CN113078482B - 一种用于c波段双端口圆极化高隔离的天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于C波段双端口圆极化高隔离的天线阵列，属于微波天线技术领域。本发明由16个辐射单元组成，呈矩形栅格分布，其中，每四个辐射单元为一组，组内两两辐射单元间均采用差分馈电形式。通过全双工馈电网络，本发明提供的方案可实现双端口同向圆极化的同时拥有较高端口隔离度。本发明可用于卫星通信、民用通信系统以及其他微波通信系统中。

Description

一种用于C波段双端口圆极化高隔离的天线阵列
技术领域
本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种用于C波段双端口圆极化高隔离的天线阵列。
背景技术
天线作为接收和发送无线电波的基本装置，是无线通信系统必不可少的组成部分。圆极化天线通常应用于车载通信系统、机载以及卫星通信中。近年来，由于信息数据交换需求的爆炸性增长，如何在有限空间内实现信息的同时同频收发一直是面向工程实际的重要关注点。虽然有很多现有技术可以实现较高端口隔离度的圆极化天线，但其收发单元往往各自独立工作，即共口径阵列形式，这会导致其体积大，尤其是对空间受限场合。因此，如何在受限空间内实现端口隔离度高的双端口圆极化天线成为当前微波、天线领域面临的挑战。
文献“A Compact,Monostatic,Co-Circularly Polarized SimultaneousTransmit And Receive (STAR)Antenna With High Isolation(Di Wu,Yu-Xiang Sun,BoWang,and Ruina Lian.IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS,2020:2991182)”公开了一种紧凑型高隔离度的双端口圆极化天线，通过线极化天线单元顺序旋转实现圆极化。但该方案的不足在于其端口隔离度不高。
文献“A Wideband,Unidirectional Circularly Polarized Antenna for Full-Duplex Applications (Jie Wu,Mingjian Li and Nader Behdad.IEEE TRANSACTIONS ONANTENNAS AND PROPAGATION,2017:2497-2500)”公开了一种适用于全双工的宽带平面圆极化天线，该天线通过天线单元圆极化实现了双端口圆极化，但在实现过程中收发辐射单元独立，且未集成天线馈电网络。
文献“Single Layer,Differentially Driven,LHCP Antenna With ImprovedIsolation for Full Duplex Wireless Applications(Hao Nawaz,Ahmad Umar Nizai,IEEE ACESS,2019:2954947)公开了一种单层的双圆极化天线，该天线利用切角实现圆极化，但收发单元分离，因此口径效率较低。
目前，已有相关研究报到了双端口高隔离圆极化天线，总体而言，这些报道的结果有两种，一种是利用分离式馈电网络，另一种是使用收发单元分离或者收发单元共口径。因此，如何实现天线结构高度集成情况下，共单元的双端口高隔离圆极化天线，是微波天线技术领域富有挑战性的重要课题。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种用于C波段双端口圆极化高隔离的天线阵列。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种用于C波段双端口圆极化高隔离的天线阵列，包括第一介质基板、十六个辐射单元、第一组馈电网络、第二介质基板、金属地板、第三介质基板和第二组馈电网络；辐射单元包括辐射贴片和寄生贴片；寄生贴片位于第一介质基板的下表面，辐射贴片和第一组馈电网络位于第二介质基板的上表面；第一介质基板和第二介质基板中间为空气层，寄生贴片位于辐射贴片的正上方；第二介质基板的下表面、金属地板和第三介质基板的上表面依次紧密贴合，第二组馈电网络位于第三介质基板的下表面；
