CN113036459A

CN113036459A - 毫米波低剖面宽带圆极化槽馈偶极子阵列天线

Info

Publication number: CN113036459A
Application number: CN202110250676.6A
Authority: CN
Inventors: 徐光辉; 朱传明; 黄道胜; 杨利霞; 黄志祥
Original assignee: Anhui University
Current assignee: Anhui University
Priority date: 2021-03-08
Filing date: 2021-03-08
Publication date: 2021-06-25

Abstract

本发明提供了一种毫米波低剖面宽带圆极化槽馈偶极子天线阵列，包括：天线辐射体、寄生贴片、宽带SIW贯序旋转馈电网络、三层介质基板、金属化通孔；所述辐射体置于顶层介质基板上表面，寄生贴片位于辐射体四周；所述宽带SIW贯序旋转馈电网络置于天线底层和中间层；所述金属化通孔位于顶层辐射体和寄生贴片外围。本发明通过在普通的圆极化磁电偶极子天线结构基础上，在偶极天线四周引入切角寄生贴片，使得该结构在低剖面的同时实现宽带圆极化特性。同时在单元下层利用贯序旋转馈电，扩展了天线阵列的轴比带宽。本发明的天线物理尺寸小，低剖面，适用于5G毫米波圆极化通信。

Description

毫米波低剖面宽带圆极化槽馈偶极子阵列天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体地，涉及一种毫米波低剖面宽带圆极化槽馈偶极子阵列天线。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，毫米波波段凭借其丰富的频谱资源越来越受到人们的重视和研究。而圆极化具有抑制多经衰落，不受电离层中的法拉第旋转效应的影响，广泛适用于卫星通讯等场合。进而作为无线通信系统中重要的前端器件—圆极化天线得到了广泛的研究，也在面向小型化、低剖面、高增益、宽带宽等方向发展。在毫米波波段，为了补偿电磁波在空气中的传播损耗，需要天线具有高增益特性，同时也要具有稳定的辐射模式和较宽的工作带宽。在毫米波波段，天线的小型化和低剖面也是发展趋势。国内外在毫米波宽带圆极化天线方向也有大量的工作。本发明是对传统磁电偶极子天线进行变形，使其在毫米波波段实现低剖面的宽带原圆极化。低剖面天线和各类毫米波圆极化天线目前已有大量工作报道，然而还没有毫米波低剖面宽带圆极化槽馈偶极子阵列天线的报道。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种毫米波低剖面宽带圆极化槽馈偶极子天线阵列。

根据本发明提供的一种毫米波低剖面宽带圆极化槽馈偶极子天线阵列，包括自上而下设置的顶层介质基板、中间层介质基板以及底层介质基板，其中：

顶层介质基板上表面设置有多个旋转对称的圆极化天线单元；

中间层介质基板以及底层介质基板设置有宽带SIW贯序旋转馈电网络；

宽带SIW贯序旋转馈电网络中的馈电端口位于底层，交叉耦合槽位于底层介质基板与中间层介质基板之间；馈电耦合槽位于中间层介质基板上表面，将能量耦合到圆极化天线单元。

优选地，所述圆极化天线单元包括偶极子贴片、寄生贴片以及金属化通孔，其中：

寄生贴片设置在偶极子贴片的周向；

金属化通孔位于偶极子贴片与寄生贴片的外围，构成腔体。

优选地，所述偶极子贴片采用孔径耦合馈电。

优选地，所述顶层介质基板、中间层介质基板以及底层介质基板的宽度subx＝23mm，长度suby＝23mm，顶层介质基板的高度h3＝0.813mm、中间层介质基板的高度h2＝0.508mm，底层介质基板的高度h1＝0.508mm。

