CN110112560B - 一种应用于波束扫描的毫米波宽带宽角圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于圆极化天线技术领域，提供一种应用于扫描的毫米波宽带宽角圆极化天线，其辐射结构由带偏移量的偶极子以及缺口组成，并由基片集成波导馈电；天线使用厚度为3λ/20～5λ/20的基板，介质基板的辐射场与偶极子的辐射场相互垂直，调节偶极子及缺口结构的尺寸与偏移量使得两辐射场幅度相同、相位相差90°，实现圆极化辐射特性；同时，本发明通过将偶极子偏移SIW中心以及加入缺口结构可在宽带范围内平衡两辐射场的相位；缺口结构可增加大角度辐射能力，实现宽角圆极化特性。本发明能够在较小尺寸下实现了宽带宽角的圆极化特性，解决了在毫米波实现圆极化波束扫描的难题，可应用于大角度圆极化波束扫描阵列。

Description

一种应用于波束扫描的毫米波宽带宽角圆极化天线
技术领域
本发明属于圆极化天线技术领域，具体为一种应用于波束扫描的宽带宽波束毫米波圆极化天线。
背景技术
毫米波频段具有丰富的频谱资源、具有较宽的通信带宽，可提供数据传输率为G/s高速无线通信；毫米波的波长短，设备较小便携；毫米波波段更加容易在较小口径到较大的增益，可提高系统的分辨率以及抗干扰能力。然而毫米波通信也面临众多挑战，毫米波具有更大空间传播损耗以及大气吸收，因此需要高增益天线来补偿电磁能量的空间损耗。高增益使得覆盖范围减小，具有扫描特性的阵列天线是很好的选择。线极化天线在毫米波波段可能面临对准误差导致极化失配等问题，圆极化天线可减小极化失配以及多径干扰，同时在抑制雨雾干扰表现卓越。具有扫描能力的宽带毫米波宽带圆极化天线可很好满足上述需求。
各种形式的圆极化天线得到了研究，贴片天线，平面偶极子天线，端射八木天线被用来产生圆极化，但是这些天线的带宽十分有限。为拓宽天线的轴比带宽，一种圆极化电磁偶极子天线在“M.Li and K.Luk,“A Wideband Circularly Polarized Antenna forMicrowave and Millimeter-Wave Applications,”IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.62,no.4,pp.1872-1879,April2014.”中得到了研究，该天线利用鱼钩型贴片产生圆极化，可达到40％的轴比带宽。除此之外，文献“Y.Yao,X.Cheng,J.Yu and X.Chen,“Analysisand Design of a Novel Circularly Polarized Antipodal Linearly Tapered SlotAntenna,”IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.64,no.10,pp.4178-4187,Oct.2016.”中公开一种宽带的圆极化渐变槽天线，通过引入渐变槽实现宽带的圆极化特性，其轴比带宽可达到34％。
以上的天线都着重研究增加天线轴比带宽而忽略了轴比波束宽度，然而较宽的轴比波束宽度对于拓宽圆极化扫描至关重要。因此，近年来有一些有效的方法实现较宽的轴比波束宽度，如文献“B.Park and J.Lee,“Compact Circularly Polarized Antenna WithWide 3-dB Axial-Ratio Beamwidth,”IEEE Antennas Wireless Propag.Lett.s,vol.15,pp.410-413,2016.”中通过加载电容的方式使增加轴比波束宽度；在毫米波波段，具有复杂馈电网络以及加载电容的方式将降低天线的可实现性以及天线的效率。