CN107196067B - 近场耦合极化器实现圆极化背腔波导缝隙阵列天线 - Google Patents
近场耦合极化器实现圆极化背腔波导缝隙阵列天线 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于通讯技术领域，具体为一种近场耦合极化器实现圆极化背腔波导缝隙阵列天线。该天线阵由两部分组成，下端为高增益、低剖面的线极化背腔波导缝隙阵，上端为双寄生切角贴片极化器。切角贴片极化器由两个切角寄生贴片组成，每两个贴片之间用金属通孔电连接的金属带进行隔离；所述线极化背腔波导缝隙阵由同轴接口、馈电波导网络、耦合缝隙、谐振腔、辐射缝隙和支撑柱组成；极化器和天线阵面之间通过与下端天线一体加工的周期性金属支柱支撑，装配方便，结构紧凑，不需要引入额外的损耗材料，最大限度的保留了原波导背腔天线低损高增益的特点；另外还能共同起到抑制极化器介质基片与空气接触面间的表面波，有效的提高天线的性能。
Description
技术领域
本发明属于通讯技术领域，具体涉及一种圆极化的固定波束天线阵列，尤其涉及一种由切角贴片圆极化器将线极化的背腔波导缝隙阵转化为圆极化阵列。
背景技术
圆极化天线因其极化偏转损失小，且在反射后会发生极化反转而能有效的抑制多径效应带来的干扰，因此圆极化天线被广泛地应用在无线通讯领域。随着无线通讯的快速发展，各种各样的圆极化天线被设计了出来，如螺旋天线、交叉偶极子天线、贴片天线等。而贴片天线又因其加工简单、结构紧凑、及剖面的特点而受到了了广泛的关注，先后发展除了各种形式的圆极化贴片天线。
贴片天线的介质损耗和辐射损耗非常大，从而导致贴片天线的效率较低。与贴片天线相比波导缝隙天线因其低损耗高增益而得到了广泛的应用，但是传统的用于通讯领域的波导缝隙阵都采用串联馈电的方式，故其带宽都较窄，限制了通讯带宽的进一步提高。因此人们提出了各种方法来提高波导缝隙阵的带宽，如在单层波导结构中利用中心馈电和部分并联馈电的方式代替端馈来提高缝隙阵列的带宽，但是这样不仅会降低天线口径面的利用率，还会抬高栅瓣而使天线的增益降低。为了解决这样的问题，多层波导的结构被提了出来，多层波导中将馈电网络放在下层，而辐射缝隙放在上层，馈电网络通过耦合缝隙将能量传递给辐射波导，这样在设计上便有了更多的灵活性，可以在不降低天线效率的情况下使天线的带宽得到有效的提高。
传统的极化器一般放置在距缝隙l/5处，用泡沫材料进行支撑，泡沫材料的使用会增加天线的损耗，且不易安装。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单，装配方便，性能优异的基于线极化背腔波导缝隙阵和近场耦合双贴片极化器的圆极化阵列天线。
本发明提供的近场耦合极化器实现圆极化背腔波导缝隙阵列天线，主体由切角贴片极化器和在切角贴片极化器下方的线极化背腔波导缝隙阵两部分组成。
所述切角贴片极化器，由两个切角寄生贴片组成，每两个贴片之间用金属通孔电连接的金属带进行隔离，以减少寄生贴片之间的耦合，其与下端的周期性金属支撑柱配合，一同起到抑制表面波的作用；所述线极化背腔波导缝隙阵，由同轴接口、馈电波导网络、耦合缝隙、谐振腔、辐射缝隙和支撑柱组成。其中：
所述谐振腔为正方形的腔体，在谐振腔内部有两组分隔壁，将谐振腔等分为四个部分，每个部分上方开一个辐射缝隙，同时该分隔壁还起到抑制谐振腔中高阶模式的作用，每个谐振腔下壁的正中间开一个耦合缝隙，用于给谐振腔馈电；
所述辐射缝隙每四个组成一组，位于一个谐振腔的上方，谐振腔对该组的四个辐射缝隙进行同相等幅的馈电；
所述耦合缝隙在馈电波导的上方，取馈电波导的最大偏置，以便能够最大限度的将馈电波导中的能量耦合到谐振腔中。
所述馈电波导采用全并联的结构，以便增加天线的带宽，馈电波导通过波导同轴匹配段直接用同轴电缆进行馈电。
本发明中，所述切角寄生贴片由切除了四角的双矩形贴片组成，贴片的数量可以只有一个，也可以有多个，当有多个贴片时，贴片沿辐射缝隙的纵向排列。该寄生贴片采用介质基片作为支撑柱，用传统的pcb工艺加工。
所述切角寄生贴片的轴线与下端辐射缝隙的轴线之间倾斜有一定的角度，该倾斜角度一般为35-55°，典型的为 45°。
所述每组切角寄生贴片之间用金属通孔电连接的金属带进行隔离。
所述周期性的金属支撑柱在辐射缝隙之间，与辐射缝隙层用数控机床一体加工。
所述同轴接口与阶梯匹配段直接相连，阶梯匹配段与下端的线极化背腔波导缝隙阵一体加工，同轴接口可以通过直接插拔的方式进行电连接和电脱连接。
所述周期性金属支撑柱与辐射阵面一体加工，并在支撑柱上钻螺纹孔，用于固定上端的圆极化器。
本发明中，极化器与天线阵面之间的距离为l/10左右，l为天线中心频段的波长。极化器直接用与下端线极化阵面一体加工的周期性金属柱支撑，结构简单，装配方便，且最大限度的保留了线极化背腔缝隙阵宽带宽、高增益和低剖面的优点。另外利用优化设计的周期性金属柱与极化器上的金属条隔离带还能共同起到抑制极化器介质基片与空气接触面间的表面波，有效的提高天线的性能。
