CN112993557A - 一种共口径低剖面双频双圆极化天线结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种共口径低剖面双频双圆极化天线结构，包括：天线单元，所述天线单元包括天线辐射层及与所述天线辐射层相贴设置的天线馈电层，所述天线辐射层包括第一介质板、与所述第一介质板紧贴设置的第二介质板、与所述第二介质板紧贴设置的第三介质板、与所述第三介质板紧贴设置的第四介质板；所述天线馈电层包括与所述第四介质板紧贴设置的第五介质板。根据本发明，天线同时具有低剖面、结构紧凑的优点，可采用标准PCB工艺加工，共口径天线有效提高了天线的口径利用效率，从而节省更多的空间，适用于大角度扫描的相控阵。

Description

一种共口径低剖面双频双圆极化天线结构

技术领域

本发明涉及天线的技术领域，特别涉及一种共口径低剖面双频双圆极化天线结构。

背景技术

随着现代无线通信系统不断向着多频段、多功能、小型化和轻便化发展，无线通信系统的集成度越来越高，对天线的尺寸和结构可集成性也提出了越来越高的要求。共口径天线能够兼具多极化、多频工作，有效提高了天线的口径利用效率，从而节省更多的空间，实用价值高。同时，低剖面天线占用体积小、风阻低、便于安装，特别适合用在各种运动载具和移动通信平台上。

圆极化波具有抗雨雾干扰，抗多径反射效应的优点，并且对于收发天线来说，采用圆极化天线不需要收发天线极化对准，可以有效避免极化失配引起的损耗，在实际使用过程中，天线可以更灵活的进行布置。此外，圆极化波可以降低电磁波通过电离层时法拉第效应的影响，特别适合用于卫星通信系统。

目前现有的低剖面圆极化天线大多数只能实现单一的圆极化旋向，如通过切角、刻蚀缝隙、顺序旋转馈电等方法设计的微带贴片天线等。一种实现双圆极化工作的方式是选取合适的位置同时在微带贴片天线内部放置两个馈电探针及其馈电端口，但由于这种方法共用同一个辐射贴片，其两个端口的工作频率彼此相关，难以自由的控制两个端口的工作频率比。目前最接近的现有技术有：1、将工作于不同频段的天线上下叠层放置，构成双频双圆极化天线，但此种方案天线剖面高，不具备小型化优势；2、采用3dB电桥作为馈电结构，激励微带贴片天线的两个正交模式，构成双圆极化天线，但此种结构馈电网络复杂，并且难以自由控制两个极化端口的工作频率比。

综上，目前现有的圆极化天线技术主要存在天线剖面高、天线馈电结构复杂、天线单元尺寸大和无法灵活控制天线两个极化端口之间的工作频率比等问题。

发明内容

针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种共口径低剖面双频双圆极化天线结构，天线同时具有低剖面、结构紧凑的优点，可采用标准PCB工艺加工，共口径天线有效提高了天线的口径利用效率，从而节省更多的空间，适用于大角度扫描的相控阵。为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种共口径低剖面双频双圆极化天线结构，包括：

天线单元，所述天线单元包括天线辐射层及与所述天线辐射层相贴设置的天线馈电层，所述天线辐射层包括第一介质板、与所述第一介质板紧贴设置的第二介质板、与所述第二介质板紧贴设置的第三介质板、与所述第三介质板紧贴设置的第四介质板；

所述天线馈电层包括与所述第四介质板紧贴设置的第五介质板；

所述天线辐射层上设置有4个右旋圆极化圆形微带贴片天线及处于所述4个右旋圆极化圆形微带贴片天线构成的结构中心位置的左旋圆极化菱形微带贴片天线。

优选的，所述第一介质板、第二介质板及第四介质板上分别设置有位于该介质板上下表面上的四个金属环及沿所述金属环结构开设的金属化通孔，所述金属环与金属化通孔构成金属背腔结构。