十六个辐射单元呈4×4矩形栅格分布，分别记为第一辐射单元1、第二辐射单元2、第三辐射单元3、第四辐射单元4、第五辐射单元5、第六辐射单元6、第七辐射单元7、第八辐射单元8、第九辐射单元9、第十辐射单元10、第十一辐射单元11、第十二辐射单元12、第十三辐射单元13、第十四辐射单元14、第十五辐射单元15和第十六辐射单元16；
第一辐射单元1、第二辐射单元2、第三辐射单元3、第四辐射单元4、第一馈电网络和第五馈电网络为第一天线子阵，第五辐射单元5、第六辐射单元6、第七辐射单元7、第八辐射单元8、第二馈电网络和第六馈电网络为第二天线子阵，第九辐射单元9、第十辐射单元10、第十一辐射单元11、第十二辐射单元12、第三馈电网络和第七馈电网络为第三天线子阵，第十三辐射单元13、第十四辐射单元14、第十五辐射单元15、第十六辐射单元16、第四馈电网络和第八馈电网络为第四天线子阵；
第一天线子阵中，辐射单元的馈源采用中心侧馈方式指向相邻的辐射单元，辐射单元和馈源之间采用50Ω微带线连接；第一馈电网络中，第一激励端口101激励时，信号经过一分二的功分器分为两路，第一路经过第一180°巴伦201等幅反向分配给第一馈源17和第二馈源 18，另一路经过第二180°巴伦202等幅反向分配给第六馈源22和第五馈源21；第五馈电网络中，第二激励端口102激励时，信号经过一分二的功分器分为两路，第一路经过第三180°巴伦203等幅反向分配给第七馈源23和第八馈源24，另一路经过第四180°巴伦204等幅反向分配给第四馈源20和第三馈源19；
第二天线子阵、第三天线子阵和第四天线子阵分别由第一天线子阵以天线阵列的中心为中心顺时针旋转90°、180°和270°得到；第一馈电网络和第五馈电网络以天线阵列的中心为中心顺时针旋转90°为第二馈电网络和第六馈电网络；第一馈电网络和第五馈电网络以天线阵列的中心为中心顺时针旋转180°为第三馈电网络和第七馈电网络；第一馈电网络和第五馈电网络以天线阵列的中心为中心顺时针旋转270°为第四馈电网络和第八馈电网络；第一馈电网络-第八馈电网络为第一组馈电网络；第一激励端口101和第二激励端口102以天线阵列的中心为中心顺时针旋转90°为第三激励端口103和第四激励端口104；第一激励端口101和第二激励端口102以天线阵列的中心为中心顺时针旋转180°为第五激励端口105和第六激励端口 106；第一激励端口101和第二激励端口102以天线阵列的中心为中心顺时针旋转270°为第七激励端口107和第八激励端口108；
四个天线子阵的馈电方式相同，其中，第一天线子阵中，第一激励端口101激励时，第一辐射单元1由第一馈源17激励，第二辐射单元2由第六馈源22激励，第三辐射单元3由第五馈源21激励，第四辐射单元4由第二馈源18激励；第二激励端口102激励时，第一辐射单元1由第八馈源24激励，第二辐射单元2由第七馈源23激励，第三辐射单元3由第四馈源20激励，第四辐射单元4由第三馈源19激励；
第一馈源17、第二馈源18、第三馈源19、第四馈源20、第五馈源21、第六馈源22、第七馈源23和第八馈源24以相等幅度激励；当端口101激励时，第一馈源17和第六馈源22 为一组且激励相位相等，第二馈源18和第五馈源21的激励相位相等为另一组，两组之间激励相位相差180°；当端口102激励时，第七馈源23和第四馈源20为一组且激励相位相等，第八馈源24和第三馈源19为另一组激励相位也相等，两组之间激励相位相差180°；
