CN107591611B - 一种宽带圆极化高隔离同频同时同极化收发天线 - Google Patents
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Abstract
本发明属于天线设计与制造技术领域，提供一种宽带圆极化高隔离同频同时同极化收发天线，包括从下往上依次层叠的发射合成网络、接收合成网络和天线辐射体，天线辐射体由从下往上层叠的馈电微带线阵列、第一支撑介质基片、开槽地板、金属腔、第二支撑介质基片及辐射贴片阵列构成，辐射贴片阵列由若干个呈阵列排布的辐射贴片子阵列构成、每个辐射贴片子阵列由四个呈“十”字形排布的辐射单元组成、每个辐射单元由四个呈阵列排布的方形辐射贴片组成、每个方形辐射贴片尺寸相同，辐射贴片子阵列中位于同一条线上的辐射单元连接到接收合成网络、另一条线连接到发射合成网络。本发明具有宽频带、高效率、收发之间高隔离、平面易拓展等优点。
Description
技术领域
本发明属于天线设计与制造技术领域，特别涉及一种宽带、高隔离、圆极化、同频同时同极化收发天线。
背景技术
同频同时收发技术相比于频分复用或时分复用技术具有更高的频谱利用效率，是全双工通信的关键技术之一；在当前5G无线通信研究中，同频同时收发作为一个技术难点受到业内研究人员的高度关注；同频同时收发技术的难点在于收发通道之间需要很高的隔离度，隔离度的指标一般需要分配到天线部分、射频部分和数字基带部分。天线作为系统最前端设备，在收发信道之间实现高隔离不仅能显著减轻后端指标的压力，而且有利于系统噪声的降低。
高隔离同频同时收发天线的实现方式主要有：空间隔离，极化隔离，使用环形器和近场对消；空间隔离需要占用大面积，不利于设备的小型化；极化隔离需要收发天线使用不同的极化；环形器要求天线的反射优于隔离度；近场对消技术可以克服以上缺陷，实现同极化收发而且排布紧凑。
目前，仅有少量的高隔离同频同时同极化收发天线被公开发表，一类是线极化同频同时同极化天线，适合全向波束应用；另一类是圆极化同频同时同极化天线，适合定向波束应用。圆极化天线不需要极化跟踪和调整装置，因此被广泛应用于现代无线通信中。本发明针对定向圆极化波束进行研究。如，文献《E.A.Etellisi,M.A.Elmansouri,andD.S.Filipovic,“Wideband monostatic simultaneous transmit and receive(STAR)antenna,”IEEE Transactio ns on Antennas and Propagation,vol.64,no.1,pp.6–15,Jan.2016》中公开一种工作在0.5GHz～2.5GHz的超宽带圆极化同频同时同极化天线，天线辐射单元为四臂平面螺旋天线，相对的两臂通过反相馈电构成发射或接受天线，发射或接受天线在空间旋转90度；为了改善圆极化轴比，在四臂平面螺旋天线的末端又加载了一个四臂立体螺旋天线和吸收电阻，四臂螺旋天线具有天然的宽带特性；然而天线的纵向长度较大，工作频率较低，效率不高。
又如，文献《E.A.Etellisi,M.A.Elmansouri,and D.S.Filipovic,“Widebandmultimo de monostatic spiral antenna STAR subsystem,”IEEE Transactions onAntennas and Propag ation,vol.65,no.4,pp.1845–1854,Apr.2017》中公开一种环形器和近场抵消相结合的圆极化同频同时同极化天线，天线辐射单元依然是四臂平面螺旋天线；但由于馈电结构的复杂性，很难做到较好的对消，天线的隔离只有30dB左右，天线增益小于6dBi。
从此可见，现有圆极化同频收发天线几乎都是四臂螺旋天线，然而这种天线由于馈电形式和馈电距离的限制，很难拓展到较高频率和大规模阵列应用上；因此，高效率、平面化、易集成的宽带圆极化同频同时同极化收发天线是当前学术界的一个巨大挑战。
发明内容
本发明的目的在于针对上述缺陷提供一种宽带圆极化高隔离同频同时同极化收发天线，用于实现高效率、平面化、易集成的宽带圆极化高隔离同频同时同极化收发天线；为了实现该目的，本发明采用的技术方案为：
一种宽带圆极化高隔离同频同时同极化收发天线，包括从下往上依次层叠的发射合成网络3、接收合成网络2和天线辐射体1，其特征在于，所述天线辐射体1由从下往上层叠的馈电微带线阵列16、第一支撑介质基片15、开槽地板14、金属腔13、第二支撑介质基片12及辐射贴片阵列11构成，所述辐射贴片阵列由若干个呈阵列排布的辐射贴片子阵列构成、每个辐射贴片子阵列由四个呈“十”字形排布的辐射单元组成、每个辐射单元由四个呈阵列排布的方形辐射贴片组成、每个方形辐射贴片尺寸相同，所述开槽地板14上开设若干个“十”字形缝隙、与辐射单元一一对应，所述第一支撑介质基片15背面设置有馈电微带线阵列、由与“十”字形缝隙一一对应的若干个馈电微带线组成，所述辐射单元、“十”字形缝隙及馈电微带线共同构成一个圆极化辐射单元；所述接收合成网络2与发射合成网络3的结构与尺寸相同，均包括两个输入端与一个输出端、其中两个输入端到输出端之间有180°相位差，所述辐射贴片子阵列中位于“十”字形排布”任意一条线上的两个圆极化辐射单元对应连接到接收合成网络的两个输入端、另一条线上的两个圆极化辐射单元对应连接到发射合成网络的两个输入端。
