CN112103657A - 双极化四脊波导阵列天线 - Google Patents

双极化四脊波导阵列天线 Download PDF

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CN112103657A CN202011242631.6A CN202011242631A CN112103657A CN 112103657 A CN112103657 A CN 112103657A CN 202011242631 A CN202011242631 A CN 202011242631A CN 112103657 A CN112103657 A CN 112103657A
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赵涤燹
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Abstract

本发明公开了一种双极化四脊波导阵列天线，包括：波导辐射腔阵列和设置于波导辐射腔阵列下方的多层PCB；波导辐射腔阵列包括m×n个开口四脊波导单元，每个开口四脊波导单元为四个侧壁中间分别设置有脊形部分的开口波导腔，m、n为大于或等于1的自然数；多层PCB的上下表面层为接地层，多层PCB内相互间隔的两层分别为极化正交的馈电网络层，相互间隔的两层之间具有接地层，每个馈电网络层上包括与波导辐射腔阵列上m×n个开口四脊波导单元对应的m×n个馈电单元；每个馈电网络层具有一个馈电端口。本发明实施例公开的双极化四脊波导阵列天线，压缩了阵列天线的尺寸，使得双极化四脊波导阵列天线能够应用于多种平面波束扫描场景中。

Description

双极化四脊波导阵列天线
技术领域
本发明实施例涉及天线技术，尤其涉及一种双极化四脊波导阵列天线。
背景技术
双极化阵列天线广泛应用于各种微波系统，例如合成孔径雷达（SyntheticAperture Radar，SAR）成像系统和卫星通信系统。由于微带阵列天线设计灵活，制造工艺简单，易于进行共形设计等优势，因此双极化微带阵列天线是一种最常见的双极化阵列天线形式。
但微带阵列天线的主要缺陷在于它们存在表面波损耗，导致难以进一步提高辐射效率。同时，微带馈线网络的寄生辐射效应也会恶化天线的辐射性能。为了进一步提高微带天线阵列的增益，提出了背腔加载的微带阵列天线，但是由于背腔往往具有较高的品质因数，导致加载背腔后的天线往往只能有较窄的带宽。而为了提高带宽提出的多层耦合馈电结构则会导致馈电效率的进一步降低。
为了提高阵列天线的辐射效率，需要考虑抑制以下三类损耗：1、抑制馈线辐射损耗，2、抑制表面波损耗，3、抑制介质损耗。基于上述考量，业界提出了全金属的波导馈电双极化阵列天线，通过引入空气填充的金属腔和金属馈电网络，与传统微带阵列天线相比，可以实现更高的效率和更宽的带宽。但是全金属结构质量重体积大，较难在实际系统中使用。
随着第五代移动通信（5th Generation，5G）通信和卫星通信的发展，对阵列天线的需求越来越多，尤其是宽频段大角度的平面波束扫描阵列天线，目前的双极化阵列天线难以满足使用需求。
发明内容
本发明提供一种双极化四脊波导阵列天线，压缩了阵列天线的尺寸，使得双极化四脊波导阵列天线能够应用于多种平面波束扫描场景中。
第一方面，本发明实施例提供一种双极化四脊波导阵列天线，包括：
波导辐射腔阵列和设置于波导辐射腔阵列下方的多层PCB；
波导辐射腔阵列包括m×n个开口四脊波导单元，每个开口四脊波导单元为四个侧壁中间分别设置有脊形部分的开口波导腔，m、n为大于或等于1的自然数；
多层PCB的上下表面层为接地层，多层PCB内相互间隔的两层分别为极化正交的馈电网络层，相互间隔的两层之间具有接地层，每个馈电网络层上包括与波导辐射腔阵列上m×n个开口四脊波导单元对应的m×n个馈电单元；
每个馈电网络层具有一个馈电端口。
在第一方面一种可能的实现方式中，每个开口四脊波导单元为设置有脊形部分的矩形开口波导腔。
