CN113328255B - 一种低剖面双端口高隔离的双圆极化天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低剖面双端口高隔离的双圆极化天线阵列，属于微波天线技术领域。本发明由4个辐射单元组成，呈斜十字型分布，其中，每两个辐射单元为一组，采用差分馈电方式。通过全双工馈电网络，本发明提供的方案在实现双端口同向圆极化的同时，端口隔离度高，从而实现良好的收发隔离。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

一种低剖面双端口高隔离的双圆极化天线阵列
技术领域
本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种低剖面双端口高隔离的双圆极化天线阵列。
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研究人员尝试的目标。虽然有很多方案可以实现较高端口隔离度的圆极化天线，但它们往往采用多层结构或者辐射单元收发各自独立，导致天线体积增大，尤其是对天线剖面高度有限制的场合。因此，如何在有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无线通信的挑战。
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)”提出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。该方案的不足在于利用了多层PCB板技术，且馈电网络复杂。
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彼此独立，且天线结构包含空气腔和多层介质板。
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，这些报道的结果要么利用多层结构或者剖面较高，要么使用收发单元分离或者收发单元共口径。因此，如何实现剖面较低条件下，收发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，提供一种低剖面双端口高隔离的双圆极化天线阵列。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种低剖面双端口高隔离的双圆极化天线阵列，包括四个辐射单元、介质基板、馈电网络和金属地板；四个辐射单元和馈电网络位于介质基板的上表面；金属地板位于介质基板的下表面；
四个辐射单元的结构相同，都工作于左旋圆极化或右旋圆极化模式，以天线阵列的中心为圆心呈中心旋转对称分布；其中，令左上方的辐射单元为第一辐射单元1，第一辐射单元1与水平方向夹角呈45°，第一辐射单元1以天线阵列的中心为圆心依次顺时针旋转90°、180°和270°得到第二辐射单元2、第三辐射单元3和第四辐射单元4；
馈电网络中，第一激励端口101激励时，首先对激励源信号进行一分二路的等功率分配；分配后的第一路连接第一180°混合网络301的差分端口201，再进行差分等功率分配给第一馈源5和第四馈源8；分配后的第二路连接第二180°混合网络302的差分端口204，再进行差分等功率分配给第三馈源7和第二馈源6；第二激励端口102激励时，激励源信号经过第一180°巴伦303进行等幅反向功率分配；分配后的第一路连接第一180°混合网络301的和端口202，再进行一分二等功率分配给第一馈源5和第四馈源8；第二路连接第二180°混合网络302的和端口203，再进行一分二等功率分配给第三馈源7和第二馈源6；
第一辐射单元1由第一馈源5激励，第二辐射单元2由第二馈源6激励，第三辐射单元3由第三馈源7激励，第四辐射单元4由第四馈源8激励。
进一步的，180°混合网络包括四段50Ω微带线、匹配微带线、短截线和地板刻蚀槽线；第一段50Ω微带线和匹配微带线串联；匹配微带线另外一端两侧分别并联有第三段50Ω微带线和第四段50Ω微带线；第二段50Ω微带线与第三段50Ω微带线平行，中间间隔有空隙；第二段50Ω微带线末端串联有短截线；地板刻蚀槽线包括三段连接的一字型槽线；第一段槽线与匹配微带线平行，位于匹配微带线的中心，由第一段50Ω微带线延伸至匹配微带线的末端；第二段槽线由匹配微带线的末端延伸至第二段50Ω微带线的右端；第三段槽线由第二段槽线的右端向远离第二段50Ω微带线的方向延伸；
第一段50Ω微带线的输入端为端口1，作为180°混合网络的和端口；第二段50Ω微带线的输入端为端口2，作为180°混合网络的差分端口；第三段50Ω微带线和第四段50Ω微带线的输出端分别为端口3与端口4，作为180°混合网络的输出端口。
进一步的，辐射单元包括带有切角的方形微带贴片和馈线；方形微带贴片的边与水平方向夹角呈45°；馈线的一端连接方形微带贴片一个边的中心，并向远离阵列中心的方向延伸；切角为等腰三角形，位于远离馈线的角上。
