CN109193154A - 一种毫米波圆极化多波束平板圆柱介质透镜天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于毫米波圆极化多波束天线技术领域，具体提供一种毫米波圆极化多波束平板圆柱介质透镜天线；用以克服多波束天线实现圆极化的问题：对于球形介质不易加工以及平板圆柱介质透镜的圆极化馈源难以设计；本发明天线包括透镜及若干个馈源天线，馈源天线由八木天线、喇叭天线及馈电网络构成；本发明使用八木天线和喇叭天线对透镜天线进行馈电，解决了圆柱介质透镜因平板空间有限枝节加入圆极化馈源困难得问题；3dB耦合器通过垂直转换结构连接八木天线和喇叭天线，实现了透镜天线的双圆极化。

Description

一种毫米波圆极化多波束平板圆柱介质透镜天线
技术领域
本发明属于毫米波圆极化多波束天线技术领域，涉及毫米波圆极化多波束圆柱介质透镜天线，具体为一种毫米波圆极化多波束平板圆柱介质透镜天线。
背景技术
如今随着4G通信的部署完成，其功能已达到饱和，为满足对通信系统的通信速率、信道容量、数据吞吐量、用户覆盖率等方面更高要求，5G通信于是应运而生。毫米波能很好的契合了5G通信，天线作为通信系统的最前端，需要天线能够拥有较高的增益以保证较远的通信距离同时实现较快的通信速率；需要天线能够工作在更高频段，在毫米波段，同时要求其具有一个较宽的工作带宽以保证较大信道容量，同时容纳多个用户通信；需要天线在方位面上能够实现更大空间范围上的波束覆盖，以实现方位面的用户覆盖。例如在移动通信基站中，需要天线具有宽带、高增益、宽波束覆盖范围的能力以满足点对多数据链通信与多点回传等需求；在某些特定的场合，诸如有限视场定位，限定范围点对点、点对多信息交互，有限范围空间目标定位等场合，需要天线具有较低剖面，较小尺寸。
圆极化天线在减小极化失配以及抑制信道的多径干涉表现优异，同时能提高信道的通信容量；因此圆极化天线在卫星通信得到广泛应用，世界各国、各联盟都积极发展高性能的全球定位系统，如最早的美国NNSS系统、俄罗斯的GLONASS全球导航卫星系统以及欧盟的GALILEO导航卫星系统计划，我国也拥有了自主的北斗定位系统；这些全球定位系统已经越来越走向民用，而随着这些卫星通信、遥测、遥控技术的发展，原始的线极化天线已经面临着云雨干扰、剧烈震动、影响重叠等问题带来的挑战，而圆极化天线由于其极化性能可以在面对这些外来因素干扰时表现出优异的特性，从而满足在通信、雷达、电子对抗、电视广播等方面的更严格、更精密的探测或传输要求。基于此，对于圆极化天线的研究有着重大而深远的意义；在圆极化的电磁特性中，我们着重考虑其具有以下的一些优势：一是任意的极化电磁波均可分解为两个旋向相反的圆极化波，如对于线极化波来说，可以分解为两等幅反向的圆极化波；因此，任意极化的电磁波均可被圆极化天线接收，而圆极化天线发射的电磁波则也可以被任意极化的天线接收到；这样，为高效、准确、快速传输数据提供了一个很好的传输平台；二是圆极化波入射到对称目标时，其反射波会发生旋向反转，对于接近于球形的水滴来说，圆极化波探测的目标一般是比较复杂的结构，它对圆极化波的反射波是椭圆极化波，具有相同旋向的圆极化波成分；正是由于这个特性，圆极化波工作状态下的雷达具有抑制雨雾干扰的能力；这在电子侦察和干扰方面具有重大的战略意义。
透镜天线结构具有良好的旋转对称性，同时其每个波束具有全口径增益，口径的利用率很高，可以通过放置多个馈源天线实现宽覆盖范围；多个馈源天线之间可以通过集成微波开关实现快速的波束扫描；因此透镜天线可以作为现代通信系统中的最前端，以满足现代通信系统中对通信速率、信道容量和用户覆盖的需求。