所述接收合成网络2或发射合成网络3由从下往上依次层叠的地板、第三支撑介质基片及微带线构成，其中，微带线由两个输入端口212、213开始，分别依次连接阻抗变换微带线218、219、终端短路耦合线214、215、幅度补偿耦合线216、217到输出端口211，所述终端短路耦合线214长度为λg/2、另一终端短路耦合线215长度为λg/4、用以形成180度相位差，λg为微带线在中心工作频率处的波导波长。
进一步的，所述馈电微带线为带枝节加载的90度延迟线。
本发明中，一个辐射贴片子阵列对应的四个圆极化辐射单元在空间具有旋转对称性，因此发射单元(连接发射合成网络)耦合到接收单元(连接接收合成网络)的能量具有等幅同相特性，经过接收合成网络后相互抵消，达到收发隔离的效果。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的圆极化同频同时同极化收发天线，结构不同于现有四臂螺旋天线，具有平面化、高增益、高效率、易大规模阵列集成的特点，可工作在微波和毫米波频率上。
1、本发明天线克服了四臂螺旋天线增益低，单元纵向长度大，难以实现大规模阵列集成，工作频率较低，需要吸收电阻改善轴比性能等缺点；由于天线采用的是驻波单元，因此具有高效率。
2、本发明为平面天线，可以由多层PCB工艺加工，不需要额外的吸收电阻等匹配措施，能够和射频电路集成设计，制造成本低。
3、本发明验证的宽带圆极化高隔离同频同时同极化天线实现了18％的工作带宽，工作频率涵盖6GHz～7.2GHz，带内反射系数小于-10dB，收发隔离大于40dB，圆极化轴比小于3dB,接收和发射天线均增益大于10.5dBic；具有宽频带、高效率、收发之间高隔离、平面易拓展的优点。
附图说明
图1是本发明的宽带圆极化高隔离同频同时同极化天线的辐射体装配示意图。
图2是本发明的宽带圆极化高隔离同频同时同极化天线的组成示意图。
图3是本发明的宽带圆极化高隔离同频同时同极化天线的辐射体金属层结构示意图。
图4是本发明的宽带圆极化高隔离同频同时同极化天线的收发合成网络结构示意图。
图5是本发明的宽带圆极化同频同时同极化天线的16元阵列拓展示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本实施例提供一种宽带圆极化高隔离同频同时同极化天线，其结构如图1、图2所示，包括从下往上依次层叠的发射合成网络3、接收合成网络2和天线辐射体1，所述天线辐射体1由从下往上层叠的馈电微带线阵列16、第一支撑介质基片15、开槽地板14、金属腔13、第二支撑介质基片12及辐射贴片阵列11构成，所述辐射贴片阵列由若干个呈阵列排布的辐射贴片子阵列构成；
其中，辐射贴片子阵列结构如图3所示，由四个呈“十”字形排布的辐射单元111、112、113、114组成、每个辐射单元由四个呈阵列排布的方形辐射贴片1111组成、每个方形辐射贴片尺寸相同，所述开槽地板14上开设四个“十”字形缝隙141、142、143、144，与辐射单元一一对应、用作馈电微带线与辐射贴片之间的馈电耦合口，所述第一支撑介质基片15背面设置有馈电微带线阵16、由与“十”字形缝隙一一对应的若干个馈电微带线161、162、163、164组成，馈电微带线采用带枝节加载的90度延迟线；所述辐射单元、“十”字形缝隙及馈电微带线共同构成一个圆极化辐射单元，即辐射单元111、十字缝隙141以及90度延迟线161构成第一圆极化辐射单元，辐射单元112、十字缝隙142以及90度延迟线162构成第二圆极化辐射单元，辐射单元113、十字缝隙143以及90度延迟线163构成第三圆极化辐射单元，辐射单元114、十字缝隙144以及90度延迟线164构成第四圆极化辐射单元，即构成圆极化天线子阵列；
接收合成网络2和发射合成网络3的结构形式和尺寸相同，如图4所示，本质上为一种宽带反相功分器；接收合成网络2由微带线21、支撑介质基片22和地板23构成，其中微带线有两个输入端口212、213和一个输出端口211，此外微带线还包括两个不同长度终端短路的耦合线214和215，一组不同宽度的微带线216和217，一组相同宽度的微带线218和219；终端短路的耦合线214和215的长度分别是λg/2和λg/4、用以形成180度相位差，微带线216和217用于补偿两个输入端口212和213之间的幅度差，微带线218和219作为阻抗变换器存在；
