CN109638443B - 一种具有对称波束的平板宽带圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有对称波束的平板宽带圆极化天线，包括上层介质基片和下层介质基片。上层介质基片中设有四个结构相同的圆极化子阵，下层介质基片中设有一个四路的等相位差功分器。本发明利用完全印刷电路工艺，设计实现了具有低剖面、宽频带的平板圆极化天线，适用于以第五代(5G)移动通信为代表的毫米波无线通信和卫星通信应用；本天线具有精度较高、重复性好的特性，同时还具有成本低、便于批量生产等优点。

Description

一种具有对称波束的平板宽带圆极化天线
技术领域
本发明涉及天线领域，特别是涉及一种具有对称波束的平板宽带圆极化天线。
背景技术
圆极化天线具有抗多径干扰、抗云雨衰减、抗极化失配等特点，是其他线极化天线所不具备的特点，因此常用于卫星通信和复杂环境通信。随和移动通信的发展，圆极化天线逐渐成为MIMO分集系统天线的重要组成之一。随着5G通信技术的发展，毫米波通信逐渐成为市场关注的热点，相关天线的研究也愈发广泛。同时，随着在6G以及未来通信的预期中，卫星通信作为空间组网的重要组成部分，对于具有优越性能的卫星通信天线也有越来越大的需求。因此，具备优良特性的圆极化天线将得到广泛的应用。
圆极化天线的设计和实现方式有很多，但随着工作频率的不断提高，仍然存在着大量设计难点，例如：
1.圆极化天线的工作频带由阻抗匹配、轴比特性和辐射增益三个指标来衡量判断。常规圆极化设计中，三个指标往往无法在相同的频带内实现最优，因此导致三个指标同时最优的工作频带往往是窄带的。尤其在低剖面、小型化的平板圆极化天线设计中，宽频带设计具有极大挑战性。
2.圆极化天线用于卫星通信或复杂通信时，通常对其辐射波束有特殊要求，例如为了尽可能保证在辐射区域内保持极化特性良好，通常要求辐射波束具有空间对称性或旋转对称性，这也就对圆极化天设计提出了更严格的要求。
3.在微波高频段或毫米波频段，对器件和整个系统有着小型化和便携性的要求，因此传统基于立体辐射单元的圆极化天线设计方案将不再使用，必须考虑平面结构的天线形式。而传统平面传输线，如微带线、共面波导等具有较大的损耗，其中空间辐射损耗会恶化天线的方向图特性。因此，必须采用具有空间封闭结构的基片集成波导方式来实现天线的馈电。
4.传统的基片集成波导结构法向辐射式天线，包括缝隙天线、谐振腔天线等形式，均不具备宽带辐射特性。综合3和4，在毫米波频段设计出具有平面结构、法向辐射和低损耗的基片集成波导天线具有很大的设计难度。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能够克服现有技术中存在的缺陷的具有对称波束的平板宽带圆极化天线。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的具有对称波束的平板宽带圆极化天线，包括上层介质基片和下层介质基片，上层介质基片的上表面和下表面均设有金属层，下层介质基片的上表面和下表面也设有金属层，且上层介质基片下表面金属层与下层介质基片上表面金属层接触；上层介质基片中设有四个结构相同的圆极化子阵，四个圆极化子阵按照90°旋转排列，相邻两个圆极化子阵之间设有贯穿上层介质基片的金属化通孔阵列；圆极化子阵包括由贯穿上层介质基片的通孔组成的90°电桥，90°电桥的两个输出端口分别激励一对正交排布的印刷在上层介质基片上表面金属层的辐射缝隙和辐射缝隙，90°电桥的两个输出端口还分别连接两个金属化通孔阵列，在辐射缝隙与90°电桥之间还设有贯穿上层介质基片的金属化通孔和金属化通孔，金属化通孔的中心与金属化通孔的中心之间的连线平行于辐射缝隙，在辐射缝隙与90°电桥之间还设有贯穿上层介质基片的金属化通孔和金属化通孔，金属化通孔的中心与金属化通孔的中心之间的连线平行于辐射缝隙，90°电桥的两个输入端口分别连接金属槽孔和贯穿上层介质基片的金属化