CN107768838A - 一种圆极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种圆极化天线，包括：线极化天线源，用以辐射线极化波；圆极化透镜，包括：圆极化器，位于线极化天线源上方，用以将线极化波转化为圆极化波，圆极化器包括多个竖直且平行设置的介质栅片，多个介质栅片沿水平方向以相等间距依次排列；介质透镜，连接在圆极化器上方，用以对圆极化波进行折射汇聚。本发明可用于5G移动通信，不仅实现了比较宽的轴比带宽，同时也提高了天线的增益，并且实现了天线的波束扫描，适用于未来的第五代等移动通信的场景。

Description

一种圆极化天线

技术领域

本发明涉及无线移动通信领域，尤其是一种高增益的圆极化天线。

背景技术

天线是无线通信系统中接收和发送电磁波的能量转换装置，是无线移动通信系统中不可缺少的组成部分。随着无线移动通信技术的发展，对数据传输速率的要求越来越高。毫米波频段拥有无需牌照的7GHz的通信带宽，能在很大程度上提高无线通讯的速率，实现大量数据的即时传送。由于频率越高，信号在传输的过程中的损耗就越大，这就对天线的增益提出了更高的指标。另一方面，在毫米波段，天线的体积很小，加工难度较大，这些都对天线的设计提出了更高的要求，特别对于圆极化天线以及波束扫描天线，设计的难度将大大提高。

对于圆极化天线而言，目前实现的常用方法与技术包括以下几种：一是双馈技术，通过采用两个端口施加两个等幅并且相位差为90°的正交的信号，可以在比较宽的频段内实现圆极化。但是这种技术需要比较复杂的馈电网络，在毫米波段实现难度很大。第二种方法是采用单馈电方式，例如圆极化切角贴片天线，这种天线的结构简单，容易实现，但是带宽很窄，不适合宽频带的应用。而第三种是采用圆极化器，这种技术是在传播的过程中，将线极化的电磁波转化成圆极化波；传统的圆极化器用金属图案的圆极化器以及介质极化器。金属图案极化器比较容易实现，但是损耗比较大。而介质极化器的加工比较复杂，很在毫米波段使用。

对于毫米波段的圆极化天线，由于空间损耗比较大，因此提高天线的增益显得尤其重要。在传统的方法中，提高天线的增益一般采用天线阵列。天线阵列要求比较复杂的馈电网络，实现难度较大，另一方便，馈电网络也会带来额外的信号损耗。而提升的增益的另一种方法是采用凹反射面，能大大提高天线的增益，但是它的空间结构比较复杂，加工以及安装难度大。第三种方法是采用喇叭天线，喇叭天线的发展已经十分成熟，通过增大体积能够很好地提高增益。但是喇叭天线的体积比较大，高度也比较高。在某些应用场景也不好合适。而且上边提到的这几种方法，都很难实现波束扫描的功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种圆极化天线，其具有高增益特性。

为达到上述目的，本发明提出一种圆极化天线，一种圆极化天线，其中，圆极化天线包括：线极化天线源，用以辐射线极化波；圆极化透镜，包括：圆极化器，位于线极化天线源上方，用以将线极化波转化为圆极化波，圆极化器包括多个竖直且平行设置的介质栅片，多个介质栅片沿水平方向以相等间距依次排列；介质透镜，连接在圆极化器上方，用以对圆极化波进行折射汇聚。

