CN109037966B - 采用介质加载的阶梯型缝隙的端射多波束双圆极化天线阵 - Google Patents

采用介质加载的阶梯型缝隙的端射多波束双圆极化天线阵 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用前景广泛的、采用介质加载的阶梯型缝隙的端射多波束双圆极化天线阵，通过设计宽带双圆极化天线单元、天线馈电网络及天线单元间用于提升隔离的空气槽，本发明的端射多波束双圆极化天线阵列获得了可应用于微波毫米波频段的、易于设计和加工、易于平面集成、高带宽、可实现端射多波束双圆极化等优点。

Description

采用介质加载的阶梯型缝隙的端射多波束双圆极化天线阵
技术领域
本发明涉及一种应用前景广泛的采用介质加载的阶梯型缝隙的端射多波束双圆极化天线阵，属于天线技术领域。
背景技术
天线是无线通信系统的重要组成部分。无线通信的快速发展，对低剖面、多波束、高增益、多极化、成本低以及易集成的天线产生迫切需求。
圆极化天线能够接收来自任意天线的任意极化电磁波，可以有效地提高接收和辐射效率，因此被广泛地应用于实际的干扰与电子侦察中。圆极化天线可以利用喇叭天线、微带天线或背腔天线等多种天线形式实现。
传统的平面多波束天线阵列设计多关注于线极化辐射及法向辐射，较少适用于端射辐射及圆极化的应用场景。对于法向辐射的圆极化多波束天线阵列，常采用顺序旋转的方式避免天线单元之间的互耦带来的轴比的降低，但顺序旋转技术并不适用于端射的应用要求。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明采用介质加载的阶梯型缝隙的技术，提供了一种可以满足无线通信系统需要的、可应用于微波毫米波频段的、易于设计和加工、易于平面集成、带宽宽的端射多波束双圆极化天线阵列。该天线第一次在印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)工艺上实现了端射多波束双圆极化天线阵列的特性。
技术方案：一种采用介质加载的阶梯型缝隙的端射多波束双圆极化天线阵，包括：四个采用介质加载的阶梯型缝隙构成的天线单元，天线单元之间用于减少互耦的空气槽，用于产生通道间相位差的4*4巴特勒矩阵，用于扩展天线单元间距并保持通道间相位差一致性的馈电网络，以及用于测试的基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)至金属波导的转接结构。按照转接结构、4*4巴特勒矩阵、馈电网络和天线单元的顺序级联。
转接结构上包括#1端口至#8端口八个端口，其中一个端口馈电，其余端口接匹配负载时，可实主辐射方向在正负8°和正负24°上的四波束扫描及在此四波束上的左旋和右旋圆极化辐射的切换。
所述天线单元由两层介质层、三层金属层、两排金属通孔组成的两层类SIW结构及SIW开口末端的介质加载组成；三层金属层分别为上、中间和下金属层，所述上金属层与中间金属层之间设有一层介质层，中间金属层和下金属层之间设有一层介质层，SIW末端的中间金属层切割有阶梯型缝隙，SIW的末端开口处由介质加载；所述天线单元的两侧边设置的两排金属化通孔构成SIW的两侧金属壁；两层类SIW结构分别由天线单元首端的两个端口进行馈电，一个端口馈电，另一端口加载匹配负载时，可分别在端射方向上实现左旋和右旋极化辐射。
在一个端口馈电，另一个端口接匹配负载的情况下，馈电端口的主模TE10模式在传输至SIW末端开口的过程中，经过两层SIW间的阶梯型缝隙金属层时受到干扰，在SIW末端开口处形成幅度相等、相位差90°的两种正交模式TE10模和TE01模，形成圆极化的辐射效果。末端介质加载用于改善天线单元的反射特性及两端口间的隔离特性，并提高天线的增益。由两个端口馈电，另一端口接匹配负载，可分别实现左旋圆极化辐射和右旋圆极化辐射。
所述的天线单元及馈电网络均通过PCB工艺及SIW技术实现，其尺寸与天线的工作频率有关。
有益效果：与现有的由PCB工艺实现的多波束天线阵列相比，本发明提供的采用介质加载的阶梯型缝隙的端射多波束双圆极化天线阵，第一次实现了端射的双圆极化多波束天线阵列，该天线阵列具有以下优点：
1)第一次实现了低剖面、易加工的端射的双圆极化多波束天线阵列。
2)实现了较宽的驻波带宽及增益、轴比带宽。
附图说明
图1为本发明端射的双圆极化多波束天线阵列的俯视图；
图2为天线单元的立体示意图；
图3为天线单元的俯视图；
图4为天线单元的侧视图；
图5至图8分别为本发明在端口1至端口4的驻波比随频率变化的示意图；
图9为本发明的端口1和端口2至端口8之间的隔离度随频率变化的示意图；
图10和图11为本发明在端口1至端口4被激励的情况下的增益和轴比随频率变化的示意图；
图12至图14为本发明在35GHz、37.5GHz、40GHz的，在端口1-4激励下的天线的仿真和实测的方向图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
该天线采用单层印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)工艺加工，由两层单层介质、双层金属的PCB板材通过塑料螺柱压合成型。该天线阵列主要由天线单元、馈电网络和转接结构构成。
如图1所示，采用介质加载的阶梯型缝隙的端射多波束双圆极化天线阵，包括：四个采用介质加载的阶梯型缝隙构成的天线单元1，天线单元1之间用于减少互耦的空气槽6，用于产生通道间相位差的4*4巴特勒矩阵3，用于扩展天线单元1间距并保持通道间相位差一致性的馈电网络2，以及用于测试的基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)至金属波导的转接结构7。按照转接结构、4*4巴特勒矩阵、馈电网络和天线单元的顺序级联。
转接结构上包括#1端口至#8端口八个端口，如图1所示，编号5所指的虚线矩形中为这八个端口，其中一个端口馈电，其余端口接匹配负载时，可实主辐射方向在正负8°和正负24°上的四波束扫描及在此四波束上的左旋和右旋圆极化辐射的切换。
天线单元1由两层介质层、三层金属层11-13、两排金属通孔8组成的两层类SIW结构及SIW开口末端的介质14加载组成；三层金属层分别为上、中间和下金属层，上金属层11与中间金属层13之间设有一层介质层，中间金属层13和下金属层12之间设有一层介质层，SIW末端的中间金属层切割有4个台阶的阶梯型缝隙，SIW的末端开口处由介质14加载；天线单元1的两侧边设置的两排金属化通孔8构成SIW的两侧金属壁；两层类SIW结构分别由天线单元1首端的两个端口8-9进行馈电，一个端口馈电，另一端口加载匹配负载时，可分别在端射方向上实现左旋和右旋极化辐射。
在一个端口馈电，另一个端口接匹配负载的情况下，馈电端口的主模TE10模式在传输至SIW末端开口的过程中，经过两层SIW间的阶梯型缝隙金属层时受到干扰，在SIW末端开口处形成幅度相等、相位差90°的两种正交模式TE10模和TE01模，形成圆极化的辐射效果。末端介质加载用于改善天线单元1的反射特性及两端口间的隔离特性，并提高天线的增益。由两个端口馈电，另一端口接匹配负载，可分别实现左旋圆极化辐射和右旋圆极化辐射。
由金属层及金属化过孔分隔开的八个通道5(#1-#8)给天线单元1馈电，八个通道对应8个端口，端口是馈电的口，能量通过端口馈入在通道中传输。巴特勒矩阵3由耦合器、交叉器、45°移相器和0°移相器构成。其中，构成馈电网络2的金属化通孔8的直径为d0,间距为p0。天线单元的间距为wr2，单元间的空气槽的长度为lr1，宽度为wr1。
图2为天线单元1的立体示意图，图3为天线单元1的俯视图，图4为天线单元1的侧视图。天线单元1由两层PCB双面板叠加而成，共有三层金属11、12、13，两侧金属化通孔8构成SIW的两侧金属壁，2个SIW的中间金属层13切割出有4个台阶的阶梯型缝隙，SIW的末端开口处由长度为l5和宽度为w5的介质加载14。阶梯型缝隙的尺寸由w1-4及l1-4确定。金属化通孔8的直径为d，间距为p。两层PCB板的介质板厚度均为h。SIW的宽度为w7。天线单,1长宽分别为l及w。
采用电磁仿真软件对天线尺寸进行优化，得到天线尺寸参数如表1所示。各参数代表的意义已在上文说明。
测试对象为利用PCB技术实现的工作在38GHz的端射的双圆极化多波束天线阵列。测试结果如图5至图14所示。图5至图8分别为本发明在端口1至端口4的驻波比随频率变化的示意图；图9为本发明的端口1和端口2至端口8之间的隔离度随频率变化的示意图；图10和图11为本发明在端口1至端口4被激励的情况下的增益和轴比随频率变化的示意图，图12至图14为本发明在35GHz、37.5GHz、40GHz的，在端口1至端口4激励下的天线的仿真和实测的方向图。所测天线达到了29.3％的阻抗带宽，以及22.5％的3-dB轴比带宽。
Figure BDA0001694800800000041
Figure BDA0001694800800000051

