CN112838365A - 一种圆极化基片集成波导磁电偶极子天线及其阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种圆极化基片集成波导磁电偶极子天线及其阵列。本发明天线包括顶部金属层、第一介质层、中间金属层、第二介质层和底部金属层,以第二介质层中“U”形结构的金属柱、中间金属层以及底部金属层组成基片集成波导,通过底层基片集成波导馈电的方式,降低天线馈电部分的损耗;电偶极子设置在顶部金属层,并通过金属柱与中间金属层电连接,同时在中间金属层采用一对角三角形开槽切割更多电流,扩展轴比带宽和阻抗带宽。本发明的圆极化基片波导磁电偶极子天线及其阵列中的阵元能够获得20%的阻抗带宽,轴比带宽为10%,具有很高的辐射效率,且天线结构简易,很容易扩展为相应的阵列天线,有望在各种微波毫米波通信领域得到广泛的应用。

Description

一种圆极化基片集成波导磁电偶极子天线及其阵列
技术领域
本发明涉及微波毫米波通信技术领域,具体涉及一种圆极化基片集成波导磁电偶极子天线及其阵列。
背景技术
近年来随着电子通信技术的发展,毫米波技术受到人们的广泛关注。毫米波天线作为毫米波无线通信系统中的关键器件之一,其性能优劣直接影响到整个通信系统的性能水平。与低频天线相比,毫米波天线具有尺寸小、轻便、易集成的优势。然而毫米波天线在空气中具有更高的传输损耗,所以毫米波通信系统需要采用高定向性、高增益的天线。而平面天线阵列的体积小、重量轻、易集成的优势,更加适用于未来紧凑型毫米波通信系统应用。圆极化天线由于辐射的圆极化波具有一直多径衰落、抗雨衰等优点而被广泛应用于无线通信,特别时卫星通信中。可以看出,圆极化毫米波平面阵列天线具有非常实用价值。
磁电偶极子天线作为在工程应用中非常常见的天线形式,在通信、广播、雷达、导航等领域内,磁电偶极子天线以其简单的天线结构、低廉的造价成本、稳定的性能等优势在天线领域中有着其它天线不可替代的作用。然而,现有圆极化带宽较窄,增益较低,天线形式较为复杂。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种圆极化基片集成波导磁电偶极子天线及其阵列,通过采用基片集成波导开槽馈电,提高了天线轴比带宽,提高了天线增益,天线结构形式进一步简化。本发明圆极化基片集成波导磁电偶极子天线及其阵列,具有辐射效率高、高增益、宽带宽等特点。
本发明提供了一种圆极化基片集成波导磁电偶极子天线,从顶层到底层依次是:顶部金属层、第一介质层、中间金属层、第二介质层和底部金属层;其中,顶部金属层上设有一对电偶极子,电偶极子与中间金属层之间通过两个金属柱实现电连接;在中间金属层的两个金属柱连线的垂直平分线上蚀刻有一个对角三角形槽,对角三角形槽沿所述垂直平分线轴对称;第二介质层中四个侧边中,有三侧设有金属柱,形成“U”形结构,另一侧(即“U”形结构开口端)设有长方形金属条;电偶极子及对角三角形槽位于“U”形结构的内部、与开口端相对的底端处。
本发明中,第二介质层“U”形结构的金属柱、中间金属层以及底部金属层组成基片集成波导,长方形金属条作为天线的馈电口,与天线的馈电效果有关。本发明天线通过底层基片集成波导馈电,可以降低天线馈电部分的损耗,对于阵列天线的设计效果更好。同时,对角三角形槽的边缘可以切割更多电流,引入更多模式,能够扩展轴比带宽和阻抗带宽。
其中,电偶极子可采用中心对称的几何平面金属贴片形式,所述几何平面金属贴片可以由两个矩形金属贴片拼接而成,其中一个矩形金属贴片切掉了两个相邻的角,另一个矩形金属贴片拼接在其中的一个切角处,通过切割角和拼接矩形改变金属贴片,实现圆极化所需的90度相位差。其中,切角的尺寸和拼接的金属贴片的尺寸可以改变,从而调节天线圆极化参数的性能;切割和拼接的几何图形也可以改变,如采用扇形等,从而改变/增大天线的有效辐射面积。
