CN112838358A - 一种基于3d打印技术的双向辐射同旋向双圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于3D打印技术的双向辐射同旋向双圆极化天线，包括两端开路的圆波导以及分别位于所述圆波导两侧的第一介质棒和第二介质棒，所述圆波导上设置有呈正交设置的第一差分端口和第二差分端口，在所述圆波导的两端开口处分别开设有一对三角形的金属层缺口，每对缺口分别与x轴呈±45度的夹角，且位于同一端的一对缺口关于天线的中心轴对称。天线通过3D打印技术一体成型，重量轻且加工方便，波导壁通过电镀金属薄层的方式实现。波导壁上的三角形缺口具有极化器功能，通过其可实现双向同旋向的圆极化辐射。通过切换馈电的差分端口即可实现双圆极化功能，实现圆极化旋向自由切换。

Description

一种基于3D打印技术的双向辐射同旋向双圆极化天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种基于3D打印技术的双向辐射同旋向双圆极化天线。
背景技术
3D打印技术是一种通过逐层叠加材料的方式来制造三维实体模型的新兴加工工艺。区别于传统的三维模型制造工艺，如：CNC、注塑等，3D打印采用增材的方式，不需要原胚和模具，就能直接根据计算机图形数据实现各种复杂结构的加工。其优势在于：可以简化制造程序、缩短加工周期、高效成形复杂的结构、具有较高的材料利用率等。目前，3D打印技术已被广泛应用于各个领域，其中便包括天线研究领域。基于该技术的天线设计是目前国内外学术界的研究热点之一。
具有双向辐射特性的天线常被应用于纵深较长的通信环境当中，例如桥梁、矿洞、隧道、狭长街道等场合，是一种常见且重要的天线类型。这类天线可以将电磁能量集中于两个相反的方向，近似直线的能量分布可以更加贴合应用场景，从而避免能量的浪费。根据极化特性的不同，目前已报道的双向天线可以被大致分为三类，即双向线极化天线、双向不同旋向的圆极化天线以及双向同旋向圆极化天线。其中，双向同旋向圆极化天线因其可以很好的解决收、发终端之间极化失配的问题，所以应用最为广泛。F.Khosravi等在《Bidirectional same-sense circularly polarized slot antenna usingpolarization converting surface,IEEE Antennas Wireless Propag.Lett,vol.13,pp.1652-1655,2014》中提供了一款微带缝隙天线与极化变换表面相结合的双向同旋向圆极化天线设计，其中微带缝隙天线可提供双向不同旋向的圆极化辐射，而极化变换表面则置于其一侧用于改变该侧圆极化的旋向。W.Liu等在《A bidirectional array of thesame left-handed circular polarization using a special substrate,IEEEAntennas Wireless Propag.Lett.,vol.12,pp.1543-1546,2013》中，采用多个相距1/4波长且±45度交叉放置的偶极子组成的阵列来实现双向同旋向圆极化辐射。Y.Zhao等在《Adual circularly polarized waveguide antenna with bidirectional radiations ofthe same sense,IEEE Trans.Antennas Propag,vol.62,no.1,pp.480-484,Jan.2014》中提出了一款双向同旋向双圆极化天线设计，该设计基于一段两端开路的波导结构，波导内放置微带线混合环，其分别与两个相距1/4波长且±45度交叉放置的金属片相连接，通过切换馈电端口来实现圆极化旋向的切换。J.Hu等在《A bidirectional same sensecircularly polarized endfire antenna array with polarizationreconfigurability,IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.67,no.11,pp.7150-7155,Nov.2019》中，采用磁、电偶极子相结合的方式实现双向同旋向的圆极化辐射，并通过开关二极管来实现圆极化左、右旋向的切换。
但以上双向同旋向圆极化天线仍存在以下问题：
