CN110911811A - 一种可单介质板实现的双极化阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可单介质板实现的双极化阵列天线，该天线只采用一个双面单介质板，在介质板上设置由n×m个相同的天线单元组成的阵列天线口径，n，m均取大于1的整数，在阵列天线口径的上下左右各设置一个功分器进行馈电，各功分器分别通过基片集成波导转接地共面波导结构与一个端口电连接。本发明所公开的天线，通过改进天线单元设计，将馈电网络和双极化天线阵列同时设计在单层介质板上，无需多层介质板，故而能以简单的结构实现双极化，从而大大降低了整个天线结构的设计难度、复杂度和成本。

Description

一种可单介质板实现的双极化阵列天线
技术领域
本发明属于无线通信领域，特别涉及该领域中的一种可在单介质板上实现的双极化阵列天线。
背景技术
随着用户对无线通信需求的不断增长及对通信质量要求的不断提高，双极化天线因可抗多径损耗、抗干扰、增加信道容量而成为天线领域研究的热点之一。在传统双极化阵列天线设计中，由于馈电网络跟阵列天线很难同时设计在同一介质板中，因此须采用多层结构来实现。每个极化需要一个单独的馈电网络进行激励，使得整体结构的设计难度和复杂度极高，造成设计的阵列天线很难跟后端系统进行集成，同时也使得天线性能恶化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种可单介质板实现的双极化阵列天线。
本发明采用如下技术方案：
一种可单介质板实现的双极化阵列天线，其改进之处在于：该天线只采用一个双面单介质板，在介质板上设置由n×m个相同的天线单元组成的阵列天线口径，n，m均取大于1的整数，在阵列天线口径的上下左右各设置一个功分器进行馈电，各功分器分别通过基片集成波导转接地共面波导结构与一个端口电连接。
进一步的，该单介质板从上到下依次堆叠有顶层敷铜层、中间介质基板层和底层地板层。
进一步的，所述的天线单元由蚀刻在顶层敷铜层上的十字缝隙和开在中间介质基板层上以便将顶层敷铜层和底层地板层短路连接起来的金属化通孔组成，其中有四个金属化通孔分别位于十字缝隙的中心线上靠近激励口的位置，并且这四个金属化通孔到天线单元中心的距离相等，其余的金属化通孔分别位于天线单元的四个角落上，所有的金属化通孔共同构成一个TE102模式腔。
进一步的，所述的十字缝隙由垂直缝隙和水平缝隙组成。
进一步的，在天线单元的四个角落上各有三个金属化通孔。
进一步的，由n×m个天线单元组成阵列天线口径。
进一步的，所述的天线单元为双极化天线单元。
进一步的，所述的功分器为一分十功分器。
进一步的，在左右水平方向的一个端口被激励时，另一个端口被当作吸收负载，阵列天线口径辐射出垂直极化波，而上下垂直方向上的端口被隔离；在上下垂直方向的一个端口被激励时，另一个端口被当作吸收负载，阵列天线口径辐射出水平极化波，而左右水平方向上的端口被隔离。
进一步的，天线单元在左右水平方向被激励时，其垂直缝隙辐射出水平极化波，水平缝隙此时没有被激励，上下垂直方向上的端口被隔离；天线单元在上下垂直方向被激励时，水平缝隙辐射出垂直极化波，垂直缝隙此时未被激励，左右水平方向上的端口被隔离。
本发明的有益效果是：
本发明所公开的天线，通过改进天线单元设计，将馈电网络和双极化天线阵列同时设计在单层介质板上，无需多层介质板，故而能以简单的结构实现双极化，从而大大降低了整个天线结构的设计难度、复杂度和成本。
本发明所公开的天线，基于SIW结构并采用了基片集成电路工艺，可大大降低天线整体结构的剖面和提高天线与后端电路的集成度，并且能有效减小整体结构的尺寸。
附图说明
图1是本发明实施例1所公开天线的模型图；
图2是本发明实施例1所公开天线单介质板的各层分离示意图；
图3是本发明实施例1所公开天线单元的模型图；
图4是对本发明实施例1所公开天线进行仿真后得到的天线单元S参数及辐射效率曲线图；
图5是对本发明实施例1所公开天线进行仿真后得到的天线单元辐射方向图；
图6是对本发明实施例1所公开天线进行仿真和测试后得到的整体结构反射系数图；
图7是对本发明实施例1所公开天线进行仿真和测试后得到的整体结构端口耦合系数图；
图8是对本发明实施例1所公开天线进行测试后得到的整体结构辐射方向图。
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，以下结合附图和实施例，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。
实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种可单介质板实现的双极化阵列天线，该天线只采用一个双面单介质板，在介质板上设置由n×m个相同的天线单元14组成的阵列天线口径11，n，m均取大于1的整数（n和m可相同，也可不同），在阵列天线口径的上下左右各设置一个功分器12进行馈电，各功分器分别通过基片集成波导转接地共面波导结构13与一个端口电连接。
如图2所示，该单介质板从上到下依次堆叠有顶层敷铜层21、中间介质基板层22和底层地板层23。
如图3所示，所述的天线单元由蚀刻在顶层敷铜层上的十字缝隙（辐射部分）和开在中间介质基板层上以便将顶层敷铜层和底层地板层短路连接起来的金属化通孔组成，金属化通孔通过金属化短路针将顶层敷铜层和底层地板层短路连接起来，从而约束电磁波的传输行为。
其中有四个金属化通孔33分别位于十字缝隙的中心线上靠近激励口的位置，并且这四个金属化通孔到天线单元中心的距离相等，可用于调节端口隔离度、反射系数及天线单元的辐射效率。其余的金属化通孔34分别位于天线单元的四个角落上，所有的金属化通孔共同构成一个TE102模式腔。所述的十字缝隙由垂直缝隙31和水平缝隙32组成。在天线单元的四个角落上各有三个金属化通孔34。
在本实施例中，由10×10个天线单元组成阵列天线口径。所述的天线单元为双极化天线单元。所述的功分器为一分十功分器，功分器为等功率分配网络，即每个功分器的输出端口皆输出10%的总输入能量。功分器由两段并联的类似于SIW的结构组成。通过调节SIW内部的金属化通孔位置，获得等幅同相输出。
阵列天线口径可通过不同方向上的功分器进行激励，在左右水平方向的一个端口被激励时，另一个端口被当作吸收负载，阵列天线口径辐射出垂直极化波，而上下垂直方向上的端口被隔离；在上下垂直方向的一个端口被激励时，另一个端口被当作吸收负载，阵列天线口径辐射出水平极化波，而左右水平方向上的端口被隔离。如图1所示，例如当端口1被激励时，端口2被当作吸收负载。当端口2被激励时，端口1被作为吸收负载。端口3和端口4亦同。
天线单元在左右水平方向被激励时，其垂直缝隙辐射出水平极化波，水平缝隙此时没有被激励，上下垂直方向上的端口被隔离；天线单元在上下垂直方向被激励时，水平缝隙辐射出垂直极化波，垂直缝隙此时未被激励，左右水平方向上的端口被隔离。只有部分能量被辐射出去，剩余能量将被传输至下一个天线单元，依次进行下去，到达最后一个天线单元时，只有约5%的能量被负载吸收。
图4是对本发明实施例1所公开天线进行仿真后得到的天线单元S参数及辐射效率曲线图；图5是对本发明实施例1所公开天线进行仿真后得到的天线单元辐射方向图；图6是对本发明实施例1所公开天线进行仿真和测试后得到的整体结构反射系数图；图7是对本发明实施例1所公开天线进行仿真和测试后得到的整体结构端口耦合系数图；图8是对本发明实施例1所公开天线进行测试后得到的整体结构辐射方向图。