在第一方面一种可能的实现方式中，每个矩形开口波导腔的边长为0.35λ0~0.45λ0，λ0为阵列天线中心频率的真空波长，每个脊形部分的长度与边长的比值为0.15~0.4，每个脊形部分的宽度与边长的比值为0.1~0.2。
在第一方面一种可能的实现方式中，多层PCB上在每个矩形开口波导腔对应的位置设置有由间隔的金属化通孔组成的矩形框，矩形框四周具有开口，矩形框的边长与矩形开口波导腔的边长比为0.4~0.7。
在第一方面一种可能的实现方式中，多层PCB内还包括隔离层，隔离层设置于两个馈电网络层的下方，隔离层上包括与波导辐射腔阵列上m×n个开口四脊波导单元对应的m×n个极化隔离栅结构。
在第一方面一种可能的实现方式中，每个馈电端口具有带状线-微带线-同轴线过渡转换结构。
在第一方面一种可能的实现方式中，带状线-微带线-同轴线过渡转换结构的带状线两侧具有间隔设置的金属化通孔。
在第一方面一种可能的实现方式中，每个馈电单元为带状线馈电单元，每个馈电单元包括两个差分探针。
在第一方面一种可能的实现方式中，多层PCB的厚度为0.2λr~0.4λr，λr为阵列天线中心频率在多层PCB中的介质波长。
在第一方面一种可能的实现方式中，波导辐射腔阵列的材料为铝合金、黄铜、银、金属塑料中的一种或多种。
本发明实施例提供的双极化四脊波导阵列天线，通过设置包括m×n个开口四脊波导单元的波导辐射腔阵列，并在波导辐射腔阵列下设置包括与波导辐射腔阵列上m×n个开口四脊波导单元对应的m×n个馈电单元的两个极化正交的馈电网络层，实现了双极化四脊波导阵列天线，由于采用了四脊波导单元组成的波导辐射阵列作为阵列天线的辐射口，充分降低了天线的尺寸，使得天线能够进行二维大角度扫描，且采用了层叠结构的双极化馈电，进一步地压缩了阵列天线的尺寸，使得双极化四脊波导阵列天线能够应用于多种平面波束扫描场景中。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种双极化四脊波导阵列天线的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的双极化四脊波导阵列天线中馈电单元的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的双极化四脊波导阵列天线中一个辐射单元的结构爆炸图；
图4为本实施例提供的双极化四脊波导阵列天线的多层PCB的侧视图；
图5为本实施例提供的双极化四脊波导阵列天线的多层PCB的分解示意图；
图6为本实施例提供的双极化四脊波导阵列天线的多层PCB的电压驻波比示意图；
图7为本实施例提供的双极化四脊波导阵列天线的两个馈电端口的隔离度示意图；
图8为本实施例提供的双极化四脊波导阵列天线的两个馈电端口的辐射方向图；
图9为本实施例提供的双极化四脊波导阵列天线的两个馈电端口的辐射效率图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1为本发明实施例提供的一种双极化四脊波导阵列天线的结构示意图，如图1所示，本实施例提供的双极化四脊波导阵列天线包括：波导辐射腔阵列1和设置于波导辐射腔阵列11下方的多层印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）12。
波导辐射腔阵列11作为双极化四脊波导阵列天线的辐射口，波导辐射腔阵列11包括m×n个开口四脊波导单元13，每个开口四脊波导单元13为四个侧壁中间分别设置有脊形部分14的开口波导腔，m、n为大于或等于1的自然数。在本实施例中，以m和n均为4为例进行说明。每个开口四脊波导单元13是由开口波导腔的四个侧壁分别设置凸起的脊形部分14构成的。每个开口波导腔的尺寸根据双极化四脊波导阵列天线的工作频段确定，设置于每个开口波导腔内的脊形部分14的尺寸根据开口四脊波导单元13所需尺寸和波导腔传输模式的匹配确定。在开口波导腔的四个侧壁设置脊形部分14后形成的开口四脊波导单元13，提高了腔内传输的基模截止波长，因此可以充分降低波导口截面尺寸，从而可以降低双极化四脊波导阵列天线的整体尺寸，能够使得双极化四脊波导阵列天线实现小型化的设计。