优选的，所述第一介质板、第二介质板及第四介质板上表面的金属环中分别有第一圆形辐射贴片、第二圆形辐射贴片及第三圆形辐射贴片，且所述第一圆形辐射贴片、第二圆形辐射贴片及第三圆形辐射贴片分别与金属环之间的区域构成圆形辐射背腔。

优选的，所述第一介质板、第二介质板及第四介质板上表面的四个金属环中间处分别贴附有第一菱形辐射贴片、第二菱形辐射贴片及第三菱形辐射贴片，且所述第一菱形辐射贴片、第二菱形辐射贴片及第三菱形辐射贴片均与金属环之间区域形成菱形辐射背腔。

优选的，所述第一介质板与第二介质板上的每个金属环之间相接触的边上均开设有矩形槽缝，所述第二介质板的矩形槽缝上贴附有金属条带。

优选的，所述第五介质板的上表面上贴附有天线地板，所述天线地板上刻蚀有右旋圆极化微带天线耦合缝结构，所述耦合缝结构包括第一耦合缝、与所述第一耦合缝正交放置的第二耦合缝、位于所述第一耦合缝与第二耦合缝下方的右旋圆极化微带天线馈线及置于右旋圆极化微带天线馈线上的右旋圆极化馈电端口，所述右旋圆极化微带天线馈线中心放置有隔离电阻。

优选的，通过改变隔离电阻两端右旋圆极化微带天线馈线的长度，进而改变圆极化的旋向。

优选的，所述天线地板上刻蚀有十字形耦合缝，所述十字形耦合缝位于第三菱形辐射贴片的正下方。

优选的，通过改变左旋圆极化微带天线馈线在十字形耦合缝处的旋转方向，进而改变圆极化的旋向。

优选的，所述第五介质板的下表面贴附有左旋圆极化微带天线馈线、设置于所述左旋圆极化微带天线馈线上的左旋圆极化馈电端口及放置于所述左旋圆极化微带天线馈线上的短路调谐枝节，所述左旋圆极化微带天线馈线位于十字形耦合缝的下方，所述短路调谐枝节一端放置有第一接地金属通孔，且所述左旋圆极化微带天线馈线一端通过吸收电阻与第二接地金属通孔相连。

优选的，将所述右旋圆极化圆形微带贴片天线和左旋圆极化菱形微带贴片天线彼此横向交错排列，沿横向方向扩展，构成共口径双频双圆极化天线阵列。

优选的，通过对共口径双频双圆极化天线阵列的尺寸进行放大或缩小，使得天线结构工作于微波、毫米波或太赫兹频段。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：