如上所述的圆极化天线，其中，多个介质栅片构成圆柱形的圆极化器，各介质栅片的两端侧面围成圆柱面。

如上所述的圆极化天线，其中，介质栅片的介电常数大于1。

如上所述的圆极化天线，其中，介质栅片的高度为h，线极化波的波长为λ，h＝1.3λ。

如上所述的圆极化天线，其中，介质透镜为半球形，其上表面为半球形面，且其下表面为平面，多个介质栅片连接在平面下方。

如上所述的圆极化天线，其中，线极化天线源位于圆极化透镜的焦平面。

如上所述的圆极化天线，其中，线极化天线源为包括多个天线单元的线极化天线源阵列。

如上所述的圆极化天线，其中，线极化天线源包括：介质层，包括介质板和多个金属化过孔组，每个金属化过孔组包括多个金属化过孔，金属化过孔由介质板的上表面贯穿至其下表面；贴片层，包括贴设在介质板的上表面且与多个金属化过孔组一一对应的多个金属贴片组，每个金属贴片组对应覆盖一个金属化过孔组，每个金属贴片组包括至少一个金属贴片；地板层，包括贴设在介质板下表面的金属地板、以及设于金属地板上且与多个金属化过孔组一一对应的多个差分馈电端口；每个金属贴片组与相对应的一个金属化过孔组、相对应的一个差分馈电端口、以及介质板和金属地板组成一个天线单元。

如上所述的圆极化天线，其中，每个金属化过孔组包括2×3阵列式的六个金属化过孔；每个金属贴片组包括方形的具有第一缺口的第一金属贴片、方形的与第一金属贴片间隔并排且具有第二缺口的第二金属贴片、以及条形的第三金属贴片，第一缺口与第二缺口正对，第三金属贴片的两端分别伸入第一缺口和第二缺口，第三金属贴片的两端分别覆盖位于中间的第一个金属化过孔和第二个金属化过孔，第一金属贴片的两端分别覆盖位于第一个金属化过孔两侧的第三个金属化过孔和第四个金属化过孔，第二金属贴片的两端分别覆盖位于第二个金属化过孔两侧的第五个金属化过孔和第六个金属化过孔；每个差分馈电端口包括两个端口，两个端口分别对准位于中间的第一个金属化过孔和第二个金属化过孔。

如上所述的圆极化天线，其中，多个介质栅片沿第一方向依次排列，各天线单元的极化方向与第一方向之间具有不同夹角。

如上所述的圆极化天线，其中，圆极化透镜由3D打印技术成型。

本发明的圆极化天线的特点和优点是：

1、本发明的圆极化天线，通过设置圆极化器，能将线极化波转化为圆极化波；圆极化器的多个介质栅片还能通过折射作用提高天线的增益，并缩小线极化天线源与圆极化透镜之间的距离，减小天线的尺寸；通过设置介质透镜，可以将天线的波束汇聚，有效提高天线的增益；

2、本发明的圆极化天线，通过设置介质透镜和线极化天线源阵列，使介质透镜能将来自焦平面的不同位置的天线单元辐射的电磁波汇聚在不同的方向，通过激励不同位置的天线单元，可以实现电磁波在不同方向的辐射，实现波束扫描；

3、本发明的圆极化天线，通过将圆极化器设置为圆柱形结构，能对位于圆极化器外侧各个方向的电磁波进行折射汇聚，可以有效提高天线的增益；

4、本发明的圆极化天线，由于具有高增益特性，尤其适用于对天线增益要求高的毫米波的发射和接收，能有效解决毫米波在传输过程中损耗大、毫米波天线设计复杂的难题；

5、本发明的圆极化天线，可用于5G移动通信，不仅实现了比较宽的轴比带宽，同时也提高了天线的增益，并且实现了天线的波束扫描，适用于未来的第五代移动通信的场景。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1是本发明的圆极化天线的分解状态示意图；

