CN113540775A

CN113540775A - 一种多极化天线

Info

Publication number: CN113540775A
Application number: CN202110633773.3A
Authority: CN
Inventors: 李秀萍; 赵文禹; 齐紫航; 朱华
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2021-06-07
Filing date: 2021-06-07
Publication date: 2021-10-22
Anticipated expiration: 2041-06-07
Also published as: CN113540775B

Abstract

本说明书一个或多个实施例提供一种多极化天线，包括从上到下依次设置的辐射腔、高次模腔和馈电端口；所述辐射腔的上表面设置四个金属贴片，下表面设置四个一级馈电结构；所述高次模腔的下表面设置一个二级馈电结构；调整所述馈电端口的馈电方式，电磁波依次经过馈电端口、二级馈电结构，在所述高次模腔中形成不同的电场分布模态，经所述一级馈电结构在所述辐射腔形成不同的极化方式。本说明书的多极化天线能够实现多种极化方式。

Description

一种多极化天线

技术领域

本说明书一个或多个实施例涉及通信技术领域，尤其涉及一种多极化天线。

背景技术

多极化天线具有能够实现多种极化的优势，在通信和雷达领域应用较为广泛。目前的多极化天线一般是应用于基站的-45度和+45度双极化天线，能够提升通信质量，还有一些多极化天线能够实现四种极化方式，分别是水平极化、垂直极化、左旋圆极化和右旋圆极化。如何能够实现更多的极化方式，进一步提升通信性能，是所需解决的关键问题。

发明内容

有鉴于此，本说明书一个或多个实施例的目的在于提出一种多极化天线，能够实现多种极化方式。

基于上述目的，本说明书一个或多个实施例提供了一种多极化天线，包括从上到下依次设置的辐射腔、高次模腔和馈电端口；

所述辐射腔的上表面设置四个金属贴片，下表面设置四个一级馈电结构；

所述高次模腔的下表面设置一个二级馈电结构；

调整所述馈电端口的馈电方式，电磁波依次经过馈电端口、二级馈电结构，在所述高次模腔中形成不同的电场分布模态，经所述一级馈电结构在所述辐射腔形成不同的极化方式。

可选的，所述馈电端口包括从上到下依次设置的第一端口层和第二端口层，

所述第一端口层的下表面设置一个三级馈电结构，所述第一端口层设有用于馈电的第一端口；

所述第二端口层设有用于馈电的第二端口；

所述第一端口层馈电输入第一路电磁波，所述第二端口层馈电输入第二路电磁波，所述第一路电磁波与第二路电磁波的幅度相等，调整由所述第一路电磁波和第二路电磁波到达所述高次模腔的相位差，当所述相位差为第一度时，所述高次模腔形成第一状态电场分布，所述辐射腔形成+45度极化；当所述相位差为第二度时，所述高次模腔形成第二状态电场分布，所述辐射腔形成-45度极化；当所述相位差为第三度时，所述高次模腔形成第三状态电场分布，所述辐射腔形成右旋圆极化；当所述相位差为第四度时，所述高次模腔形成第四状态电场分布，所述辐射腔形成左旋圆极化。

可选的，所述第一路电磁波与第二路电磁波的幅度不相等，所述相位差为所述第一度或所述第二度时，所述高次模腔形成与所述第一路电磁波、第二路电磁波的幅度比值相对应的电场分布，所述辐射腔形成任意线极化。

可选的，所述第一度与所述第二度的差为180度，所述第一度与所述第三度的差为90度，所述第一度与所述第四度的差为270度。

可选的，当所述第一端口层馈电输入第一路电磁波，所述第二端口层接入负载时，所述高次模腔形成第五状态电场分布，所述辐射腔形成垂直极化；当所述第一端口层接入负载，所述第二端口层馈电输入第二路电磁波，所述高次模腔形成第六状态电场分布，所述辐射腔形成水平极化。

可选的，所述四个金属贴片等旋转角度设置，所述一级馈电结构与所述金属贴片一一对应设置，所述二级馈电结构与所述三级馈电结构对应设置，所述二级馈电结构的中心点与所述四个一级馈电结构的中心点所形成的四边形的中心点相对应。

可选的，所述金属贴片的形状为长方形、六边形、菱形或具有孔的长方形。

可选的，所述金属贴片四周设置金属表面，所述金属贴片四周设置金属通孔围栏。

从上面所述可以看出，本说明书一个或多个实施例提供的多极化天线，包括从上到下依次设置的辐射腔、高次模腔和馈电端口，其中，辐射腔的上表面设置四个金属贴片，下表面设置四个一级馈电结构；高次模腔的下表面设置一个二级馈电结构，调整馈电端口的馈电方式，电磁波依次经过馈电端口、二级馈电结构，在高次模腔中形成不同的电场分布模态，经一级馈电结构在辐射腔形成不同的极化方式。本说明书的多极化天线能够实现多种极化方式，具有增益稳定，宽带宽，辐射模式对称等特点，能够广泛适用于通信领域。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书一个或多个实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书一个或多个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本说明书一个或多个实施例的多极化天线的爆炸结构爆炸图；