优选地，中间层介质基板、底层介质基板均为Rogers RT 5880，介电常数ε_r＝2.2，介质基板的损耗角tanδ＝0.0009；

顶层介质基板为Rogers RO 4003C，介电常数ε_r＝3.55，介质基板的损耗角tanδ＝0.0027。

优选地，交叉耦合槽的槽包括两个相互垂直交叉的槽，两个槽的宽度和长度分别为ws2＝0.3mm,ls2＝2.5mm,ws3＝0.25mm,ls3＝3.8mm。

优选地，所述偶极子贴片包括L型贴片。

优选地，所述L型贴片的第一侧边l1＝1.85mm，第二侧边l2＝1.05mm，下底边l3＝1.875mm，上底边l4＝0.5mm。

优选地，在天线阵列的最底层由波导馈电，底层SIW馈电宽边大小a1＝5.3mm,中间层SIW宽边大小为a2＝5.2mm。

优选地，所述金属化通孔半径为R4＝0.45mm,连接偶极子的金属化通孔半径为R5＝0.2mm。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过在传统的圆极化磁电偶极子单元四周引入寄生贴片，扩展了天线单元的阻抗带宽，降低了传统磁电偶极子的剖面。

2、本发明采用宽带SIW贯序旋转馈电网络，同时优化寄生贴片的倒角，极大地扩展了天线阵列的轴比带宽。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的毫米波低剖面宽带圆极化槽馈偶极子阵列天线的侧面示意图。

图2为本发明提供的实施例2的毫米波低剖面宽带圆极化槽馈偶极子阵列天线的宽带SIW贯序旋转馈电网络顶部示意图

图3为本发明提供的实施例2的毫米波低剖面宽带圆极化槽馈偶极子阵列天线辐射体与寄生贴片金属层示意图。

图4为本发明提供的毫米波低剖面宽带圆极化槽馈偶极子阵列天线S11示意图。

图5为本发明提供的毫米波低剖面宽带圆极化槽馈偶极子阵列天线在轴比带宽示意图。

图6为本发明提供的实施例2的毫米波低剖面宽带圆极化槽馈偶极子阵列天线右旋圆极化实增益随频率变化示意图。

图7为本发明提供的毫米波低剖面宽带圆极化槽馈偶极子阵列天线在28GHz时xoz面和yoz面的方向图。

图8为本发明提供的毫米波低剖面宽带圆极化槽馈偶极子阵列天线在31GHz时xoz面和yoz面的方向图。

图9为本发明提供的毫米波低剖面宽带圆极化槽馈偶极子阵列天线在34GHz时xoz面和yoz面的方向图。

图中示出：

偶极子与寄生贴片金属层 1

顶层介质 2

馈电耦合槽金属层 3

中间层介质 4

交叉耦合槽金属层 5

底层介质 6

金属层 7

馈电耦合槽 8

金属化通孔 9

交叉耦合槽 10

匹配通孔 11

馈电端口 12

金属敷铜 13

寄生贴片 14

偶极化贴片 15

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1-9所示，根据本发明提供的一种毫米波低剖面宽带圆极化槽馈偶极子阵列天线，包括：天线辐射体、寄生贴片、宽带SIW贯序旋转馈电网络、三层介质基板、金属化通孔；所述辐射体平行设置于顶层介质基板上表面；所述寄生贴片平行设置于顶层介质基板上表面，且位于天线辐射体四周；所述三层介质基板按照层叠形式依次堆叠。所述宽带SIW贯序旋转馈电网络位于中间层与底层介质基板；所述天线辐射体主要由偶极化贴片构成，天线辐射体采用孔径耦合馈电。所述金属化通位于顶层介质基板，且位于天线辐射体与寄生贴片外围，构成腔体，提高天线增益。

具体地，设空间直角坐标系o-xyz包括：原点o、x轴、y轴、z轴；

所述介质基板平行于空间直角坐标系o-xyz的xoy面；

所述三层介质基板及金属层沿z轴正向依次堆叠。所述偶极子与寄生贴片金属层位于底层介质基板上表面，其中偶极子的尺寸为l1＝1.85mm,l2＝1.05mm,l3＝1.875mm,l4＝0.5mm；偶极子四周的寄生贴片尺寸为p1＝1.2mm,p2＝0.9mm,p3＝0.85mm,p4＝1.2mm,p5＝1.2mm,p6＝0.7mm。每个天线单元为旋转对称，单元内偶极子所连接的金属化通孔之间的间距为lc＝1.1mm。

