CN110224219A - 一种圆极化基片集成腔天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种圆极化基片集成腔天线，包括：上层介质基板和下层介质基板；下层介质基板包括由金属通孔围成的基片集成波导，上层介质基板包括基片集成腔和位于所述基片集成腔上表面的两个金属寄生贴片，基片集成波导用于通过馈电缝隙对所述基片集成腔进行馈电，基片集成腔用于对馈电得到的能量进行高次模谐振并以线极化波的形式辐射；两个金属寄生贴片用于在贴片上同时产生平行馈电缝隙和垂直馈电缝隙的两个电流，垂直缝隙方向的电流使得腔体的最大辐射方向沿法线方向，平行缝隙方向的电流产生与腔体辐射波相互正交的线极化波以合成圆极化波辐射。本发明不需要外部的功分移相馈电网络，通过缝隙的单馈电结构就能获得高增益、宽带圆极化天线。

Description

一种圆极化基片集成腔天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种圆极化基片集成腔天线。

背景技术

天线作为无线通信系统的前端，负责通信系统中信号的收发。随着无线通信技术的不断发展，对天线性能的要求也不断提高。圆极化天线由于其特殊的极化特性，使得其所发射的电磁波能够被任意线极化的天线所接收，也能够接收任意线极化的电磁波，解决了线极化天线中存在的极化失配问题。除此之外，圆极化天线还能够减少法拉第旋转效应和多径效应的影响。因此，圆极化天线被广泛应用于射频识别、雷达和卫星通信等领域。在卫星通信领域，需要天线具有宽频带和高增益。

传统的圆极化微带天线由于其平面结构的限制，使得其很难实现较高的增益。除此之外，为了实现宽带特性，圆极化微带天线一般需采用多端口馈电，以此来获得较宽的阻抗带宽和圆极化带宽。但是外加的功分移相网络会使得天线的结构复杂、尺寸变大，且使得其在阵列天线中的应用受到一定的限制。

发明内容

针对上述缺陷，本发明的目的在于提供一种圆极化基片集成腔天线，旨在解决传统的圆极化微带天线由于其平面结构的限制，很难实现较高的增益，且一般需采用多端口馈电，以此来获得较宽的阻抗带宽和圆极化带宽，但外加的功分移相网络会使得天线的结构复杂、尺寸变大，且使得其在阵列天线中的应用受到一定限制的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种圆极化基片集成腔天线，包括：上层介质基板和下层介质基板；

下层介质基板包括由金属通孔围成的基片集成波导，所述上层介质基板包括基片集成腔和位于所述基片集成腔上表面的两个金属寄生贴片，所述基片集成波导用于通过馈电缝隙对所述基片集成腔进行馈电，所述基片集成腔用于对馈电得到的能量进行高次模谐振并以极化波的形式辐射；两个金属寄生贴片沿基片集成腔表面对角线对称分布，用于在贴片上产生平行馈电缝隙和垂直馈电缝隙的两个电流，其中，垂直馈电缝隙方向上的电流用以改变基片集成腔内高次模的场分布，使得其最大辐射方向沿着腔体法线方向，且腔体辐射的极化方向垂直馈电缝隙，平行馈电缝隙方向上的电流产生辐射，其辐射方向也沿腔体法线方向，且其极化方向为平行馈电缝隙方向；垂直馈电缝隙方向和平行馈电缝隙方向的两个辐射构成相互正交的线极化波；通过调整贴片的几何参数，使得贴片上产生的两个方向上的电流相位相差90度，从而使得两个电流对应的两个极化方向相互正交的线极化波的幅值相等、相位相差90度，形成圆极化波辐射。

可选地，所述两个金属寄生贴片位于基片集成腔上表面中心位置。

可选地，所述基片集成腔由贯穿所述上层介质基板的金属通孔所围成。

可选地，所述金属寄生贴片形状为月牙形。

可选地，所述基片集成腔工作于高次模TM₂₁₁，腔的形状为方形腔，其边长的尺寸大约为3λ₀/2，其中λ₀为天线中心频率对应的介质中的工作波长。

可选地，所述下层介质极板还包括：位于基片集成波导上表面的馈电缝隙和位于基片集成波导中的阻抗调节通孔；所述基片集成波导中的能量经由所述馈电缝隙耦合到基片集成腔中，所述阻抗调节通孔用于调节天线的阻抗匹配，所述阻抗调节通孔位于馈电缝隙侧面，其到基片集成波导终端的距离与馈电缝隙中心点到基片集成波导终端的距离相等。

可选地，所述馈电缝隙位于基片集成腔下表面中心位置，其长边与基片集成腔的边缘平行。

可选地，所述馈电缝隙长边与基片集成波导传播方向平行，且偏离基片集成波导中心线一定距离，从而使得天线能够达到阻抗匹配。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下

有益效果：

1、本发明采用高次模基片集成腔天线结构，由于高次模基片集成腔的辐射口面大，相较于传统基片集成腔天线和平面微带天线，能够获得更高的增益。

2、本发明提供的圆极化基片集成腔天线通过采用寄生贴片产生两个方向的电流来实现圆极化辐射，而两个电流之间的90°相位差可以通过调整贴片参数实现。相比于传统圆极化天线，该发明不需要外部的功分移相馈电网络，通过矩形缝隙的单馈电结构就能获得较宽的圆极化带宽。