第二组馈电网络中，第一激励源301激励时，首先对激励源信号通过第五180°巴伦205 进行一分二路的等幅反向分配；分配后的第一路进行一分二功分后进入第一激励端口101，另一路经过第一90°移相网络401进入第三激励端口103；分配后的第二路经过一分二功分后进入第五激励端口105，另一路经过第二90°移相网络402进入第七激励端口107；第二激励源302激励时，首先对激励源信号通过第六180°巴伦206进行一分二路的等幅反向分配；分配后的第一路进行一分二功分后进入第二激励端口102，另一路经过第三90°移相网络403进入第四激励端口104；分配后的第二路经过一分二功分后进入第六激励端口106，另一路经过第四90°移相网络404进入第八激励端口108。
进一步的，第一组馈电网络和第二组馈电网络通过贯穿第二介质基板、金属地板和第三介质基板的金属圆柱连接，金属柱对应的金属地板部分刻蚀成孔，孔半径大于金属圆柱半径。
进一步的，介质基板的相对介电常数为2.65，第一介质基板的厚度为1mm，第二介质基板与第三介质基板的厚度为0.8mm，工作中心频率为5.8GHz。
进一步的，辐射贴片和寄生贴片都是方形微带贴片，辐射贴片的宽LP2为15.8mm，寄生单元的宽LP1为17.4mm。
进一步的，相邻辐射单元之间的间距相等为40mm。
本发明的有益效果是：
本发明所述天线阵列由十六个辐射单元分布在同一口径面上，每四个辐射单元为一组，共有四组分别对应两个激励端口。与现有技术相比，本发明不仅实现双端口的圆极化，且端口隔离度较高；同时，本发明所述天线阵列为收发共用辐射单元。
附图说明
图1为本发明所述天线阵列中辐射单元的结构示意图；
图2为本发明所述天线阵列的结构示意图；
图3为本发明所述天线阵列中第一馈电网络和第五馈电网络的结构示意图，其中图3(a)为第一馈电网络的结构组成示意图，图3(b)为第五馈电网络的结构组成示意图；
图4为本发明所述天线阵列中第二组馈电网络结构组成示意图
图5为实施例中的180°巴伦的结构示意图；
图6为实施例中的90°移相网络结构示意图；
图7为实施例所述天线阵列俯视图和仰视图；
图8为实施例所述天线阵列回波特性图；
图9为实施例所述天线阵列轴比特性图；
图10为实施例所述天线阵列在5.8GHz的方向图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
本实施例提供一种用于C波段双端口圆极化高隔离的天线阵列，其结构示意图如图2所示，包括第一介质基板、十六个辐射单元、第一组馈电网络、第二介质基板、金属地板、第三介质基板和第二组馈电网络；辐射单元包括辐射贴片和寄生贴片；寄生贴片位于第一介质基板的下表面，辐射贴片和第一组馈电网络位于第二介质基板的上表面；第一介质基板和第二介质基板中间为空气层，寄生贴片位于辐射贴片的正上方；第二介质基板的下表面、金属地板和第三介质基板的上表面依次紧密贴合，第二组馈电网络位于第三介质基板的下表面；
第一组馈电网络和第二组馈电网络通过贯穿第二介质基板、金属地板和第三介质基板的金属圆柱连接，金属柱对应的金属地板部分刻蚀成孔，孔半径大于金属圆柱半径。
介质基板的相对介电常数为2.65，第一介质基板的厚度为1mm，第二介质基板与第三介质基板的厚度为0.8mm，工作中心频率为5.8GHz。
十六个辐射呈4×4矩形栅格分布，分别记为第一辐射单元1、第二辐射单元2、第三辐射单元3、第四辐射单元4、第五辐射单元5、第六辐射单元6、第七辐射单元7、第八辐射单元8、第九辐射单元9、第十辐射单元10、第十一辐射单元11、第十二辐射单元12、第十三辐射单元13、第十四辐射单元14、第十五辐射单元15和第十六辐射单元16；辐射单元的结构示意图如图1所示，辐射贴片和寄生贴片都是方形微带贴片，辐射贴片的宽LP2为15.8mm，寄生单元的宽LP1为17.4mm。相邻辐射单元之间的间距相等为40mm。