其中,电偶极子位于“U”形结构的内部底端处,可以位于“U”形结构的中线位置,也可以偏离中线位置,靠近两个侧边的任意一侧。
所述对角三角形槽的对角角度和槽的宽度也可以改变,通过增大对角三角形槽的对角角度和宽度,可以改变耦合馈电的耦合度,实现能量更好的传输。
其中,所述顶部金属层、中间金属层、底部金属层、金属柱A、金属柱B、长方形金属条可以由铜、金、银等导电率较高的金属材料制成;第一介质层、第二介质层采用相对介电常数为2.2的材料制成,优先RogersRT/duroid 5880(tm)。
本发明还提供了一种圆极化基片集成波导磁电偶极子天线阵列,以上述圆极化基片集成波导磁电偶极子天线作为阵元,组成3N×3N天线阵列,N≥1;每个阵元有单独激励端口。
有益效果:
本发明以第二介质层“U”形结构的金属柱、中间金属层以及底部金属层组成基片集成波导,以长方形金属条作为天线的馈电口,通过底层基片集成波导馈电,可以降低天线馈电部分的损耗,对于阵列天线的设计效果更好;同时,采用一对角三角形开槽,其边缘可以切割更多电流,引入更多模式,能够扩展轴比带宽和阻抗带宽。本发明的圆极化基片波导磁电偶极子天线及其阵列中的阵元能够获得20%的阻抗带宽,轴比带宽为10%,具有很高的辐射效率。由磁电偶极子天线单元能够很容易得到相应的阵列天线,满足更高增益需求。简易的天线结构和良好的性能指标,使得本发明有望在各种微波毫米波通信领域得到广泛的应用。
电偶极子采用金属贴片结构,增大了天线有效辐射面积,从而获得更高的辐射效率。
附图说明
图1为本发明天线的结构三面示意图;
图2为本发明天线的俯视图;
图3为本发明天线的正视图;
图4为本发明3×3阵列天线的俯视图;
图5为本发明天线的|S11|仿真结果;
图6为本发明天线的增益仿真结果;
图7为本发明天线的交叉极化仿真结果;
图8为本发明天线的轴比仿真结果;
图9为本发明3×3阵列天线的|S11|仿真结果;
图10为本发明3×3阵列天线的增益仿真结果;
图11为本发明3×3阵列天线的交叉极化仿真结果;
图12为本发明3×3阵列天线的轴比仿真结果;
图13为本发明3×3阵列天线的阵元间隔离度仿真结果。
其中,1-顶部金属层,2-金属柱A,3-第一介质层,4-第二介质层,5-对角三角形槽,6-金属柱B,7-中间金属层,8-底部金属层,9-长方体金属条,10-第一阵元,11-第二阵元,12-第三阵元,13-第四阵元,14-第五阵元,15-第六阵元,16-第七阵元,17-第八阵元,18-第九阵元。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例,对本发明进行详细描述。
实施例1
如图1、图2和图3所示,实施例1公开了一种圆极化基片集成波导磁电偶极子天线,包括了从顶层到底层依次是:顶部金属层1、第一介质层3、中间金属层7、第二介质层4和底部金属层8;顶部金属层1上终端位置设有一对电偶极子,该对电偶极子为一对中心对称的切割拼接的几何平面贴片,这对金属贴片与中间金属层7之间通过两个金属柱A2实现电连接,在中间金属层7的两个金属柱A2连线的垂直平分线上蚀刻有一个对角三角形槽5,第二介质层4中的三侧设有金属柱B6,形成“U”形结构;第二介质层4中金属柱B组成的“U”形结构与中间金属层7、底部金属层8组成基片集成波导;第二介质层4的另一侧添加的一个长方体金属条9,长方体金属条9与天线的馈电效果有关,能够防止激励源向天线外侧辐射;实施例1的天线通过底层基片集成波导馈电,和天线辐射单元(电偶极子)耦合连接,可以大大降低天线馈电部分的损耗,对于阵列天线的设计效果更好。