图2是本发明的圆极化天线的组装状态示意图；

图3是图2中圆极化天线的侧视图；

图4是图3中圆极化天线的俯视图；

图5是本发明中线极化天线源的分解状态示意图；

图6是图5中线极化天线源的组装状态示意图；

图7是本发明中天线单元极化方向与介质栅片排列方向之间的夹角的示意图；

图8是本发明中贴片层的示意图；

图9是本发明中介质层的示意图；

图10是本发明中地板层的示意图；

图11是激励不同天线单元的波束扫描结果图；

图12是实现三维扫描所用线极化天线源的俯视图。

主要元件标号说明：

1 贴片层

101 介质板

111、112、113、114、115 金属化过孔组

2 介质层

201、202、203、204、205 金属贴片组

2011第一金属贴片 2012第二金属贴片 2013第三金属贴片

3 地板层

301 金属地板

311、312、313、314、315 差分馈电端口

4 线极化天线源

401、402、403、404、405 天线单元

6 圆极化器

601、602、603、604、605、606、607、608、609、610 介质栅片

7 介质透镜

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1、图2、图3所示，本发明提供一种圆极化天线，可用于接收和发送各种类型的电磁波，尤其适用于对天线增益要求高的毫米波的接收和发送，因此也可称为毫米波圆极化天线，其包括用以辐射线极化波的线极化天线源4和圆极化透镜，圆极化透镜包括用以将线极化波转化为圆极化波的圆极化器6和用以对圆极化波进行折射汇聚的介质透镜7，圆极化器6位于线极化天线源4上方，介质透镜7连接在圆极化器6正上方；

其中，圆极化器6包括多个竖直且平行设置的介质栅片(slab)，多个介质栅片沿水平方向以相等间距依次排列，以构造人工的各向异性的圆极化器，使圆极化器在水平方向与垂直方向(即水平的两个方向)具有不同的介电常数，对不同极化方向的线极化波产生不同的延迟效果，从而能使两个极化方向相互正交的线极化波产生90°的相差，实现将线极化波转化为圆极化波；圆极化器6与线极化天线源4之间具有距离。

本发明通过将介质栅片嵌入到介质透镜中，构成具有圆极化功能和透镜功能的圆极化透镜；通过设置多个间隔排列的介质栅片，不仅能在很宽的频带内将线极化波转化为圆极化波，还能对线极化波进行折射，将位于圆极化器外侧的发散的电磁波折射汇聚，从而提高天线的增益；通过将介质栅片隔开相同的间距平行放置，大大增加了天线的轴比带宽；通过设置介质透镜，来对圆极化波进行折射汇聚，使发散的电磁波束更加集中，减小天线方向图的波束宽度，有效提高天线的方向性，从而有效提高天线的整体增益，并能实现波束扫描。

进一步，介质栅片的高度为h，h＝1.3λ，其中λ为线极化波的波长，从而能通过调节介质栅片的高度，使极化方向相互正交的两个线极化波的波程差为90°，以产生宽带的圆极化电磁波。

如图2、图4所示，在一个优选的实施例中，多个介质栅片构成圆柱形的圆极化器6，各介质栅片的两端侧面围成圆柱形面，这种结构有利于对电磁波的折射作用，能对位于圆极化器6外侧各个方向的电磁波进行折射汇聚，可以有效提高天线的增益。

具体是，位于圆极化器6中间的介质栅片的长度最长，自圆极化器6的中间向两侧依次排列的介质栅片的长度递减，从而多个介质栅片构成圆柱形结构，每个介质栅片的两端外侧面为弧形面(介质栅片的两端外侧面之间的距离即为介质栅片的长度)，从而多个介质栅片的两端外侧面构成圆柱面。

例如，介质栅片的数量为10个，分别为依次排列的介质栅片601、介质栅片602、介质栅片603、介质栅片604、介质栅片605、介质栅片606、介质栅片607、介质栅片608、介质栅片609和介质栅片610，位于中间的介质栅片605和介质栅片606的长度最长，介质栅片606、介质栅片607、介质栅片608、介质栅片609、介质栅片610的长度依次递减，介质栅片605、介质栅片604、介质栅片603、介质栅片602、介质栅片601的长度依次递减。