第一辐射单元1、第二辐射单元2、第三辐射单元3、第四辐射单元4、第一馈电网络和第五馈电网络为第一天线子阵，第五辐射单元5、第六辐射单元6、第七辐射单元7、第八辐射单元8、第二馈电网络和第六馈电网络为第二天线子阵，第九辐射单元9、第十辐射单元10、第十一辐射单元11、第十二辐射单元12、第三馈电网络和第七馈电网络为第三天线子阵，第十三辐射单元13、第十四辐射单元14、第十五辐射单元15、第十六辐射单元16、第四馈电网络和第八馈电网络为第四天线子阵；
第一天线子阵中，辐射单元的馈源采用中心侧馈方式指向相邻的辐射单元，辐射单元和馈源之间采用50Ω微带线连接。第一馈电网络的结构组成示意图如图3(a)所示，第一激励端口101激励时，信号经过一分二的功分器分为两路，第一路经过第一180°巴伦201等幅反向分配给第一馈源17和第二馈源18，另一路经过第二180°巴伦202等幅反向分配给第六馈源22和第五馈源21。第五馈电网络的结构组成示意图如图3(b)所示，第二激励端口102 激励时，信号经过一分二的功分器分为两路，第一路经过第三180°巴伦203等幅反向分配给第七馈源23和第八馈源24，另一路经过第四180°巴伦204等幅反向分配给第四馈源20和第三馈源19。
第二天线子阵、第三天线子阵和第四天线子阵分别由第一天线子阵以天线阵列的中心为中心顺时针旋转90°、180°和270°得到；第一馈电网络和第五馈电网络以天线阵列的中心为中心顺时针旋转90°为第二馈电网络和第六馈电网络；第一馈电网络和第五馈电网络以天线阵列的中心为中心顺时针旋转180°为第三馈电网络和第七馈电网络；第一馈电网络和第五馈电网络以天线阵列的中心为中心顺时针旋转270°为第四馈电网络和第八馈电网络；第一馈电网络-第八馈电网络为第一组馈电网络。第一激励端口101和第二激励端口102以天线阵列的中心为中心顺时针旋转90°为第三激励端口103和第四激励端口104；第一激励端口101和第二激励端口102以天线阵列的中心为中心顺时针旋转180°为第五激励端口105和第六激励端口 106；第一激励端口101和第二激励端口102以天线阵列的中心为中心顺时针旋转270°为第七激励端口107和第八激励端口108。
四个天线子阵的馈电方式相同，其中，第一天线子阵中，第一激励端口101激励时，第一辐射单元1由第一馈源17激励，第二辐射单元2由第六馈源22激励，第三辐射单元3由第五馈源21激励，第四辐射单元4由第二馈源18激励；第二激励端口102激励时，第一辐射单元1由第八馈源24激励，第二辐射单元2由第七馈源23激励，第三辐射单元3由第四馈源20激励，第四辐射单元4由第三馈源19激励；
第一馈源17、第二馈源18、第三馈源19、第四馈源20、第五馈源21、第六馈源22、第七馈源23和第八馈源24以相等幅度激励；当端口101激励时，第一馈源17和第六馈源22 为一组且激励相位相等，第二馈源18和第五馈源21的激励相位相等为另一组，两组之间激励相位相差180°；当端口102激励时，第七馈源23和第四馈源20为一组且激励相位相等，第八馈源24和第三馈源19为另一组激励相位也相等，两组之间激励相位相差180°。
本实施例所述的天线阵列的第二组馈电网络结构组成示意图如图4所示，第一激励源301 激励时，首先对激励源信号通过第五180°巴伦205进行一分二路的等幅反向分配；分配后的第一路进行一分二功分后进入第一激励端口101，另一路经过第一90°移相网络401进入第三激励端口103；分配后的第二路经过一分二功分后进入第五激励端口105，另一路经过第二 90°移相网络402进入第七激励端口107；第二激励源302激励时，首先对激励源信号通过第六180°巴伦206进行一分二路的等幅反向分配；分配后的第一路进行一分二功分后进入第二激励端口102，另一路经过第三90°移相网络403进入第四激励端口104；分配后的第二路经过一分二功分后进入第六激励端口106，另一路经过第四90°移相网络404进入第八激励端口 108。
