CN107394377B - 一种端射平面圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种端射平面圆极化天线，该极化天线包括：介质层；金属层，由上表面金属层和下表面金属层组成，上表面、下表面金属层分布于所述介质层的上下表面，并且在沿天线辐射方向上的一侧均开有缝隙；通孔，设置在平行于天线辐射方向上在介质层和金属层的两侧边缘，该通孔使得上表面金属层和下表面金属层保持电气连接；突出部，由介质层上靠近所述缝隙侧的部分沿天线辐射方向突出第一距离长度后形成，该突出部呈第一几何结构。

Description

一种端射平面圆极化天线
技术领域
本发明涉及电子及通信技术领域。更具体地，涉及一种端射平面圆极化天线。
背景技术
相比于线极化和椭圆极化天线，圆极化天线可以减少极化失配引起的传输损耗。另一方面，圆极化电磁波可以有效减小多径反射带来的损耗。平面圆极化天线由于其低剖面和易于集成的特性而受到广泛研究。其中大多数圆极化天线的辐射方向都为侧射，即辐射方向与天线平面垂直。
近几年，出现了一些基于互补源的平面圆极化天线的研究。这些天线的辐射方向与天线平面平行，适用于需要端射圆极化辐射的应用中。这类基于互补源的平面圆极化天线，普遍采用令介质板的一端为开口口面，作为磁偶极子，通过在此开口口面上加入金属条作为电偶极子或加入金属环作为磁偶极子，从而与开口口面处的等效磁偶极子形成互补源，控制二者的幅度和相位产生与天线平面平行的端射圆极化天线。
这些已有的设计存在的问题是带宽窄，包括阻抗带宽和轴比带宽，且增益低。在毫米波频段，由于其高传输速率和高空气损耗的特点，需要天线的带宽宽且增益尽可能高。同时，由于波长小，需要天线结构尽可能简单以减少加工成本和加工误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带宽宽且增益尽可能高，结构简单，易于加工，增益高的圆极化天线。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种端射平面圆极化天线，该极化天线包括：
介质层；
金属层，由上表面金属层和下表面金属层组成，上表面、下表面金属层分布于所述介质层的上下表面，并且在沿天线辐射方向上的一侧均开有缝隙；
通孔，设置在平行于天线辐射方向上在介质层和金属层的两侧边缘，该通孔使得上表面金属层和下表面金属层保持电气连接；
突出部，由介质层上靠近所述缝隙侧的部分沿天线辐射方向突出第一距离长度后形成，该突出部呈第一几何结构。
优选地，所述介质层的材料为Rogers5880，厚度为1.575mm。
优选地，所述上表面金属层和下表面金属层上的缝隙均为矩形缝隙。
更优选地，所述上表面金属层和下表面金属层的厚度均为0.035mm。
更优选地，所述第一几何结构为第一长方体，所述第一距离长度为2.6mm。
更优选地，所述第一长方体向天线辐射方向突出形成第一三棱柱结构，在第一三棱柱结构的上底面和下地面分别胶接与第一三棱柱相匹配的三棱柱结构，所述介质层、金属层、通孔分别向天线辐射的反方向延伸形成第二长方体结构，第二长方体结构内部介质层向天线辐射反方向延伸形成第二三棱柱结构，在第二长方体结构和第二三棱柱结构四周装有空气波导结构件。所述的和第一三棱柱结构相匹配的三棱柱结构可以指和第一三棱柱的形状，材料上的完全一致。
更优选地，所述第一长方体高度和第一三棱柱的高度和第二三棱柱的高度与所述介质层的厚度一致为1.575mm。
更优选地，以所述两排通孔的对称线为轴，第二长方体结构关于该轴沿垂直于天线辐射方向两侧对称，并且沿该方向的宽度大于第一长方体沿该方向的宽度。
更优选地，所述第二长方体结构内部的介质层厚度为1.575mm，在第二长方体结构上的上表面金属层和下表面金属层的厚度均为0.035mm。
更优选地，所述空气波导结构件为铝制材料，该空气波导结构件在天线辐射反方向末端装有端口。
本发明的有益效果如下：