进一步，各介质栅片的厚度(即宽度)相同，各介质栅片的高度相同。

例如，介质栅片的宽度为1mm，高度为7mm，相邻两个介质栅片之间的间距为1mm。但本发明对介质栅片的数量、尺寸和间距不加以限制，可根据实际工程需要来确定。

进一步，圆极化透镜由3D打印技术成型，从而简化了毫米波天线的加工难度。较佳地，介质栅片和介质透镜7为一体成型，用3D打印技术很容易加工，并且使得天线更加稳固，也方便天线的安装。

如图1所示，在一个具体实施例中，线极化天线源4位于圆极化透镜的焦平面。

进一步，介质栅片的介电常数大于1，以缩短圆极化透镜的焦距，减小线极化天线源8与圆极化透镜之间的距离，从而有效减小毫米波天线的整体尺寸。

本实施例中，介质透镜7为半球形，其上表面为半球形面，且其下表面为平面，多个介质栅片连接在介质透镜的平面下方。通过采用半球形的介质透镜7，能够大大提高天线的增益。介质透镜7的半径越大，天线的增益也越大。

例如，介质透镜7的半径为10mm，但本发明对于介质透镜7的具体尺寸不加以限制，可根据实际工程需要确定。

进一步，圆极化器6的半径等于介质透镜7的半径，以使圆极化器折射的电磁波有效地汇聚至介质透镜，并且使得圆极化透镜的结构更紧凑。

在如图4所示的实施例中，线极化天线源4为包括多个天线单元的线极化天线源阵列。通过设置线性天线源阵列，圆极化透镜能将位于焦平面不同位置的天线单元辐射的电磁波折射到不同的方向，从而实现天线的波束扫描。

进一步，多个介质栅片沿第一方向依次排列，线极化天线源阵列的各天线单元的极化方向与第一方向之间具有不同夹角，即每个天线单元的极化方向不同，从而使得线极化波经过圆极化透镜之后，天线的轴比带宽最大。

具体是，每个天线单元所辐射的线极化波可以分解成两个相位相等且相互正交的线极化波，其中一个线极化波与介质栅片的排列方向(即第一方向)相平行，另外一个线极化波与介质栅片的排列方向(即第一方向)相垂直，这两个相互正交的线极化波在经过圆极化器后能产生90°的相差，转化为圆极化波。

如图1所示，进一步，线极化天线源包括由上至下依次设置的贴片层1、介质层2和地板层3，介质层1包括介质板101和多个金属化过孔组，每个金属化过孔组包括至少一个金属化过孔，每个金属化过孔由介质板101的上表面贯穿至其下表面；贴片层2包括贴设在介质板101的上表面且与多个金属化过孔组一一对应的多个金属贴片组，每个金属贴片组对应覆盖一个金属化过孔组，每个金属贴片组包括至少一个金属贴片；地板层3包括贴设在介质板101下表面的金属地板301、以及设于金属地板301上且与多个金属化过孔组一一对应的多个差分馈电端口；其中，每个金属贴片组与相对应的一个金属化过孔组、相对应的一个差分馈电端口、以及介质板101和金属地板301组成一个天线单元。但本发明并不以此为限，线极化天线源还可以是其它现有的能产生线极化波的天线。

如图5、图6所示，更进一步，每个金属化过孔组包括2×3阵列式的6个金属化过孔；每个金属化贴片组包括方形的且具有第一缺口的第一金属贴片、方形的与第一金属贴片间隔并排且具有第二缺口的第二金属贴片、以及条形的第三金属贴片，第一缺口与第二缺口正对，第三金属贴片的两端分别伸入第一缺口和第二缺口，第三金属贴片的两端分别覆盖位于中间的第一个金属化过孔和第二个金属化过孔，第一金属贴片的两端分别覆盖位于第一个金属化过孔两侧的第三个金属化过孔和第四个金属化过孔，第二金属贴片的两端分别覆盖位于第二个金属化过孔两侧的第五个金属化过孔和第六个金属化过孔；每个差分馈电端口包括两个端口，两个端口分别对准位于中间的第一个金属化过孔和第二个金属化过孔。