图5、图6、图7和图8是该磁电偶极子天线的|S11|、增益和轴比等参数仿真结果图,天线阻抗带宽为20%(25.6GHz~31.8GHz),天线增益可达到6.6dB,交叉极化为0.3dB,在天线的工作频带27GHz~30GHz内,天线的轴比均小于2dB。通过上述仿真数据可得出本发明设计的磁电偶极子天线单元具有良好的性能。
实施例2
如图4所示,可以采用九个上述提供的圆极化基片集成波导磁电偶极子天线为阵元,组成3×3的阵列天线,包括第一阵元10,第二阵元11,第三阵元12,第四阵元13,第五阵元14,第六阵元15,第七阵元16,第八阵元17,第九阵元18;这些阵元排列成三行三列,每个阵元单独激励。
图9、图10、图11、图12和图13是阵列天线的|S11|、增益、轴比和隔离度等参数仿真结果图,阵列天线的阻抗带宽为18.2%(25.7GHz~30.2GHz),天线增益可达29.4dB,交叉极化为2.1dB,在阵列天线的工作频带27GHz~30GHz内,天线的轴比均小于3dB,阵元间隔离度基本大于20dB。通过方向图观察易知天线组阵后天线的波束带宽更窄,从而方向性更好。
综上所述,以上仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种圆极化基片集成波导磁电偶极子天线,其特征在于,从顶层到底层依次是:顶部金属层(1)、第一介质层(3)、中间金属层(7)、第二介质层(4)、底部金属层(8);其中,电偶极子设置在顶部金属层,通过金属柱A(2)与中间金属层(7)电连接;中间金属层(7)上蚀刻有一个对角三角形槽,所述对角三角形槽的对角位于电偶极子的对称中心,且对角三角形槽的中轴线与电偶极子的轴线相垂直;第二介质层(4)设有由金属柱B(6)形成的“U”形结构,并在“U”形结构的顶端开口处设有长方形金属条(9);电偶极子位于“U”形结构的内部底端处。
2.如权利要求1所述的圆极化基片集成波导磁电偶极子天线,其特征在于,所述电偶极子为一对中心对称的几何平面贴片。
3.如权利要求2所述的圆极化基片集成波导磁电偶极子天线,其特征在于,所述几何平面贴片由两个矩形金属贴片拼接而成,其中一个矩形金属贴片切掉了两个相邻的角,另一个矩形金属贴片拼接在其中的一个切角处。
4.如权利要求2所述的圆极化基片集成波导磁电偶极子天线,其特征在于,所述几何平面贴片由两个金属贴片拼接而成,其中一个金属贴片为切掉了两个相邻的角的矩形金属贴片;另一个金属贴片为扇形,拼接在其中的一个切角。
5.如权利要求1~4任意一项所述的圆极化基片集成波导磁电偶极子天线,其特征在于,所述电偶极子位于“U”形结构底端的中心,或偏离底端的中心,靠近“U”形结构的侧边。
6.如权利要求1所述的圆极化基片集成波导磁电偶极子天线,其特征在于,增大对角三角形槽的对角角度和宽度以改变耦合馈电的耦合度,实现能量更好的传输。
7.如权利要求1所述的圆极化基片集成波导磁电偶极子天线,其特征在于,所述顶部金属层(1)、中间金属层(7)、底部金属层(8)、金属柱A(2)、金属柱B(6)、长方形金属条(9)由铜、金或银制成。
8.如权利要求1所述的圆极化基片集成波导磁电偶极子天线,其特征在于,所述第一介质层(3)、第二介质层(4)采用相对介电常数为2.2的材料制成。
9.如权利要求8所述的圆极化基片集成波导磁电偶极子天线,其特征在于,所述第一介质层(3)、第二介质层(4)采用Rogers RT/duroid 5880制成。
10.一种圆极化基片集成波导磁电偶极子天线阵列,其特征在于,采用如权利要求1~9任意一项所述的天线组成3N×3N阵列,N≥1。
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