CN108598696A - 一种高增益毫米波圆极化介质谐振器阵列天线 - Google Patents

一种高增益毫米波圆极化介质谐振器阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种高增益毫米波圆极化介质谐振器阵列天线，用于解决现有毫米波圆极化介质谐振器阵列天线增益较低的技术问题，包括介质基板、印制在介质基板上表面的第一金属地板和下表面的第二金属地板；第一金属地板与第二金属地板之间通过基片集成波导矩形腔体连接，该基片集成波导馈电结构由设置在介质基板上的多个金属化过孔组成；第一金属地板位于基片集成波导馈电结构内的区域划分为n×n个馈电单元，n≥2，每个馈电单元上蚀刻有矩形耦合缝隙，在缝隙所在位置固定有两个介质块层叠而成的介质谐振器天线单元；介质基板上设置有用于安装同轴线的过孔。本发明适用于5G毫米波通信系统。

Description

一种高增益毫米波圆极化介质谐振器阵列天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别涉及一种高增益圆极化介质谐振器天线，适用于5G毫米波通信系统。
背景技术
随着现代无线通信技术的快速发展，特别是个人移动通信技术的发展，低频无线频谱资源逐渐枯竭。为实现高速无线接入技术，势必需要开发高频无线频谱资源。毫米波由于其波长短，干扰小等优点，可有效地解决高速无线接入技术中所面临的诸多问题，因此毫米波成为下一代移动通信(5G)及未来的移动通信的重要候选频段。
为了更快的突破毫米波通信的关键技术，国内外关于毫米波通信的天线设计与实验也正如火如荼的进行。而毫米波频段通信最大的问题在于毫米波的空气损耗较大，从而传播距离较短，只能用于一些短距通信，所以设法提高天线增益显得尤为重要。由于毫米波频段天线如果采用常用的微带天线等金属印刷天线会具有较高的金属损耗会一定程度地降低增益，使天线增益下降。圆极化天线可以接收任意极化方向的线极化波，同时它发射的信号也可以由任意极化方向的线极化天线接收，并且具有旋向正交性，尤其是在航天飞行器、无线通信和雷达的极化分集、全球定位等无线电领域中得到广泛应用领域。综上所述，研究高增益毫米波圆极化介质谐振器阵列天线具有重要意义。
为了提高毫米波圆极化阵列天线的增益，现有技术通常是利用基片集成波导技术设计功分馈电结构，有效地解决了常规馈电网络在毫米波频段损耗大从而降低天线增益的缺陷。例如申请公布号为CN 107749520 A，名称为“一种高增益毫米波圆极化螺旋微带天线”的专利申请，公开了一种高增益毫米波圆极化螺旋微带天线，该发明由辐射体阵列、馈电网络、馈电探针构成，其中辐射体阵列包括印刷在介质基板上表的金属辐射单元，馈电网络包括金属化过孔与上下金属地板连接成的基片集成波导功分馈电结构，馈电探针直接与金属辐射单元相连。该发明峰值增益15dBi。该发明在毫米波频段内实现了高增益和圆极化的天线特性，采用的基片集成波导技术一定程度上提高了天线的增益，但由于该发明采用的馈电结构较为复杂，增大了能量在传输过程中的损耗，从而限制了天线增益；同时金属辐射体的欧姆损耗较大，一定程度地降低了天线增益。所以若想进一步提高天线增益，需对馈电结构和天线辐射单元做出进一步改进。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种高增益毫米波圆极化介质谐振器天线，用于解决现有技术中存在的天线增益较低的技术问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括介质基板1、印制在介质基板1上表面的第一金属地板2和下表面的第二金属地板3；所述第一金属地板2与第二金属地板3之间通过基片集成波导馈电结构连接，该基片集成波导馈电结构由设置在介质基板1上的多个金属化过孔11组成；所述第一金属地板2位于基片集成波导馈电结构内的区域划分为多个馈电单元21，每个馈电单元21上蚀刻有矩形耦合缝隙211，在矩形耦合缝隙211所在位置固定有辐射单元4；所述介质基板1上设置有用于安装同轴线的过孔；所述基片集成波导馈电结构为矩形腔体；所述第一金属地板2位于基片集成波导馈电结构内的区域划分为n×n个馈电单元21，n≥2；所述辐射单元4采用由两个介质块41层叠而成的介质谐振器天线单元，用于实现高增益和圆极化的特性。