文献“X.Bai,S.Qu,S.Yang,J.Hu and Z.Nie,“Millimeter-wave circularly polarized tapered-elliptical cavity antenna with wide axial-ratio beamwidth,”IEEETrans.Antennas Propag.,vol.64,no.2,pp.811-814,Feb.2016.”中公开一种背腔圆极化背腔天线，可在毫米波波段达到同时达到宽带以及宽角特性，但是这类天线具有加大的尺寸，应用于扫描将出现栅瓣。因此需要设计小型化毫米波宽带宽角圆极化天线以应用于扫描。
基于此，本发明提供一种应用于波束扫描的毫米波宽带宽角圆极化天线。
发明内容
本发明目的在于针对上述的宽带毫米圆极化天线实现波束扫描的难题，提供一种应用于波束扫描的毫米波宽带宽角圆极化天线，用以实现天线较宽的轴比波束宽度，以及在较小尺寸下实现宽带宽角的圆极化特性，进而应用于波束扫描。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种应用于波束扫描的毫米波宽带宽角圆极化天线，包括天线辐射结构与基片集成波导馈电结构，其中，所述基片集成波导馈电结构包括从下往上依次层叠的下金属覆铜层(3)、介质基板层(2)及上金属覆铜层(1)，所述下金属覆铜层(3)与上金属覆铜层(1)通过贯穿于介质基板层(2)的金属化孔连接，以形成基片集成波导；其特征在于，所述天线辐射结构与基片集成波导馈电结构共用介质基板层(2)，天线辐射结构包括介质基板层(2)、位于介质基板层(2)上的上层偶极子(11)及位于介质基板层下的下层偶极子(31)，所述上层偶极子(11)与下层偶极子(31)结构相同、设置方向相反，所述上层偶极子(11)、下层偶极子(31)分别与上金属覆铜层(1)、下金属覆铜层(3)相连，且两者与基片集成波导馈电结构水平方向的中心线保持有相同的偏移距离(即在垂直方向投影，两者相互不交叠)；所述上金属覆铜层(1)、下金属覆铜层(3)还分别开设有上缺口结构(12)、下缺口结构(32)，所述上缺口结构(12)与下缺口结构(32)分别对应于下层偶极子(31)与上层偶极子(11)设置；所述天线辐射结构中，偶极子对的辐射场与介质基板层中的辐射场幅相互垂直、幅度相同，并且具有90°相位差。
进一步的，所述介质基板层的厚度为3λ/20～5λ/20，λ为工作波长，保证介质基板层中电场具有足够辐射能力：偶极子的辐射场的幅度以及相位通过偶极子以及缺口尺寸调节，偶极子和缺口的偏移量增加将增加偶极子的辐射幅度和相位延迟，合理调节偶极子以及缺口尺寸保持两辐射场幅度相同、相位相差90°，实现圆极化辐射特性。
本发明的工作原理在于：
所述的宽带宽角圆极化天线由带偏移量的偶极子以及缺口组成，并由基片集成波导馈电；天线使用厚度为3λ/20～5λ/20的基板，介质基板存在垂直于介质基板的场，当介质基板较厚其辐射能力较强，偶极子的辐射场与基板平行，介质基板的辐射场与偶极子的辐射场相互垂直，偶极子的辐射场相位滞后于介质基板的辐射场，优化偶极子以及缺口的尺寸与偏移量可使得两辐射场幅度相同相位相差90°，实现圆极化辐射特性；该天线实现宽带的主要原理为：通过将偶极子偏移SIW中心以及加入缺口结构可在宽带范围内平衡两辐射场的相位；缺口可增加大角度辐射能力，实现宽角圆极化特性。