进一步的，方形微带贴片单元的宽pax为15.2mm，切角的边s为2.3mm，馈线长度为10.5mm，宽度为0.6mm，工作中心频率为5.8GHz；馈源通过50Ω微带线与馈线连接。
进一步的，第一馈源5、第二馈源6、第三馈源7和第四馈源8以相等幅度激励。当第一激励端口101激励时，第一馈源5和第二馈源6为一组且激励相位相等，第三馈源7和第四馈源8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，第一馈源5和第四馈源8为一组且激励相位相等，第二馈源6和第三馈源7为另一组激励相位也相等，两组之间激励相位相差180°。
进一步的，介质基板的相对介电常数为2.65，厚度为0.8mm。
本发明的有益效果是：
本发明所述天线阵列由4个辐射单元分布在同一口径面上，且收发共单元，每两个辐射单元为一组，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，本发明提供的方案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布阵示意图；
图3为本发明所述天线阵列的馈电网络结构组成示意图；
图4为本发明所述天线阵列中180°混合网络的结构示意图；
图5为本发明所述天线阵列中180°巴伦的结构示意图；
图6为本发明所述天线阵列的整体结构示意图；
图7为本发明所述天线阵列的回波特性示意图；
图8为本发明所述天线阵列的轴比特性示意图；
图9为本发明所述天线阵列在5.8GHz的方向图，其中(a)第一激励端口101激励，(b)第二激励端口102激励。
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。
本实施例提供一种低剖面双端口高隔离的双圆极化天线阵列，其结构示意图如图4所示，包括四个辐射单元、介质基板、馈电网络和金属地板；四个辐射单元和馈电网络位于介质基板的上表面；金属地板位于介质基板的下表面，金属地板满覆介质基板下表面；介质基板的相对介电常数为2.65，厚度为0.8mm。
辐射单元的结构示意图如图1所示，包括带有切角的方形微带贴片和馈线；方形微带贴片的边与水平方向夹角呈45°；馈线的一端连接方形微带贴片一个边的中心，并向远离阵列中心的方向延伸；切角为等腰三角形，位于远离馈线的角上。方形微带贴片单元的宽pax为15.2mm，切角的边s为2.3mm，馈线长度为10.5mm，宽度为0.6mm，工作中心频率为5.8GHz。
天线阵列的布阵示意图如图2所示，四个辐射单元的结构相同，都工作于左旋圆极化或右旋圆极化模式，以天线阵列的中心为圆心呈中心旋转对称分布；其中，令左上方的辐射单元为第一辐射单元1，第一辐射单元1与水平方向夹角呈45°，第一辐射单元1以天线阵列的中心为圆心依次顺时针旋转90°、180°和270°得到第二辐射单元2、第三辐射单元3和第四辐射单元4。
馈电网络的结构示意图如图3所示，第一激励端口101激励时，首先对激励源信号进行一分二路的等功率分配；分配后的第一路连接第一180°混合网络301的差分端口201，再进行差分等功率分配给第一馈源5和第四馈源8；分配后的第二路连接第二180°混合网络302的差分端口204，再进行差分等功率分配给第三馈源7和第二馈源6；第二激励端口102激励时，激励源信号经过第一180°巴伦303进行等幅反向功率分配；分配后的第一路连接第一180°混合网络301的和端口202，再进行一分二等功率分配给第一馈源5和第四馈源8；第二路连接第二180°混合网络302的和端口203，再进行一分二等功率分配给第三馈源7和第二馈源6。
第一辐射单元1由第一馈源5激励，第二辐射单元2由第二馈源6激励，第三辐射单元3由第三馈源7激励，第四辐射单元4由第四馈源8激励。馈源通过50Ω微带线与馈线连接。
第一馈源5、第二馈源6、第三馈源7和第四馈源8以相等幅度激励。当第一激励端口101激励时，第一馈源5和第二馈源6为一组且激励相位相等，第三馈源7和第四馈源8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，第一馈源5和第四馈源8为一组且激励相位相等，第二馈源6和第三馈源7为另一组激励相位也相等，两组之间激励相位相差180°。
180°混合网络的结构示意图如图4所示，包括四段50Ω微带线、匹配微带线、短截线和地板刻蚀槽线；第一段50Ω微带线和匹配微带线串联；匹配微带线另外一端两侧分别并联有第三段50Ω微带线和第四段50Ω微带线；第二段50Ω微带线与第三段50Ω微带线平行，中间间隔有空隙；第二段50Ω微带线末端串联有短截线；地板刻蚀槽线包括三段连接的一字型槽线；第一段槽线与匹配微带线平行，位于匹配微带线的中心，由第一段50Ω微带线延伸至匹配微带线的末端；第二段槽线由匹配微带线的末端延伸至第二段50Ω微带线的右端；第三段槽线由第二段槽线的右端向远离第二段50Ω微带线的方向延伸。