上述高增益毫米波圆极化介质谐振器阵列天线，所述矩形腔体为正方形腔体，该正方形腔体每个边上的金属化过孔11数量为m，m≥18。
上述高增益毫米波圆极化介质谐振器阵列天线，所述第一金属地板2，其上划分出的n×n个馈电单元21上蚀刻的矩形耦合缝隙211相互平行，且相邻的矩形耦合缝隙211相对于各自馈电单元21的任意一条中心线两侧交替分布。
上述高增益毫米波圆极化介质谐振器阵列天线，所述介质块41，采用长方体介质材料。
上述高增益毫米波圆极化介质谐振器阵列天线，所述介质谐振器天线单元，其中的两块介质块41沿长度方向的中轴线在空间上以不同的角度与所在馈电单元21中的矩形耦合缝隙211的长中线交叉，且交叉点位于垂直于矩形耦合缝隙211几何中心的轴线上。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1)本发明由于采用正方形的带有缝隙的基片集成波导腔体结构，通过矩形耦合缝隙给各个辐射单元馈电，有效地降低了基片集成波导的复杂度，降低了馈电过程中的能量损耗，与现有技术相比，有效地提高了天线的增益。
2)本发明由于辐射单元采用的是介质谐振器天线，有效地降低了天线的欧姆损耗，使天线的能量更多地辐射到空间当中去，与现有技术相比，进一步提高了天线增益。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的俯视图；
图3是本发明馈电腔体的结构示意图；
图4是本发明xoz面和yoz面方向图的仿真图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述：
参照图1，本发明包括介质基板1，印制在正方形介质基板1上表面的第一金属地板2和下表面的第二金属地板3，粘贴在第一金属地板2上的4×4个辐射单元4。该正方形介质基板1的介电常数为2.2，高度为0.5mm，边长25mm。第一金属地板2和第二金属地板3通过设置在介质基板1上的由多个金属化过孔11组成的基片集成波导矩形腔体馈电结构连接，为了使天线xoz面辐射方向图与yoz面辐射方向图一致，将腔体设置成正方形腔体。根据基片集成波导设计原理，设计出工作在28GHz的基片集成波导正方形腔体，该正方形腔体每个边上的金属化过孔11数量为36，为了使馈电腔体四周围成一个电壁，基片集成波导正方形腔体上的金属化过孔11孔距p设为0.6mm、孔径d设为0.3mm。
参照图2，辐射单元4采用两个长方形介质块41层叠而成的介质谐振器天线单元，其中的两块介质块41沿长度方向的中轴线在空间上以不同的角度与所在馈电单元21中的矩形耦合缝隙211的长中线交叉，且交叉点位于垂直于矩形耦合缝隙211几何中心的轴线上，下层介质块41与第一金属地板无缝粘结，且下层介质块41长边不平行于缝隙中线，如图2中所示，为了使天线实现更好的圆极化特性，需要使天线激励出两个相互正交的相差为90°的场分量，调节两介质块41之间的夹角，下层介质块41的沿长度方向的中轴线相对于x轴的旋转角为α1为45°，上层介质块41的沿长度方向的中轴线相对于x轴的旋转角为α2为30°，根据介质谐振器天线设计原理，工作在28GHz的介质块的长dl为4.5mm、宽dw为1.8mm、高为0.635mm、相对介电常数为10.2。
参照图3，第一金属地板2位于基片集成波导馈电结构内的区域平均划分为4×4个馈电单元21，每个馈电单元21上蚀刻有矩形耦合缝隙211，基片集成波导正方形腔体馈电结构通过矩形耦合缝隙211向各辐射单元4馈电。根据波导缝隙阵设计原理，为了使各个辐射单元4的馈电相位一致，矩形耦合缝隙211平行于各辐射单元21的垂直中线，且相邻的矩形耦合缝隙211相对于各自馈电单元21的任意一条中心线两侧交替分布，缝隙的中心线距离对应馈电单元21的垂直中心线的距离是S0为1.3mm，缝隙长为sl为4.4mm、宽sw为0.2mm，使缝隙与辐射单元4之间达到最优匹配；为同轴线留有同轴线过孔12，孔径为d1为0.3mm，同轴线过孔12的相对于图4中坐标轴的位置(x1，y1)设定在(2.1，1.9)，从而使天线与同轴线之间实现更好的匹配。