本发明所述技术方案具有如下优点1：带宽宽，包括阻抗带宽和轴比带宽；2：结构简单，易于加工，只需在基片集成波导的一端开矩形缝隙，无需设计相位延迟线等，结构简单，使用PCB技术，所有结构均集成在介质基片中，对加工精度要求不高，在毫米波器件加工中极大节省加工成本；3：增益高，本发明所述天线由于引入了介质层，提高了增益和前后比。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；
图1示出实施例1所述天线的三维结构图；
图2示出实施例1所述天线的侧视图；
图3示出实施例1所述天线的俯视图；
图4示出实施例1所述天线的后视图；
图5示出本发明实施例2所述天线的三维结构图；
图6示出实施例2所述天线的侧视图；
图7示出实施例2所述天线的俯视图；
图8示出实施例2所述天线的后视图；
图9示出实施例2所述天线前端加载介质层的俯视图；
图10示出实施例1所述天线的S参数设计结果；
图11示出实施例1所述天线的轴比设计结果；
图12示出实施例1述天线的25GHZ频点辐射方向图；
图13示出实施例1述天线的30GHZ频点辐射方向图；
图14示出实施例1述天线的35GHZ频点辐射方向图；
图15示出实施例2所述天线的S参数设计结果；
图16示出实施例2述天线的轴比设计结果；
图17示出实施例2述天线的增益设计结果；
图18示出实施例2所述天线的25GHZ频点辐射方向图；
图19示出实施例2所述天线的30GHZ频点辐射方向图；
图20示出实施例2述天线的35GHZ频点辐射方向图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1：
如图1所示，为本发明实施例1所述天线的三维结构图，介质层2可选用材料Rogers5880，介质层的厚度可为1.575mm,在介质层的上表面和下表面利用印制电路板PCB技术分别镀上一层金属，构成上表面金属层1和下表面金属层3，金属层的厚度可为0.035mm，金属可选铜，上表面金属层在平行于天线辐射方向的两侧边缘分别开有一侧过孔，在过孔内壁涂上金属，形成通孔4，通孔将上表面金属层和下表面金属层保持电气连接，所述通孔的直径为0.7mm，同侧通孔的间距为1.3mm，两侧通孔中心距为5.6mm，通孔和上表面金属层和下表面金属层以及介质层共同构成基片集成波导。在上表面金属层和下表面金属层上沿天线辐射方向上的一侧分别开有缝隙6、缝隙7在垂直投影方向上至少部分错开。缝隙可以均为矩形，该矩形缝隙长度可以为2.65mm，宽度可以为1.4m,矩形缝隙使得天线的更易实现圆极化。同时介质层向天线辐射方向延伸2.6mm，形成矩形突出部5，在该矩形突出部的上、下表面上没有金属覆盖。矩形突出部能够使天线的匹配性能得以提高。
如图2，3，4所示，为本发明第一种优选地实施例所述天线的侧视图、俯视图、后视图。
实施例2：
如图5所示，为本发明实施例2所述天线的三维结构图。介质层11，所选材料可为Rogers5880，介质层的厚度可为1.575mm，在介质层的上底面和下底面利用PCB工艺分别镀上一层金属层10、金属层12，金属层的厚度可为0.035mm，金属可选铜，在上表面金属层和下表面金属层以及中间的介质层构成的整体上沿着平行于天线辐射方向的两侧边缘利用PCB技术打出过孔，在过孔内壁上涂金属，形成通孔13，通孔使得金属层10和金属层12保持电气连接。上表面金属层和下表面金属层和中间的介质层以及通孔构成基片集成波导。同时上表面金属层和下表面金属层在沿天线辐射方向的一端向天线辐射反方向分别开有矩形缝隙14、矩形缝隙15在垂直投影方向上至少部分错开。矩形缝隙长度可以为2.65mm，宽度可以为1.4m，矩形缝隙使得天线的更易实现圆极化。
介质层在所述缝隙侧向天线辐射方向延伸2.6mm形成一个长方体结构，该长方体结构继续向天线辐射方向延伸形成三棱柱结构17，该三棱柱结构以及长方体结构的厚度均为1.575mm,在所述三棱柱的结构上表面和下表面分别胶接和该三棱柱完全一致的三棱柱结构16和三棱柱结构18。