(1)传统的双向同旋向圆极化天线在性能上轴比带宽窄、增益较低且可能存在两个方向上辐射特性不对称的问题。目前已报道的各种方案中，轴比带宽一般不超过10％，天线的平均增益一般为5dBic左右。对于微带缝隙天线结合极化变换表面的设计，由于其天线结构不对称，则存在两个辐射方向上方向图、增益皆不相等的问题，这不利于其在实际当中的应用。
(2)传统的双向同旋向圆极化天线在结构上比较复杂，加工困难。已报道的方案中部分设计采用了立体的天线结构，如偶极子阵列、空心波导等，这些结构都相对比较复杂，加工难度很大，而且可能存在机械性能不足的问题，当有外力存在时天线结构易发生形变。
(3)传统的双向同旋向圆极化天线极化方式较为单一，难以实现左旋或右旋的旋向切换。已报道的方案中，大部分的天线设计都是单左旋或单右旋的双向圆极化辐射，难以实现灵活的旋向切换，实际应用中如能自由切换旋向则可以增加系统的灵活性。虽然已有采用混合环和开关二极管来实现双圆极化功能的设计，但是这些天线普遍存在以上所提到的性能不佳、结构复杂的问题。
发明内容
为了解决现有技术存在的轴比带宽窄、增益低、在两个方向上辐射特性不对称、天线结构复杂、加工困难、极化方式单一、难以实现旋向自由切换等问题，本发明提供了一种基于3D打印技术的双向辐射同旋向双圆极化天线。
一种基于3D打印技术的双向辐射同旋向双圆极化天线，包括两端开路的圆波导以及分别位于所述圆波导两侧的第一介质棒和第二介质棒，
所述圆波导上设置有呈正交设置的第一差分端口和第二差分端口，圆波导的柱面上设有金属层，在位于所述圆波导的两端开口处的金属层上分别开设有一对三角形的缺口，每对缺口分别与x轴呈±45度的夹角，且位于同一端的一对缺口关于天线的中心轴对称。
进一步地，所述圆波导、第一介质棒和第二介质棒的材质为介质材料，通过3D打印一体成型，圆波导的柱面电镀金属薄层。
进一步地，所述第一介质棒和第二介质棒均为圆柱形，且其截面与圆波导截面大小相同。
进一步地，所述第一差分端口包括相对设置的第一同轴接头和第二同轴接头，所述第二差分端口包括相对设置的第三同轴接头和第四同轴接头，且所述第一差分端口中的同轴接头与所述第二差分端口中的同轴接头交错正交设置。
与现有技术相比，本发明能够实现的有益效果至少如下：与现有技术相比，本发明具有轴比带宽宽、增益高、带内辐射性能稳定、圆极化旋向可切换、结构简单、易加工的优点。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于3D打印技术的双向辐射同旋向双圆极化天线的立体结构示意图。
图2是本发明实施例提供的一种基于3D打印技术的双向辐射同旋向双圆极化天线另一视角的结构示意图。
图3是本发明实施例提供的一种基于3D打印技术的双向辐射同旋向双圆极化天线中差分端口的设置示意图。
图4是本发明实施例提供的一种基于3D打印技术的双向辐射同旋向双圆极化天线的阻抗匹配特性及端口隔离度示意图。
图5是本发明实施例提供的一种基于3D打印技术的双向辐射同旋向双圆极化天线的轴比特性示意图。
图6是本发明实施例提供的一种基于3D打印技术的双向辐射同旋向双圆极化天线中的第一差分端口激励时中心频率的方向图。
图7是本发明实施例提供的一种基于3D打印技术的双向辐射同旋向双圆极化天线中的第二差分端口激励时中心频率的方向图。
图8是本发明实施例提供的一种基于3D打印技术的双向辐射同旋向双圆极化天线的增益特性示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
本实施例结合3D打印技术，提出了一种基于3D打印技术的双向辐射同旋向双圆极化天线。整个天线一体成型，通过3D打印介质材料并且电镀金属薄层制成。本实施例中，介质材料的相对介电常数为2.9，损耗角正切为0.01，具体应用时可根据实际情况采用其他参数的介质材料。
天线结构如图1和图2所示，该天线包括圆波导2、以及分别位于圆波导2两侧的第一介质棒1和第二介质棒3，本实施例中，圆波导2、第一介质棒1和第二介质棒3均为圆柱形，且三者截面尺寸相同。其中，圆波导2为两端开路的波导结构，由位于中间位置的两对差分端口进行馈电，将其中一对差分端口定义为第一差分端口，另一对差分端口定义为第二差分端口。如图3所示，两对差分端口呈正交放置，其中，第一差分端口包括相对设置的第一同轴接头21和第二同轴接头22，第二差分端口包括相对设置的第三同轴接头23和第四同轴接头24。
