CN103996901A - 一种便于平面集成的高增益圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种便于平面集成的高增益圆极化天线，包括天线单元，所述天线单元包括介质基片、上金属层、下金属层和金属化通孔；所述金属化通孔分为三组阵列，第一组阵列组成谐振腔，第二组阵列组成理想金属加载结构，第三组阵列组成微扰通孔；在上金属层上设置有有限接地共面波导传输线，有限接地共面波导传输线作为天线单元的馈电结构；在下金属层上设置有辐射缝隙，所述辐射缝隙作为天线单元的辐射结构。本发明基于单层介质衬底，可使用传统商业印刷电路板工艺进行加工，加工成本低，器件尺寸紧凑，平面集成度高，适合大规模生成和大规模应用；本发明可提供远高于传统平面圆极化天线的增益，同时具有较小的尺寸，具有很好的发展和应用空间。

Description

一种便于平面集成的高增益圆极化天线
技术领域
本发明涉及一种便于平面集成的高增益圆极化天线，可应用于卫星通信及移动测控等领域，属于天线技术。
背景技术
天线是许多微波毫米波系统必不可少的组件，随着现代通信系统的快速发展，对天线的小尺寸、低成本、高平面集成度和较高的增益有着迫切的需求。传统的平面天线由于低轮廓的限制，增益无法做到很高，而传统的高增益天线通常会使用多层结构或者拥有较大的尺寸，一方面不利于与后续电路集成，另一方面也增大了加工的成本。由于现代单层PCB工艺十分成熟，在不是十分高的频段内，加工精度也十分有保证，同时加工的产品可以拥有低轮廓、小体积、高集成度的特性，有利于天线的大规模生产与应用。因此，使用单层PCB工艺的平面高增益天线在低轮廓、高集成度以及降低成本上都有很现实的意义。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种便于平面集成的高增益圆极化天线，可应用于微波毫米波天馈系统，具备良好的驻波特性、较高的法向增益、较低的交叉极化电平和较大的前后比，本发明天线可方便地扩充为阵列以增加法向定向性和减小波瓣宽度。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种便于平面集成的高增益圆极化天线，包括天线单元，所述天线单元包括介质基片、上金属层、下金属层和金属化通孔，所述金属化通孔贯穿介质基片、上下两端分别连接上金属层和下金属层；所述金属化通孔分为三组阵列，第一组阵列组成谐振腔，第二组阵列组成理想金属加载结构，第三组阵列组成微扰通孔，所述理想金属加载结构位于谐振腔内部中心位置，所述微扰通孔位于谐振腔内部起微扰作用；在上金属层上设置有有限接地共面波导(FG-CPW)传输线，所述有限接地共面波导传输线作为天线单元的馈电结构；在下金属层上设置有辐射缝隙，所述辐射缝隙作为天线单元的辐射结构。
谐振腔的尺寸由理想金属加载结构的尺寸和工作频率决定：当谐振腔中心不加载理想金属加载结构时，方形谐振腔的尺寸大概为工作频率的1/2个波长；当谐振腔内部加载理想金属加载结构后，可以显著提高天线单元的增益，但是为了保持其工作频率不变，谐振腔的尺寸需要变大，这需要对天线单元的尺寸和增益做一个权衡。为了减少由于金属化通孔带来的能量泄漏，金属化通孔的大小和通孔之间的间距也需要满足一定的关系。微扰通孔可以稍微提高天线单元的法向增益。
优选的，在上金属层上蚀刻出缝隙作为有限接地共面波导传输线，在下金属层上蚀刻出缝隙作为辐射缝隙。
优选的，该天线单元的工作模式为谐振腔的高次简并模式；谐振腔的轮廓可以设计为矩形、圆形或椭圆形等，具体尺寸根据所述高次简并模式进行计算；理想金属加载结构的轮廓根据所述高次简并模式的场型进行设计，要求不能破坏所述简并模式的场分布。
优选的，理想金属加载结构的轮廓根据所述高次简并模式的场型进行设计为曲形、矩形、圆形或其他形状。
优选的，该天线可以由天线单元在纵横方向进行拓展，形成二维天线阵列，首先纵向的天线单元以串联方式组成子阵列，然后串联后的子阵列在纵向上并联为一体，最终形成二维平面阵列；串联的功分器采用修正的威尔金森功分器，通过相应长度的接地共面波导(GCPW)传输线来弥补串联单元之间的相位差；并联的功分器采用传统的威尔金森功分器。
有益效果：本发明提供的便于平面集成的高增益圆极化天线，具有如下特点：1、整个天线单元主要有金属层和金属化通孔组成，整个结构可以用传统的PCB或LTCC工艺来实现；2、该天线单元的法向增益可达到10.2dBi，实测增益可达到9.6dBi，在现今单层平面天线结构中是十分高的；3、该天线加工方便、轮廓低、可以方便地与平面电路进行集成；4、该天线使用的是腔体结构，有效的抑制了后瓣辐射，同时，馈线和辐射单元分处介质两侧，有效的抑制了馈线带来的寄生辐射。