具体地，所述毫米波低剖面宽带圆极化槽馈偶极子天线阵列的面积尺寸宽度subx＝23mm；长度suby＝23mm；

所述三层介质基板的厚度分别为：底层h1＝0.508mm，中间层h2＝0.508mm,顶层h3＝0.813mm。所述介质基板为矩形，介质基板的宽度subx＝23mm，长度suby＝23mm，底层与中间层介质基板均为Rogers RT 5880，介电常数ε_r＝2.2，介质基板的损耗角tanδ＝0.0009。顶层介质基板为Rogers RO 4003C，介电常数ε_r＝3.55，介质基板的损耗角tanδ＝0.0027。

具体地，所述SIW贯序旋转馈电网络中馈电端口位于底层，交叉耦合槽位于底层介质基板与中间层介质基板之间。交叉耦合槽的槽宽度和长度分别为ws2＝0.3mm,ls2＝2.5mm,ws3＝0.25mm,ls3＝3.8mm。所述馈电耦合槽位于中间层介质基板上表面，用于将能量耦合到天线辐射体。

所述天线阵列由4个单元旋转构成，构成顶层腔体的金属化通孔半径为R4＝0.45mm,连接偶极子的金属化通孔半径为R5＝0.2mm。

天线工作时，底层与中间层构成一个宽带一分四功分器，通过合理地选择交叉耦合槽的宽度与长度，在中间层实现等功率且90度的贯序相差，进而作为贯序旋转馈电网络给圆极化天线单元馈电，扩展了天线阵列的轴比带宽。

根据权利要求所述的毫米波低剖面宽带圆极化槽馈偶极子天线阵列，其特征在于，包含三层结构，底层和中间层为SIW贯序旋转馈电网络，顶层为4个旋转对称的圆极化天线单元。

具体地，在天线的最底层由波导馈电，所述底层SIW馈电宽边大小a1＝5.3mm,中间层SIW宽边大小为a2＝5.2mm,馈电结构的金属化通孔半径R1＝0.2mm，相邻通孔之间间距s＝0.75mm。中间层的匹配通孔半径为R2＝0.25mm,R3＝0.325mm。馈电耦合槽的长度和宽度分别为ls1＝4mm,ws1＝0.4mm，耦合槽的中心到SIW宽边的距离cx＝0.7mm,耦合槽顶端到SIW末端短路通孔的距离为cy＝0.9mm。

所述圆极化天线单元由槽馈偶极子、4个寄生贴片、金属化通孔腔体组成。天线单元在传统的缝隙馈电圆极化磁电偶极子基础上引入寄生贴片，降低了天线的剖面，扩展了阻抗带宽；同时给贴片优化倒角并且采用贯序旋转馈电，极大地扩展了轴比带宽。下面通过优选的或变化的实施例对本发明进行更为具体地说明。

实施例1：

针对毫米波圆极化天线，本实施例设计了一种毫米波低剖面宽带圆极化槽馈偶极子阵列天线，可用于毫米波无线通讯系统。该天线阻抗带宽覆盖27.59GHz-34.68GHz频段，轴比带宽覆盖25.9GHz-35.37GHz频段，也可优化设计，覆盖指定的频段。该天线主要包括天线辐射体、寄生贴片、宽带SIW贯序旋转馈电网络、三层介质基板、金属化通孔等结构。

天线辐射体是位于顶层介质基板上表面的偶极子贴片，四周引入切角寄生贴片。顶层辐射体外围加载金属化通孔，构成腔体，提高天线的增益特性。三层介质板沿z轴依次堆叠，底层和中间层介质基板构成宽带SIW贯序旋转馈电网络，以扩展天线阵列的轴比带宽。

上述实施例所涉及的毫米波低剖面宽带圆极化槽馈偶极子阵列天线，其侧视图如图1所示，宽带SIW贯序旋转馈电网络示意图如图2所示，顶层偶极子与寄生贴片示意图如图3所示。

天线工作过程是，由波导馈电经过宽带SIW贯序旋转馈电网络将电磁能量一分四，并且相邻端口相差90度，再通过馈电耦合槽将能量耦合到顶层偶极子辐射，由于引入了寄生贴片，从而降低剖面的同时扩展了阻抗带宽。又由于将圆极化单元做贯序旋转，进一步扩展了天线阵列的轴比带宽。