本实施例中的180°巴伦的结构示意图如图5所示，端口1为输入，端口2与端口3为输出端。其物理尺寸为(单位：毫米)：BL1＝8.83，BL3＝9，BL7＝8.83，BL5＝6.6，BL6＝5.03，BL7＝6.6，BL8＝5.03，BW1＝1.3，BW2＝1.4，BW3＝1.3,BW4＝1.3，BW5＝1.28，BW6＝1.28,BW7＝1.28，Bθ1＝45deg，Bθ2＝45deg。
本实施例中的90°移相网络结构示意图如图6所示，P1为输入端，P2与P3为输出端。其物理尺寸为(单位：毫米)：SL1＝13.0，SL2＝3.0，SL6＝18.05，SW2＝0.6，SW3＝0.6，SW4＝1.3， SW5＝1.2，SW6＝0.8。
图7为本实施例所述天线阵列俯视图和仰视图；图8为本实施例提供的用于C波段双端口圆极化高隔离的天线阵列回波特性图；图9为本实施例提供的用于C波段双端口圆极化高隔离的天线阵列轴比特性图；图10为本实施例提供的用于C波段双端口圆极化高隔离的天线阵列在5.8GHz的方向图。该天线在5.71-6.24GHz内实现50dB以上端口隔离度，最大隔离度69.7dB，天线双端口公共3dB轴比带宽为5.69-6.03GHz。该天线实现了320MHz带宽内高隔离双圆极化性能，为同时同频全双工电磁通信提供了潜在方案。

Claims (5)

1.一种用于C波段双端口圆极化高隔离的天线阵列，其特征在于，包括第一介质基板、十六个辐射单元、第一组馈电网络、第二介质基板、金属地板、第三介质基板和第二组馈电网络；辐射单元包括辐射贴片和寄生贴片；寄生贴片位于第一介质基板的下表面，辐射贴片和第一组馈电网络位于第二介质基板的上表面；第一介质基板和第二介质基板中间为空气层，寄生贴片位于辐射贴片的正上方；第二介质基板的下表面、金属地板和第三介质基板的上表面依次紧密贴合，第二组馈电网络位于第三介质基板的下表面；
十六个辐射单元呈矩形栅格分布，分别记为第一辐射单元(1)、第二辐射单元(2)、第三辐射单元(3)、第四辐射单元(4)、第五辐射单元(5)、第六辐射单元(6)、第七辐射单元(7)、第八辐射单元(8)、第九辐射单元(9)、第十辐射单元(10)、第十一辐射单元(11)、第十二辐射单元(12)、第十三辐射单元(13)、第十四辐射单元(14)、第十五辐射单元(15)和第十六辐射单元(16)；
第一辐射单元(1)、第二辐射单元(2)、第三辐射单元(3)、第四辐射单元(4)、第一馈电网络和第五馈电网络为第一天线子阵，第五辐射单元(5)、第六辐射单元(6)、第七辐射单元(7)、第八辐射单元(8)、第二馈电网络和第六馈电网络为第二天线子阵，第九辐射单元(9)、第十辐射单元(10)、第十一辐射单元(11)、第十二辐射单元(12)、第三馈电网络和第七馈电网络为第三天线子阵，第十三辐射单元(13)、第十四辐射单元(14)、第十五辐射单元(15)、第十六辐射单元(16)、第四馈电网络和第八馈电网络为第四天线子阵；
第一天线子阵中，辐射单元的馈源采用中心侧馈方式指向相邻的辐射单元，辐射单元和馈源之间采用50Ω微带线连接；第一馈电网络中，第一激励端口(101)激励时，信号经过一分二的功分器分为两路，第一路经过第一180°巴伦(201)等幅反向分配给第一馈源(17)和第二馈源(18)，另一路经过第二180°巴伦(202)等幅反向分配给第六馈源(22)和第五馈源(21)；第五馈电网络中，第二激励端口(102)激励时，信号经过一分二的功分器分为两路，第一路经过第三180°巴伦(203)等幅反向分配给第七馈源(23)和第八馈源(24)，另一路经过第四180°巴伦(204)等幅反向分配给第四馈源(20)和第三馈源(19)；