多层PCB 12用于对波导辐射腔阵列11进行馈电，多层PCB 12包括多层介质板，通过在各层介质板上设置金属图案并将各层介质板压合在一起，形成多层PCB 12。多层PCB12的上下表面层为接地层，多层PCB 12内相互间隔的两层分别为极化正交的馈电网络层，相互间隔的两层之间具有接地层。多层PCB 12中包括两个馈电网络层，每个馈电网络层可以为多层PCB 12中除上下表面层以外的任意两层，只要两个馈电网络层之间具有一个接地层即可。两个馈电网络层之间的接地层用于隔离两个馈电网络层的信号。两个馈电网络层的馈电信号为相互正交的信号。
每个馈电网络层上包括与波导辐射腔阵列11上m×n个开口四脊波导单元13对应的m×n个馈电单元15。两个馈电网络层上的馈电单元15分别为正交的结构。每个馈电网络层上的各馈电单元15分别与波导辐射腔阵列11上的一个开口四脊波导单元13对应，每个馈电单元15用于为一个开口四脊波导单元13进行馈电。那么波导辐射腔阵列11上的每个开口四脊波导单元13就具有两个相互正交的馈电单元15进行馈电，从而为本实施例提供的双极化四脊波导阵列天线实现双极化馈电。
优选地，本实施例提供的双极化四脊波导阵列天线中，每个开口四脊波导单元13为设置有脊形部分的矩形开口波导腔，也就是每个开口四脊波导单元均为矩形，四周的边长相等。在一实施例中，每个矩形开口波导腔的边长为0.35λ0~0.45λ0，λ0为双极化四脊波导阵列天线中心频率的真空波长，每个脊形部分14的长度与矩形开口波导腔的边长的比值为0.15~0.4，每个脊形部分14的宽度与矩形开口波导腔的边长的比值为0.1~0.2。
另外，为了在多层PCB 12上实现与波导辐射腔阵列11的模式匹配，可以在多层PCB12上在每个矩形开口波导腔对应的位置设置有由间隔的金属化通孔21组成的矩形框，矩形框四周具有开口，矩形框的边长与矩形开口波导腔的边长比为0.4~0.7。每个金属化通孔21组成的矩形框与一个矩形开口波导腔对应，那么也就是每个金属化通孔21与一个馈电单元15对应。在设置了由金属化通孔21组成的矩形框后，能够使得多层PCB 12具有良好的接地性能，且可以确保每个馈电单元15与对应的开口四脊波导单元13匹配性能良好。
另外，由于两个馈电网络层与波导辐射腔阵列的距离不同，为了进一步提高多层PCB 12与波导辐射腔阵列的匹配，在多层PCB 12中还可以设置隔离层，隔离层设置于两个馈电网络层的下方，隔离层上包括与波导辐射腔阵列11上m×n个开口四脊波导单元13对应的m×n个极化隔离栅结构。极化隔离栅结构可以分离不同极化波，从而使得不同极化方式的馈电网络层对地的反射距离相等，不同极化端口可以取得匹配性能的一致性。
每个馈电网络层具有一个馈电端口，因此本实施例提供的双极化四脊波导阵列天线具有两个馈电端口16和馈电端口17，馈电端口16和馈电端口17分别与每个馈电网络层中的馈电网络连接。
馈电端口16和馈电端口17可以采用任一种馈电方式，例如各馈电网络层实际为带状线结构，因此馈电端口16和馈电端口17可以为带状线馈电端口。但考虑到各种设备的馈电端口以SMA等同轴线接头为主，因此可以将馈电端口16和馈电端口17的输出端设置为SMA等同轴线接头。那么馈电端口16和馈电端口17就需要进行带状线-同轴线转换。为了便于进行连接，可以在多层PCB 12上馈电端口16和馈电端口17的位置设置开槽，馈电端口16和馈电端口17的位置的开槽分别通过去除一部分多层PCB 12得到。而在去除一部分多层PCB 12之后，馈电端口16和馈电端口17的位置会形成一段微带线结构，因此馈电端口16和馈电端口17实际为带状线-微带线-同轴线过渡转换结构。
另外，为了抑制馈电端口16和馈电端口17设置为带状线-微带线-同轴线过渡转换结构时产生的高次模辐射，可以在带状线-微带线-同轴线过渡转换结构两侧设置间隔的金属化通孔22，金属化通孔22平行于带状线-微带线-同轴线过渡转换结构的两侧均匀设置，可以大幅度减小辐射损耗并且改善匹配性能。
其中，波导辐射腔阵列11和多层PCB 12可以通过设置于角落的螺钉孔18进行装配，螺钉孔18可以设置于波导辐射腔阵列11和多层PCB 12的四个角落。或者波导辐射腔阵列11和多层PCB 12还可以通过其他形式装配在一起。