3、本发明提供的圆极化基片集成腔天线相比于传统圆极化天线，由于不需要外加馈电网络，天线的尺寸小，能够进一步的应用于阵列天线中。

附图说明

图1为本发明提供的圆极化基片集成腔天线的结构示意图；

图2为本发明提供的圆极化基片集成腔天线上层介质基板的俯视图；

图3为本发明提供的圆极化基片集成腔天线下层介质基板的俯视图；

图4为本发明提供的圆极化基片集成腔天线的阻抗带宽特性图；

图5是本发明提供的圆极化基片集成腔天线的轴比带宽特性图；

图6是本发明提供的圆极化基片集成腔天线的增益特性图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明目的在于提供一种高增益宽带圆极化基片集成腔天线，旨在解决现有圆极化天线带宽窄，增益低，尺寸大等问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高增益宽带圆极化基片集成腔天线，包括基片集成腔，寄生贴片以及基片集成波导，所述基片集成腔位于上层基板，由贯穿上层基板的金属通孔所围成，寄生贴片位于基片集成腔上表面，用以改变腔体内电磁场的分布，基片集成波导位于下层基板，用以对上层基片集成腔进行馈电，上下两层介质基板紧密层叠放置。

进一步地，基片集成腔为方形腔，其边长的尺寸大约为3λ₀/2，其中λ₀为中心频率对应的介质中的工作波长。

进一步地，寄生贴片由两个金属贴片组成，金属贴片位于基片集成腔表面中心位置。

进一步地，寄生贴片形状为月牙形，且两金属寄生贴片位置沿腔体表面对角线对称。

进一步地，基片集成波导终端由一排金属通孔短路，在波导终端的上表面开有一矩形缝隙，基片集成波导中的能量经由该缝隙耦合到基片集成腔中。

进一步地，馈电缝隙位于基片集成腔下表面中心位置，其长边与基片集成腔边缘平行。

进一步地，馈电缝隙长边与基片集成波导传播方向平行，且偏离基片集成波导中心线一定距离，从而使得天线能够达到阻抗匹配。

进一步地，在基片集成波导中存在一个金属通孔，用以进一步调节天线的阻抗匹配。该通孔位于馈电缝隙侧面，到基片集成波导终端的距离与缝隙中心点到基片集成波导终端的距离相等。

通过电磁场理论可知，圆极化波可由两个幅度相等、相位相差90°的正交线极化波产生。

1.由于贴片的形状为月牙形，且两贴片沿腔体表面对角线排列。因此在经缝隙馈电后会在贴片上同时产生垂直缝隙方向的电流和平行缝隙方向的电流。

2.天线中垂直缝隙方向上的线极化波通过腔体高次模辐射和贴片上垂直缝隙方向上的电流辐射共同产生，平行缝隙方向上的线极化波通过贴片上平行缝隙方向上的电流产生。这两个线极化波的极化方向相互正交，传播方向都沿着腔体法线方向。

3.通过改变两贴片的尺寸及相对的位置关系，可以改变两极化波的振幅和相位，使得两线极化波的振幅相等，相位相差90度。

上述腔体高次模为TM₂₁₁模，该模式的最大辐射方向为垂直腔体法线方向，极化方向为垂直缝隙方向。而由于两贴片沿腔体表面对角线分布，即与缝隙成45度的夹角。这就使得贴片上同时存在平行缝隙和垂直缝隙这两个方向的电流。其中垂直缝隙方向上的电流用以改变腔体内高次模的场分布，使得其辐射方向变为沿着腔体法线方向。而贴片上平行缝隙方向上的电流会在产生沿腔体法线方向的辐射，其极化方向为平行缝隙方向。

在本发明中，由于腔体尺寸约为3λ₀/2，该腔体相较于工作在基模下的腔体辐射口面更大，从而在该辐射方向上能够获得相较于其他腔体天线更高的增益。因此，该天线结构能够实现高增益圆极化。

如图1-3所示，分别本发明提供的圆极化基片集成腔天线的结构示意图、上层介质基板的俯视图以及下层介质基板的俯视图；其中，1为上层介质基板，2为下层介质基板，21为基片集成波导，用来传输能量，22为馈电缝隙，用来将21中传输的能量耦合到11中，23为阻抗调节通孔，通过改变阻抗调节通孔的位置，可以调节天线阻抗匹配，11为基片集成腔，用来产生极化方向垂于缝隙的高次模辐射，12，13为两寄生贴片，用来产生两个方向上的电流，垂直馈电缝隙方向上的电流用来改变腔体高次模的辐射方向，使得其辐射方向沿着腔体法线方向，且腔体辐射的极化方向垂直馈电缝隙。平行馈电缝隙方向上的电流用来产生极化方向平行缝隙的辐射，其辐射方向也沿腔体法线方向，且其极化方向为平行馈电缝隙方向。通过调整贴片结构参数，即可实现两线极化波之间的90度相位差。