附图说明
图1为圆极化背腔波导缝隙阵列天线的示意图。
图2为2×2子阵的爆炸示意图。
图3为极化器的结构示意图，其中，（a）为正面示意图，（b）为背面示意图。
图4为8×8圆极化天线阵在j=0°时，左旋圆极化和右旋圆极化的方向图。
图5为8×8圆极化天线阵在j=90°时，左旋圆极化和右旋圆极化的方向图。
图6为加了表面波抑制结构和没有加表面波抑制结构2×2子阵的电压驻波比对比图。
图7为8×8圆极化天线阵轴比。
图8为8×8圆极化天线阵电压驻波比。
图中标号：1为同轴接口，2为波导馈电网络，3为耦合缝隙，4为谐振腔，5为辐射缝隙，6为金属支撑柱，7为切角圆极化器。
具体实施方式
如图1所示为圆极化背腔缝隙阵的结构示意图，该天线阵由同轴接口1，波导馈电网络2，耦合缝隙3，谐振腔4，辐射缝隙5金属支撑柱6和切角圆极化器7七个部分组成。下端金属结构由数控机床进行加工，上端的切角圆极化器则用传统的PCB工艺进行加工。
如图2所示为2×2子阵的爆炸示意图，下端的金属结构由四层组成，同轴接口和波导馈电网络为一层，耦合缝隙为一层，谐振腔为一层，辐射缝隙和金属支撑柱为一层。加工时，先用数控机床分别加工这四层的结构，然后再将它们焊接到一块。上端的切角贴片圆极化器则直接由传统的PCB工艺进行加工，最后通过螺丝与下端的线极化背腔缝隙阵连接在一块。
如图3所示为切角圆极化贴片的示意图，该圆极化贴片由两个切了角的寄生贴片组成，贴片相对辐射缝隙倾斜一定的角度，该角度一般为45°左右。每两个贴片与两个贴片之间用金属通孔电连接的金属带条进行隔离。
如表Ⅰ和表Ⅱ所示为本例给出的结构的具体参数。
如图6所示为加了金属隔离带和没加金属隔离带情况下，周期边界条件下2×2子阵的电压驻波图，可见金属隔离带抑制了圆极化器介质板与空气接触面之间的表面波，提高了阵列的性能。
如图4、5所示为8×8圆极化天线阵分别在j=0°和j=90°时天线阵列左旋圆极化和右旋圆极化的方向图。
如图7、8所示分别为8×8阵列的轴比和电压驻波比随频率变化的示意图。
表 I
线极化背腔缝隙波导参数
表II
极化器参数
。
Claims (5)
1.近场耦合极化器实现圆极化背腔波导缝隙阵列天线，其特征在于，主体由切角贴片极化器和在切角贴片极化器下方的线极化背腔波导缝隙阵两部分组成；
所述切角贴片极化器，由两个切角寄生贴片组成，每两个贴片之间用金属通孔电连接的金属带进行隔离，其与下端的周期性金属支撑柱配合，一同起到抑制表面波的作用；所述线极化背腔波导缝隙阵由同轴接口、馈电波导网络、耦合缝隙、谐振腔、辐射缝隙和支撑柱组成；其中，
所述谐振腔为正方形的腔体，在谐振腔内部有两组分隔壁，将谐振腔等分为四个部分，每个部分上方开一个辐射缝隙，同时该分隔壁还起到抑制谐振腔中高阶模式的作用，每个谐振腔下壁的正中间开一个耦合缝隙，用于给谐振腔馈电；
所述辐射缝隙每四个组成一组，位于一个谐振腔的上方，谐振腔对该组的四个辐射缝隙进行同相等幅的馈电；
所述耦合缝隙在馈电波导的上方，取馈电波导的最大偏置，以便能够最大限度的将馈电波导中的能量耦合到谐振腔中；
所述馈电波导采用全并联的结构，以便增加天线的带宽，馈电波导通过波导同轴匹配段直接用同轴电缆进行馈电；
所述切角寄生贴片由切除了四角的双矩形贴片组成，贴片的数量为一个，或多个；当有多个贴片时，贴片沿辐射缝隙的纵向排列；
所述切角寄生贴片的轴线与下端辐射缝隙的轴线之间有一倾斜角度，该倾斜角度为35-55°。
2.根据权利要求1所述的近场耦合极化器实现圆极化背腔波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述周期性的金属支撑柱在辐射缝隙之间，与辐射缝隙层用数控机床一体加工。
3.根据权利要求1所述的近场耦合极化器实现圆极化背腔波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述同轴接口与阶梯匹配段直接相连，阶梯匹配段与下端的线极化背腔波导缝隙阵一体加工，同轴接口通过直接插拔的方式进行电连接和电脱连接。
4.根据权利要求1所述的近场耦合极化器实现圆极化背腔波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述周期性金属支撑柱与辐射阵面一体加工，并在支撑柱上钻螺纹孔，用于固定上端的圆极化器。
5.根据权利要求1所述的近场耦合极化器实现圆极化背腔波导缝隙阵列天线，其特征在于，极化器与天线阵面之间的距离为l/10，l为天线中心频段的波长。
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| GR01 | Patent grant | ||
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