图2为本说明书一个或多个实施例的S参数仿真示意图；

图3为本说明书一个或多个实施例的天线在37.5GHz时的右旋圆极化方向图，第一路电磁波和第二路电磁波的相位差为90度；

图4为本说明书一个或多个实施例的天线在37.5GHz时的左旋圆极化方向图，第一路电磁波和第二路电磁波的相位差为270度；

图5为本说明书一个或多个实施例的左旋圆极化、右旋圆极化最大增益和轴比图；

图6为本说明书一个或多个实施例的天线在37.5GHz时的-45度极化方向图；

图7为本说明书一个或多个实施例的天线在37.5GHz时的+45度极化方向图；

图8为本说明书一个或多个实施例的天线在37.5GHz时的水平极化方向图；

图9为本说明书一个或多个实施例的天线在37.5GHz时的垂直极化方向图。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本说明书一个或多个实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书一个或多个实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

如图1所示，本说明书一个或多个实施例提供一种多极化天线，包括从上到下依次设置的辐射腔1、高次模腔2、馈电端口3；

辐射腔1的上表面设置四个金属贴片11，下表面设置四个一级馈电结构10；

高次模腔2为金属通孔构成的腔体，高次模腔2的下表面设置一个二级馈电结构20；

调整馈电端口3的馈电方式，电磁波依次经过馈电端口3、二级馈电结构20，在高次模腔2中形成不同的电场分布模态，经一级馈电结构10在辐射腔1形成不同的极化方式。

本实施例提供的多极化天线，由馈电端口3馈电输入的电磁波在馈电端口3中传输，通过二级馈电结构20输入高次模腔2，电磁波在高次模腔2中形成不同的电场分布模态，不同电场分布的电磁波通过四个一级馈电结构10输入辐射腔1，由辐射腔1上的四个金属贴片11向外辐射，通过调整馈电端口3的馈电方式，可形成多种极化方式。

一些实施例中，馈电端口3包括第一端口层31和第二端口层32，第一端口层31的下表面设置一个三级馈电结构310，第一端口层31设有用于馈电的第一端口；

第二端口层32设有用于馈电的第二端口；

第一端口层31馈电输入第一路电磁波，第二端口层32馈电输入第二路电磁波，且第一路电磁波与第二路电磁波的幅度相等，调整第一路电磁波和第二路电磁波到达高次模腔2形成的相位差，当相位差为第一度时，辐射腔形成+45度极化；当相位差为第二度时，辐射腔形成-45度极化；当相位差为第三度时，辐射腔形成右旋圆极化；当相位差为第四度时，辐射腔形成左旋圆极化。

结合图1所示，本实施例中，馈电端口3包括第一端口层31和第二端口层32，两个端口层均可馈电输入电磁波。由第一端口输入的第一路电磁波在第一端口层31传输，通过二级馈电结构20输入高次模腔2，由第二端口输入的第二路电磁波在第二端口层32传输，通过三级馈电结构310输入第一端口层31，再由二级馈电结构20输入高次模腔2；在高次模腔2中，第一路电磁波和第二路电磁波相互叠加形成新的模态分布，新模态分布的电磁波通过四个一级馈电结构10输入辐射腔1，形成极化。

通过调整第一路电磁波和第二路电磁波在高次模腔2形成的相位差，不同的相位差可形成不同的谐振态，从而形成多种不同的极化方式。例如，当相位差为第一度时，可形成+45度极化，当相位差为第二度时，可形成-45度，当相位差为第三度时，可形成右旋圆极化，当相位差为第四度时，可形成左旋圆极化。

一些实施例中，第一度与第二度的差为180度，第一度与第三度的差为90度，第一度与第四度的差为270度。例如，基于特定的天线结构，第一度可以是20度，第二度是200度，第三度是110度，第四度是290度。

一些方式中，在第一路电磁波的相位超前于第二路电磁波的相位、且两路电磁波的幅度相等的情况下，当第一路电磁波与第二路电磁波到达高次模腔2形成的相位差为0度时，可形成+45度极化，当相位差为180度时，可形成-45度极化，当相位差为90度时，可形成右旋圆极化，当相位差为270度时，可形成左旋圆极化。在第一路电磁波的相位滞后第二路电磁波的相位、且两路电磁波的幅度相等的情况下，当相位差为180度时，可形成-45度极化，当相位差为0度时，可形成+45度极化。