通孔阵列，在金属槽孔靠近90°电桥内部的一侧设有横向耦合缝隙，横向耦合缝隙开设在上层介质基片下表面金属层上；四个圆极化子阵中，各个横向耦合缝隙到天线中心的距离呈等差数列，各个金属槽孔到天线中心的距离呈等差数列；下层介质基片中设有一个四路的功分器，功分器包括用于馈电的贯穿下层介质基片的金属化通孔和开在下层介质基片下表面金属层的圆形孔，金属化通孔周围设有四个结构相同的单元，四个单元按照90°旋转排列，单元包括贯穿下层介质基片的金属化通孔阵列，金属化通孔阵列连接基片集成波导段的一端，基片集成波导段包括若干个贯穿下层介质基片的金属化通孔，基片集成波导段的另一端设有金属槽孔，金属槽孔靠近功分器中心的一侧设有横向缝隙，横向缝隙开设在下层介质基片上表面金属层上，横向缝隙与横向耦合缝隙位置对应，金属槽孔与金属槽孔位置对应。
进一步，各个横向耦合缝隙到天线中心的距离所呈的等差数列的公差等于各个金属槽孔到天线中心的距离所呈的等差数列的公差；所述等差排布方式既可以按照顺时针方向，也可以按照逆时针方向。
进一步，各个横向耦合缝隙到天线中心的距离所呈的等差数列的公差为八分之一导波波长，各个金属槽孔到天线中心的距离所呈的等差数列的公差也为八分之一导波波长，导波波长为天线的工作中心频率所对应的基片集成波导内主模导波波长。
进一步，所述金属化通孔贯穿下层介质基片，圆形孔设于下层介质基片下表面金属层上，圆形孔和金属化通孔均设于功分器中心。
进一步，所述圆形孔半径大于金属化通孔半径。
有益效果：本发明公开了一种具有对称波束的平板宽带圆极化天线，具有如下的有益效果：
1)本发明引入了一对正交排布的印刷在上层介质基片上表面金属层的辐射缝隙，还引入了金属通孔阵列作为短路边界，并且引入了中心连线与辐射缝隙平行的金属化通孔，这样能够实现宽频带阻抗匹配；并且这种正交排布的辐射缝隙本身具有宽带线极化辐射能力，相对带宽在15％以上；
2)本发明利用90°电桥激励一对正交排布的辐射缝隙，从而实现圆极化子阵；其中，90°电桥具有宽带特性，相对带宽在20％以上，因此圆极化子阵也具有很宽的工作频带；同时，90°电桥能够实现两个正交辐射缝隙的去耦，保证了宽带辐射特性的稳定；
3)本发明通过将四个圆极化子阵旋转排布，同时采用下层的四路功分器馈电，并且各个横向耦合缝隙到天线中心的距离呈等差数列，各个金属槽孔到天线中心的距离也呈等差数列，这样能够实现对四个圆极化子阵的旋转馈电，并且可根据等差数列是按逆时针递增还是递减来实现右旋或者左旋的天线；这种旋转馈电方式有效保证了宽频带工作特性，特别是宽频带的轴比特性，也保证了天线具有宽频带的对称波束；
4)本发明利用完全印刷电路工艺，设计实现了具有低剖面、宽频带的平板圆极化天线，适用于以第五代(5G)移动通信为代表的毫米波无线通信和卫星通信应用；本天线具有精度较高、重复性好的特性，同时还具有成本低、便于批量生产等优点。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中天线的示意图；
图1(a)为天线的总结构图；
图1(b)为上层介质基片的示意图；
图1(c)为下层介质基片的示意图；
图2为本发明具体实施方式的(右旋)圆极化天线的S参数、增益与轴比的测试与仿真结果；
图2(a)为S参数测试与仿真结果；
图2(b)为增益和轴比的测试与仿真结果；
图3为本发明具体实施方式的(右旋)圆极化天线的方向图测试与仿真结果；
图3(a)为天线在42.3GHz时，Phi＝0°平面内的方向图测试与仿真结果；
图3(b)为天线在42.3GHz时，Phi＝90°平面内的方向图测试与仿真结果；
图3(c)为天线在45GHz时，Phi＝0°平面内的方向图测试与仿真结果；
图3(d)为天线在45GHz时，Phi＝90°平面内的方向图测试与仿真结果；
图3(e)为天线在48.4GHz时，Phi＝0°平面内的方向图测试与仿真结果；
图3(f)为天线在48.4GHz时，Phi＝90°平面内的方向图测试与仿真结果；
