损失后的峰值增益，从图中可以看出，符合本发明的辐射单元30在增益为10以上具有较宽的频宽。

图4所示为圆极化天线100的辐射场型模拟曲线，其中测试曲线803为水平面上的辐射场型示意曲线，测试曲线804是竖直方向上的辐射场型示意曲线，可见，符合本发明的辐射单元30在整个空间上均具有较好的辐射效果。图5所示为圆极化天线100在60 GHz频段左右的史密斯图(Smith Chart)，图6所示为圆极化天线100在50 GHz至70 GHz 频段的回波损耗与频率的关系模拟曲线图，从第6图可看出，该圆极化天线100对应天线的回波损耗小于-10 dB的频宽大约从57.7 GHz到67.8 GHz。

请参考图7至图10，综合所示为符合本发明所提供的第一实施方式的阵列天线1000，所述阵列天线1000包括一接地层40、与接地层40相平行的一信号辐射体200及安装在接地层40上的信号传输线5。为了获得较好的收发效果，本实施方式中，接地层40系来自一接地辐射体400。

所述接地辐射体400包括所述接地层40以及自接地层40整个周边朝信号辐射体200延伸的环状侧缘42，环状侧缘42内部形成一空腔60，接地辐射体400还包括填充在空腔60内的绝缘材料41。绝缘材料41朝信号辐射体200开设有若干固持孔410，然，绝缘材料41作为一种波导载体并非系本发明的必要特征，在其它实施方式中本发明还可选择性地使用空气作为波导。

信号辐射体200包括间隔设置在以中心导线51为轴心的第一圆周(未图示)上的六个辐射单元30，以及设置在接地层40与辐射单元30之间的一反射层20，所述反射层20上对应辐射单元30设有若干通孔201，所述辐射单元30朝接地层40延伸设有穿过通孔201的辐射柱301，辐射柱301被设置成在空间上与中心导线51平行耦合。反射层20与所述接地层40及其环状侧缘42构成一大致封闭的空间以减少高频信号的散逸损失，有益于辐射柱301及中心导线51之间的信号传输。优选地，该等六个辐射单元30的辐射柱301将所述第一圆周等分为六份。

如图11所示为阵列天线1000在其主波束方向上的轴化比率与天线操作频率之间关系的模拟曲线图，从图中可以看出，阵列天线1000在约为59.20 GHz 至60.85 GHz之间的频段内，其主波束方向上的轴化比率低于2 dB。结合图2可以看出，将六个辐射单元30阵列所得的阵列天线1000对应轴化比率为2 dB的频宽相对于圆极化天线100对应轴化比率为2 dB的频宽增加了0.3 GHz，该改善从图12中可以更为明显的看出，图12是符合本发明阵列天线1000的峰值增益（Peak Gain）在50 GHz至70 GHz频段内的仿真图，其中测试曲线805为理论峰值增益，测试曲线806表示包括反射损失在内的增益值，明显地，第一实施方式的增益为10的频宽几乎占据了除66 GHz至67 GHz频段以外的整个50 GHz至70 GHz频段。

如图13所示为符合本发明的第二实施方式的仰视图，是在第一实施方式的基础上增加十二个辐射单元23形成在阵列天线1000的外围以获得阵列天线2000，辐射单元23设置在以中心导线51为圆心的第二圆周上(未图示)，辐射单元23的辐射柱231将所述第二圆周十二等分。所述辐射单元23与所述辐射单元30形状大小相同，但所延伸出的辐射柱231长度稍大于辐射柱301的长度，长度关系可参考图25。辐射单元23具有与辐射单元30的凹口302相同大小的对称设置的一对凹口232，所述凹口302与凹口232的开口方向一致。

图14是符合本发明的第三实施方式的仰视图，该实施方式所揭示的阵列天线2001是在第二实施方式的基础上将凹口232的指向调整为与凹口302垂直，其余特征与第二实施方式中的阵列天线2000相同。

图15是本发明第二实施方式所揭示的阵列天线2000及第三实施方式所揭示的阵列天线2001的轴化比率与天线操作频率之间关系的仿真曲线对比图，其中测试曲线901是对应第二实施方式的阵列天线2000，测试曲线902对应第三实施方式的阵列天线2001，籍此可以看出，第三实施方式在轴化比率小于2 dB的频宽上优于第二实施方式。图16是符合本发明的第二实施方式与第三实施方式在57 GHz至63 GHz频段内的增益曲线对比图，其中测试曲线903是第二实施方式的增益随频率变化图，测试曲线904是第三实施方式的增益随频率变化图。

第图17是符合本发明的第四实施方式的仰视图，在第二实施方式的基础上增加十八个辐射单元33形成在第二实施方式的外围以形成阵列天线3000，辐射单元33设置在以中心导线51为圆心的第三圆周上(未图示)，辐射单元33同样设有偏离中心的辐射柱331并将所述第三圆周十八等分。所述辐射单元33与所述辐射单元30及辐射单元23的形状大小相同，但是，所延伸出的辐射柱331长度稍大于辐射柱231的长度，可直接参考图25所示的长度关系。辐射单元33具有与辐射单元30的凹口302相同大小且对称设置的一对凹口332，所述阵列天线3000上的凹口332与凹口232及凹口302的开口方向一致。

图18是符合本发明第四实施方式的阵列天线3000的轴化比率与操作频率之间的模拟曲线图，图19是符合本发明第四实施方式的阵列天线3000的峰值增益在57 GHz至63 GHz频段内随频率变化的模拟曲线图，可见第四实施方式在57 GHz至63 GHz频段上的增益可以达到16以上。