一些方式中，若第一路电磁波与第二路电磁波的幅度不相等，当第一路电磁波与第二路电磁波到达高次模腔2形成的相位差为第一度或第二度时，高次模腔2形成与第一路电磁波、第二路电磁波的幅度比值相对应的电场分布，辐射腔1形成任意线极化。例如，设第一路电磁波与第二路电磁波的幅度比值为a：b(0＜a＜1，0＜b＜1)，两路电磁波到达高次模腔2形成的相位差为第一度或第二度时，高次模腔2形成与幅度比值a：b相对应的电场分布，最终在辐射腔1形成任意线极化。

一些实施例中，当第一端口层31馈电，第二端口层32接入负载时，辐射腔1形成垂直极化；当第一端口层31接入负载，第二端口层32馈电时，辐射腔1形成水平极化。

本实施例中，第一端口层31和第二端口层32均馈电输入电磁波的情况下，通过改变输入两路电磁波的相位差和/或幅度，可形成+45度极化、-45度极化、右旋圆极化、左旋圆极化、任意线极化等极化。除此之外，当第一端口层31馈电，第二端口层32接入负载时，辐射腔1可形成垂直极化；当第一端口层31接入负载，第二端口层32馈电时，辐射腔1可形成水平极化，从而使得通过调整馈电端口的馈电方式，能够实现+45度极化、-45度极化、右旋圆极化、左旋圆极化、垂直极化、水平极化、任意线极化等多种极化方式。

一些实施方式中，多极化天线为从上至下的层结构，辐射腔1、高次模腔2、第一端口层31和第二端口层32共用金属电极。具体的，辐射腔1的下表面和高次模腔2的上表面共金属电极，辐射腔1的下表面也是高次模腔2的上表面，四个一级馈电结构10也位于高次模腔2的上表面；高次模腔2的下表面和第一端口层31的上表面共金属电极，高次模腔2的下表面也是第一端口层31的上表面，二级馈电结构20也位于第一端口层31的上表面；第一端口层31的下表面和第二端口层32的上表面共金属电极，第一端口层31的下表面也是第二端口层32的上表面，三级馈电结构310也位于第二端口层32的上表面。

结合图1所示，一些实施例中，一级馈电结构10、二级馈电结构20均为十字缝隙，三级馈电结构310为一字缝隙；十字缝隙的其中一条缝隙的方向均为第一方向，另一条缝隙的方向均为第二方向，一字缝隙的方向为第一方向。其中，十字缝隙由相互垂直的缝隙构，若以十字缝隙的其中一条缝隙的方向为X方向，另一条缝隙的方向为Y方向，辐射腔1、高次模腔2、馈电端口3的从上至下的叠加方向为Z方向建立坐标系，则一字缝隙的方向为X方向。

另一些实施例中，一级馈电结构、二级馈电结构和三级馈电结构还可以是其他形式的馈电结构。例如，在高次模腔中，采用插入带有矩形贴片的第一金属柱实现一路电磁波馈电，采用与带有矩形贴片的第二金属柱实现另一路电磁波馈电，且第二金属柱上的矩形贴片的长边方向与第一金属柱上的矩形贴片的长边方向垂直。

一些实施例中，辐射腔1上表面的四个金属贴片11等旋转角度设置，一级馈电结构10与金属贴片11一一对应设置，二级馈电结构20与三级馈电结构310对应设置，二级馈电结构20的中心点与四个一级馈电结构10的中心点所形成的四边形的中心点相对应。

本实施例中，在辐射腔1的上表面，四个金属贴片11等旋转角度设置，即，若确定了第一个金属贴片的位置，以经过二级馈电结构20的中心点(例如，十字缝隙的两条缝隙的交点)、沿Y方向的直线为旋转轴，第二个金属贴片相对第一个金属贴片绕旋转轴旋转90度设置，第三个金属贴片相对于第一个金属贴片绕旋转轴旋转180度设置，第四个金属贴片相对于第一个金属贴片绕旋转轴旋转270度设置，四个金属贴片11作为天线的主要辐射体，通过等旋转角度设置，能够调整辐射场使之辐射出多种极化方式的电磁波。

四个金属贴片11和四个一级馈电结构10一一对应设置，一个金属贴片的中心与一个一级馈电结构的中心点相对应。其中，金属贴片的中心根据金属贴片的形状确定。

一些方式中，金属贴片的形状为长方形，长方形的金属贴片的中心为长方形的两条对角线的交点；金属贴片的形状为六边形(例如，在长方形金属贴片的基础上切去四个顶点形成边长不等长的六边形)，六边形的金属贴片的中心为六边形的对称轴的交点；金属贴片的形状为菱形(例如，在长方形金属贴片的基础上切去四个顶点形成菱形)，菱形的金属贴片的中心为菱形的两条对角线的交点；不同形状的金属贴片具有不同的最大增益，最大增益的差距范围在1dB以内。金属贴片的形状不限制于长方形、六边形或菱形，也可以是其他基于长方形进行切割或打孔等方式形成的特定形状，基于长方形形成的特定形状的金属贴片均可有效辐射电磁波，并形成45度极化所需的电流分布。