如图5、图8、图9、图10所示，例如，金属化过孔组为五个，分别为金属化过孔组111、金属化过孔组112、金属化过孔组113、金属化过孔组114和金属化过孔组115，金属贴片组为五个，分别为金属贴片组201、金属贴片组202、金属贴片组203、金属贴片组204和金属贴片组205，每个金属贴片组包括三个金属贴片，例如金属贴片组201包括第一金属贴片2011、第二金属贴片2012和第三金属贴片2013，差分馈电端口为五个，分别为差分馈电端口311、差分馈电端口312、差分馈电端口313、差分馈电端口314和差分馈电端口315，因此，线极化天线源4包括五个天线单元，分别为天线单元401、天线单元402、天线单元403、天线单元404和天线单元405，天线单元401由金属化过孔组111、金属贴片组201、差分馈电端口311、介质板101和金属地板301构成，天线单元402由金属化过孔组112、金属贴片组202、差分馈电端口312、介质板101和金属地板301构成，天线单元403由金属化过孔组113、金属贴片组203、差分馈电端口313、介质板101和金属地板301构成，天线单元404由金属化过孔组114、金属贴片组204、差分馈电端口314、介质板101和金属地板301构成，天线单元405由金属化过孔组115、金属贴片组205、差分馈电端口315、介质板101和金属地板301构成；当激励差分馈电端口311时，天线单元401工作，当激励差分馈电端口312时，天线单元402工作，当激励差分馈电端口313时，天线单元403工作，当激励差分馈电端口314时，天线单元404工作，当激励差分馈电端口315时，天线单元405工作。

图11是激励不同天线单元产生的方向图，从图中可以看出，激励不同的天线单元，能够实现天线在不同方向的波束扫描，此外天线的增益最高也能达到22dbic。如图4所示，若将多个天线单元排列沿一个方向排列，实现的是在二维平面的波束扫描；如图12所示，若将多个天线单元沿两个不同方向(例如相垂直的两个方向)排列，实现的是在三维平面的波束扫描。

其中，五个天线单元的极化方向与介质栅片的排列方向(即第一方向)之间的夹角可以均不相同，也可以部分不同，例如依次为35°、40°、45°、40°、35°，如图7所示，其中虚线表示介质栅片的排列方向(即第一方向)，带箭头的实线代表天线单元的极化方向，这样的角度能够使得每个天线单元辐射的电磁波通过圆极化透镜之后的轴比带宽最宽，且能得到对称的波瓣。但这些角度的值不唯一，主要根据实际工程需要以及天线的位置确定。

具体工程实施中，可根据工作要求调整天线单元的尺寸，从而改变谐振点的频率。然后通过调整介质栅片的宽度和高度、以及介质栅片之间的距离，得到比较理想的轴比带宽。接着调整介质透镜的半径，实现工程所需要的增益，最后根据波束扫描的范围，在焦平面布下天线单元的阵列。天线单元的个数和单元间距由工程的要求的扫描范围具体决定。

综上所述，本发明所提出的新型的圆极化天线的结构拓展了圆极化带宽，提高了天线的增益，而且实现了波束扫描。本发明所提出的天线阻抗带宽、圆极化带宽、以及增益分别取决于不同的参数，因此在实际工程的应用中调试方便。调节线性天线源的金属贴片的尺寸，得到所需的工作频率以及阻抗带宽，然后利用极化介质栅片实现天线的圆极化特性，拓展天线的轴比带宽，再通过介质透镜的半径控制天线的增益。最后通过排列天线单元的位置，实现波束的扫描。此外，将天线的设计与3D打印技术相结合，可以使得天线的加工方便，精确，并且容易安装，极大提高了天线的稳定性。