图4为本发明具体实施方式的(右旋)圆极化天线的效率仿真结果。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式公开了一种具有对称波束的平板宽带圆极化天线，如图1(a)所示，包括上层介质基片1和下层介质基片2，上层介质基片1的上表面和下表面均设有金属层，下层介质基片2的上表面和下表面也设有金属层，且上层介质基片1下表面金属层与下层介质基片2上表面金属层接触。
如图1(b)所示，上层介质基片1中设有四个结构相同的圆极化子阵3，四个圆极化子阵3按照90°旋转排列，相邻两个圆极化子阵3之间设有贯穿上层介质基片1的金属化通孔阵列4；圆极化子阵3包括由贯穿上层介质基片1的通孔组成的90°电桥31，90°电桥31的两个输出端口分别激励一对正交排布的印刷在上层介质基片1上表面金属层的辐射缝隙32和辐射缝隙33，90°电桥31的两个输出端口还分别连接两个金属化通孔阵列4，在辐射缝隙32与90°电桥31之间还设有贯穿上层介质基片1的金属化通孔34和金属化通孔35，金属化通孔34的中心与金属化通孔35的中心之间的连线平行于辐射缝隙32，在辐射缝隙33与90°电桥31之间还设有贯穿上层介质基片1的金属化通孔36和金属化通孔37，金属化通孔36的中心与金属化通孔37的中心之间的连线平行于辐射缝隙33，90°电桥31的两个输入端口分别连接金属槽孔39和贯穿上层介质基片1的金属化通孔阵列38，在金属槽孔39靠近90°电桥31内部的一侧设有横向耦合缝隙310，横向耦合缝隙310开设在上层介质基片1下表面金属层上；四个圆极化子阵3中，各个横向耦合缝隙310到天线中心的距离呈等差数列，各个金属槽孔39到天线中心的距离呈等差数列。
如图1(c)所示，下层介质基片2中设有一个四路的功分器11，功分器11包括用于馈电的贯穿下层介质基片2的金属化通孔12和开在下层介质基片2下表面金属层的圆形孔13，金属化通孔12周围设有四个结构相同的单元，四个单元按照90°旋转排列，单元包括贯穿下层介质基片2的金属化通孔阵列51，金属化通孔阵列51连接基片集成波导段52的一端，基片集成波导段52包括若干个贯穿下层介质基片2的金属化通孔，基片集成波导段52的另一端设有金属槽孔53，金属槽孔53靠近功分器11中心的一侧设有横向缝隙54，横向缝隙54开设在下层介质基片2上表面金属层上，横向缝隙54与横向耦合缝隙310位置对应，金属槽孔53与金属槽孔39位置对应。金属化通孔12贯穿下层介质基片2，圆形孔13设于下层介质基片2下表面金属层上，圆形孔13和金属化通孔12均设于功分器11中心。圆形孔13半径大于金属化通孔12半径。
各个横向耦合缝隙310到天线中心的距离所呈的等差数列的公差等于各个金属槽孔39到天线中心的距离所呈的等差数列的公差。等差排布方式既可以按照顺时针方向，也可以按照逆时针方向。本具体实施方式中，各个横向耦合缝隙310到天线中心的距离所呈的等差数列的公差为八分之一工作波长，各个金属槽孔39到天线中心的距离所呈的等差数列的公差也为八分之一工作波长，工作波长为天线的工作频率所对应的波长。
如图2(a)所示，所设计天线的阻抗带宽可以覆盖41GHz到50GHz，且满足端口反射系数小于-12dB。
和图2(b)所示，所设计天线的最大增益为10.4dBic，2.5dB增益波动带宽可以覆盖42.3GHz-50GHz，2.5dB轴比带宽可以覆盖41GHz到49GHz。
图3(a)-(f)给出了在42.3GHz，45GHz和48.4GHz三个典型频点所设计天线在两个主切面(phi＝0°，phi＝90°)的方向图实测和仿真结果，可以看到所设计天线在两个主切面内具有良好的对称波束，且在宽频带范围内保持稳定。
图4给出了所设计天线的仿真效率，在41GHz-49GHz频段范围内，天线的效率大于70％，最大效率可达90％。
图2-4的结果表明，实施例1所设计的天线具有良好的宽频带特性，在带内驻波、增益、和轴比均满足设计要求，适用于以5G为代表的毫米波无线通信和卫星通信技术需求。