第二天线子阵、第三天线子阵和第四天线子阵分别由第一天线子阵以天线阵列的中心为中心顺时针旋转90°、180°和270°得到；第一馈电网络和第五馈电网络以天线阵列的中心为中心顺时针旋转90°为第二馈电网络和第六馈电网络；第一馈电网络和第五馈电网络以天线阵列的中心为中心顺时针旋转180°为第三馈电网络和第七馈电网络；第一馈电网络和第五馈电网络以天线阵列的中心为中心顺时针旋转270°为第四馈电网络和第八馈电网络；第一馈电网络-第八馈电网络为第一组馈电网络；第一激励端口(101)和第二激励端口(102)以天线阵列的中心为中心顺时针旋转90°为第三激励端口(103)和第四激励端口(104)；第一激励端口(101)和第二激励端口(102)以天线阵列的中心为中心顺时针旋转180°为第五激励端口(105)和第六激励端口(106)；第一激励端口(101)和第二激励端口(102)以天线阵列的中心为中心顺时针旋转270°为第七激励端口(107)和第八激励端口(108)；
四个天线子阵的馈电方式相同，其中，第一天线子阵中，第一激励端口(101)激励时，第一辐射单元(1)由第一馈源(17)激励，第二辐射单元(2)由第六馈源(22)激励，第三辐射单元 (3)由第五馈源(21)激励，第四辐射单元(4)由第二馈源(18)激励；第二激励端口(102)激励时，第一辐射单元(1)由第八馈源(24)激励，第二辐射单元(2)由第七馈源(23)激励，第三辐射单元(3)由第四馈源(20)激励，第四辐射单元(4)由第三馈源(19)激励；
第一馈源(17)、第二馈源(18)、第三馈源(19)、第四馈源(20)、第五馈源(21)、第六馈源(22)、第七馈源(23)和第八馈源(24)以相等幅度激励；当第一激励端口(101)激励时，第一馈源(17)和第六馈源(22)为一组且激励相位相等，第二馈源(18)和第五馈源(21)的激励相位相等为另一组，两组之间激励相位相差180°；当第二激励端口(102)激励时，第七馈源(23)和第四馈源(20)为一组且激励相位相等，第八馈源(24)和第三馈源(19)为另一组激励相位也相等，两组之间激励相位相差180°；
第二组馈电网络中，第一激励源(301)激励时，首先对激励源信号通过第五180°巴伦(205)进行一分二路的等幅反向分配；分配后的第一路进行一分二功分后进入第一激励端口(101)，另一路经过第一90°移相网络(401)进入第三激励端口(103)；分配后的第二路经过一分二功分后进入第五激励端口(105)，另一路经过第二90°移相网络(402)进入第七激励端口(107)；第二激励源(302)激励时，首先对激励源信号通过第六180°巴伦(206)进行一分二路的等幅反向分配；分配后的第一路进行一分二功分后进入第二激励端口(102)，另一路经过第三90°移相网络(403)进入第四激励端口(104)；分配后的第二路经过一分二功分后进入第六激励端口(106)，另一路经过第四90°移相网络(404)进入第八激励端口(108)。
2.根据权利要求1所述的用于C波段双端口圆极化高隔离的天线阵列，其特征在于，介质基板的相对介电常数为2.65，第一介质基板的厚度为1 mm，第二介质基板与第三介质基板的厚度为0.8mm，工作中心频率为5.8GHz。
3.根据权利要求1所述的用于C波段双端口圆极化高隔离的天线阵列，其特征在于，辐射贴片和寄生贴片都是方形微带贴片，辐射贴片的宽LP2为15.8mm，寄生单元的宽LP1为17.4mm。
4.根据权利要求1所述的用于C波段双端口圆极化高隔离的天线阵列，其特征在于，相邻辐射单元之间的间距相等为40mm。
5.根据权利要求1所述的用于C波段双端口圆极化高隔离的天线阵列，其特征在于，第一组馈电网络和第二组馈电网络通过贯穿第二介质基板、金属地板和第三介质基板的金属圆柱连接，金属柱对应的金属地板部分刻蚀成孔，孔半径大于金属圆柱半径。
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