本发明提供的实施例主要应用于无线移动通信领域，特别适用于无需牌照的毫米波段的天线的设计。在高频的应用中，由于天线的尺寸比较小，对于圆极化天线来说，天线的设计加工难度大，传统的拓展的带宽技术已经不适用于毫米波段的设计；此外，在毫米波段，电磁波信号的损耗比较大，对天线的增益要求也比较高。将本发明应用于毫米波天线的设计中，可以有效解决传统毫米波圆极化宽带天线设计复杂、损耗大的难题，并且还能实现波束扫描。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。而且需要说明的是，本发明的各组成部分并不仅限于上述整体应用，本发明的说明书中描述的各技术特征可以根据实际需要选择一项单独采用或选择多项组合起来使用，因此，本发明理所当然地涵盖了与本案发明点有关的其它组合及具体应用。

Claims (11)

1.一种圆极化天线，其特征在于，所述圆极化天线包括：

线极化天线源，用以辐射线极化波；

圆极化透镜，包括：

圆极化器，位于所述线极化天线源上方，用以将所述线极化波转化为圆极化波，所述圆极化器包括多个竖直且平行设置的介质栅片，多个所述介质栅片沿水平方向以相等间距依次排列；

介质透镜，连接在所述圆极化器上方，用以对所述圆极化波进行折射汇聚。

2.如权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，多个所述介质栅片构成圆柱形的所述圆极化器，各所述介质栅片的两端侧面围成圆柱面。

3.如权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述介质栅片的介电常数大于1。

4.如权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述介质栅片的高度为h，所述线极化波的波长为λ，h＝1.3λ。

5.如权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述介质透镜为半球形，其上表面为半球形面，且其下表面为平面，多个所述介质栅片连接在所述平面下方。

6.如权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述线极化天线源位于所述圆极化透镜的焦平面。

7.如权利要求1至6任一项所述的圆极化天线，其特征在于，所述线极化天线源为包括多个天线单元的线极化天线源阵列。

8.如权利要求7所述的圆极化天线，其特征在于，所述线极化天线源包括：

介质层，包括介质板和多个金属化过孔组，每个所述金属化过孔组包括多个金属化过孔，所述金属化过孔由所述介质板的上表面贯穿至其下表面；

贴片层，包括贴设在所述介质板的上表面且与多个所述金属化过孔组一一对应的多个金属贴片组，每个所述金属贴片组对应覆盖一个所述金属化过孔组，每个所述金属贴片组包括至少一个金属贴片；

地板层，包括贴设在所述介质板下表面的金属地板、以及设于所述金属地板上且与多个所述金属化过孔组一一对应的多个差分馈电端口；

每个所述金属贴片组与相对应的一个所述金属化过孔组、相对应的一个所述差分馈电端口、以及所述介质板和所述金属地板组成一个所述天线单元。

9.如权利要求8所述的圆极化天线，其特征在于，每个所述金属化过孔组包括2×3阵列式的六个金属化过孔；

每个所述金属贴片组包括方形的具有第一缺口的第一金属贴片、方形的与所述第一金属贴片间隔并排且具有第二缺口的第二金属贴片、以及条形的第三金属贴片，所述第一缺口与所述第二缺口正对，所述第三金属贴片的两端分别伸入所述第一缺口和所述第二缺口，所述第三金属贴片的两端分别覆盖位于中间的第一个所述金属化过孔和第二个所述金属化过孔，所述第一金属贴片的两端分别覆盖位于第一个所述金属化过孔两侧的第三个所述金属化过孔和第四个所述金属化过孔，所述第二金属贴片的两端分别覆盖位于第二个所述金属化过孔两侧的第五个所述金属化过孔和第六个所述金属化过孔；

每个所述差分馈电端口包括两个端口，两个所述端口分别对准位于中间的第一个所述金属化过孔和第二个所述金属化过孔。

10.如权利要求7所述的圆极化天线，其特征在于，多个所述介质栅片沿第一方向依次排列，各所述天线单元的极化方向与所述第一方向之间具有不同夹角。

11.如权利要求1至6任一项所述的圆极化天线，其特征在于，所述圆极化透镜由3D打印技术成型。