如图1所示，在直角坐标系中，天线的长度方向与z轴平行，z轴即为天线的中心轴，两个最大辐射方向分别沿着-z和+z轴，第一差分端口与x轴平行，第二差分端口与y轴平行。在圆波导2两端的开口处分别开设有一对三角形的金属层缺口，可以对电磁波产生逐渐、有效的扰动，位于同一侧的一对缺口关于天线的中心轴(z轴)对称，两侧的两对缺口分别与x轴呈±45度的夹角，即图1中φ＝±45度的位置。两对差分端口位于两对三角形缺口之间。
圆波导2与第一介质棒1和第二介质棒3相互连接，加工时三者一体成型，为一段完整的圆柱形介质棒，然后再通过掩膜的方式遮盖无需电镀的表面，最后在需要电镀的表面淀积金属铜的薄层。该天线中，圆波导2的柱面(不包含两端的4个缺口，即缺口是在圆波导2的金属层上开设的)即为需要电镀的表面，第一介质棒1和第二介质棒3的表面以及圆波导2两侧开口处的4个缺口面为无需电镀的表面。
工作原理上，圆波导2上位于两端三角形缺口之间的区域可看作基于圆波导的双向波导功分器，其内激励TE11模式。三角形缺口可看作波导极化器。当天线由第一差分端口激励时，电磁波经过双向波导功分器被等幅同相位分配至两个方向，三角形缺口可扰动来波，从而实现圆极化辐射。圆极化的旋向取决于来波的极化方向以及三角形缺口与X轴之间的45度夹角，当第一差分端口激励时，天线在两个方向上同为右旋圆极化，当第二差分端口激励时，天线在两个方向上同为左旋圆极化。因此，通过切换馈电端口即可实现双圆极化功能，实现旋向自由切换。第一介质棒1和第二介质棒3可看作两段介质波导，其作用为增加天线增益。
天线性能方面，图4所示为天线的阻抗匹配特性以及两个差分端口之间的隔离度，可以看出该天线在5.21-6.5GHz的频带内第一差分端口和第二差分端口的S参数|Sdd11|和|Sdd22|皆小于-10dB，且两条曲线基本一致，这说明该天线在此频带内阻抗匹配情况良好且两个端口响应一致。与此同时，在此频带范围内|Sdd12|皆小于-60dB,说明两个差分端口之间具有很好的隔离度。
图5所示为天线的轴比特性，在5.3-6.31GHz约17.4％的范围内小于3dB，具有较宽的轴比带宽，宽于目前已报道的天线设计。
图6和图7所示分别为天线由第一差分端口和第二差分端口激励时中心频率的方向图，可以看出该天线具有良好的方向图特性，由于天线结构完全对称，所以在不同的圆极化旋向下天线的辐射特性完全相同。
天线的增益特性如图8所示，工作频带内平均增益7.5dBic，波动范围±0.7dB，具有较高且稳定的圆极化增益，该增益特性优于现有设计。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或采用现有技术加以实现。
以上所述仅为本发明的优先实施例，而非对本发明作任何形式上的限制。本领域的技术人员可在上述实施例的基础上施以各种等同的更改和改进，凡在权利要求范围内所做的等同变化和修饰，均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于3D打印技术的双向辐射同旋向双圆极化天线，其特征在于：包括两端开路的圆波导(2)以及分别位于所述波导(2)两侧的第一介质棒(1)和第二介质棒(3)，
所述圆波导(2)上设置有呈正交设置的第一差分端口和第二差分端口，圆波导(2)的柱面上镀有金属层，在位于所述圆波导(2)的两端开口处的金属层上分别开设有一对三角形的缺口，每对缺口分别与x轴呈±45度的夹角，且位于同一端的一对缺口关于天线的中心轴对称。
2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的双向辐射同旋向双圆极化天线，其特征在于：所述圆波导(2)、第一介质棒(1)和第二介质棒(3)的材质为介质材料。
3.根据权利要求2所述的一种基于3D打印技术的双向辐射同旋向双圆极化天线，其特征在于：所述圆波导(2)、第一介质棒(1)和第二介质棒(3)通过3D打印一体成型。
4.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的双向辐射同旋向双圆极化天线，其特征在于：所述第一介质棒(1)和第二介质棒(3)均为圆柱形，且其截面与波导(2)截面大小相同。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种基于3D打印技术的双向辐射同旋向双圆极化天线，其特征在于：所述第一差分端口包括相对设置的第一同轴接头(21)和第二同轴接头(22)，所述第二差分端口包括相对设置的第三同轴接头(23)和第四同轴接头(24)，且所述第一差分端口中的同轴接头与所述第二差分端口中的同轴接头交错正交设置。
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