CN113381202A - 一种全金属双极化龙勃透镜多波束天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种全金属双极化龙勃透镜天线，属于透镜天线技术领域。所述全金属双极化龙勃透镜天线由上层金属板和下层金属板构成，上下金属板表面都加载着不同高度的金属柱。采用柱加载金属板结构实现垂直极化模式相速度的控制，并结合了平行平板波导结构，通过控制金属板间的距离来实现水平极化模式相速度的控制；该透镜天线使用环绕透镜的7组相邻角度间距为16°的波导正交模耦合器作为馈电结构来实现双极化馈电，通过选择不同的馈电端口可以实现双极化波束的扫描，对通信系统信道容量和传输速率的提升具有重要意义。

Description

一种全金属双极化龙勃透镜多波束天线
技术领域
本发明涉及一种全金属双极化龙勃透镜天线，属于透镜天线技术领域。
背景技术
近年来，5G通信技术对毫米波天线的多波束技术提出了要求。由于相控阵技术和数字多波束技术所需的相位调制设备的成本高，能量损耗大，且带宽相对较窄，因此无源多波束天线被认为是毫米波多波束系统的重要备选方案。透镜天线由于其低成本、宽频带、可实现多波束扫描且馈电网络简单等优点，在多波束天线中得到越来越多的应用。龙勃透镜是一种经典的非均匀透镜天线，在广角域中具有良好的多波束性能。这使得龙勃透镜天线在通信和雷达等多个领域具有广泛的应用潜力。
对于5G通信应用，除了多波束和毫米波特性外，还需要考虑扇形波束的覆盖范围和极化分集需求，在有限的电磁频谱资源环境下，极化分集技术对通信系统信道容量和传输速率的提升具有极大的意义。
发明内容
本发明针对现有的全金属波导馈电龙勃透镜天线仅能实现单一极化折射率分布的现状，提出了一种全金属双极化龙勃透镜多波束天线。典型的龙勃透镜通过使用波纹波导结构实现对垂直极化模式相速度的控制，本发明提出的透镜天线在此基础上做出改进，采用无顶盖波纹板结构实现垂直极化模式相速度的控制，并结合了平行平板波导结构，通过控制金属板间的距离来实现水平极化模式相速度的控制；该透镜天线使用环绕透镜的7组波导正交模耦合器作为馈电结构来实现双极化馈电，通过选择不同的馈电端口可以实现双极化波束的扫描。
为达上述目的，本发明采取如下技术方案：
所述全金属双极化龙勃透镜多波束天线包括上层金属板A，下层金属板B。
所述上层金属板A包括上层金属盖板和金属盖板表面加载的不同高度的金属柱、扼流槽E1、七组波导正交模耦合器的上半部分和连接下半部分用的通孔、螺纹孔。所述下层金属板B包括下层金属盖板和金属盖板表面加载的不同高度的金属柱、扼流槽E2、环绕透镜的七组波导正交模耦合器的下半部分和固定用的螺纹孔。
其中七个波导正交模耦合器的上半部分包括七个波导正交模耦合器的垂直极化模式的馈送端口，相邻角度间距为16°，分别记为V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7；其中七个波导正交模耦合器的下半部分包括七个波导通道和七个水平极化模式的馈送端口，相邻角度间距为16°，七个水平极化模式的馈送端口分别记为H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7；其中金属盖板表面加载的不同高度的金属柱为多个高低不同圆柱形金属柱，是分别支持水平极化模式和垂直极化模式的可变折射率周期结构单元，共分为9个阶梯环，阶梯环的编号从中心到边缘分别标记为1-9号，控制不同环之间金属柱的高度、不同摆放位置与上下金属柱的间距，可构造龙勃透镜的两个极化所需的梯度效折射率分布。
所述上层板A和下层板B均用金属材料制作，采用全金属龙勃透镜和波导正交模耦合器的一体化加工工艺，在组装过程中省去了透镜部分与馈电结构的连接过程，便于机械加工和整体结构的组装。
所述全金属双极化龙勃透镜多波束天线各部分的连接关系为：将上层金属板A和下层金属板B通过两个定位孔进行定位，将各个垂直极化模式的馈送端口与波导正交模耦合器的波导通道一一对应后，用沉头螺钉进行固定。
所述全金属双极化龙勃透镜多波束天线的工作过程为：将外部波导与波导正交模耦合器的水平极化端口用螺钉固定连接，水平极化的电磁波由外部波导馈入，经过波导通道传输到龙勃透镜天线部分，水平极化的电磁波经过梯度折射率变换将球面波转换为平面波辐射到自由空间中；将外部波导与波导正交模耦合器的垂直极化端口用螺钉连接，垂直极化的电磁波由外部波导馈入，经过波导通道传输到龙勃透镜天线部分，垂直极化的电磁波经过梯度折射率变换将球面波转换为平面波辐射到自由空间中。