实施例2：

本发明设计了一种毫米波低剖面宽带圆极化槽馈偶极子阵列天线，可用于毫米波无线通讯系统。该天线体积仅为23mm×23mm×1.829mm，阻抗带宽可覆盖27.59GHz-34.68GHz频段轴比带宽覆盖25.9GHz-35.37GHz频段，并且具有稳定的辐射模式，高增益，增益稳定。

如图1、图2和图3所示，为所述毫米波低剖面宽带圆极化槽馈偶极子阵列天线物理结构示意图。所述毫米波低剖面宽带圆极化槽馈偶极子天线阵列的面积尺寸宽度subx＝23mm；长度suby＝23mm；所述三层介质基板的厚度分别为：底层h1＝0.508mm，中间层h2＝0.508mm,顶层h3＝0.813mm。所述介质基板为矩形，介质基板的宽度subx＝23mm，长度suby＝23mm。

所述毫米波低剖面宽带圆极化槽馈偶极子阵列天线的S11参数如图4所示。

所述毫米波低剖面宽带圆极化槽馈偶极子阵列天线的轴比带宽参数如图5所示。

图6为上述天线的右旋圆极化实增益随频率变化的关系图。

图7至9分别为上述天线在28GHz,31GHz，34GHz的实增益方向图。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims

1.一种毫米波低剖面宽带圆极化槽馈偶极子天线阵列，其特征在于，包括自上而下设置的顶层介质基板、中间层介质基板以及底层介质基板，其中：

2.根据权利要求1所述的毫米波低剖面宽带圆极化槽馈偶极子天线阵列，其特征在于，所述圆极化天线单元包括偶极子贴片、寄生贴片以及金属化通孔，其中：

寄生贴片设置在偶极子贴片的周向；

金属化通孔位于偶极子贴片与寄生贴片的外围，构成腔体。

3.根据权利要求2所述的毫米波低剖面宽带圆极化槽馈偶极子天线阵列，其特征在于，所述偶极子贴片采用孔径耦合馈电。

4.根据权利要求1所述的毫米波低剖面宽带圆极化槽馈偶极子天线阵列，其特征在于，所述顶层介质基板、中间层介质基板以及底层介质基板的宽度subx＝23mm，长度suby＝23mm，顶层介质基板的高度h3＝0.813mm、中间层介质基板的高度h2＝0.508mm，底层介质基板的高度h1＝0.508mm。

5.根据权利要求1所述的毫米波低剖面宽带圆极化槽馈偶极子天线阵列，其特征在于：

中间层介质基板、底层介质基板均为Rogers RT 5880，介电常数ε_r＝2.2，介质基板的损耗角tanδ＝0.0009；

6.根据权利要求1所述的毫米波低剖面宽带圆极化槽馈偶极子天线阵列，其特征在于，交叉耦合槽的槽包括两个相互垂直交叉的槽，两个槽的宽度和长度分别为ws2＝0.3mm,ls2＝2.5mm,ws3＝0.25mm,ls3＝3.8mm。

7.根据权利要求2所述的毫米波低剖面宽带圆极化槽馈偶极子天线阵列，其特征在于，所述偶极子贴片包括L型贴片。

8.根据权利要求7所述的毫米波低剖面宽带圆极化槽馈偶极子天线阵列，其特征在于，所述L型贴片的第一侧边l1＝1.85mm，第二侧边l2＝1.05mm，下底边l3＝1.875mm，上底边l4＝0.5mm。

9.根据权利要求1所述的毫米波低剖面宽带圆极化槽馈偶极子天线阵列，其特征在于，在天线阵列的最底层由波导馈电，底层SIW馈电宽边大小a1＝5.3mm,中间层SIW宽边大小为a2＝5.2mm。

10.根据权利要求2所述的毫米波低剖面宽带圆极化槽馈偶极子天线阵列，其特征在于，所述金属化通孔半径为R4＝0.45mm,连接偶极子的金属化通孔半径为R5＝0.2mm。