CN113161767A - 基于平行耦合传输线结构的单层板低剖面圆极化天线阵列 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于平行耦合传输线结构的单层板低剖面圆极化天线阵列，将辐射单元与馈电网络集成在介质基板的一个表面上，采用了平行耦合传输线作为天线的馈电网络，可以通过临近耦合的馈电方式对天线进行馈电，并且可以与辐射单元集成在一层介质板上；该发明的馈电网络体积小，两端采用差分馈电，即减小了因网络体积大带来的传输损耗，又弥补了传输线上能量分布不均匀的问题。辐射单元采用两个对称的L型贴片，通过控制L型贴片两个枝节的长宽，控制贴片上的电流强度与相位，在两个枝节上产生以逆时针变化的行波电流，通过电流相位变化，形成了稳定的圆极化波。本发明大幅度的降低了天线的剖面，且结构紧凑，易于集成。

Description

基于平行耦合传输线结构的单层板低剖面圆极化天线阵列

技术领域

本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种基于平行耦合传输线结构的单层板低剖面圆极化天线阵列。

背景技术

圆极化天线与线极化天线相比，具有能够克服接收发射天线姿态变化、抗多径干扰、抑制法拉第旋转效应的优点，因此广泛地应用于卫星通信、定位导航、射频识别等领域。随着3G、4G技术的发展与5G技术的到来，终端设备所能留给天线的空间极为有限，显然，剖面低、结构紧凑的天线将成为未来的主流。对圆极化天线阵列而言，复杂的馈电可以使每一个阵元获得独立的幅度与相位，虽然天线可以获得较宽的工作带宽，但设计难度大，损耗大，不易于集成。

例如中国发明专利，公开号为CN105655695A，公开了一种低剖面圆极化天线阵，四个顺序旋转的F型天线辐射单元蚀刻在一层介质板上，每个单元通过一个额外的一分四等幅功分器进行馈电。该天线结构简单，但需要额外的馈电网络，传输损耗大，并且每个单元获得的激励等幅同相，轴比带宽窄。

南京航天大学在其申请的专利“新型宽带低剖面圆极化电磁偶极子天线”(公开号为CN107069205A)中，提出了一种名称为新型宽带低剖面圆极化电磁偶极子天线。该天线基于电磁偶极子互补的工作原理，利用单馈的方式实现了低剖面的圆极化电磁偶极子天线，四个偶极子运用了顺序旋转技术，该天线虽然具有宽带、高增益的优点。但是该天线存在的不足之处是，为了实现圆极化辐射特性，馈电网络使用了四层介质板，剖面较高，并且加工成本高，设计难度大。

发明内容

要解决的技术问题

为了解决传统圆极化天线的馈电网络体积设计复杂、传输损耗大、剖面高的问题，本发明提出一种基于平行耦合传输线结构的单层板低剖面圆极化天线阵列。

技术方案

一种基于平行耦合传输线结构的单层板低剖面圆极化天线阵列，包括辐射单元、馈电网络和介质基板，其特征在于辐射单元与馈电网络集成在介质基板的一个表面上，所述的馈电网络由两条平行耦合传输线和两端的介质集成波导功分器组成，辐射单元位于两条平行耦合传输线之间，馈电网络通过临近耦合的方式对辐射单元进行馈电。

本发明进一步的技术方案为：所述的辐射单元由呈中心对称的两个L型贴片构成。

本发明进一步的技术方案为：所述的辐射单元为多个，单元与单元之间相距一个波长。

本发明进一步的技术方案为：所述的L型贴片的两臂宽度不等。

本发明进一步的技术方案为：所述的L型贴片的拐角处进行切角处理。

本发明进一步的技术方案为：所述的介质集成波导功率分配器到平行耦合传输线之间设有用来调节天线的阻抗匹配的过渡段。

本发明进一步的技术方案为：所述的过渡段包括传输线过渡段和对称L型槽过渡段，其中传输线过渡段用来调节天线的实部阻抗部分，对称L型槽过渡段用来调节天线的虚部阻抗部分。

本发明进一步的技术方案为：所述介质集成波导功分器由贯穿介质基板以及介质基板上下表面金属覆层的组成矩形的小金属化通孔组成，在介质集成波导功分器中心设有与同轴馈电头相连的大金属化通孔。

