CN110504539A - 一种毫米波双极化平面天线 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及领域无线通信技术领域，尤其是涉及一种毫米波双极化平面天线，以解决现有技术中毫米波双极化天线的制造难度大，成本高，馈电网络复杂，体积大，损耗大，效率低等问题。该平面天线包括双馈电基板和辐射基板；通过第一极化缝隙以及极化缝隙对分别对应将双馈电基板两个馈电端口的能量耦合至辐射基板。本申请提出一种缝隙耦合的馈电方式，满足了天线的双极化要求，适用于印刷电路工艺，实现了加工成本低，通用性强，可靠性高的特点。

Description

一种毫米波双极化平面天线
技术领域
本申请涉及领域无线通信技术领域，尤其是涉及一种毫米波双极化平面天线。
背景技术
双极化天线是一种复合天线技术，具备两种极化同时工作的能力，其最突出的优点是节省基站的天线数量，节约成本。
文献《Microfabricated Dual-Polarized,W-band Antenna Architecture forScalable Line Array Feed》(IEEE 2015)中，采用微加工3D打印技术制作了双极化背腔贴片天线，同轴馈电结构需转换为波导馈电结构，天线剖面高，制造技术难度大、工艺复杂、加工成本高。
文献《Design of W band Dual Polarized Microstrip Patch Antenna》(2014Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation)中，采用微印工艺在印制板上加工4个矩形贴片，4个微带功分器分出的8个支路分别给每个贴片提供垂直和水平两种极化馈电方式。为获得双极化辐射功能，需要额外增加一套180°移相网络，馈电结构复杂，体积大、损耗大，效率低。
发明内容
本申请提供一种毫米波双极化平面天线，以解决现有技术中毫米波双极化天线的制造难度大，成本高，馈电网络复杂，体积大，损耗大，效率低等问题。本申请提出一种缝隙耦合的馈电方式，满足了天线的双极化要求，适用于印刷电路工艺，实现了加工成本低，通用性强，可靠性高的特点。
本申请的实施例通过如下方式实现：
一种毫米波双极化平面天线包括：双馈电基板和辐射基板；通过第一极化缝隙以及极化缝隙对分别对应将双馈电基板两个馈电端口的能量耦合至辐射基板；其中，第一极化缝隙与极化缝隙对垂直方向设置，第一极化缝隙与极化缝隙对距离1/4到3/4波长；第一极化缝隙设置在第一封闭SIW波导区域内一端部，极化缝隙对设置在第二封闭SIW波导区域。有益效果：通过两层印制板实现两个馈电端口从金属波导馈电，并通过垂直设置的缝隙实现两个极化方向的能量耦合，在狭小空间中，实现通用两馈电端口设置。
进一步的，所述辐射基板包括覆盖第一极化缝隙的第一四功分枝节、覆盖极化缝隙对的四功分枝节对、设置在第一四功分枝节端部的辐射贴片、设置在四功分枝节对端部的辐射贴片以及相邻两个辐射贴片之间形成的耦合枝节。有益效果：通过四功分枝节与耦合枝节的配合使用，在辐射贴片层完成水平极化功率传输，传输结构形式简单，损耗低，为另一极化馈电节省了空间。
进一步的，所述第一极化缝隙将双馈电基板一馈电端口能量耦合至第一四功分枝节；第一四功分枝节端部的辐射贴片接收到能量，通过耦合枝节耦合能量至其余辐射贴片。有益效果：通过所述的耦合馈电方式，能够拓宽天线的工作带宽，减小馈电结构对辐射贴片的影响。