所述全金属双极化龙勃透镜多波束天线选择不同位置的馈电端口馈入两个正交极化的电磁波，可实现双极化波束的扫描，水平极化和垂直极化对应的七个端口H1-H7和V1-V7在工作频段内可实现不小于-48°到+48°的波束覆盖。
有益效果
本发明所述的一种全金属双极化龙勃透镜多波束天线，与现有宽角覆盖多波束天线相比，具有如下有益效果：
1、利用波导正交模耦合器馈电结构，实现水平极化和垂直极化独立工作；
2、可以实现双极化宽角度的多波束覆盖；
3、可实现圆极化的多波束覆盖；
4、龙勃透镜与波导正交模耦合器馈电结构一体化设计，便于加工与组装；
附图说明
图1是本发明实施例的全金属双极化龙勃透镜多波束天线的结构爆炸视图；
图2是本发明实施例的全金属双极化龙勃透镜多波束天线的结构示意图，其中图2(a)是上层金属板示意图，图2(b)是下层金属板示意图；
图3是本发明实施例的全金属双极化龙勃透镜多波束天线的波导正交模耦合器结构示意图；
图4是本发明实施例的全金属双极化龙勃透镜多波束天线的回波损耗曲线，其中图4(a)是水平极化端口的回波损耗曲线，图4(b)是垂直极化端口的回波损耗曲线；
图5是本发明实施例的全金属双极化龙勃透镜多波束天线的同极化端口插入损耗曲线；
图6是本发明实施例的全金属双极化龙勃透镜多波束天线的交叉极化端口插入损耗曲线；
图7是本发明实施例的全金属双极化龙勃透镜多波束天线的水平极化归一化方向图，其中图7(a)是水平极化E面方向图，图7(b)是水平极化H面方向图；
图8是本发明实施例的全金属双极化龙勃透镜多波束天线的垂直极化归一化方向图，其中图8(a)是垂直极化E面方向图，图8(b)是垂直极化H面方向图；
图9是本发明实施例的全金属双极化龙勃透镜多波束天线的水平极化多波束方向图，其中图9(a)是28GHz处的水平极化多波束方向图，图9(b)是30GHz处的水平极化多波束方向图，图9(c)是32GHz处的水平极化多波束方向图；
图10是本发明实施例的全金属双极化龙勃透镜多波束天线的垂直极化多波束方向图，其中图10(a)是28GHz处的垂直极化多波束方向图，图10(b)是30GHz时的垂直极化多波束方向图，图10(c)是32GHz处的垂直极化多波束方向图；
图11是本发明实施例的全金属双极化龙勃透镜多波束天线在30GHz处圆极化波束特性的轴比与方向图；
图12是本发明实施例的全金属双极化龙勃透镜多波束天线各端口的圆极化轴比曲线。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明一种全金属双极化龙勃透镜多波束天线作进一步的详细说明。
实施例
该实施例的结构如图1所示。本实施例包括上层金属板A，下层金属板B。
所述上层金属板A包括上层金属盖板和金属盖板表面加载的不同高度的金属柱、扼流槽E1、七组波导正交模耦合器的上半部分和连接下半部分用的通孔、螺纹孔。所述下层金属板B包括下层金属盖板和金属盖板表面加载的不同高度的金属柱、扼流槽E2、环绕透镜的七组波导正交模耦合器的下半部分和固定用的螺纹孔。
其中七个波导正交模耦合器的上半部分包括七个波导正交模耦合器的垂直极化模式的馈送端口，相邻角度间距为16°，分别记为V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7；其中七个波导正交模耦合器的下半部分包括七个波导通道和七个水平极化模式的馈送端口，相邻角度间距为16°，七个水平极化模式的馈送端口分别记为H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7；其中金属盖板表面加载的不同高度的金属柱为多个高低不同圆柱形金属柱，是分别支持水平极化模式和垂直极化模式的可变折射率周期结构单元，共分为9个阶梯环，阶梯环的编号从中心到边缘分别标记为1-9号，控制不同环之间金属柱的高度、不同摆放位置与上下金属柱的间距，可构造龙勃透镜的两个极化所需的梯度效折射率分布。
本实施例所有部分均用金属材料制作。
图4为本实施例水平极化端口和垂直极化端口回波损耗的测试结果，在28GHz-32GHz的频带范围内，回波损耗均小于-10dB，由于结构具有对称性，端口1-4即可代表所有端口的性能。
图5为本实施例各个同极化端口之间的互耦特性的测试结果，水平极化各端口之间的隔离度高于10dB，垂直极化端口之间的隔离度高于15dB。