本发明进一步的技术方案为：所述介质基板下表面设有地板金属覆层，两端对应大金属化通孔处设有与同轴端口相连的圆形槽预留馈电端口。

一种天线的扩展方法，使用上述的基于平行耦合传输线结构的单层板低剖面圆极化天线阵列包含的辐射单元与馈电网络进行沿天线传输线方向或垂直传输线方向扩展。

有益效果

本发明提出的一种基于平行耦合传输线结构的单层板低剖面圆极化天线阵列，该天线阵面结构简单，馈电网络与辐射单元集成在一层介质板上，大幅度的降低了天线的剖面，且结构紧凑，易于集成。通过两端差分馈电的方式，弥补了传输线随着长度增加能量逐渐衰减的缺点。传统的圆极化天线需要对辐射单元进行顺序旋转来形成圆极化，该天线利用了电流等效原理，使得阵面结构紧凑，占用空间小。该天线只需要电路板印刷工艺就可制作，设计简单，易于集成，属于全新的圆极化天线阵列设计。

与现有技术相比，有益效果如下：

第一：本发明采用平行耦合传输线结构作为馈电网络，通过对两条平行耦合线两端进行馈电，在两线之间产生垂直或平行于传输线的电场，通过控制两传输线上的馈电模式，可以产生不同极化的电场；通过临近耦合的馈电方式对天线进行馈电，利用这种馈电网络进行耦合馈电，可以将辐射单元与馈电网络集成在一层介质板上。该发明的馈电网络体积小，两端采用差分馈电，即减小了因网络体积大带来的传输损耗，又弥补了传输线上能量分布不均匀的问题，极大的降低了天线的剖面高度，并使得整个天线阵面结构紧凑，又具有较好的圆极化性能。

第二：本发明的辐射单元形式为L型辐射单元，通过控制L型辐射单元的两臂的尺寸，可以调节辐射单元上电流的幅度与相位，提高天线的圆极化性能，在两个枝节上产生以逆时针变化的行波电流，通过电流相位变化，形成了稳定的圆极化波。传统的圆极化天线需要复杂的馈电网络以确保天线的圆极化性能，该发明利用了圆极化形成的基本原理，克服了现有圆极化天线馈电结构复杂的技术问题，使得本发明具有设计简单，阵面紧凑，剖面较低的优点。

第三：本发明结构紧凑，与传统圆极化天线相比，不需要复杂的馈电网络，降低了传输损耗，提高了天线效率，并且两端采用了差分馈电的方式，避免了传输线上能量随传输距离逐渐衰减的问题。

第四：本发明可以通过调节L型枝节的宽度，提高天线的圆极化性能。

第五：本发明可以根据实际应用中天线增益的需求进行扩展，随着阵元数量增加，天线的增益也会增加，本发明的阵面扩展方式仅需要在沿天线传输线方向或垂直传输线方向布置阵元，不再需要重新设计复杂的馈电网络，减小了传输损耗，同时阵面布局紧凑，具有较强的可扩展性，尤其是在毫米波频段，具有广泛的应用前景。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明基于平行耦合传输线结构的单层板低剖面圆极化天线阵列的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的一端的功分馈电网络示意图。

图3为本发明实施例提供的辐射结构示意图。

图4为本发明结构扩展示意图：(a)所示为沿传输线方向拓展的结构示意图；(b)为垂直于传输线方向扩展的结构示意图。

图5为本发明实施例提供的|Sd11|-频率仿真结果图。

图6为本发明实施例提供的轴比-频率仿真结构图。

图7为本发明实施例提供的20GHz时仿真的XOZ面方向图。

图8为本发明实施例提供的20GHz时仿真的YOZ面方向图。

1-上表面金属覆层、2-矩形辐射介质基板、3-下表面金属覆层、11-辐射单元、12-平行耦合传输线、13-基片集成波导功率分配器、14-过渡段、111-传输线过渡段、112-对称L型槽过渡段、113-L型贴片、21-小金属化通孔、22-中间金属化通孔、31-圆形槽预留馈电端口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

具体实施例中天线为应用于K波段的车载卫星通讯天线。

如图1所示，该图为天线的结构图，天线的辐射单元与馈电网络均集成在一层矩形辐射介质基板2，矩形辐射介质基板2上下表面分别有上表面金属覆层1与下表面金属覆层3。上表面金属覆层1为包含天线的馈电网络与辐射单元，下表面金属覆层3为天线地板层。