1.天线具有独立的左旋圆极化端口和右旋圆极化端口，两个圆极化端口工作在不同的频带范围内，天线具备双频双圆极化辐射能力。

2.天线将右旋圆极化圆形微带贴片天线和左旋圆极化菱形微带贴片天线彼此横向交错排列构成共口径天线阵列，使结构更为紧凑，提高了天线口径面利用效率。

3.右旋圆极化圆形微带贴片天线采用微带威尔金森功分器馈电，具有较宽的阻抗带宽和轴比带宽。

4、左旋圆极化菱形微带贴片天线采用十字形耦合缝隙与微带顺序旋转方式馈电，并且通过加入短路调谐枝节以改善阻抗匹配性能。

5.天线引入辐射背腔结构以减小天线单元之间的互耦，改善了天线阵列的辐射性能。

6.通过在天线辐射背腔上引入矩形槽缝，改善右旋圆极化圆形微带贴片天线的阻抗匹配性能。

7.通过在矩形槽缝上放置金属条带，抑制天线组阵后左旋圆极化菱形微带贴片天线单元之间的耦合，改善天线轴比性能。

8.圆形微带辐射贴片和菱形微带辐射贴片均放置于相同介质层上方，减小了所需的介质层数，降低了加工难度和加工成本。

9.双圆极化天线的两个极化端口的工作频率可以分别独立的进行选择并设计，以满足不同频率比的需求。

10.天线阵整体为平板结构，剖面低、体积小，易于与其他通信设备相集成，适用于大角度扫描的相控阵。

附图说明

图1为根据本发明的共口径低剖面双频双圆极化天线结构的三维结构示意图；

图2为根据本发明的共口径低剖面双频双圆极化天线结构的三维结构透视图；

图3为根据本发明的共口径低剖面双频双圆极化天线结构的俯视图；

图4为根据本发明的共口径低剖面双频双圆极化天线结构的第二介质板层的三维结构示意图；

图5为根据本发明的共口径低剖面双频双圆极化天线结构的天线馈电层的三维结构示意图；

图6为根据本发明的共口径低剖面双频双圆极化天线结构的沿横向方向交错排列后构成的共口径低剖面双频双圆极化天线阵列的俯视图。

图中：10.双频双圆极化天线单元；11.右旋圆极化圆形微带贴片天线；12.左旋圆极化菱形微带贴片天线；13.金属化通孔；14.圆形辐射背腔；15.菱形辐射背腔；16.矩形槽缝；17.金属条带；101.第一介质板；102.第二介质板；103.第三介质板；104.第四介质板；105.第五介质板；111.第一圆形微带辐射贴片；112.第二圆形微带辐射贴片；113.第三圆形微带辐射贴片；121.第一菱形微带辐射贴片；122.第二菱形微带辐射贴片；123.第三菱形微带辐射贴片；20.天线馈电层；21.右旋圆极化微带天线馈线；211.右旋圆极化馈电端口；212.隔离电阻；22.左旋圆极化微带天线馈线；221.左旋圆极化馈电端口；222.短路调谐枝节；223.第一接地金属通孔；224.吸收电阻；225.第二接地金属通孔；30.天线地板；311.第一耦合缝隙；312.第二耦合缝隙；321.十字形耦合缝隙。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了说明本发明专利天线的结构、工作性能，在此以右旋圆极化工作频带为10.7GHz～12.7GHz和左旋圆极化工作频带为14GHz～14.5GHz的一个共口径低剖面双频双圆极化天线实施例加以说明。该实施例的工作频带、极化方式和圆极化旋向不能理解为对本专利的限制。天线在右旋圆极化工作频带的峰值增益大于4dBi，且边射方向的轴比小于3dB。天线在左旋圆极化工作频带的峰值增益大于4dBi，且边射方向的轴比小于1.5dB。天线具有独立的右旋圆极化馈电端口和左旋圆极化馈电端口。

参照图1-6，一种共口径低剖面双频双圆极化天线结构，包括：天线单元10，所述天线单元10包括天线辐射层及与所述天线辐射层相贴设置的天线馈电层，所述天线辐射层包括第一介质板101、与所述第一介质板101紧贴设置的第二介质板102、与所述第二介质板102紧贴设置的第三介质板103、与所述第三介质板103紧贴设置的第四介质板104；

所述天线馈电层包括与所述第四介质板104紧贴设置的第五介质板105；

所述天线辐射层上设置有4个右旋圆极化圆形微带贴片天线11及处于所述4个右旋圆极化圆形微带贴片天线11构成的结构中心位置的左旋圆极化菱形微带贴片天线12。

进一步的，所述第一介质板101、第二介质板102及第四介质板104上分别设置有位于该介质板上下表面上的四个金属环及沿所述金属环结构开设的金属化通孔13，所述金属环与金属化通孔13构成金属背腔结构。

进一步的，所述第一介质板101、第二介质板102及第四介质板104上表面的金属环中分别有第一圆形辐射贴片111、第二圆形辐射贴片112及第三圆形辐射贴片113，且所述第一圆形辐射贴片111、第二圆形辐射贴片112及第三圆形辐射贴片113分别与金属环之间的区域构成圆形辐射背腔14。