如图20所示，为符合本发明第五实施方式的阵列天线3001，是从第四实施方式中，调整第二圆周上的辐射单元23的凹口232的指向至与凹口302及凹口332的指向垂直所得。与阵列天线3000相比，第五实施方式是将位于中间第二圆周上的辐射单元23的凹口232绕辐射柱231旋转即可实现，但是，籍此调整，可获得更为理想的阵列天线。图21是第五实施方式所描述的阵列天线3001的轴化比率随频率变化的模拟曲线图，将图21与图18比较可明显看出，经过凹口232指向改变之后的阵列天线轴化比率可以在57 GHz至63 GHz频段内整体降低到4dB以下。图22是第五实施方式的峰值增益在57 GHz至63 GHz频段内随频率变化的仿真图，可见第五实施方式在57 GHz至63 GHz频段上的增益可以进一步提高到22以上。

图23所示为符合本发明第六实施方式的阵列天线4000，阵列天线4000是在第四实施方式的基础上再增加二十四个辐射单元43，辐射单元43设置在以中心导线51为圆心的第四圆周上(未图示)，辐射单元43设有偏离中心的辐射柱431并将所述第四圆周等分为二十四份。所述辐射单元43与所述辐射单元30的形状大小相同，所延伸出的辐射柱431长度稍大于辐射柱331的长度但始终小于辐射单元43与接地层40之间的距离，为更清楚的体现出阵列天线5000的内部结构，在图25中将环状侧缘42消除或隐藏，但是，容易想到的是，在符合本发明的各实施例中，空腔60以周边封闭屏蔽为最佳选择。所述辐射单元43具有与辐射单元30上的凹口302相同大小且对称设置的一对凹口432，所述凹口432的指向平行于凹口332、凹口232及凹口302的指向。

图24是符合本发明第七实施方式的阵列天线5000，是由第六实施方式改良所得，是将阵列天线4000中第四圆周（未图示）上的辐射单元43绕辐射柱431旋转至凹口432的开口方向垂直于凹口332的开口方向，同时，将第二圆周上的辐射单元23绕辐射柱231旋转至凹口232的开口方向垂直于凹口302的开口方向，其中凹口302的开口方向是与凹口332的开口方向平行。

图26是符合本发明第六实施方式及第七实施方式的轴化比率与天线操作频率之间关系的模拟曲线对比图，其中测试曲线905是对应阵列天线4000，测试曲线906对应阵列天线5000，从该图中可以看出，阵列天线5000在轴化比率小于2 dB的频宽上优于阵列天线4000。图27是符合本发明第六实施方式及第七实施方式的天线在57 GHz至63 GHz频段内的增益曲线仿真图，其中测试曲线907是阵列天线4000的增益随频率变化图，测试曲线908是阵列天线5000的增益随频率变化图，由图可见，第七实施方式的阵列天线5000在57 GHz至63 GHz频段内增益值均大于23优于第六实施方式的阵列天线4000。

综合以上实施方式的测试结果可以预见，阵列的辐射单元越多，天线的效果越好。相比现有技术，本发明所揭示的阵列天线结构简单，衰减量小。在极高频无线网络中，具有较好的增益效果及较理想的带宽。

Claims (10)

1.一种阵列天线，其包括一平面状接地层，与接地层平行设置的一信号辐射体及一信号传输线，所述接地层上设有一安装孔，信号传输线包括中心导线及电性连接至接地层的接地导线，其特征在于，所述中心导线电性绝缘地经过所述安装孔沿大致垂直于接地层方向朝信号辐射体延伸，信号辐射体包括若干间隔设置并平行于接地层的辐射单元，所述辐射单元朝接地层垂直延伸设有与中心导线耦合的辐射柱。

2.如权利要求1所述的阵列天线，其特征在于：所述信号辐射体还包括设置在接地层与辐射单元之间的反射层，反射层上设有若干通孔可容纳辐射柱通过。

3.如权利要求2所述的阵列天线，其特征在于：所述接地层与反射层的周边围设有将两者相连的金属侧缘，接地层、反射层及金属侧缘三者大致构成一封闭的辐射空间。

4.如权利要求1所述的阵列天线，其特征在于：所述辐射单元大致成圆形并于该圆形的周边设有一对对称的凹口，所述若干辐射单元位于同一平面。

5.如权利要求1所述的阵列天线，其特征在于：所述辐射柱偏离辐射单元的中心并与中心导线平行。

6.如权利要求1所述的阵列天线，其特征在于：所述辐射柱设置在以中心导线为轴心的圆周上，与中心导线距离相同的若干辐射柱将其所在的圆周等分。

7.如权利要求1所述的阵列天线，其特征在于：与中心导线距离相同的辐射柱具有相同的长度。

8.如权利要求7所述的阵列天线，其特征在于：所述辐射柱的长度随着离中心导线的距离增加而增加，但始终小于辐射单元与接地层之间的距离。

9.一种圆极化天线，其包括一平面状接地层，与接地层平行设置的一辐射单元，及一信号传输线，所述接地层设有一安装孔，信号传输线包括电性绝缘地经过安装孔并沿大致垂直于接地层方向延伸的中心导线以及电性连接至接地层的接地导线，其特征在于：辐射单元面向接地层设有供中心导线耦合的馈入点。

10.如权利要求9所述的圆极化天线，其特征在于：所述辐射单元大致成圆形并于该圆形的周边设有一对对称的凹口，所述辐射单元偏离其中心垂直延伸设有辐射柱，所述馈入点系位于辐射柱上。

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