CN107394395A - 基于平面正交模耦合器的双极化喇叭天线 - Google Patents

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Abstract

本发明设计了一种基于平面正交模耦合器的双极化喇叭天线，自上而下包括喇叭天线、脊波导到方波导的转接结构、平面正交模耦合器以及金属衬底，平面正交模耦合器包括介质基片以及设置在介质基片上的微带传输线、高阻微带线、基片集成波导传输线、基片集成波导功分器，微带传输线为两根，形成平面正交模耦合器的第一端口和第二端口。整个天线输入端口为微带传输线，通过过渡结构转换为基片集成波导传输线，基片集成波导传输线再通过脊波导过渡到方波导后通过喇叭天线将信号辐射至自由空间中。本发明中的双极化天线，相比利用波导结构正交模耦合器实现的双极化天线，体积大大减小，而且结构简单，不仅方便加工且成本显著降低，还大大提高了集成度。

Description

基于平面正交模耦合器的双极化喇叭天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种基于平面正交模耦合器的双极化喇叭天线。
背景技术
近年来，无线通信技术得到了快速发展并获得了广泛应用。随着技术的发展，需要更多的新技术来提升通信容量，分集接收技术就是其中重要的一种。使用极化分集接收技术的系统需要多极化天线，而双极化天线作为多极化天线中的一种，其原理是利用两个极化方向之间的不相关性。两者之间的不相关性程度决定了分集接收的好坏，从而能够同时发射或者接收两个正交极化的电磁波，大大缓解通信系统中的多径衰减问题，减少基站系统中天线的数量，降低系统成本，因此，双极化天线在基站系统中得到了普遍的应用。基于以上考虑，为了满足不断发展的通信技术的需要，双极化天线成为天线领域的一个重要研究方向。
通常的双极化天线由于平面结构的限制，端口间的隔离度很低，带宽也窄，大大影响了在实际工程中的应用。同时，这种双极化天线的交叉极化分量会很高，这也会影响分集接收。为了避免这些缺点本发明采用基于正交模耦合器的双极化天线。正交模耦合器往往使用金属结构，这样就必然存在尺寸大、难加工、难以与其它平面电路兼容等一系列缺点；而且目前存在的平面正交模耦合器由于结构原因性能比较差，无法获得满意效果。
发明内容
为解决上述问题，本发明设计了一种基于平面正交模耦合器的双极化喇叭天线，利用基片集成波导技术与脊波导，实现用单层平面电路实现正交模耦合器的要求。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
基于平面正交模耦合器的双极化喇叭天线，自上而下包括喇叭天线、脊波导到方波导的转接结构、平面正交模耦合器以及金属衬底，所述平面正交模耦合器包括介质基片以及设置在介质基片上的微带传输线、高阻微带线、基片集成波导传输线、基片集成波导功分器，微带传输线为两根，形成平面正交模耦合器的第一端口和第二端口，第一端口传输的信号通过高阻抗微带线激励对应的脊波导形成垂直极化的波束，第二端口通过输出相位相差180°的基片集成波导功分器激励对应的脊波导形成水平极化的波束，第一端口和第二端口激励出的相互正交的场，再通过脊波导到方波导的转接结构由脊波导过渡到方波导后通过喇叭天线将相互正交的信号辐射至自由空间中。
进一步的，所述基片集成波导传输线由若干金属化通孔构成。
进一步的，所述高阻微带线旁设置有用于隔离的金属化通孔。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
1.本发明中的双极化天线，相比利用波导结构正交模耦合器实现的双极化天线，体积大大减小，而且结构简单，不仅方便加工且成本显著降低，还大大提高了集成度。
2.而本发明中的天线具有高隔离，宽带宽，低交叉极化的优点。
3.本发明中的平面正交耦合器的输出端口可以直接与金属喇叭天线相连，这样实现的双极化天线增益更高，性能更好，更符合实际应用的需要。
4.本发明结构馈电结构简单，2个输入端口均可通过微带与其它平面电路相连，集成度高。
5.本发明的天线体积小巧，空间利用率高，与一般的双极化天线相比在应用场合上具有广泛的适用性和灵活性。并且设计具有通用性，调节尺寸便可实现不同频段下的应用，易于大批量生产。
附图说明
图1为本发明提供的基于平面正交模耦合器的双极化喇叭天线结构示意图。
图2为平面正交模耦合器结构示意图。
图3为平面正交模耦合器中第一端口激励出的场(a)和第二端口激励出的场(b)。
图4为工作在37-42.5GHz的双极化喇叭天线实例及其平面正交模耦合器实例图。