基于此，需要说明的是，在上述应用于波束扫描的毫米波宽带宽角圆极化天线的结构上，所述偶极子(上层偶极子、下层偶极子)的偏移量、偶极子的尺寸参数、及缺口结构的尺寸均可以通过仿真进行调节，只要满足上述“所述圆极化天线中，偶极子对的辐射场与介质基板层中的辐射场幅相互垂直、幅度相同，并且具有90°相位差”条件即可。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种应用于波束扫描的毫米波宽带宽角圆极化天线，该天线采用带缺口的偶圆极化极子天线结构，并且使用基片集成波导进行馈电；解决了在毫米波实现圆极化波束扫描的难题，可应用于大角度圆极化波束扫描阵列。
附图说明
图1为实施例中可应用于波束扫描的毫米波宽带宽角圆极化天线三维示意图
图2为实施例中可应用于波束扫描的毫米波宽带宽角圆极化天线俯视示意图。
图3为实施例中可应用于波束扫描的毫米波宽带宽角圆极化天线仰视示意图。
图4为实施例中可应用于波束扫描的毫米波宽带宽角圆极化天线侧视。
图5为实施例中毫米波宽带圆极化波束扫描天线示意图。
图6为实施例中毫米波宽带圆极化波束扫描天线反射系数曲线。
图7为实施例中毫米波宽带圆极化波束扫描天线轴比特性曲线。
图8为实施例中毫米波宽带圆极化波束扫描天线不同端口产生的方向图。
图9为实施例中毫米波宽带圆极化波束扫描天线不同端口轴比随角度的变化曲线。
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：
印刷偶极子天线：印刷偶极子来源于传统偶极子天线，将偶极子两臂刻蚀与基片上，可实现更加高的集成度。
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。
针对现有圆极化天线由于轴比波束宽度较窄或者尺寸较大、难以实现在圆极化波束扫描的问题，本发明提出一种可应用于扫描的毫米波宽带宽角圆极化天线，该天线通过对偏移的偶极子添加缺口结构，平衡辐射口径两正交电场分布，从而可实现小型化宽带宽角的圆极化天线，利用此天线能够在毫米波波段实现大角度的圆极化扫描。
本实施例中提供一种应用于扫描的毫米波宽带宽角圆极化天线，其结构如图1所示，包括天线辐射结构与基片集成波导馈电结构，其中，
所述基片集成波导馈电结构位于右侧，包括从下往上依次层叠的下金属覆铜层(3)、介质基板层(2)及上金属覆铜层(1)，所述下金属覆铜层(3)与上金属覆铜层(1)通过贯穿于介质基板层(2)的金属化孔连接，以形成基片集成波导，所述金属化孔为两排与介质基板层长边相平行的金属化孔21、金属化孔22；如图4所示；
所述天线辐射结构位于左侧、与基片集成波导馈电结构共用介质基板层(2)，天线辐射结构包括介质基板层(2)、位于介质基板层(2)上的上层偶极子(11)及位于介质基板层下的下层偶极子(31)，所述上层偶极子(11)与下层偶极子(31)结构相同、设置方向相反，以确保偶极子上的电流同向，同时，介质基板层(2)使用较厚的介质基板以增强垂直于基板方向的辐射场，使得所述天线辐射结构中，偶极子对的辐射场与介质基板层中的辐射场幅相互垂直、幅度相同，并且具有90°相位差，进而形成圆极化辐射特性；所述上层偶极子(11)、下层偶极子(31)分别与上金属覆铜层(1)、下金属覆铜层(3)相连，且两者与基片集成波导馈电结构水平方向的中心线保持有相同的偏移距离(即在垂直方向投影，两者相互不交叠，且沿基片集成波导馈电结构水平方向的中心线对称分布)；如图2、图3所示；
所述上金属覆铜层(1)、下金属覆铜层(3)还分别开设有上缺口结构(12)、下缺口结构(32)，在垂直方向上，所述上缺口结构(12)与下缺口结构(32)分别对应于下层偶极子(31)与上层偶极子(11)设置；即上缺口结构(12)与上层偶极子(11)分别位于基片集成波导馈电结构水平方向的中心线两侧，下缺口结构(32)与下层偶极子(31)分别位于基片集成波导馈电结构水平方向的中心线两侧；在垂直方向投影，上缺口结构(12)与下缺口结构(32)同样沿基片集成波导馈电结构水平方向的中心线对称分布；如图2、图3所示。