第一段50Ω微带线的输入端为端口1，作为180°混合网络的和端口；第二段50Ω微带线的输入端为端口2，作为180°混合网络的差分端口；第三段50Ω微带线和第四段50Ω微带线的输出端分别为端口3与端口4，作为180°混合网络的输出端口。其物理尺寸为(单位：毫米)：L1＝7.7，L2＝4.6，L3＝8.8，L4＝6.5，L5＝3.2，W1＝3.6，W2＝3.3，W3＝1.0，W4＝0.3，W5＝0.6。
180°巴伦的结构示意图如图5所示，端口5为输入端，端口6与端口7为输出端。其物理尺寸为(单位：毫米)：L6＝4.3，L7＝3.2，L8＝6.5，L9＝8.8，W6＝3.6，W7＝1.1，W8＝0.3，W9＝1.1。
图7为本实施例提供的低剖面双端口圆极化高隔离的天线阵列回波特性，双端口在5.66-5.86GHz范围内有着良好的10dB匹配带宽，双端口隔离性能在中心频点处高达60dB；图8为本实施例提供的低剖面双端口圆极化高隔离的天线阵列轴比特性，双端口公共3dB轴比带宽为5.77-5.81GHz，为全双工电磁通信提供了潜在方案；图9为本实施例提供的低剖面双端口圆极化高隔离的天线阵列在5.8GHz的方向图。

Claims (5)

1.一种低剖面双端口高隔离的双圆极化天线阵列，其特征在于，包括四个辐射单元、介质基板、馈电网络和金属地板；四个辐射单元和馈电网络位于介质基板的上表面；金属地板位于介质基板的下表面；
四个辐射单元的结构相同，都工作于左旋圆极化或右旋圆极化模式，以天线阵列的中心为圆心呈中心旋转对称分布；其中，令左上方的辐射单元为第一辐射单元(1)，第一辐射单元(1)与水平方向夹角呈45°，第一辐射单元(1)以天线阵列的中心为圆心依次顺时针旋转90°、180°和270°得到第二辐射单元(2)、第三辐射单元(3)和第四辐射单元(4)；
馈电网络中，第一激励端口(101)激励时，首先对激励源信号进行一分二路的等功率分配；分配后的第一路连接第一180°混合网络(301)的差分端口(201)，再进行差分等功率分配给第一馈源(5)和第四馈源(8)；分配后的第二路连接第二180°混合网络(302)的差分端口(204)，再进行差分等功率分配给第三馈源(7)和第二馈源(6)；第二激励端口(102)激励时，激励源信号经过第一180°巴伦(303)进行等幅反向功率分配；分配后的第一路连接第一180°混合网络(301)的和端口(202)，再进行一分二等功率分配给第一馈源(5)和第四馈源(8)；第二路连接第二180°混合网络(302)的和端口(203)，再进行一分二等功率分配给第三馈源(7)和第二馈源(6)；
第一辐射单元(1)由第一馈源(5)激励，第二辐射单元(2)由第二馈源(6)激励，第三辐射单元(3)由第三馈源(7)激励，第四辐射单元(4)由第四馈源(8)激励；
180°混合网络包括四段50Ω微带线、匹配微带线、短截线和地板刻蚀槽线；第一段50Ω微带线和匹配微带线串联；匹配微带线另外一端两侧分别并联有第三段50Ω微带线和第四段50Ω微带线；第二段50Ω微带线与第三段50Ω微带线平行，中间间隔有空隙；第二段50Ω微带线末端串联有短截线；地板刻蚀槽线包括三段连接的一字型槽线；第一段槽线与匹配微带线平行，位于匹配微带线的中心，由第一段50Ω微带线延伸至匹配微带线的末端；第二段槽线由匹配微带线的末端延伸至第二段50Ω微带线的右端；第三段槽线由第二段槽线的右端向远离第二段50Ω微带线的方向延伸；
第一段50Ω微带线的输入端为端口1，作为180°混合网络的和端口；第二段50Ω微带线的输入端为端口2，作为180°混合网络的差分端口；第三段50Ω微带线和第四段50Ω微带线的输出端分别为端口3与端口4，作为180°混合网络的输出端口。
2.根据权利要求1所述的低剖面双端口高隔离的双圆极化天线阵列，其特征在于，辐射单元包括带有切角的方形微带贴片和馈线；方形微带贴片的边与水平方向夹角呈45°；馈线的一端连接方形微带贴片一个边的中心，并向远离阵列中心的方向延伸；切角为等腰三角形，位于远离馈线的角上。
3.根据权利要求2所述的低剖面双端口高隔离的双圆极化天线阵列，其特征在于，方形微带贴片单元的宽为15.2mm，切角的边为2.3mm，馈线长度为10.5mm，宽度为0.6mm，工作中心频率为5.8GHz；馈源通过50Ω微带线与馈线连接。
4.根据权利要求3所述的低剖面双端口高隔离的双圆极化天线阵列，其特征在于，第一馈源(5)、第二馈源(6)、第三馈源(7)和第四馈源(8)以相等幅度激励；当第一激励端口(101)激励时，第一馈源(5)和第二馈源(6)为一组且激励相位相等，第三馈源(7)和第四馈源(8)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，第一馈源(5)和第四馈源(8)为一组且激励相位相等，第二馈源(6)和第三馈源(7)为另一组激励相位也相等，两组之间激励相位相差180°。
5.根据权利要求4所述的低剖面双端口高隔离的双圆极化天线阵列，其特征在于，介质基板的相对介电常数为2.65，厚度为0.8mm。
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