CN112713390A - 一种平面双极化天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种平面双极化天线，包括辐射体、相互正交的第一馈电网络和第二馈电网络。辐射体为长方体腔，其面域内设置有四组缝隙，四组缝隙形状为圆形并呈中心对称结构。第一馈电网络通过由金属槽间隙波导‑金属脊间隙波导‑金属槽间隙波导转换形成的等幅且同相的E面功率分配器侧馈金属圆柱腔；第二馈电网络与第一馈电网络结构相似，即将第一馈电网络中心旋转90°得到第二馈电网络，两层馈电网络通过第一馈电网络圆柱腔底部的沿第一馈电网络极化方向的矩形缝隙增加极化隔离度。本发明在保证双极化天线高极化隔离度的前提下，加工简单，不存在电接触难题，有着小型化、低剖面、高集成度、高隔离、易加工等优点。
Description
技术领域
本发明涉及毫米波技术领域，具体地涉及一种平面双极化阵列天线。
背景技术
毫米波频段频谱资源丰富，器件尺寸小，有限物理空间内可以实现更窄的波束从而具有更高的分辨率，毫米波技术被广泛应用于通讯、雷达、成像、遥感等领域。在毫米波频段，由于物理空间尺寸较小，多数阵列天线的辐射单元和馈电网络需要叠层设计。在射频系统前端，天线是占用面积最大的部件，天线的大小往往主导着系统的体积和重量，因此阵列天线的平面化有助于实现系统的低剖面和轻量化。
阵列天线的增益往往与阵列规模相关，但阵列规模的增加会造成天线面积的增加，在机载、星载等平台上，天线占用面积是非常有限的，在这种情况下，人们往往在宽带的基础上结合极化分集来提升系统容量。双极化天线可以同时发射或接收两个正交的线极化波或圆极化波，正交信道之间几乎无干扰，这使得系统占用相同面积时利用效率加倍。微带贴片天线因其低剖面、重量轻、成本低等特点在双极化天线设计中得到了广泛的应用，但在毫米波频段介质损耗随着频段增加而加剧，使得微带天线不是毫米波阵列天线最优的选择。而采用传统金属波导馈电的缝隙阵列双极化天线存在加工困难、结构笨重等问题。
发明内容
发明目的：针对毫米波双极化天线高频损耗与金属电接触难题，提出一种使用间隙波导馈电的全金属双极化天线。
技术方案：一种平面双极化天线，从上至下依次包括辐射体、相互正交的第一馈电网络和第二馈电网络；所述辐射体为长方体腔，其面域内设置有四组辐射缝隙，四组辐射缝隙的形状为圆形并呈中心对称结构；所述第一馈电网络包括金属地板，金属地板上设有周期性金属销钉，并通过金属槽间隙波导-金属脊间隙波导-金属槽间隙波导的转换形成一分四的等幅且同相的E面功率分配器侧馈金属圆柱腔；将第一馈电网络结构中心旋转90°得到第二馈电网络，两层馈电网络通过第一馈电网络圆柱腔底部沿第一馈电网络极化方向的矩形缝隙增加极化隔离度。
进一步的，所述辐射体上，周期分布的圆形辐射缝隙之间通过正方形金属网格间隔开。
进一步的，所述金属圆柱腔由金属槽间隙波导从侧面馈电。
一种大规模阵列天线，由N*N组所述平面双极化天线单元矩阵排布组成，其中N为大于等于2的自然数。
有益效果：本发明的平面双极化天线，采用圆形辐射缝隙可以同时辐射接收两种线极化模式，槽间隙波导侧馈金属圆柱腔使得金属圆柱腔内电场极化方式与槽间隙波导极化方式一致，进而将上下两层槽间隙波导侧馈金属圆柱腔的位置设置相差90°，在给两层间隙波导结构分别馈电时，即可在圆柱腔内得到两个正交的线极化波。在上下两层金属圆柱腔之间采用缝隙耦合馈电的方法，使下层极化模式只能向上传播，而上层极化模式不能向下传播，保证了双极化天线的高极化隔离度。