图6为本实施例交叉极化端口的互耦特性的测试结果，同一波导正交模耦合器的不同极化端口隔离度高于40dB。
将本实施例所制作的天线在微波暗室中进行测试，28GHz、30GHz、32GHz处的水平极化归一化方向图如图7所示，28GHz、30GHz、32GHz处的垂直极化归一化方向图如图8所示，水平极化E面方向图为窄波束方向图，其3dB波束宽度为19.4°，水平极化H面方向图是宽波束方向图，其3dB波束宽度为86.7°，垂直极化H面波束为窄波束方向图，其3dB波束宽度为14.5°，垂直极化E面方向图为宽波束方向图，其3dB波束宽度为77.4°。
图9为本实施例在28GHz、30GHz、32GHz处测试的水平极化多波束方向图，由于7组馈电端口的相邻角度间距为16°，因此覆盖的波束角度为0°，±16°，±32°，±48°。
图10为本实施例在28GHz、30GHz、32GHz处测试的垂直极化多波束方向图，覆盖的波束角度为0°，±16°，±32°，±48°。在30GHz中心频率处，双极化龙勃透镜在不同角度的水平极化和垂直极化的扫描损耗均小于1.1dB。
图11为本实施例在30GHz的轴比与窄波束方向图测试结果，设置好水平极化和垂直极化的功率配比与馈电相位差，可以实现圆极化辐射。以小于3dB的轴比为标准，窄波束方向图可以在±10°范围内实现圆极化，宽波束方向图可以在±32°范围内实现圆极化波束覆盖。
图12为本实施例各个端口圆极化带宽特性的测试结果，在28.9GHz-31.2GHz范围内，可以保持良好的圆极化多波束性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡是在本发明权利要求范围内所作的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种全金属双极化龙勃透镜天线，其特征在于：该全金属双极化龙勃透镜多波束天线包括上层金属板A，下层金属板B。
所述上层金属板A包括上层金属盖板和金属盖板表面加载的不同高度的金属柱、扼流槽E1、七组波导正交模耦合器的上半部分和连接下半部分用的通孔、螺纹孔。所述下层金属板B包括下层金属盖板和金属盖板表面加载的不同高度的金属柱、扼流槽E2、环绕透镜的七组波导正交模耦合器的下半部分和固定用的螺纹孔。
其中七个波导正交模耦合器的上半部分包括七个波导正交模耦合器的垂直极化模式的馈送端口，相邻角度间距为16°，分别记为V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7；其中七个波导正交模耦合器的下半部分包括七个波导通道和七个水平极化模式的馈送端口，相邻角度间距为16°，七个水平极化模式的馈送端口分别记为H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7；其中金属盖板表面加载的不同高度的金属柱为多个高低不同圆柱形金属柱，是分别支持水平极化模式和垂直极化模式的可变折射率周期结构单元，共分为9个阶梯环，阶梯环的编号从中心到边缘分别标记为1-9号，控制不同环之间金属柱的高度、不同摆放位置与上下金属柱的间距，可构造龙勃透镜的两个极化所需的梯度效折射率分布。
所述上层板A和下层板B均用金属材料制作，采用全金属龙勃透镜和波导正交模耦合器的一体化加工工艺，在组装过程中省去了透镜部分与馈电结构的连接过程，便于机械加工和整体结构的组装。
2.根据权利要求1所述的一种全金属双极化龙勃透镜天线，其特征在于：所述全金属双极化龙勃透镜多波束天线各部分的连接关系：将上层金属板A和下层金属板B通过两个定位孔进行定位，将各个垂直极化模式的馈送端口与波导正交模耦合器的波导通道一一对应后，用沉头螺钉进行固定。
3.根据权利要求1所述的一种全金属双极化龙勃透镜天线，其特征在于：选择不同位置的馈电端口馈入两个正交极化的电磁波，可实现双极化波束的扫描，水平极化和垂直极化对应的七个端口H1-H7和V1-V7在工作频段内可实现不小于-48°到+48°的波束覆盖。
4.根据权利要求1所述的一种全金属双极化龙勃透镜天线，其特征在于：所述全金属双极化龙勃透镜多波束天线设置好水平极化和垂直极化的功率配比与馈电相位差，可以实现圆极化多波束覆盖。
5.根据权利要求1所述的一种全金属双极化龙勃透镜天线，其特征在于：所述全金属双极化龙勃透镜多波束天线可工作于微波毫米波频段。
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