进一步的，当所述极化缝隙对包括两个尺寸相同的第二极化缝隙和第三极化缝隙时，所述四功分枝节对包括第二四功分枝节和第三四功分枝节；第一极化缝隙分别距离第二极化缝隙和第三极化距离为1/4到3/4波长；第二极化缝隙、第三极化缝隙镜像对称设置在第一极化缝隙两边，第二极化缝隙、第三极化缝隙与第一极化缝隙垂直；通过第二封闭SIW波导区域的Y形通道结构，将双馈电基板另一馈电端口接收的能量一分为二，并分别耦合至第二极化缝隙和第三极化缝隙；所述第二极化缝隙和第三极化缝隙分别对应将能量耦合至第二四功分枝节和第三四功分枝节；第二四功分枝节、第三四功分枝节将能量传导给辐射贴片；所述第二、三极化缝隙的长边与短边比例大于5：1。有益效果：SIW功分和四功分枝节的配合使用，在辐射贴片层完成垂直极化功率传输，传输结构形式简单，损耗低，不与水平极化传输结构交织，极化隔离度高。
进一步的，远离第一极化缝隙的第一封闭SIW波导区域内、远离极化缝隙对的第二封闭SIW波导区域内分别对应设置一个馈电端口，所述馈电端口是设置镂空结构的介质窗，该介质窗为电磁波从金属波导进入SIW波导的通道。
进一步的，设置在所述馈电端口外围的SIW波导区域具有端部凸出部。所述端部凸出部宽度值X1与X2的比值范围是在1.2：1～2：1，所述X2非端部凸出部宽度值。有益效果：标准波导中的电磁场经过SIW介质窗，进入SIW腔，调整介质窗和SIW腔的大小，起到阻抗变换的作用，使得端口的输入阻抗匹配，进而使电磁波顺利通过SIW波导和SIW功分器。
进一步的，如权利要求1所述的平面天线所述第一极化缝隙长边与短边比例大于5：1。
进一步的，所述辐射贴片形状为圆形、方形以及其他连通区域。有益效果：通过调整辐射贴片的形状和大小，使辐射贴片到空气阻抗匹配，进而提高辐射效率。
本发明仅有两层介质板构成，具有剖面地、重量轻的优点，可利用成熟的印刷电路工艺进行加工，这使得本发明的机械性能可靠、成本低廉、可批量加工。本发明实现了毫米波的双极化辐射特性，两种极化反射系数小于-10dB的带宽为2％，带内增益大于15dB，端口隔离度大于60dB，适用于毫米波的双极化天线应用需求。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的本发明的整体结构(双馈电基板及辐射基板)示意图；
图2为本申请实施例提供的带辐射贴片的辐射基板电路图；
图3为本申请实施例提供的带Y形通道结构、极化缝隙的双馈电基板电路图；
图4为本申请实施例提供的带极化缝隙的双馈电基板电路图；
图5为本申请实施例提供的带介质窗(馈电端口)的双馈电基板电路图；
图标：
1-辐射基板 2-双馈电基板 3-第一四功分枝节
4-第二四功分枝节 5-耦合枝节
6、7、8、9、10、11-辐射贴片 12-第三四功分枝节
13-第一极化缝隙 14-第二极化缝隙
15-第三极化缝隙 16-Y形通道结构
17-波导通道 18、19-馈电端口(介质窗)
20、21-端部凸出部。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。
一、相关定义：
1、垂直于第一耦合缝隙13(图3中)长边的方向为水平极化方向。
2、辐射贴片为金属材质，是完成向自由空间辐射电磁波的功能的贴片。
3、第一、第二四功分枝节为金属材质，完成水平极化能量耦合并完成水平极化能量第一次分配的功能。具有四个枝节，能将中心区域能量通过四个枝节分配给四个枝节端部的辐射贴片。