本发明采用槽间隙波导-脊间隙波导-槽间隙波导结构的E面功率分配器作为馈电结构，避免了仅使用槽间隙波导作为馈电网络时E面功分器输出反相的问题，同时也使得整体馈电结构更加紧凑。整体结构可由金属铣削加工得到，间隙波导避免了多层金属结构间的电接触难题，有着小型化、低剖面、高集成度、高隔离、易加工等优点。
附图说明
图1是本发明的平面双极化天线框结构示意图；
图2是本发明的平面双极化天线第一馈电网络示意图；
图3是本发明的平面双极化天线第二馈电网络示意图；
图4是本发明的2×2组所述平面双极化天线三维图示意图；
图5是本发明的2×2组所述平面双极化天线辐射层俯视图示意图；
图6是本发明的2×2组所述平面双极化天线垂直极化馈电层俯视图示意图；
图7是本发明的2×2组所述平面双极化天线水平极化馈电层俯视图示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
实施例1：
如图1至图3所示，一种平面双极化天线，从上至下依次包括辐射体1、相互正交的第一馈电网络2和第二馈电网络3。
其中，辐射体1为长方体腔，其面域内设置有四组辐射缝隙11，四组辐射缝隙11的形状为圆形并呈中心对称结构。
第一馈电网络2包括金属地板，金属地板上设有周期性金属销钉，与上层辐射层形成间隙波导结构。槽间隙波导201为第一馈电网络2的输入端口，槽间隙波导201过渡到脊间隙波导202构成一分二功分器，脊间隙波导202金属脊部分插入槽间隙波导203构成一分二功分器，槽间隙波导201、脊间隙波导202、槽间隙波导203构成一分四功分器，通过调整槽间隙波导201短截线的长度和脊间隙波导202插入槽间隙波导203部分的尺寸，实现良好的阻抗带宽。槽间隙波导203等幅同相侧馈四个金属圆柱腔21，在金属圆柱腔21内激励垂直极化分量。
第二馈电网络3与第一馈电网络2结构相似，即将第一馈电网络2结构中心旋转90°得到第二馈电网络3。具体的，第二馈电网络3通过图3所示槽间隙波导301过渡到脊间隙波导302，脊间隙波导302金属脊部分插入槽间隙波导303中，形成一分四功分器，槽间隙波导303等幅同相分别侧馈四个金属圆柱腔31，在金属圆柱腔31内激励水平极化分量。通过槽间隙波导201和槽间隙波导301分别给上下两层馈电网络馈电。第一馈电网络2所馈金属圆柱腔21底部有沿第一馈电网络2极化方向的纵向缝隙22，两层馈电网络通过纵向缝隙22增加极化隔离度。
辐射体1上，辐射缝隙11的直径为0.5～0.6个波长，分布周期为0.8～0.9个波长，周期分布的圆形辐射缝隙11之间通过正方形金属网格间隔开。金属圆柱腔21直径与辐射体1上圆形辐射缝隙11的直径接近。金属圆柱腔21底部的纵向缝隙22的长宽比约为2：1。第二馈电网络3与第一馈电网络2上的金属销钉单元尺寸一致，金属销钉边长为0.3mm，销钉周期为0.6mm，销钉高度为0.55mm。正交的第二馈电网络3与第一馈电网络2通过调节功率分配器尺寸参数实现良好的阻抗匹配。
在本实施例中，平面双极化天线的工作频率选择94GHz，天线尺寸为6mm×6mm×6.76mm，天线极化隔离度超过70dB，可以很好地实现双极化性能，使用间隙波导馈电，整体结构剖面低，可加工性强，损耗较低。
实施例2：
如图4所示，一种阵列天线，由2×2组平面双极化天线矩阵排列而成，包括具有4×4圆形孔径辐射缝隙41的辐射体4、相互正交的第一馈电网络5和第二馈电网络6。