随着新低损耗材料的发现以及加工水平的提高使得透镜天线效率以及尺寸都得到了优化，推进了透镜天线的快速发展；其中平板龙伯透镜或者平板圆柱介质透镜为方位面的大范围覆盖提供了一种较好的实现方法；通过在平板波导中夹装龙伯透镜结构或者圆柱介质透镜构成平板透镜，以透镜的对阵中心为原点，在透镜的入射面内围绕着圆心圆周阵列排布多个馈源，通过激励不同馈源可以实现不同方向的波束，从而进一步实现波束在方位面上大角度覆盖。利用透镜结构实现波束扫描可以采用球形透镜，通过在球形透镜一侧放置多个馈源或者围绕球透镜移动馈源天线，从而实现波束在空间的扫描；球透镜可实现的波束增益较高，波束宽度较小，对目标分辨率较高，可实现波束覆盖范围，但是一方面由于介质球的加工精度要求较高，该结构特点限制了其高频扩展性较差，在实现更高频率或者较大带宽存在一定的难度；另一方面，电磁波经过介质球发生的是二维折射，球形透镜天线相比于圆柱介质透镜损耗更高，效率更低，体积更大；所以在毫米波波段使用平板透镜具有更好的综合性能。
对于透镜天线实现圆极化的问题，一般的方法是周围直接放置圆极化馈源；然而对于圆柱介质透镜因为平板波导的空间有限，要设计满足尺寸并且带宽足够的圆极化馈源十分困难。
基于此，本发明提供一种毫米波圆极化多波束平板圆柱介质透镜天线。
发明内容
本发明的目的在于针对上述多波束天线实现圆极化的问题：对于球形介质不易加工以及平板圆柱介质透镜的圆极化馈源难以设计，提供一种毫米波圆极化多波束平板圆柱介质透镜天线，具体技术方案为：
一种毫米波圆极化多波束平板圆柱介质透镜天线，包括：透镜及若干个馈源天线，所述透镜由从下往上依次层叠的下层金属层(5)、下层平板透镜(4)、中层金属层(3)、上层平板透镜(2)及上层金属层(1)构成；其特征在于，每个馈源天线结构相同、均基于基片集成波导构成；所述馈源天线由八木天线(13)、喇叭天线(14)及馈电网络构成，其中，馈电网络包括两个输入端(6、7)、3dB耦合器(8)及两个输出端(15、16)，所述八木天线(13)和喇叭天线(14)分别通过直角转换结构(9、10)连接所述馈电网络的两个输出端(15、16)，输入信号通过馈电网络的输入端输入、经过3dB耦合器后、输出两路幅度相等相位相差90°的信号分别馈入八木天线和喇叭天线；所述馈源天线设置于透镜边缘，使所述八木天线和喇叭天线设置于于不同层的平板透镜的焦点处，八木天线辐射水平极化波在平板透镜以TE1模式传播，喇叭天线辐射的垂直极化波以TM1模式在平板透镜传播，两种模式的传播常数相同，电磁波在平板透镜出射后在空间合成圆极化波。
从工作原理上讲，本发明所述的圆柱透镜多波束天线中，八木天线为水平极化、而喇叭天线为垂直极化，两者极化方向正交，从而实现了圆柱透镜的双圆极化；并且，八木天线和喇叭天线通过垂直转换结构(9)、(10)与馈电网络中3dB耦合器连接，实现了极化可切换，能产生左旋圆极化和右旋圆极化波；解决了圆柱介质透镜由于平板波导间空间有限而实现圆极化困难得难题。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种毫米波圆极化平板圆柱介质透镜天线，该天线采用的是圆柱介质透镜，并且使用八木天线和喇叭天线对透镜天线进行馈电，解决了圆柱介质透镜因平板空间有限枝节加入圆极化馈源困难得问题；3dB耦合器通过垂直转换结构连接八木天线和喇叭天线，实现了透镜天线的双圆极化。
附图说明
图1为本发明毫米波圆极化多波束平板圆柱介质透镜天线整体示意图。
图2为本发明毫米波圆极化多波束平板圆柱介质透镜天线透镜部分的示意图。
图3为本发明毫米波圆极化多波束平板圆柱介质透镜天线的馈源整体示意图。
图4为本发明毫米波圆极化多波束平板圆柱介质透镜天线馈电网络示意图。
图5为本发明毫米波圆极化多波束平板圆柱介质透镜天线馈源天线示意图。
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；为了引用和清楚起见，下文中使用的技术名词的说明、简写或缩写总结如下：
喇叭天线：对波导结构开口面进行扩展，改善了波导与自由空间的匹配，使得电磁能量能很好的辐射出去；
八木天线：一个无源反射器和若干个无源引向器平行排列而成的端射天线，具有很高的方向性；
基片集成波导：基片集成波导在基片打若干金属化过孔，可以等效为填充介质矩形波导，具有易集成的优点；