在一实施例中，多层PCB 12的厚度为0.2λr~0.4λr，λr为双极化四脊波导阵列天线中心频率在多层PCB 12中的介质波长。
在一实施例中，波导辐射腔阵列11的材料为铝合金、黄铜、银、金属塑料中的一种或多种。或者波导辐射腔阵列11的材料还可以为任一种其他的金属材料。
本实施例提供的双极化四脊波导阵列天线，通过设置包括m×n个开口四脊波导单元的波导辐射腔阵列，并在波导辐射腔阵列下设置包括与波导辐射腔阵列上m×n个开口四脊波导单元对应的m×n个馈电单元的两个极化正交的馈电网络层，实现了双极化四脊波导阵列天线，由于采用了四脊波导单元组成的波导辐射阵列作为阵列天线的辐射口，充分降低了天线的尺寸，使得天线能够进行二维大角度扫描，且采用了层叠结构的双极化馈电，进一步地压缩了阵列天线的尺寸，使得双极化四脊波导阵列天线能够应用于多种平面波束扫描场景中。
图2为本发明实施例提供的双极化四脊波导阵列天线中馈电单元的结构示意图。
图2中示出本发明实施例提供的双极化四脊波导阵列天线中馈电单元的一种实现方式，其中包括两个相互正交的馈电单元15。图2中示出的两个相互极化正交的馈电单元分别位于两个不同的馈电网络层，每个馈电单元15为带状线馈电单元。
每个馈电单元15包括两个差分探针23，每个馈电单元15的两个差分探针23分别用于向对应的开口四脊波导单元13馈入差分信号。从图中可以看出，每个馈电单元15的两个差分探针23的馈电长度不同，两者实际的馈电长度差距为0.5λr，λr为阵列天线中心频率在多层PCB 12中的介质波长。这样可以使得每个馈电单元15的两个差分探针23能够向对应的开口四脊波导单元13馈入差分信号。
下面以多层PCB 12为8层PCB为例，对本发明实施例提供的双极化四脊波导阵列天线进行进一步详细说明。图3为本发明实施例提供的双极化四脊波导阵列天线中一个辐射单元的结构爆炸图。
如图3所示，双极化四脊波导阵列天线中一个辐射单元包括一个开口四脊波导单元13和对应的多层PCB 12。多层PCB 12包括8层，其中第一层31、第二层32、第三层33、第四层34、第五层35、第六层36、第七层37、第八层38分别为多层PCB 12的8层。第一层31、第三层33、第五层35、第六层36和第八层38分别为接地层。第二层32和第四层34为极化正交的馈电网络层，包括相互正交的馈电单元15。第七层37为隔离层，其中包括极化隔离栅结构39。从图3中还可以看出多层PCB 12上由金属化通孔21组成的矩形框。采用如此多层数的原因在于，对于探针馈电而言，探针到反射面需要一个合适的距离才能实现良好的匹配性能。第二层32和第四层34的差分馈电结构是由一段四分之一波长的传输线结构实现的。
图4为本实施例提供的双极化四脊波导阵列天线的多层PCB的侧视图，以多层PCB12为8层为例，第一层31、第二层32、第三层33、第四层34、第五层35、第六层36、第七层37、第八层38分别为多层PCB 12的8层。在一实施例中，多层PCB 12的每层介质基板40可以采用0.508mm厚的Rogers 4350材质，其中夹有0.09mm厚的半固化片Rogers 4450压合多层板41。图4中共示出7层介质基板和6层半固化片进行压合。其中前6层均为单面板，即仅在介质基板上表面有金属图案，第7层介质基板为双面板，即介质基板上下两面均有金属图案。
图5为本实施例提供的双极化四脊波导阵列天线的多层PCB的分解示意图，图5中示出了层数为8层的多层PCB 12的每层的具体结构，其中以双极化四脊波导阵列天线包括4×4个辐射单元为例。如图5，第一层31、第三层32、第五层35、第六层36和第八层38分别为接地层，分别在对应开口四脊波导单元的位置设置有匹配的开孔，第一层31、第三层33、第五层35、第六层36和第八层38除开孔外的其他部分均接地。第二层32和第四层34分别设置有4×4个辐射单元15，第二层32和第四层34的各辐射单元15连接在一起，第二层32和第四层34分别具有馈电端口16和馈电端口17。第七层37分别在对应开口四脊波导单元的位置设置有对应的极化隔离栅结构39。