Claims (5)

1.一种具有对称波束的平板宽带圆极化天线，其特征在于：包括上层介质基片(1)和下层介质基片(2)，上层介质基片(1)的上表面和下表面均设有金属层，下层介质基片(2)的上表面和下表面也设有金属层，且上层介质基片(1)下表面金属层与下层介质基片(2)上表面金属层接触；上层介质基片(1)中设有四个结构相同的圆极化子阵(3)，四个圆极化子阵(3)按照90°旋转排列，相邻两个圆极化子阵(3)之间设有贯穿上层介质基片(1)的金属化通孔阵列一(4)；圆极化子阵(3)包括由贯穿上层介质基片(1)的通孔组成的90°电桥(31)，90°电桥(31)的两个输出端口分别激励一对正交排布的印刷在上层介质基片(1)上表面金属层的第一辐射缝隙(32)和第二辐射缝隙(33)，90°电桥(31)的两个输出端口还分别连接两个金属化通孔阵列一(4)，在第一辐射缝隙(32)与90°电桥(31)之间还设有贯穿上层介质基片(1)的第一金属化通孔(34)和第二金属化通孔(35)，第一金属化通孔(34)的中心与第二金属化通孔(35)的中心之间的连线平行于第一辐射缝隙(32)，在第二辐射缝隙(33)与90°电桥(31)之间还设有贯穿上层介质基片(1)的第三金属化通孔(36)和第四金属化通孔(37)，第三金属化通孔(36)的中心与第四金属化通孔(37)的中心之间的连线平行于第二辐射缝隙(33)，90°电桥(31)的两个输入端口分别连接第一金属槽孔(39)和贯穿上层介质基片(1)的金属化通孔阵列(38)，在第一金属槽孔(39)靠近90°电桥(31)内部的一侧设有横向耦合缝隙(310)，横向耦合缝隙(310)开设在上层介质基片(1)下表面金属层上；四个圆极化子阵中，四个横向耦合缝隙到天线中心的距离呈等差数列，四个第一金属槽孔到天线中心的距离呈等差数列；下层介质基片(2)中设有一个四路的功分器(11)，功分器(11)包括用于馈电的贯穿下层介质基片(2)的第五金属化通孔(12)和开在下层介质基片(2)下表面金属层的圆形孔(13)，第五金属化通孔(12)周围设有四个结构相同的单元，四个单元按照90°旋转排列，单元包括贯穿下层介质基片(2)的金属化通孔阵列二(51)，金属化通孔阵列二(51)连接基片集成波导段(52)的一端，基片集成波导段(52)包括若干个贯穿下层介质基片(2)的金属化通孔，基片集成波导段(52)的另一端设有第二金属槽孔(53)，第二金属槽孔(53)靠近功分器(11)中心的一侧设有横向缝隙(54)，横向缝隙(54)开设在下层介质基片(2)上表面金属层上，横向缝隙(54)与横向耦合缝隙(310)位置对应，第二金属槽孔(53)与第一金属槽孔(39)位置对应。
2.根据权利要求1所述的具有对称波束的平板宽带圆极化天线，其特征在于：所述四个圆极化子阵中的四个横向耦合缝隙到天线中心的距离所呈的等差数列的公差等于四个第一金属槽孔到天线中心的距离所呈的等差数列的公差；所述等差排布方式既可以按照顺时针方向，也可以按照逆时针方向。
3.根据权利要求2所述的具有对称波束的平板宽带圆极化天线，其特征在于：所述四个圆极化子阵中的四个横向耦合缝隙到天线中心的距离所呈的等差数列的公差为八分之一导波波长，所述四个金属槽孔到天线中心的距离所呈的等差数列的公差也为八分之一导波波长，导波波长为天线的工作中心频率所对应的基片集成波导内主模导波波长。
4.根据权利要求1所述的具有对称波束的平板宽带圆极化天线，其特征在于：所述第五金属化通孔(12)贯穿下层介质基片(2)，圆形孔(13)设于下层介质基片(2)下表面金属层上，圆形孔(13)和第五金属化通孔(12)均设于功分器(11)中心。
5.根据权利要求4所述的具有对称波束的平板宽带圆极化天线，其特征在于：所述圆形孔(13)半径大于第五金属化通孔(12)半径。
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