本发明针对背景技术中的平板圆柱介质透镜天线阵，由于金属板间的厚度限制难以直接实现圆极化的问题，提出一种圆极化圆柱介质透镜天线；该天线通过在不同层的圆柱介质透镜由分别由垂直极化和水平极化的天线馈电，两天线通过基片集成波导垂直转换结构与3dB耦合器相连，能够合成左旋圆极化和右旋圆极化，通过不同端口输入，可以实现极化切换。
本实施例中提供一个圆极化圆柱介质多波束天线，其结构如图1、图2、图3、图4、图5所示，天线由介质透镜部分和若干个馈源天线组成；如图1所示为天线的整体结构视图，透镜部分由从下往上依次层叠的下层金属层5、下层平板透镜4、中层金属层3、上层平板透镜2及上层金属层1构成；如图2所示，所述若干个馈源天线设置于所述透镜的边缘，在本实施例中，天线采用若干个馈源天线等间隔布置于圆心角为120°的弧线上，采用3个天线层叠，即可实现全覆盖；其中，每个馈源天线中，八木天线设置于上层平板透镜的焦点处，所述喇叭天线设置于下层平板透镜的焦点处。
如图3所示，馈源天线基于基片集成波导构成，由从下往上依次层叠的下覆铜层、介质层及上覆铜层构成，介质层采用基板TaconicTLY-5，其相对介电常数为2.2，厚度为0.254mm；所述馈源天线由八木天线13、喇叭天线14及馈电网络构成；如图4所示为所述馈电网络，包括依次连接的输入端6、输入端7、3dB耦合器8、输出端15及输出端16，所述八木天线13和喇叭天线14分别通过直角转换结构9、10连接馈电网络输出端15、16；所述输入端均设置鳍线过渡结构实现标准波导到基片集成波导的过渡馈电结构，输入信号通过输入端输入，经过3dB耦合器输出两路幅度相等相位相差90°的信号分别馈入八木天线和喇叭天线，他们的极化方向正交，通过不同的端口输入可以实现双圆极化；
如图5所示为八木天线和喇叭天线的具体结构，其中，上侧为基片集成波导八木天线结构，其通孔131为基片集成波导的短路结构防止能量从右端泄露，通孔132为垂直转换结构的匹配孔，通过调节该孔的位置能够减少能量的反射，使得电磁波很好的馈入天线；上层覆铜层上开设开口133为垂直转换结构的矩形开口。下侧为基片集成波导喇叭天线的结构，其通孔141为基片集成波导的短路结构防止能量从右端泄露，通孔142为垂直转换结构的匹配孔，通过调节该孔的位置能够减少能量的反射，使得电磁波很好的馈入喇叭天线；其上层覆铜层上开设开口143为垂直转换结构的矩形开口；通孔144通过渐变的通孔形成基片集成波导喇叭，改善了波导和空气的匹配，使得能量能很好的辐射。
以上则为圆极化圆柱透镜天线结构介绍，详细介绍了各个结构实现的功能。
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 (2)

1.一种毫米波圆极化多波束平板圆柱介质透镜天线，包括：透镜及若干个馈源天线，所述透镜由从下往上依次层叠的下层金属层(5)、下层平板透镜(4)、中层金属层(3)、上层平板透镜(2)及上层金属层(1)构成；其特征在于，每个馈源天线结构相同、均基于基片集成波导构成；所述馈源天线由八木天线(13)、喇叭天线(14)及馈电网络构成，其中，馈电网络包括两个输入端(6、7)、3dB耦合器(8)及两个输出端(15、16)，所述八木天线(13)和喇叭天线(14)分别通过直角转换结构(9、10)连接所述馈电网络的两个输出端(15、16)，输入信号通过馈电网络的输入端输入、经过3dB耦合器后、输出两路幅度相等相位相差90°的信号分别馈入八木天线和喇叭天线；所述八木天线和喇叭天线分别设置于不同层的平板透镜的焦点处。
2.按权利要求1所述毫米波圆极化多波束平板圆柱介质透镜天线，其特征在于，所述八木天线辐射水平极化波以TE1模式在平板透镜中传播，喇叭天线辐射的垂直极化波以TM1模式在平板透镜中传播，两种模式的传播常数相同，电磁波在平板透镜出射后在空间合成圆极化波。
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