图6为本实施例提供的双极化四脊波导阵列天线的多层PCB的电压驻波比示意图，如图6所示，以双极化四脊波导阵列天线的工作频率为10.7GHz-12.75GHz进行设计，曲线61和曲线62分别为双极化四脊波导阵列天线两个馈电端口的电压驻波比（Voltage StandingWave Ratio，VSWR）曲线，从图中可以看出，在该频段内，两个馈电端口的电压驻波比均小于2，满足宽带阵列天线需求。
图7为本实施例提供的双极化四脊波导阵列天线的两个馈电端口的隔离度示意图，由于在多层PCB中设置了隔离层，使得两个馈电网络层具有良好的极化隔离性能，曲线71为两个馈电端口的传输性能示意图，从图中可以看出，在全频段内两个馈电端口的隔离度均大于25dB。
图8为本实施例提供的双极化四脊波导阵列天线的两个馈电端口的辐射方向图，曲线81-曲线84分别为两个馈电端口的0度和90度辐射方向图，其中曲线81和曲线82分别为一馈电端口的0度和90度辐射方向图，曲线83和曲线84分别为另一馈电端口的0度和90度辐射方向图。也即双极化四脊波导阵列天线的E面和H面辐射方向图，从图中可以看出，两个辐射端口均显示出了较好的一致性。
图9为本实施例提供的双极化四脊波导阵列天线的两个馈电端口的辐射效率图，其中曲线91和曲线92分别为两个馈电端口的辐射效率曲线，从图中可以看出，两个馈电端口均能够由较优的辐射效率，远大于普通双极化微带阵列天线的辐射效率。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种双极化四脊波导阵列天线，其特征在于，包括：
波导辐射腔阵列和设置于所述波导辐射腔阵列下方的多层印制电路板PCB；
所述波导辐射腔阵列包括m×n个开口四脊波导单元，每个开口四脊波导单元为四个侧壁中间分别设置有脊形部分的开口波导腔，m、n为大于或等于1的自然数；
所述多层PCB的上下表面层为接地层，所述多层PCB内相互间隔的两层分别为极化正交的馈电网络层，所述相互间隔的两层之间具有接地层，每个馈电网络层上包括与所述波导辐射腔阵列上m×n个开口四脊波导单元对应的m×n个馈电单元；
每个馈电网络层具有一个馈电端口。
2.根据权利要求1所述的双极化四脊波导阵列天线，其特征在于，每个开口四脊波导单元为设置有脊形部分的矩形开口波导腔。
3.根据权利要求2所述的双极化四脊波导阵列天线，其特征在于，每个矩形开口波导腔的边长为0.35λ0~0.45λ0，λ0为所述阵列天线中心频率的真空波长，每个脊形部分的长度与所述边长的比值为0.15~0.4，每个脊形部分的宽度与所述边长的比值为0.1~0.2。
4.根据权利要求2所述的双极化四脊波导阵列天线，其特征在于，所述多层PCB上在每个矩形开口波导腔对应的位置设置有由间隔的金属化通孔组成的矩形框，所述矩形框四周具有开口，所述矩形框的边长与所述矩形开口波导腔的边长比为0.4~0.7。
5.根据权利要求1~4任一项所述的双极化四脊波导阵列天线，其特征在于，所述多层PCB内还包括隔离层，所述隔离层设置于两个馈电网络层的下方，所述隔离层上包括与所述波导辐射腔阵列上m×n个开口四脊波导单元对应的m×n个极化隔离栅结构。
6.根据权利要求1~4任一项所述的双极化四脊波导阵列天线，其特征在于，每个馈电端口具有带状线-微带线-同轴线过渡转换结构。
7.根据权利要求6所述的双极化四脊波导阵列天线，其特征在于，所述带状线-微带线-同轴线过渡转换结构的带状线两侧具有间隔设置的金属化通孔。
8.根据权利要求1~4任一项所述的双极化四脊波导阵列天线，其特征在于，每个馈电单元为带状线馈电单元，每个馈电单元包括两个差分探针。
9.根据权利要求1~4任一项所述的双极化四脊波导阵列天线，其特征在于，所述多层PCB的厚度为0.2λr~0.4λr，λr为所述阵列天线中心频率在所述多层PCB中的介质波长。
10.根据权利要求1~4任一项所述的双极化四脊波导阵列天线，其特征在于，所述波导辐射腔阵列的材料为铝合金、黄铜、银、金属塑料中的一种或多种。
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