本实施例中，第一和第三圆极化辐射单元对应连接到接收合成网络2的两个输入口212和213，在输出口211形成接收通道；第二和第四圆极化辐射单元对应连接到发射合成网络3的两个输入口312和313，在输出口311形成发射通道。金属腔13可由铜板或铝板加工而成，中间掏空形成一个空气腔，用于展宽工作带宽。
本实施例中，为了在方位面和俯仰面形成相同的波束宽度，将圆极化天线子阵列作为基本子阵列，旋转45度后按照方形阵列拓展，即得本实施例16元阵列，其近场抵消效果在大阵列下仍然可以得到保持。
针对上述方案，其具体设计为，中心频率为6.6GHz，利用Ansys HFSS中进行电磁全波仿真和优化；支撑介质基片12和15材料都选用Rogers 3003、介电常数3.0、厚度为0.508mm、基片边长110mm；介质基片12底部铜层全部去除，在介质基片12的顶部铜层上刻蚀辐射贴片阵列11，四个辐射单元111,112,113,114尺寸相同，旋转对称排列；方形贴片1111的边长为12.7mm，相邻方形贴片的中心间距为15.6mm；在介质基片15的两面铜层上分别刻蚀开槽地板14和馈电微带线阵列16；开槽地板14上的四个十字形缝隙141、142、143和144尺寸相同，每个十字缝隙由两个尺寸相同的矩形槽正交重叠而成；矩形槽长19mm，宽1.7mm；馈电微带线阵列16由四组旋转对称排列的带枝节加载的90度延迟线161、162、163和164构成，延迟线的宽度2mm，延迟枝节长度12mm，通过阻抗变换使得馈电口输入阻抗为50欧姆；在介质基片12和15之间加载厚度为2.5mm的铝腔13，腔内填充空气，铝腔13的外边长为110mm，内边长为94mm。
接收合成网络2和发射合成网络3的基片都选用Rogers 3003、介电常数3.0、厚度为0.508mm，结构尺寸完全相同；以接收合成网络2为例，输入口212、213的微带线宽度与输出口211的微带线宽度相同，均为1.26mm，即50欧姆特性阻抗值；终端短路耦合线214和215的长度分别是14.63mm和7.43mm，耦合线宽度1mm，缝隙宽度0.2mm；微带线216和217宽度分别为1.4mm和1.9mm；天线辐射体1和接收馈电网络2，发射馈电网络3之间使用50欧姆同轴电缆连接；基片和铝腔使用螺栓和销钉固定连接。
测试结果显示，所设计的宽带圆极化同频同时同极化天线实现了18％的工作带宽，工作频率涵盖6GHz～7.2GHz，带内反射系数小于-10dB，收发隔离大于40dB，圆极化轴比小于3dB,接收和发射天线均增益大于10.5dBic。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (3)
1.一种宽带圆极化高隔离同频同时同极化收发天线，包括从下往上依次层叠的发射合成网络(3)、接收合成网络(2)和天线辐射体(1)，其特征在于，所述天线辐射体(1)由从下往上层叠的馈电微带线阵列(16)、第一支撑介质基片(15)、开槽地板(14)、金属腔(13)、第二支撑介质基片(12)及辐射贴片阵列(11)构成，所述辐射贴片阵列由若干个呈阵列排布的辐射贴片子阵列构成、每个辐射贴片子阵列由四个呈“十”字形排布的辐射单元组成、每个辐射单元由四个呈阵列排布的方形辐射贴片组成、每个方形辐射贴片尺寸相同，所述开槽地板上开设若干个“十”字形缝隙、与辐射单元一一对应，所述第一支撑介质基片背面设置有馈电微带线阵列、由与“十”字形缝隙一一对应的若干个馈电微带线组成，所述辐射单元、“十”字形缝隙及馈电微带线共同构成一个圆极化辐射单元；所述接收合成网络与发射合成网络的结构与尺寸相同，均包括两个输入端与一个输出端、其中两个输入端到输出端之间有180°相位差，所述辐射贴片子阵列中位于“十”字形排布”任意一条线上的两个圆极化辐射单元对应连接到接收合成网络的两个输入端、另一条正交线上的两个圆极化辐射单元对应连接到发射合成网络的两个输入端；天线实现了18％的工作带宽，工作频率涵盖6GHz～7.2GHz，带内反射系数小于-10dB，收发隔离大于40dB，圆极化轴比小于3dB,接收和发射天线均增益大于10.5dBic。
2.按权利要求1所述宽带圆极化高隔离同频同时同极化收发天线，其特征在于，所述接收合成网络或发射合成网络由从下往上依次层叠的地板、第三支撑介质基片及微带线构成，其中，微带线由两个输入端口(212、213)开始，分别依次连接阻抗变换微带线(218、219)、终端短路耦合线(214、215)、幅度补偿耦合线(216、217)到输出端口(211)，所述终端短路耦合线(214)长度为λg/2、另一终端短路耦合线(215)长度为λg/4、用以形成180度相位差，λg为微带线在中心频率处的波导波长。
3.按权利要求1所述宽带圆极化高隔离同频同时同极化收发天线，其特征在于，所述馈电微带线为带枝节加载的90度延迟线。
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