所述矩形辐射介质基板2沿长边的两端设置有贯穿上表面金属覆层1、矩形辐射介质基板2和下表面金属覆层3的小金属化通孔21，小金属化通孔21构成基片集成波导功率分配器13，基片集成波导功率分配器13为一分二的功率分配器，且关于矩形辐射介质基板2的YOZ面呈中心对称；所述基片集成波导功率分配器13中心处有一贯穿上表面金属覆层1、矩形辐射介质基板2和下表面金属覆层3的中间金属化通孔22，便于与同轴馈电头相连。本实施例中中间金属化通孔22的直径R1为1.2mm。小金属化通孔21的直径与间距按照公式R2/D1<2来计算，其中小金属化通孔直径R2为0.8mm，小金属化通孔中心间距D1为2mm。

传统的并联馈电圆极化天线需要多级功分器级联，随着网络尺寸增加，传输线上的损耗也会增大，而串联馈电圆极化天线的辐射单元沿着传输线传输方向分布，随着单元数增多，远离馈电端的辐射单元所能从馈线上获得的能量将逐渐递减。为了使得传输线上的能量分布均匀，本发明所提出天线的馈电网络的两个介质集成波导功分器从同轴电缆处获得能量为幅度相等，相位相差180°的差分信号，进一步减小了因馈电网络尺寸增加带来的损耗。

如图2所示，为了使得两条线上得到的功率幅度相等，相位相同，两端采用了一种基于介质集成波导结构的一分二馈电网络，该馈电网络两个端口可以产生均匀幅度且相邻端口的输出相位相等，并且能够有效的防止同轴馈电线与天线焊接时造成的能量泄露。所述天线馈电网络由两条平行耦合传输线12与两端的介质集成波导功分器13组成，关于天线的几何中心镜像对称，馈电网络的长度对应N个单元乘一个工作波长，整个馈电结构关于天线的几何中心镜像对称，介质集成波导功率分配器13到平行耦合传输线12之间有过渡段14，用来调节天线的阻抗匹配；所述过渡段14包括传输线过渡段111与对称L型槽过渡段112，其中传输线过渡段111用来调节天线的实部阻抗部分，对称L型槽过渡段112用来调节天线的虚部阻抗部分。

本实施例中两条平行耦合传输线宽为2mm，长为56mm；传输线过渡段111的长度为2.8mm，宽度为1.1mm，传输线与功分器输出口连接处开槽，通过调节传输线的宽度与开槽的尺寸，来适应不同端口的有源阻抗，对称L型槽过渡段112的开槽沿传输线方向的长度L1为2.15mm，L2为0.75mm，垂直传输线的宽度W1为2.5mm，该结构可以等效为一个匹配电路，两端开槽等效为电抗，传输线结构视为电阻，该结构具有很好的匹配能力，非常适用于毫米波频段。介质集成波导功分器13的宽边Sw为5.9mm，长边Sl为16.7mm，对应截止频率为15.92GHz，一个导波波长在Y方向刚刚好的可以包含两条传输传输线，这样确保了两条线上可以获得相等的幅度与相位。

所述辐射单元11由两个L型贴片113构成，两金属贴片呈中心对称，平行耦合传输线通过临近耦合对贴片进行馈电，与传输线之间距离为0.3mm。L型贴片113两臂不等长，X轴臂宽度大于Y轴臂宽度，因为辐射单元上有两个相位正交的电流，这两个模式的矢量终端合成最终形成了圆极化，由于Y轴方向上还有耦合微带线贡献的一部分电流，这就需要增加X轴的宽度与其等效，提升天线的圆极化性能。两臂拐角处进行切角处理；单元与单元之间相距一个波长。靠近传输线一侧的贴片臂宽度P1为1.1mm，垂直于传输线的贴片臂宽度P2为1.6mm，两臂长度均为4.6mm，且两臂相交处对贴片进行切角处理，L型辐射单元两臂中心的物理距离相差半个工作波长，其目的在于使得两臂上电流相位正交；增加沿X轴臂的宽度，以此来达到提高该方向电流强度的目的；在L型辐射单元上，形成了两种模式，一种模式沿X轴分布，一种沿Y轴分布，随着相位变化，这两种模式的矢量终端形成了符合右手圆极化的辐射模式，因此本发明最终的极化为右旋圆极化。