图5为在实际天线输入端口处反射系数的测试结果。
图6为天线辐射方向图，其中(a)为垂直极化的辐射方向图，(b)为水平极化的辐射方向图。附图标记说明：
A-喇叭天线，B-脊波导到方波导的转接结构，C-平面正交模耦合器，D-金属衬底，1-第一端口，2-第二端口，101-介质基片，102-微带传输线，103-高阻微带线，104-基片集成波导传输线，105-基片集成波导功分器，106-金属化通孔。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1所示，基于平面正交模耦合器的双极化喇叭天线，自上而下包括喇叭天线A、脊波导到方波导的转接结构B、平面正交模耦合器C以及金属衬底D。其中平面正交模耦合器包括介质基片101以及设置在介质基片101上的微带传输线102、高阻微带线103、基片集成波导传输线104、基片集成波导功分器105，如图2所示。微带传输线为两根，形成平面正交模耦合器的第一端口1和第二端口2。基片集成波导传输线104由若干金属化通孔106构成。高阻微带线旁设置有用于隔离的金属化通孔。
整个天线输入端口为微带传输线，通过过渡结构转换为基片集成波导传输线，基片集成波导传输线再通过脊波导过渡到方波导后通过喇叭天线将信号辐射至自由空间中。具体的说，第一端口1传输的信号通过高阻抗微带线103激励对应的脊波导形成垂直极化的波束，第二端口2通过输出相位相差180°的基片集成波导功分器105激励对应的脊波导形成水平极化的波束，第一端口和第二端口激励出的相互正交的场，再通过脊波导到方波导的转接结构由脊波导过渡到方波导后通过喇叭天线将相互正交的信号辐射至自由空间中。最后方波导中的正交信号通过喇叭天线形成正交的两个高增益高定向性的波束。
图3为第一端口1与第二端口2分别激励出的场，可见它们激励出的场相互正交，互不影响，这就保证了端口间的高隔离度。同时中间的金属化通孔也增加了端口间的隔离度。
实施数据：
图4为工作在37-42.5GHz的双极化喇叭天线实例及其平面正交模耦合器实例图，图中示出了重要尺寸参数。喇叭天线与脊波导到方波导转换结构是用铝块加工而成，平面电路部分制作在介质基片上。实例中介质基片采用了厚度为0.127mm的介电常数为2.2的罗杰斯5880双面敷铜板。实例天线按图4与表1所示的尺寸在上述基片上制作。
参数 值(mm) 参数 值(mm)
W50 0.37 Lf 20
Wt 1.45 ΔL1 2
Lp 4 ΔL2 1
Wsiw 4 Wr 0.2
ds1 0.75 Hr1 1.57
ds2 1.47 Hr2 1.7
dh 1.6 Hr3 1.88
Ws 0.1 R 1
dt 0.72 Lr1 1.35
Lt1 7.25 Lr2 1.4
Lt2 8.88 Lr3 1.32
表1
图5为在实际天线输入端口处反射系数的测试结果。图6为天线辐射方向图。由测试数据可以看出，天线在37-42.5GHz都有着良好(<-10dB)的回波损耗，且端口间隔离度大于30dB，交叉极化分量相比共极化分量小25dB以上。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。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，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.基于平面正交模耦合器的双极化喇叭天线，其特征在于：自上而下包括喇叭天线、脊波导到方波导的转接结构、平面正交模耦合器以及金属衬底，所述平面正交模耦合器包括介质基片以及设置在介质基片上的微带传输线、高阻微带线、基片集成波导传输线、基片集成波导功分器，微带传输线为两根，形成平面正交模耦合器的第一端口和第二端口，第一端口传输的信号通过高阻抗微带线激励对应的脊波导形成垂直极化的波束，第二端口通过输出相位相差180°的基片集成波导功分器激励对应的脊波导形成水平极化的波束，第一端口和第二端口激励出的相互正交的场，再通过脊波导到方波导的转接结构由脊波导过渡到方波导后通过喇叭天线将相互正交的信号辐射至自由空间中。
2.根据权利要求1所述的基于平面正交模耦合器的双极化喇叭天线，其特征在于：所述基片集成波导传输线由若干金属化通孔构成。
3.根据权利要求1所述的基于平面正交模耦合器的双极化喇叭天线，其特征在于：所述高阻微带线旁设置有用于隔离的金属化通孔。
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