进一步的，所述第一介质板101、第二介质板102及第四介质板104上表面的四个金属环中间处分别贴附有第一菱形辐射贴片121、第二菱形辐射贴片122及第三菱形辐射贴片123，且所述第一菱形辐射贴片121、第二菱形辐射贴片122及第三菱形辐射贴片123均与金属环之间区域形成菱形辐射背腔15。

进一步的，所述第一介质板101与第二介质板102上的每个金属环之间相接触的边上均开设有矩形槽缝16，所述第二介质板102的矩形槽缝16上贴附有金属条带17，所述金属条带17的数量和位置可根据实际性能需要做出调整。

进一步的，所述第五介质板105的上表面上贴附有天线地板30，所述天线地板30上刻蚀有右旋圆极化微带天线耦合缝结构，所述耦合缝结构第一耦合缝311、与所述第一耦合缝311正交放置的第二耦合缝312、位于所述第一耦合缝311与第二耦合缝312下方的右旋圆极化微带天线馈线21及设置于右旋圆极化微带天线馈线21上的右旋圆极化馈电端口211，所述右旋圆极化微带天线馈线21中心放置有隔离电阻212。所述第一耦合缝311采用“H”形结构，所述第二耦合缝312采用“C”形结构，右旋圆极化馈电端口211对应的圆极化旋向通过改变右旋圆极化微带天线馈线21的结构尺寸进行调整。

进一步的，通过改变隔离电阻212两端右旋圆极化微带天线馈线21的长度，进而改变圆极化的旋向。

进一步的，所述天线地板30上刻蚀有十字形耦合缝321，所述十字形耦合缝321位于第三菱形辐射贴片123的正下方。

进一步的，通过改变左旋圆极化微带天线馈线22在十字形耦合缝321处的旋转方向，进而改变圆极化的旋向。

进一步的，所述第五介质板105的下表面贴附有左旋圆极化微带天线馈线22、设置于所述左旋圆极化微带天线馈线22上的左旋圆极化馈电端口221及放置于所述左旋圆极化微带天线馈线22上的短路调谐枝节222，左旋圆极化馈电端口221对应的圆极化旋向可通过改变左旋圆极化微带天线馈线22的旋转方向进行调整，所述左旋圆极化微带天线馈线22位于十字形耦合缝321的下方，所述短路调谐枝节222一端放置有第一接地金属通孔223，且所述左旋圆极化微带天线馈线22一端通过吸收电阻224与第二接地金属通孔225相连，短路调谐枝节222根据天线阻抗匹配需要保留或移除或改为开路调谐枝节。

进一步的，将所述右旋圆极化圆形微带贴片天线11和左旋圆极化菱形微带贴片天线12彼此横向交错排列，沿横向方向扩展，构成共口径双频双圆极化天线阵列40。

进一步的，通过对共口径双频双圆极化天线阵列40的尺寸进行放大或缩小，使得天线结构工作于微波、毫米波或太赫兹频段。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的，对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (12)

1.一种共口径低剖面双频双圆极化天线结构，其特征在于，包括：

天线单元(10)，所述天线单元(10)包括所述天线辐射层及与所述天线辐射层相贴设置的天线馈电层，所述天线辐射层包括第一介质板(101)、与所述第一介质板(101)紧贴设置的第二介质板(102)、与所述第二介质板(102)紧贴设置的第三介质板(103)、与所述第三介质板(103)紧贴设置的第四介质板(104)；

所述天线馈电层包括与所述第四介质板(104)紧贴设置的第五介质板(105)；

所述天线辐射层上设置有4个右旋圆极化圆形微带贴片天线(11)及处于所述4个右旋圆极化圆形微带贴片天线(11)构成的结构中心位置的左旋圆极化菱形微带贴片天线(12)。

2.如权利要求1所述的一种共口径低剖面双频双圆极化天线结构，其特征在于，所述第一介质板(101)、第二介质板(102)及第四介质板(104)上分别设置有位于该介质板上下表面上的四个金属环及沿所述金属环结构开设的金属化通孔(13)，所述金属环与金属化通孔(13)构成金属背腔结构。

