CN107331974B - 一种基于脊间隙波导的圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于天线技术领域，公开了一种基于脊间隙波导的圆极化天线，由下到上依次设置馈电网络层和辐射层；馈电网络层包括下金属地板、周期性排列的金属销钉、功率分配金属脊传输结构和4个通孔；功率分配金属脊传输结构根据4个缝隙天线单元的排列方式提供两两相位差180度的相位输出；缝隙辐射层包括上盖金属板，四个带枝节的环形缝隙以及4个通孔；四个带枝节的环形开槽缝隙中心对称分布，四个缝隙天线单元分别辐射圆极化波并组成2×2圆极化天线阵列。天线的阻抗带宽达到24.5％，轴比带宽达到了11.4％，频带内增益也能满足实际应用的需要，在同类天线中处于较高水平，满足了实际应用中对于结构简单、体积小、易加工天线的要求。

Description

一种基于脊间隙波导的圆极化天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种基于脊间隙波导的圆极化天线。
背景技术
随着微波技术向着更高频段发展，微波器件越来越趋于小型化，集成化和量产化。金属波导元件由于体积大、成本高以及调试过程复杂等问题，其应用受到了严重制约，微带电路虽然结构紧凑、体积小、造价低，但是工作在高频带时其电磁辐射比较严重，传输损耗比较大。脊间隙波导结构作为一种新型的电磁传输结构，其结构是通过在平行板波导一个平板面上的金属脊周围布局周期性电磁带隙构成，当上层金属板距离电磁带隙表面小于四分之一波长时，由于电磁带隙的特性，电磁波不能在其中传播，只在金属脊方向以准TEM模传播，且在很宽的频带内将其它模式截止。由于传输结构抑制了色散模式并且电磁波在空气层中传播，与微带线相比，传输结构的损耗大大降低，相比于金属波导，无需金属壁以防止能量泄露。除此之外，当与其它元件进行集成时，由于该结构周期结构的禁带特性，无需设置屏蔽罩等隔离器件以及额外部件所带来的谐振影响。因而在毫米波甚至更高频段其结构紧凑，体积小、传输损耗小，易于加工等优点使脊间隙波导结构具有广阔的应用前景。脊间隙波导天线是基于脊间隙波导传输技术的天线，相比于传统天线，它在毫米波及其以上频段，传输损耗小，结构更简单，可以实现更高辐射效率，同时圆极化天线在实际中有更好的适应性并且对于反射、绕射所造成的多径效应也有很好的抑制作用。经对现有技术的文献检索中发现，专利申请号201610244360.5，专利名称为：一种ka波段单圆极化天线。该天线工作相对频带宽度约为12％，频带内增益大于20dBi，但由于此圆极化天线包含圆极化器、介质基板、耦合器以及功分馈电四层结构，整个天线比较复杂，并且采用微带结构，不易于直接集成。检索中还发现专利申请号201310447214.9，专利名称为：一种ka波段腔体耦合馈电的圆极化喇叭天线。该天线性能比较优良，但其体积相对较大，难以小型化。同时喇叭设计比较复杂，加工难度较高，生产成本较高。
综上所述，现有技术存在的问题是：目前的天线存在结构复杂，体积相对较大，难以小型化，加工难度较高，生产成本较高。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于脊间隙波导的圆极化天线。
本发明是这样实现的，一种基于脊间隙波导的圆极化天线，所述基于脊间隙波导的圆极化天线由下到上依次设置馈电网络层和辐射层；
所述馈电网络层包括下金属地板上分布的周期性排列的金属销钉、功率分配金属脊传输结构和4个通孔，周期性分布的金属销钉以及功分金属脊是在金属板上车铣完成；在功率分配金属脊传输结构根据4个缝隙天线单元的排列方式提供两两相位差180度的相位输出；
所述缝隙辐射层包括上盖金属板，四个带枝节的环形缝隙以及4个通孔；四个带枝节的环形开槽缝隙中心对称分布，上层金属盖板与下层馈电网络用螺丝固定，组成封闭的金属腔体，中间留有0.35mm的空气缝隙，使电磁波传播。四个缝隙天线单元分别辐射圆极化波并组成2×2圆极化天线阵列。
进一步，所述馈电网络层为脊间隙波导功率分配器结构，通过从总端口馈电，形成1分4的馈电网络结构。
进一步，所述辐射层有两组对称的缝隙天线，通过从馈电枝节耦合能量至C型的圆环状缝隙；将4个天线进行2×2排列以及1分4馈电网络组成圆极化天线阵列。
进一步，所述天线馈电网络层和辐射层上的四个通孔和位置对应。
本发明的优点及积极效果为：采用脊间隙波导技术，通过金属销钉的禁带特性，电磁波沿着功率分配网络的金属脊方向，在金属脊和上盖板之间的空气中传播，并通过上盖板上的C型环形缝隙辐射圆极化波；电磁波沿脊的方向在空气中传播，损耗大大降低，并且通过C型环状缝隙形成良好的圆极化性能，可实现高增益，高效率辐射；天线单元以及阵列结构简单，体积小，易于加工。如图4、图5、图6和图7天线的阻抗带宽达到24.5％，轴比带宽达到了11.4％，频带内增益也能满足实际应用的需要，在同类天线中处于较高水平，满足了实际应用中对于结构简单、体积小、易加工天线的要求。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于脊间隙波导的圆极化天线结构示意图。