本实施例中，介质基板层(2)采用基板Taconic-TSM，其相对介电常数为3.0、厚度为1.016mm；基片集成波导宽度设置为2.2mm以保证基片集成波导只激励TE10模，且其宽度约为半个波长左右，组阵不易产生栅瓣。宽带宽角圆极化天线由带偏移量的偶极子以及缺口组成，并由基片集成波导馈电；天线使用厚度为3λ/20～5λ/20的基板，介质基板存在垂直于介质基板的场，当介质基板较厚其辐射能力较强，偶极子的辐射场与基板平行，介质基板的辐射场与偶极子的辐射场相互垂直，偶极子的辐射场相位滞后于介质基板的辐射场，优化偶极子以及缺口的尺寸与偏移量可使得两辐射场幅度相同相位相差90°，实现圆极化辐射特性。该天线实现宽带的主要原理通过将偶极子偏移SIW中心以及加入缺口结构可在宽带范围内平衡两辐射场的相位；缺口可增加大角度辐射能力，实现宽角圆极化特性。；缺口结构12、32主要影响天线低频特性，偶极子11、31主要影响天线高频频特性，宽轴比带宽可通过合理调节缺口结构和偶极子的尺寸实现；同时，缺口结构12、32可以增加天线在大角度的辐射，平衡两极化在大角度的特性，实现宽角圆极化特性。
下面给出一个毫米波宽带宽角圆极化天线应用于波束扫描阵的具体实例；如图5所示为在应用例中1×4圆极化波束扫描阵列的结构示意图；天线通过基片集成波导巴特勒矩阵对天线阵进行馈电，基片集成波导转接相连实现基片集成波导到标准波导的过渡。波束扫描天线的反射系数曲线如图6所示，在55GHz到73GHz的范围内天线的反射系数都低于-10dB，其相对阻抗带宽可达到28％。波束扫描天线在扫描过程中轴比特性如图7所示，在57GHz到73GHz的范围内天线主波束的轴比都低于3dB，其相对轴比带宽可达到24.6％。波束扫描天线由不同端口产生的方向图如图8所示，天线的可扫描到44°，并且波束覆盖范围可到66°。波束扫描天线在扫描到44°时，其轴比性能如图9所示，在主波束范围内轴比小于3dB。通过毫米波宽带圆极化波束扫描天线可以验证本宽带宽角圆极化天线应用于扫描的可行性。
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)

1.一种应用于波束扫描的毫米波宽带宽角圆极化天线，包括天线辐射结构与基片集成波导馈电结构，其中，所述基片集成波导馈电结构包括从下往上依次层叠的下金属覆铜层（3）、介质基板层（2）及上金属覆铜层（1），所述下金属覆铜层（3）与上金属覆铜层（1）通过贯穿于介质基板层（2）的金属化孔连接，以形成基片集成波导；其特征在于，所述天线辐射结构与基片集成波导馈电结构共用介质基板层（2），天线辐射结构包括介质基板层（2）、位于介质基板层（2）上的上层偶极子臂（11）及位于介质基板层下的下层偶极子臂（31），所述上层偶极子臂（11）与下层偶极子臂（31）结构相同、设置方向相反、共同构成一个偶极子，所述上层偶极子臂（11）、下层偶极子臂（31）分别与上金属覆铜层（1）、下金属覆铜层（3）相连，且两者与基片集成波导馈电结构水平方向的中心线保持有相同的偏移距离；所述上金属覆铜层（1）、下金属覆铜层（3）还分别开设有上缺口结构（12）、下缺口结构（32），所述上缺口结构（12）与下缺口结构（32）分别对应于下层偶极子臂（31）与上层偶极子臂（11）设置；所述天线辐射结构中，偶极子的辐射场与介质基板层中的辐射场相互垂直、幅度相同，并且具有90°相位差。
2.按权利要求1所述应用于波束扫描的毫米波宽带宽角圆极化天线，其特征在于，所述介质基板层的厚度为3λ/20~5λ/20，λ为工作波长。
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