所述地板金属覆层3，沿Y轴的两端均有圆形槽预留馈电端口31，用于与同轴端口相连。

得益于馈电网络与天线辐射单元均集成在一层辐射介质基板，整个天线的剖面高度仅为1mm。

如图4所示为天线阵面的扩展示意图，天线的扩展方式分为沿传输线方向拓展与垂直传输线方向扩展，如图4(a)所示为沿传输线方向拓展的结构示意图；图4(b)为垂直于传输线方向扩展的结构示意图。两端采用的差分馈电结构确保了传输线上的能量不会随传输线长度增加而显著递减，同时增加多条平行耦合传输线也不会影响天线的传输效率，因此该天线具有较强的可扩展性。

以下结合仿真试验，对本发明的技术效果作进一步描述：

1、仿真条件和内容

对于所描述的本发明天线结构，对其工作在19GHz-21GHz频段上的性能进行仿真试验。

利用商业软件HFSS19.2对上述实例天线的差分馈电反射系数进行仿真计算，结果如图4所示。

利用商业软件HFSS19.2对上述实例天线的轴比进行仿真计算，结果如图5所示。

利用商业软件HFSS19.2对上述实例天线的远场辐射方向图进行仿真计算，结果如图6、图7所示，其中图6为该发明天线在20GHz的XOZ辐射方向图，图7为该发明天线在20GHz的YOZ面辐射方向图。

2、仿真结果分析

如图4所示，天线在19.25GHz-20.50GHz的频段内|S_dd11|<-10dB。

如图5所示，天线的3dB轴比带宽为19.50GHz-20.30GHz。

如图6所示，天线的3dB轴比带宽为19.50GHz-20.30GHz。

如图6、图7所示，图6为天线的XOZ面辐射方向图，图7为YOZ面辐射方向图。

以上仿真结果说明，本发明天线具有理想的阻抗带宽及轴比带宽，且天线的工作性能较好。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于平行耦合传输线结构的单层板低剖面圆极化天线阵列，包括辐射单元、馈电网络和介质基板，其特征在于辐射单元与馈电网络集成在介质基板的一个表面上，所述的馈电网络由两条平行耦合传输线和两端的介质集成波导功分器组成，辐射单元位于两条平行耦合传输线之间，馈电网络通过临近耦合的方式对辐射单元进行馈电。

2.根据权利要求1所述的一种基于平行耦合传输线结构的单层板低剖面圆极化天线阵列，其特征在于所述的辐射单元由呈中心对称的两个L型贴片构成。

3.根据权利要求2所述的一种基于平行耦合传输线结构的单层板低剖面圆极化天线阵列，其特征在于所述的辐射单元为多个，单元与单元之间相距一个波长。

4.根据权利要求2所述的一种基于平行耦合传输线结构的单层板低剖面圆极化天线阵列，其特征在于所述的L型贴片的两臂宽度不等。

5.根据权利要求2所述的一种基于平行耦合传输线结构的单层板低剖面圆极化天线阵列，其特征在于所述的L型贴片的拐角处进行切角处理。

6.根据权利要求1所述的一种基于平行耦合传输线结构的单层板低剖面圆极化天线阵列，其特征在于所述的介质集成波导功率分配器到平行耦合传输线之间设有用来调节天线的阻抗匹配的过渡段。

7.根据权利要求6所述的一种基于平行耦合传输线结构的单层板低剖面圆极化天线阵列，其特征在于所述的过渡段包括传输线过渡段和对称L型槽过渡段，其中传输线过渡段用来调节天线的实部阻抗部分，对称L型槽过渡段用来调节天线的虚部阻抗部分。

8.根据权利要求1所述的一种基于平行耦合传输线结构的单层板低剖面圆极化天线阵列，其特征在于所述介质集成波导功分器由贯穿介质基板以及介质基板上下表面金属覆层的组成矩形的小金属化通孔组成，在介质集成波导功分器中心设有与同轴馈电头相连的大金属化通孔。

9.根据权利要求1所述的一种基于平行耦合传输线结构的单层板低剖面圆极化天线阵列，其特征在于所述介质基板下表面设有地板金属覆层，两端对应大金属化通孔处设有与同轴端口相连的圆形槽预留馈电端口。

10.一种天线的扩展方法，其特征在于使用权利要求1-9任一项所述的基于平行耦合传输线结构的单层板低剖面圆极化天线阵列包含的辐射单元与馈电网络进行沿天线传输线方向或垂直传输线方向扩展。

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