图2是本发明实施例提供的天线馈电功分层结构示意图。
图3是本发明实施例提供的天线缝隙辐射层示意图。
图4是本发明实施例提供的天线总端口S11示意图。
图5是本发明实施例提供的天线轴比AR示意图。
图6是本发明实施例提供的天线中心频点方向图。
图7是本发明实施例提供的天线频带内增益示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于脊间隙波导的圆极化天线从下到上两层构成，依次为馈电网络层1和缝隙辐射层2；天线通过总端口3馈电经过馈电网络层1将能量分配并传输至辐射层2。
如图2所示，天线的功分器层1包括下金属地板101、周期性的金属销钉102、功率分配金属脊103和四个空气通孔104；金属销钉102和功率分配金属脊103高度相同。金属销钉102和功分金属脊103与下金属地板101直接接触实现电连接。通过周期性的金属销钉102的禁带特性，对传输电磁波的频率进行选择。金属销钉102和功率分配金属脊103上表面距离天线缝隙辐射层2上金属盖板201中间有一定厚度的空气层，用于电磁波的传输，且该空气层高度必须小于四分之一波长。四个空气通孔104用于下金属地板101和上金属盖板201结构的固定。
如图3所示，天线辐射层2包括上盖金属板201、四个带枝节的环形开槽缝隙202以及四个空气通孔203。四个带枝节的环形开槽缝隙202中心对称分布，通过简单合理的缝隙设计，使四个缝隙天线单元分别辐射圆极化波并组成2×2阵列，圆极化电磁波能量在远场叠加最终形成圆极化波；4个通孔203与通孔104大小位置相同。
所有金属地板大小为27.4mm×22.8mm，厚度为0.5mm，金属销钉大小为0.7mm×0.7mm，高度为2.3mm。空气层厚度为0.35mm，金属销钉周期为1.7mm。空气通孔直径为2mm。
如图4、图5、图6和图7天线的阻抗带宽(|S11|<-13dB)达到24.5％，轴比带宽(AR<3dB)达到了11.4％，圆极化工作频带内增益达到12-13.6dBic,也能满足实际应用的需要，在同类天线中处于较高水平，满足了实际应用中对于结构简单、体积小、易加工天线的要求。
本发明实施例提供的基于脊间隙波导的圆极化天线通过从馈电枝节耦合能量至C型的圆环状缝隙，可实现圆极化辐射，将4个天线进行2×2排列以及1分4馈电网络组成圆极化天线阵列，实现高增益；功率分配金属脊传输结构根据4个缝隙天线单元的排列方式提供两两相位差180度的相位输出；四个带枝节的环形开槽缝隙中心对称分布，通过简单合理的环形缝隙设计，使四个缝隙天线单元分别辐射圆极化波并组成2×2圆极化天线阵列；天线馈电网络层和辐射层上的四个通孔和位置对应，大小相等，用于下金属地板和上金属盖板结构的连接并实现空气层高度要求。
本发明实施例提供的基于脊间隙波导的圆极化天线从下到上两层构成，由于周期性的金属销钉的禁带特性，使所需频率的电磁波能量只能沿着金属脊方向，在金属脊和上层金属板之间的空气缝隙传播，通过1分4馈电网络，将电磁波能量4等分；能量流至环形缝隙下方，通过电磁耦合，能量从环形缝隙辐射形成圆极化波。天线辐射层上的环形缝隙尺寸是阵列天线形成圆极化的关键。这种圆极化缝隙天线结构非常简单，体积很小并且易于加工、电性能良好，有良好的应用前景。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于脊间隙波导的圆极化天线，其特征在于，所述基于脊间隙波导的圆极化天线由下到上依次设置馈电网络层和辐射层；
所述馈电网络层包括下金属地板上分布的周期性排列的金属销钉、功率分配金属脊传输结构和4个通孔，周期性分布的金属销钉以及功分金属脊是在金属板上车铣完成；在功率分配金属脊传输结构根据4个缝隙天线单元的排列方式提供两两相位差180度的相位输出；
所述缝隙辐射层包括上盖金属板，四个带枝节的环形缝隙以及4个通孔；四个带枝节的环形开槽缝隙中心对称分布，上层金属盖板与下层馈电网络用螺丝固定，组成封闭的金属腔体，中间留有0.35mm的空气缝隙，使电磁波传播， 四个缝隙天线单元分别辐射圆极化波并组成2×2圆极化天线阵列；
所述馈电网络层为脊间隙波导功率分配器结构，通过从总端口馈电，形成1分4的馈电网络结构。
2.如权利要求1所述的基于脊间隙波导的圆极化天线，其特征在于，所述辐射层有两组对称的缝隙天线，通过从馈电枝节耦合能量至C型的圆环状缝隙；将4个天线进行2×2排列以及1分4馈电网络组成圆极化天线阵列。
3.如权利要求1所述的基于脊间隙波导的圆极化天线，其特征在于，所述天线馈电网络层和辐射层上的四个通孔和位置对应。
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