介质层和上表面金属层和下表面金属层以及通孔向天线辐射的反方向延伸形成第二长方体结构。该第二长方体结构在垂直于天线辐射方向的两侧宽度大于基片集成波导在该方向上的宽度，同时第二长方体结构内部两侧通孔沿着基片集成波导内部通孔的方向向天线辐射反方向贯穿整个第二长方体结构，在第二长方体结构朝向天线辐射反方向一侧的介质层的中间一部分向天线辐射反方向延伸形成三棱柱9，厚度为1.575mm，材料可为Rogers5880。第二长方体结构和三棱柱9被外侧的铝制的高度渐变的标准Ka频段空气波导结构件8所包围，该空气波导结构件在天线辐射反方向的末端设有端口，天线通过该断口连接标准Ka频段空气波导结构，便于测试。
如图6，7，8，9所示，分别为本发明实施例2所述天线的侧视图，俯视图，后视图，以及前段加载介质层的俯视图。
如图10所示，为本发明实施例1所述天线阻抗带宽仿真结果可达到66.7％。
如图11所示，为本发明实施例1所述天线1轴比带宽仿真结果为44.4％，频率在24.5GHz到38.5GHz。
如图12、13、14所示，为本发明实施例1所述天线在轴比带宽内三个频点的方向图，在整个带宽方向图都较优。
如图15所示，可看出本发明实施例2所述天线阻抗带宽仿真结果可达到47.9％，频率在23GHz到37.5GHz范围。
如图16所示，表明实施例2所述天线轴比带宽仿真结果为47.4％，频率在22.5GHz到36.5GHz范围，阻抗带宽和轴比带宽的交叉带宽为45.3％，频率在23GHz到36.5GHz范围。
如图17所示，为实施例2所述天线的增益仿真结果，在交叉带宽内，增益平稳在10.5dB到13.1dB范围内。
如图18、19、20所示，为实施例2所述天线在轴比带宽内三个频点的方向图，在整个带宽方向图都较优，且可以看出与第一种优选地实施例所述天线相比前后比明显提高。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (8)

1.一种端射平面圆极化天线，其特征在于，该极化天线包括：
介质层；
所述介质层的材料为Rogers5880，厚度为1.575mm；
金属层，由上表面金属层和下表面金属层组成，上表面、下表面金属层分布于所述介质层的上下表面，并且在沿天线辐射方向上的一侧均开有缝隙；
所述上表面金属层和下表面金属层上的缝隙均为矩形缝隙；
所述上表面金属层和下表面金属层在沿天线辐射方向的一端向天线辐射反方向的矩形缝隙在垂直投影方向上至少部分错开；
矩形缝隙长度为 2.65mm，宽度为 1.4mm；
通孔，设置在平行于天线辐射方向上在介质层和金属层的两侧边缘的两排通孔，所述两排通孔使得上表面金属层和下表面金属层保持电气连接；
突出部，由介质层上靠近所述缝隙侧的部分沿天线辐射方向突出第一距离长度后形成，该突出部呈第一几何结构。
2.根据权利要求1所述的端射平面圆极化天线，其特征在于，所述上表面金属层和下表面金属层的厚度均为0.035mm。
3.根据权利要求2所述的端射平面圆极化天线，其特征在于，所述第一几何结构为第一长方体，所述第一距离长度为2.6mm。
4.根据权利要求3所述的端射平面圆极化天线，其特征在于，所述第一长方体向天线辐射方向突出形成第一三棱柱结构，在第一三棱柱结构的上底面和下地面分别胶接与第一三棱柱相匹配的三棱柱结构，所述介质层、金属层、两排通孔分别向天线辐射的反方向延伸形成第二长方体结构，第二长方体结构内部介质层向天线辐射反方向延伸形成第二三棱柱结构，在第二长方体结构和第二三棱柱结构四周装有空气波导结构件。
5.根据权利要求4所述的端射平面圆极化天线，其特征在于，所述第一长方体高度和第一三棱柱的高度和第二三棱柱的高度与所述介质层的厚度一致为1.575mm。
6.根据权利要求4所述的端射平面圆极化天线，其特征在于，以所述两排通孔的对称线为轴，第二长方体结构关于该轴沿垂直于天线辐射方向两侧对称，并且沿该方向的宽度大于第一长方体沿该方向的宽度。
7.根据权利要求4所述的端射平面圆极化天线，其特征在于，所述第二长方体结构内部的介质层厚度为1.575mm，在第二长方体结构上的上表面金属层和下表面金属层的厚度均为0.035mm。
8.根据权利要求4所述的端射平面圆极化天线，其特征在于，所述空气波导结构件为铝制材料，该空气波导结构件在天线辐射反方向末端装有端口。
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