如图5所示，辐射体4其面域内设置有4×4组辐射缝隙41，4×4组辐射缝隙41的形状为圆形并呈中心对称结构。如图6所示，第5馈电网络金属地板上分布有周期性销钉，与上层辐射体4金属层形成间隙波导。第一馈电网络5经耦合缝53在槽间隙波导501中激励垂直极化分量，槽间隙波导501过渡到脊间隙波导502构成一分二功分器，脊间隙波导502金属脊部分插入槽间隙波导503构成一分二功分器。槽间隙波导503中有电容性贴片54以实现良好的阻抗匹配，槽间隙波导503过渡到脊间隙波导504构成一分二功分器，脊间隙波导504金属脊部分插入槽间隙波导505中，构成一分二功分器。槽间隙波导501-脊间隙波导502-槽间隙波导503-脊间隙波导504-槽间隙波导505共同构成一分十六功分器，一分十六功分器输出口是槽间隙波导505，槽间隙波导505等幅同相侧馈十六个金属圆柱腔51，在金属圆柱腔51内激励垂直极化分量。圆柱腔51的直径与辐射体4圆形孔径辐射缝隙的孔径41接近。第一馈电网络5的金属圆柱腔51底部设有沿第一馈电网络5垂直极化方向的纵向缝隙52，只允许正交第二馈电网络6产生的水平极化分量通过，两种极化分量之间形成良好的隔离。
如图7所示，正交第二馈电网络6金属地板上分布有周期性金属销钉，与正交第一馈电网络5构成了间隙波导。标准波导-槽间隙波导过渡结构621作为第一输入端口激励槽间隙波导601，标准波导-槽间隙波导过渡结构622作为第二输入端口经正交第一馈电网络5的耦合缝隙53激励第一馈电网络5。槽间隙波导601与两路脊间隙波导602构成一分二功分器，脊间隙波导602金属脊部分插入槽间隙波导603构成一分二功分器，槽间隙波导603中有电容性贴片63以实现良好的阻抗匹配，槽间隙波导603过渡到脊间隙波导604构成一分二功分器，脊间隙波导604金属脊部分插入槽间隙波导605中，构成一分二功分器。槽间隙波导601-脊间隙波导602-槽间隙波导603-脊间隙波导604-槽间隙波导605共同构成一分十六功分器，一分十六功分器输出口是槽间隙波导605，槽间隙波导605等幅同相侧馈十六个金属圆柱腔61，在金属圆柱腔61内激励水平极化分量。。
在本实施例中，2×2组平面双极化天线工作频率选择94GHz，天线尺寸为30mm×30mm×6.76mm，天线极化隔离度超过60dB，天线平均增益24dB，辐射效率超过89％，可以很好地实现双极化性能，使用间隙波导馈电，整体结构剖面低，可加工性强，损耗较低。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种平面双极化天线，其特征在于：从上至下依次包括辐射体、相互正交的第一馈电网络和第二馈电网络；所述辐射体为长方体腔，其面域内设置有四组辐射缝隙，四组辐射缝隙的形状为圆形并呈中心对称结构；所述第一馈电网络包括金属地板，金属地板上设有周期性金属销钉，并通过金属槽间隙波导-金属脊间隙波导-金属槽间隙波导的转换形成一分四的等幅且同相的E面功率分配器侧馈金属圆柱腔；将第一馈电网络结构中心旋转90°得到第二馈电网络，两层馈电网络通过第一馈电网络圆柱腔底部沿第一馈电网络极化方向的矩形缝隙增加极化隔离度。
2.根据权利要求1所述的平面双极化天线，其特征在于：所述辐射体上，周期分布的圆形辐射缝隙之间通过正方形金属网格间隔开。
3.根据权利要求1或2所述的平面双极化天线，其特征在于：所述金属圆柱腔由金属槽间隙波导从侧面馈电。
4.一种大规模阵列天线，其特征在于：由N*N组如权利要求1-3任一所述平面双极化天线单元矩阵排布组成，其中N为大于等于2的自然数。
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