本发明利用介质谐振器天线损耗小的特性，从而提高天线增益，并根据其设计原理，设计出中心频率工作在28GHz的介质块41；根据基片集成波导的设计理论设计出正方形的带有缝隙的馈电腔体，降低了基片集成波导馈电结构的复杂度，从而降低了天线馈电过程中的传输损耗进一步提高了天线增益。为激励出两个相互正交的场分量从而获得圆极化的特性，使天线叠层并具有一定的夹角，并通过调节α1、α2使天线更容易实现圆极化的特性。天线工作时需将同轴线的内芯穿过介质基板1上的同轴线12过孔与第一金属地板2焊接，外皮与第二金属地板3焊接。
以下通过仿真实验，对本发明的技术效果进行说明：
1、仿真条件和内容：
利用商业仿真软件ANSYS HFSS v15.0对本发明的xoz面和yoz面方向图进行仿真计算，结果如图4所示。
2、仿真结果分析：
图4(a)是本发明的xoz面方向图的仿真图，图4(b)是本发明的yoz面方向图的仿真图。
由图4(a)可以看出，xoz面上的主极化方式为右旋圆极化，主极化与交叉极化(左旋圆极化)的差值为40dB，副瓣电平为12dB；由图4(b)可以看出，yoz面上的主极化方式为右旋圆极化，主极化与交叉极化(左旋圆极化)的差值为36dB，副瓣电平为14dB；由图4仿真结果分析可得，本发明的天线最大辐射方向沿z轴方向，具有很好的定向性，本发明沿z轴的峰值增益为16dBi，与现有技术相比，增益提高了1dBi，从而提高了天线增益。
以上描述和实施例，仅为本发明的优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和设计原理后，都可能在基于本发明的原理和结构的情况下，进行形式上和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高增益毫米波圆极化介质谐振器阵列天线，包括介质基板(1)、印制在介质基板(1)上表面的第一金属地板(2)和下表面的第二金属地板(3)；所述第一金属地板(2)与第二金属地板(3)之间通过基片集成波导馈电结构连接，该基片集成波导馈电结构由设置在介质基板(1)上的多个金属化过孔(11)组成；所述第一金属地板(2)位于基片集成波导馈电结构内的区域划分为多个馈电单元(21)，每个馈电单元(21)上蚀刻有矩形耦合缝隙(211)，在矩形耦合缝隙(211)所在位置固定有辐射单元(4)；所述介质基板(1)上设置有用于安装同轴线的过孔；其特征在于，所述基片集成波导馈电结构为矩形腔体；所述第一金属地板(2)位于基片集成波导馈电结构内的区域划分为n×n个馈电单元(21)，n≥2；所述辐射单元(4)采用由两个介质块(41)层叠而成的介质谐振器天线单元，用于实现高增益和圆极化的特性。
2.根据权利要求1所述的高增益毫米波圆极化介质谐振器阵列天线，其特征在于：所述矩形腔体为正方形腔体，该正方形腔体每个边上的金属化过孔(11)数量为m，m≥18。
3.根据权利要求1所述的高增益毫米波圆极化介质谐振器阵列天线，其特征在于：所述第一金属地板(2)，其上划分出的n×n个馈电单元(21)上蚀刻的矩形耦合缝隙(211)相互平行，且相邻的矩形耦合缝隙(211)相对于各自馈电单元(21)的任意一条中心线两侧交替分布。
4.根据权利要求1所述的高增益毫米波圆极化介质谐振器阵列天线，其特征在于：所述介质块(41)，采用长方体介质材料。
5.根据权利要求4所述的高增益毫米波圆极化介质谐振器阵列天线，其特征在于：所述介质谐振器天线单元，其中的两块介质块(41)沿长度方向的中轴线在空间上以不同的角度与所在馈电单元(21)中的矩形耦合缝隙(211)的长中线交叉，且交叉点位于垂直于矩形耦合缝隙(211)几何中心的轴线上。
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