Claims (3)

1.一种采用介质加载的阶梯型缝隙的端射多波束双圆极化天线阵，其特征在于，包括：四个采用介质加载的阶梯型缝隙构成的天线单元，天线单元之间用于减少互耦的空气槽，用于产生通道间相位差的4*4巴特勒矩阵，用于扩展天线单元间距并保持通道间相位差一致性的馈电网络，以及用于测试的基片集成波导至金属波导的转接结构，转接结构、4*4巴特勒矩阵、馈电网络和天线单元顺序级联；其中，所述天线单元由两层介质层、三层金属层、两排金属通孔组成的两层类SIW结构及SIW开口末端的介质加载组成；三层金属层分别为上、中间和下金属层，所述上金属层与中间金属层之间设有一层介质层，中间金属层和下金属层之间设有一层介质层，SIW末端的中间金属层切割有阶梯型缝隙，SIW的末端开口处由介质加载；所述天线单元的两侧边设置的两排金属化通孔构成SIW的两侧金属壁；两层类SIW结构分别由天线单元首端的两个端口进行馈电，一个端口馈电，另一端口加载匹配负载时，可分别在端射方向上实现左旋和右旋极化辐射。
2.如权利要求1所述的采用介质加载的阶梯型缝隙的端射多波束双圆极化天线阵，其特征在于，转接结构上包括八个端口，其中一个端口馈电，其余端口接匹配负载时，可实现主辐射方向在正负8°和正负24°上的四波束扫描及在此四波束上的左旋和右旋圆极化辐射的切换。
3.如权利要求1所述的采用介质加载的阶梯型缝隙的端射多波束双圆极化天线阵，其特征在于，所述的天线单元及馈电网络均通过PCB工艺及SIW技术实现，其尺寸与天线的工作频率有关。
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