3.如权利要求2所述的一种共口径低剖面双频双圆极化天线结构，其特征在于，所述第一介质板(101)、第二介质板(102)及第四介质板(104)上表面的金属环中分别有第一圆形辐射贴片(111)、第二圆形辐射贴片(112)及第三圆形辐射贴片(113)，且所述第一圆形辐射贴片(111)、第二圆形辐射贴片(112)及第三圆形辐射贴片(113)分别与金属环之间的区域构成圆形辐射背腔(14)。

4.如权利要求1所述的一种共口径低剖面双频双圆极化天线结构，其特征在于，所述第一介质板(101)、第二介质板(102)及第四介质板(104)上表面的四个金属环中间处分别贴附有第一菱形辐射贴片(121)、第二菱形辐射贴片(122)及第三菱形辐射贴片(123)，且所述第一菱形辐射贴片(121)、第二菱形辐射贴片(122)及第三菱形辐射贴片(123)均与金属环之间区域形成菱形辐射背腔(15)。

5.如权利要求2所述的一种共口径低剖面双频双圆极化天线结构，其特征在于，所述第一介质板(101)与第二介质板(102)上的每个金属环之间相接触的边上均开设有矩形槽缝(16)，所述第二介质板(102)的矩形槽缝(16)上贴附有金属条带(17)。

6.如权利要求1所述的一种共口径低剖面双频双圆极化天线结构，其特征在于，所述第五介质板(105)的上表面上贴附有天线地板(30)，所述天线地板(30)上刻蚀有右旋圆极化微带天线耦合缝结构，所述右旋圆极化微带天线耦合缝结构包括第一耦合缝(311)、与所述第一耦合缝(311)正交放置的第二耦合缝(312)、位于所述第一耦合缝(311)与第二耦合缝(312)下方的右旋圆极化微带天线馈线(21)及设置于右旋圆极化微带天线馈线(21)上的右旋圆极化馈电端口(211)，所述右旋圆极化微带天线馈线(21)中心放置有隔离电阻(212)。

7.如权利要求6所述的一种共口径低剖面双频双圆极化天线结构，其特征在于，通过改变隔离电阻(212)两端右旋圆极化微带天线馈线(21)的长度，进而改变圆极化的旋向。

8.如权利要求6所述的一种共口径低剖面双频双圆极化天线结构，其特征在于，所述天线地板(30)上刻蚀有十字形耦合缝(321)，所述十字形耦合缝(321)位于第三菱形辐射贴片(123)的正下方。

9.如权利要求1所述的一种共口径低剖面双频双圆极化天线结构，其特征在于，所述第五介质板(105)的下表面贴附有左旋圆极化微带天线馈线(22)、设置于所述左旋圆极化微带天线馈线(22)上的左旋圆极化馈电端口(221)及放置于所述左旋圆极化微带天线馈线(22)上的短路调谐枝节(222)，所述左旋圆极化微带天线馈线(22)位于十字形耦合缝(321)的下方，所述短路调谐枝节(222)一端放置有第一接地金属通孔(223)，且所述左旋圆极化微带天线馈线(22)一端通过吸收电阻(224)与第二接地金属通孔(225)相连。

10.如权利要求9所述的一种共口径低剖面双频双圆极化天线结构，其特征在于，通过改变左旋圆极化微带天线馈线(22)在十字形耦合缝(321)处的旋转方向，进而改变圆极化的旋向。

11.如权利要求1所述的一种共口径低剖面双频双圆极化天线结构，其特征在于，将所述右旋圆极化圆形微带贴片天线(11)和左旋圆极化菱形微带贴片天线(12)彼此横向交错排列，沿横向方向扩展，构成共口径双频双圆极化天线阵列(40)。

12.如权利要求11所述的一种共口径低剖面双频双圆极化天线阵列，其特征在于，通过对共口径双频双圆极化天线阵列(40)的尺寸进行放大或缩小，使得天线结构工作于微波、毫米波或太赫兹频段。

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