4、耦合枝节包括一个直线部和垂直于直线部的连接部；材质为金属材质；完成水平极化能量的第二次分配功能。通过直线部接收对应四功分枝节的端部辐射贴片的能量，并通过与耦合枝节的连接部将能量传递给外侧辐射贴片。其中，连接部可以是与直线部垂直的直线部或者具有弯折角度的连接部。
5、介质窗为非金属材质，是电磁波从金属波导进入SIW波导的通道。
6、第一极化缝隙为非金属材质，是电磁波从SIW耦合到第一四功分枝节的通道。
7、极化缝隙对为两个极化缝隙(即第二极化缝隙和第三极化缝隙)，两个极化缝隙材质都为非金属材质，是电磁波从SIW耦合到第二四功分枝节和第三四功分枝节的通道。
二、工作原理：
通过两个馈电端口(镂空结构的介质窗)馈电进入双馈电基板，然后分别通过第一极化缝隙、极化缝隙对将能量耦合至辐射基板的第一四功分枝节、第二四功分枝节和第三四功分枝节，这些功分枝节进而将能量传递给辐射贴片，辐射贴片将能量辐射出去。
三、毫米波双极化平面天线结构：
包括双馈电基板和辐射基板；通过第一极化缝隙以及极化缝隙对分别对应将双馈电基板两个馈电端口的能量耦合至辐射基板；其中，第一极化缝隙与极化缝隙对垂直方向设置，第一极化缝隙与极化缝隙对距离1/4到3/4波长；第一极化缝隙设置在第一封闭SIW波导区域内一端部，极化缝隙对设置在第二封闭SIW波导区域。第一封闭SIW波导区域与第二封闭SIW波导区域是通过设置在通过印刷电路板技术印刷于介质基片。
实施例一：所述第一极化缝隙将双馈电基板一馈电端口能量耦合至第一四功分枝节；第一四功分枝节端部的辐射贴片接收到能量，通过耦合枝节耦合能量至其余辐射贴片。
例如图1～5中，标准金属波导将能量从馈电端口19耦合进入双馈电基板的第一封闭SIW波导区域，能量依次通过波导通道17到第一极化缝隙13，通过第一极化缝隙13耦合至辐射基板的第一四功分枝节3,第一四功分枝节3向左、向右分别将能量传递给辐射贴片6、辐射贴片7、辐射贴片8、辐射贴片9，4个耦合枝节5将能量进一步耦合至辐射贴片10、辐射贴片11以及右边两个辐射贴片。
实施例二：当所述极化缝隙对包括两个尺寸相同的第二极化缝隙和第三极化缝隙时，所述四功分枝节对包括第二四功分枝节和第三四功分枝节；第一极化缝隙分别距离第二极化缝隙和第三极化距离为1/4到3/4波长；第二极化缝隙、第三极化缝隙镜像对称设置在第一极化缝隙两边，第二极化缝隙、第三极化缝隙与第一极化缝隙垂直；通过第二封闭SIW波导区域的Y形通道结构，将双馈电基板另一端口馈电端口接收的能量一分为二，并分别耦合至第二极化缝隙和第三极化缝隙；所述第二极化缝隙和第三极化缝隙分别对应将能量耦合至第二四功分枝节和第三四功分枝节；第二四功分枝节、第三四功分枝节端部的辐射贴片接收到能量，通过耦合枝节传递能量至其余辐射贴片；所述第二、三极化缝隙的长边与短边比例大于3：1。
例如图1～5中，标准金属波导将能量从馈电端口18耦合进入双馈电基板的第二封闭SIW波导区域，通过第二封闭SIW波导区域的Y形通道结构16(该Y性通道结构功能与二功分器等同)，然后Y形通道结构16分给第二极化缝隙14和第三极化缝隙15，第二极化缝隙14和第三极化缝隙15耦合能至上辐射基板的第二四功分枝节4和第三四功分枝节12,第二四功分枝节4将能量分给辐射贴片10、辐射贴片6、辐射贴片11、辐射贴片7；第三四功分分支12将能量分给辐射贴片8、辐射贴片9以及图2中最右边两个辐射贴片。
实施例三，远离第一极化缝隙的第一封闭SIW波导区域内、远离极化缝隙对的第二封闭SIW波导区域内分别对应设置一个馈电端口；所述馈电端口是设置镂空结构的介质窗；该介质窗为电磁波从金属波导进入SIW波导的通道。设置在所述馈电端口外围的SIW波导区域具有端部凸出部。该端部凸出部完成阻抗变换的作用，使金属波导到SIW波导的阻抗匹配。所述端部凸出部宽度值X1与X2的比值范围是在1.2：1～2：1，所述X2非端部凸出部宽度值。