附图说明
图1为一种天线单元的主视结构示意图；
图2为图1所示天线单元的后视结构示意图；
图3为2×2天线单元阵列的主视结构示意图；
图4为图3所示天线单元阵列的后视结构示意图；
图5为金属化通孔的剖视结构示意图；
图6为天线仿真和测试的回波损耗|S11|；
图7为实测天线在频率6.58GHz的XOZ切面方向图；
图8为实测天线在频率6.58GHz的YOZ切面方向图；
图9为在法向方向上，实测天线随频率变化下的轴比变化关系和增益变化关系。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1、图2所示为一种便于平面集成的高增益圆极化天线的天线单元，该天线单元的工作模式为谐振腔4的高次简并模式；天线单元包括介质基片1、上金属层21、下金属层22和金属化通孔，所述金属化通孔贯穿介质基片1、上下两端分别连接上金属层21和下金属层22。
所述金属化通孔分为三组阵列，第一组阵列组成谐振腔4，第二组阵列组成理想金属加载结构5，第三组阵列组成微扰通孔6，所述理想金属加载结构5位于谐振腔4内部中心位置，所述微扰通孔6位于谐振腔4内部起微扰作用；本案中谐振腔4的轮廓设计为方形，具体尺寸根据所述高次简并模式进行计算；理想金属加载结构5的轮廓根据所述高次简并模式的场型进行设计，要求不能破坏所述简并模式的场分布，本案中设计为曲形。
在上金属层21上蚀刻出缝隙作为有限接地共面波导传输线2，所述有限接地共面波导传输线2作为天线单元的馈电结构；在下金属层22上、谐振腔4的四周蚀刻出四条宽度相同但长度不同的缝隙作为辐射缝隙3，所述辐射缝隙3作为天线单元的辐射结构。
该天线由天线单元在纵横方向进行拓展，形成天线单元的二维阵列，具体拓展方式如图3、图4所示，首先纵向的天线单元以串联方式组成子阵列，然后串联后的子阵列在纵向上并联为一体，最终形成二维平面阵列。
串联的功分器采用修正的威尔金森功分器7，通过相应长度的接地共面波导传输线9弥补串联单元之间的相位差；并联的功分器采用传统的威尔金森功分器8。
基于本发明思想，利用PCB工艺制作圆极化天线，并进行相关测试：图6为天线仿真和测试的回波损耗|S11|；图7为实测天线在频率6.58GHz的XOZ切面方向图；图8为实测天线在频率6.58GHz的YOZ切面方向图；图9为在法向方向上，实测天线随频率变化下的轴比变化关系和增益变化关系。测试表面，该天线具有很高的法向增益，较好的圆极化特性和较好的驻波特性，且轮廓低、体积小。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种便于平面集成的高增益圆极化天线，其特征在于：包括天线单元，所述天线单元包括介质基片(1)、上金属层(21)、下金属层(22)和金属化通孔，所述金属化通孔贯穿介质基片(1)、上下两端分别连接上金属层(21)和下金属层(22)；所述金属化通孔分为三组阵列，第一组阵列组成谐振腔(4)，第二组阵列组成理想金属加载结构(5)，第三组阵列组成微扰通孔(6)，所述理想金属加载结构(5)位于谐振腔(4)内部中心位置，所述微扰通孔(6)位于谐振腔(4)内部起微扰作用；在上金属层(21)上设置有有限接地共面波导传输线(2)，所述有限接地共面波导传输线(2)作为天线单元的馈电结构；在下金属层(22)上设置有辐射缝隙(3)，所述辐射缝隙(3)作为天线单元的辐射结构。
2.根据权利要求1所述的便于平面集成的高增益圆极化天线，其特征在于：在上金属层(21)上蚀刻出缝隙作为有限接地共面波导传输线(2)，在下金属层(22)上蚀刻出缝隙作为辐射缝隙(3)。
3.根据权利要求1、2所述的便于平面集成的高增益圆极化天线，其特征在于：该天线单元的工作模式为谐振腔(4)的高次简并模式；谐振腔(4)的轮廓设计为矩形、圆形或椭圆形，具体尺寸根据所述高次简并模式进行计算；理想金属加载结构(5)的轮廓根据所述高次简并模式的场型进行设计，要求不能破坏所述高次简并模式的场分布。
4.根据权利要求3所述的便于平面集成的高增益圆极化天线，其特征在于：理想金属加载结构(5)的轮廓根据所述高次简并模式的场型进行设计为曲形、矩形、圆形。
5.根据权利要求1、2、4所述的便于平面集成的高增益圆极化天线，其特征在于：该天线由天线单元在纵横方向进行拓展，形成二维天线阵列，首先纵向的天线单元以串联方式组成子阵列，然后串联后的子阵列在纵向上并联为一体，最终形成二维平面阵列；串联的功分器采用修正的威尔金森功分器(7)，通过相应长度的接地共面波导传输线(9)来弥补串联单元之间的相位差；并联的功分器采用传统的威尔金森功分器(8)。
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