具体地，上述示例提供的圆极化基片集成腔天线，包括上层介质基板1和下层介质基板2组成，两介质基板紧密层叠放置。基板采用tp-2系列复合板，介电常数为4.5。上层基板的厚度为2.54mm，下层基板的厚度为1.27mm。上层介质基板1中包括有金属通孔围成的基片集成腔11以及位于腔体上表面的金属寄生贴12和13。每个金属通孔的直径为1mm，相邻金属通孔之间的中心间距为1.5mm。基片集成腔设计为方形腔，其尺寸为15.5mm×15.5mm×2.54mm，该尺寸使得腔体内能够产生高次谐振模TM₂₁₁。两金属寄生贴片12和13位于腔体表面的中心，且沿着腔体表面对角线对称。

下层介质基板2包括有金属通孔围成的基片集成波导21，位于基片集成波导上表面的矩形馈电缝隙22以及位于波导中的阻抗调节通孔23。基片集成波导21的宽度为7mm，终端由一排金属通孔短路。馈电缝隙22的尺寸为6.5mm×1mm，其长边与波导传播方向和腔体边缘平行，且缝隙位于腔体下表面中心位置。为了实现阻抗匹配，缝隙中心偏离波导中心线的距离为1.5mm，距离波导终端短路通孔的距离为4.5mm。阻抗调节通孔位于缝隙一侧，距离缝隙4mm，且距离波导终端短路通孔的距离和缝隙相同。

图4-图6分别为本发明提供的圆极化集成腔体天线的阻抗带宽和轴比带宽。从图中可以看出，该天线的-10dB阻抗带宽为11.85GHz-

14.27GHz，相对阻抗带宽达到了21.59％。天线的轴比带宽为12.26GHz-14.35GHz，相对带宽为15.7％。天线最大增益为9.2dBi，在整个频带内增益大于8dBi。而传统的单馈点圆极化微带天线带宽一般不超过10％，且增益一般只有6dBi-7dBi，相比于传统微带圆极化天线，本发明在增益和带宽上有着较为明显的提高。因此，该发明在卫星通信、雷达、射频识别等领域有着广泛的应用前景。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种圆极化基片集成腔天线，其特征在于，包括：上层介质基板和下层介质基板；

所述下层介质基板包括由金属通孔围成的基片集成波导，所述上层介质基板包括基片集成腔和位于所述基片集成腔上表面的两个金属寄生贴片，所述基片集成波导用于通过馈电缝隙对所述基片集成腔进行馈电，所述基片集成腔用于对馈电得到的能量进行高次模谐振并以线极化波的形式辐射；

所述两个金属寄生贴片沿基片集成腔表面对角线对称分布，用于在贴片上产生平行馈电缝隙和垂直馈电缝隙的两个电流，其中，垂直馈电缝隙方向上的电流用以改变基片集成腔内高次模的场分布，使得其最大辐射方向沿着腔体法线方向，且腔体辐射的极化方向垂直馈电缝隙；平行馈电缝隙方向上的电流产生辐射，其最大辐射方向也沿腔体法线方向，且其极化方向为平行馈电缝隙方向；垂直馈电缝隙方向和平行馈电缝隙方向的两个辐射构成相互正交的线极化波；

通过调整两贴片的几何参数，使得所述两个极化方向相互正交的线极化波的幅值相等、相位相差90度，合成圆极化波辐射。

2.根据权利要求1所述的圆极化基片集成腔天线，其特征在于，所述两个金属寄生贴片位于基片集成腔上表面中心位置。

3.根据权利要求1所述的圆极化基片集成腔天线，其特征在于，所述基片集成腔由贯穿所述上层介质基板的金属通孔所围成。

4.根据权利要求1所述的圆极化基片集成腔天线，其特征在于，所述金属寄生贴片形状为月牙形。

5.根据权利要求1所述的圆极化基片集成腔天线，其特征在于，所述基片集成腔工作于高次模TM₂₁₁，腔的形状为方形腔，其边长的尺寸大约为3λ₀/2，其中λ₀为天线中心频率对应的介质中的工作波长。

6.根据权利要求1所述的圆极化基片集成腔天线，其特征在于，所述下层介质极板还包括：位于基片集成波导上表面的馈电缝隙和位于基片集成波导中的阻抗调节通孔；所述基片集成波导中的能量经由所述馈电缝隙耦合到基片集成腔中，所述阻抗调节通孔用于调节天线的阻抗匹配，所述阻抗调节通孔位于馈电缝隙侧面，其到基片集成波导终端的距离与馈电缝隙中心点到基片集成波导终端的距离相等。

7.根据权利要求6所述的圆极化基片集成腔天线，其特征在于，所述馈电缝隙位于基片集成腔下表面中心位置，其长边与基片集成腔的边缘平行。

8.根据权利要求6所述的圆极化基片集成腔天线，其特征在于，所述馈电缝隙长边与基片集成波导传播方向平行，且偏离基片集成波导中心线一定距离，从而使得天线能够达到阻抗匹配。