实施例四：所述辐射贴片形状为圆形、方形以及其他连通区域。
辐射贴片为金属材质的贴片，用于对自由空间进行能量辐射。贴片排成两行四列。三个四功分枝节和四个耦合枝节与贴片连通，为8个贴片提供16路馈电，使每个贴片具备两路正交(垂直和水平)的馈电结构，从而使天线获得两种极化的辐射或接收能力。
实施例五：第一四功分枝节均为X形状图案，X的四个枝节与贴片连通，X交叉处与正下方的缝隙间接耦合。所述四功分枝节将缝隙处的能量分成四路，传递给贴片。如图2。
第二、第三四功分枝节均为X形状图案的变形形状，四个端部不对称，X的四个枝节与贴片连通，X交叉处与正下方的缝隙间接耦合。所述四功分枝节将缝隙处的能量分成八路，传递给贴片。如图2。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种毫米波双极化平面天线，其特征在于包括双馈电基板和辐射基板；
通过第一极化缝隙以及极化缝隙对分别对应将双馈电基板两个馈电端口的能量耦合至辐射基板；
其中，第一极化缝隙与极化缝隙对垂直方向设置，第一极化缝隙与极化缝隙对距离1/4到3/4波长；
第一极化缝隙设置在第一封闭SIW波导区域内一端部，极化缝隙对设置在第二封闭SIW波导区域。
2.如权利要求1所述的平面天线，其特征在于所述辐射基板包括覆盖第一极化缝隙的第一四功分枝节、覆盖极化缝隙对的四功分枝节对、设置在第一四功分枝节端部的辐射贴片、设置在四功分枝节对端部的辐射贴片以及相邻两个辐射贴片之间形成的耦合枝节。
3.如权利要求2所述的平面天线，其特征在于所述第一极化缝隙将双馈电基板一馈电端口能量耦合至第一四功分枝节；第一四功分枝节端部的辐射贴片接收到能量，通过耦合枝节耦合能量至其余辐射贴片。
4.如权利要求2所述的平面天线，其特征在于当所述极化缝隙对包括两个尺寸相同的第二极化缝隙和第三极化缝隙时，所述四功分枝节对包括第二四功分枝节和第三四功分枝节；第一极化缝隙分别距离第二极化缝隙和第三极化距离为1/4到3/4波长；
第二极化缝隙、第三极化缝隙镜像对称设置在第一极化缝隙两边，第二极化缝隙、第三极化缝隙与第一极化缝隙垂直；
通过第二封闭SIW波导区域的Y形通道结构，将双馈电基板另一端口馈电端口接收的能量一分为二，并分别耦合至第二极化缝隙和第三极化缝隙；所述第二极化缝隙和第三极化缝隙分别对应将能量耦合至第二四功分枝节和第三四功分枝节；
第二四功分枝节、第三四功分枝节接收到能量，通过枝节传导能量至所有辐射贴片；
所述第二、三极化缝隙的长边与短边比例大于3：1。
5.如权利要求1至4之一所述的平面天线，其特征在于远离第一极化缝隙的第一封闭SIW波导区域内、远离极化缝隙对的第二封闭SIW波导区域内分别对应设置一个馈电端口；所述馈电端口是设置镂空结构的介质窗。
6.如权利要求5所述的平面天线，设置在所述馈电端口外围的SIW波导区域具有端部凸出部；所述端部凸出部宽度值X1与X2的比值范围是在1.2：1～2：1，所述X2非端部凸出部宽度值。
7.如权利要求1、2、3、4或6所述的平面天线，其特征在于所述第一极化缝隙长边与短边比例大于3：1。
8.如权利要求7所述的平面天线，其特征在于所述辐射贴片形状为圆形、方形以及其他连通区域。
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