Claims (10)

1.一种可单介质板实现的双极化阵列天线，其特征在于：该天线只采用一个双面单介质板，在介质板上设置由n×m个相同的天线单元组成的阵列天线口径，n，m均取大于1的整数，在阵列天线口径的上下左右各设置一个功分器进行馈电，各功分器分别通过基片集成波导转接地共面波导结构与一个端口电连接。
2.根据权利要求1所述的可单介质板实现的双极化阵列天线，其特征在于：该单介质板从上到下依次堆叠有顶层敷铜层、中间介质基板层和底层地板层。
3.根据权利要求2所述的可单介质板实现的双极化阵列天线，其特征在于：所述的天线单元由蚀刻在顶层敷铜层上的十字缝隙和开在中间介质基板层上以便将顶层敷铜层和底层地板层短路连接起来的金属化通孔组成，其中有四个金属化通孔分别位于十字缝隙的中心线上靠近激励口的位置，并且这四个金属化通孔到天线单元中心的距离相等，其余的金属化通孔分别位于天线单元的四个角落上，所有的金属化通孔共同构成一个TE102模式腔。
4.根据权利要求3所述的可单介质板实现的双极化阵列天线，其特征在于：所述的十字缝隙由垂直缝隙和水平缝隙组成。
5.根据权利要求3所述的可单介质板实现的双极化阵列天线，其特征在于：在天线单元的四个角落上各有三个金属化通孔。
6.根据权利要求1所述的可单介质板实现的双极化阵列天线，其特征在于：由n×m个天线单元组成阵列天线口径。
7.根据权利要求1所述的可单介质板实现的双极化阵列天线，其特征在于：所述的天线单元为双极化天线单元。
8.根据权利要求1所述的可单介质板实现的双极化阵列天线，其特征在于：所述的功分器为一分十功分器。
9.根据权利要求4所述的可单介质板实现的双极化阵列天线，其特征在于：在左右水平方向的一个端口被激励时，另一个端口被当作吸收负载，阵列天线口径辐射出垂直极化波，而上下垂直方向上的端口被隔离；在上下垂直方向的一个端口被激励时，另一个端口被当作吸收负载，阵列天线口径辐射出水平极化波，而左右水平方向上的端口被隔离。
10.根据权利要求9所述的可单介质板实现的双极化阵列天线，其特征在于：天线单元在左右水平方向被激励时，其垂直缝隙辐射出水平极化波，水平缝隙此时没有被激励，上下垂直方向上的端口被隔离；天线单元在上下垂直方向被激励时，水平缝隙辐射出垂直极化波，垂直缝隙此时未被激励，左右水平方向上的端口被隔离。
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