一些方式中，对于十字缝隙结构的一级馈电结构和二级馈电结构，将四个一级馈电结构10的中心点依次相连构成四边形，四边形的两对角线的交点与二级馈电结构20的中心点相对应。

一些实施例中，对于辐射腔1，每个金属贴片11四周设置金属表面12，金属贴片11四周设置金属通孔围栏13，金属通孔围栏13的中心与金属贴片11的中心、一级馈电结构10的中心点相对应，使用金属通孔围栏13能够抑制表面波，改善天线方向图，提升辐射效率，提高辐射增益。

电磁波经过四个一级馈电结构10进入辐射腔1，金属通孔围栏13能够抑制表面波，提高天线增益，四个金属贴片11能够调整电磁波的极化方向，金属贴片11上的电流方向沿金属贴片11的长边方向(例如，对于长方形的金属贴片，电流方向沿长方形的长边方向，对于六边形、菱形的金属贴片，电流方向沿切割前长方形的长边方向)；通过调整第一路电磁波和第二路电磁波的相位差，金属贴片11上电流的幅度和相位发生变化，不同的表面电流矢量叠加，使其能够辐射出不同的极化方式。

当只有第一端口层31输入电磁波，第二端口层32接入负载时，第一端口层31的电磁波通过二级馈电结构20进入高次模腔2，形成高次模谐振，再经过四个一级馈电结构10进入辐射腔1，产生X方向的极化，即垂直极化。

当只有第二端口层32输入电磁波，第一端口层31接入负载时，第二端口层31的电磁波通过三级馈电结构310输入第一端口层31，再经过二级馈电结构20进入高次模腔2，形成高次模谐振，最后经过四个一级馈电结构10进入辐射腔1，产生Y方向的极化，即水平极化。

一些实施例中，高次模腔2的四个面由金属通孔围栏21围成。通过设置高次模腔2和金属贴片11，能够拓展天线的工作带宽，通过设置馈电结构，能够提高隔离度。

一些实施方式中，高次模腔2中的无耗电场模式分布为：

其中，

表示由第一端口层31输入的电磁波能量的Z向分量，

表示由第二端口层32输入的电磁波能量的Z向分量，E₀为电场幅度，c为高次模腔2在X方向的等效金属腔的长度，a为高次模腔2在Y方向的等效金属腔的长度，ω为工作频段的角频率，

为相位因子，m，n为模式数，t是时间。

一些实施例中，第一端口层31包括呈凸字形的波导结构。第二端口层32包括呈矩形的波导结构。

一些实施例中，十字缝隙和一字缝隙的缝隙长度为矩形的波导结构中的波长的二分之一。

一些实施例中，辐射腔1、高次模腔2、第一端口层31和第二端口层32分别由单层PCB板加工而成，多极化天线由多层PCB板制成，设计多样化，能够实现三维扩展，可使得天线结构更加紧凑。于其他实施方式中，辐射腔1、高次模腔2、第一端口层31和第二端口层32也可通过LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)基片加工而成，具体实现方式不做限定。

一些方式中，PCB板的材料相对介电常数为2.2，PCB板的厚度为1.575mm。金属通孔围栏中每个金属通孔的直径为0.3mm，相邻两个金属通孔的中心距离为0.5mm。辐射腔1中金属通孔围栏的长为5mm，宽为5mm。高次模腔2的长为12.6mm，宽为13.2mm。

一些方式中，辐射腔1和高次模腔2可基于基片集成腔实现，也可以基于金属基片实现。

图2为本说明书实施例的S参数仿真结果示意图，第一端口层31的反射系数为S₁₁，第二端口层32的反射系数为S₂₂，两个端口层的隔离度为S₁₂，两个端口层的阻抗带宽范围为35-40.8GHz，端口隔离度在阻抗带宽内低于-40dB。

如图3、4、5所示，当第一路电磁波和第二路电磁波的相位差为90度时，能够形成右旋圆极化，当相位差为270度时，能够形成左旋圆极化。左旋圆极化和右旋圆极化的最大增益和轴比参数稳定一致，其中，轴比覆盖范围为36.3-42GHz，最大增益为15.24dBi。

如图6、7所示，当第一路电磁波和第二路电磁波的相位差分别为0度、180度时，能够形成+45度极化、-45度极化。如图8、9所示，当第一端口层31馈电，第二端口层32接入负载时，能够形成垂直极化，当第一端口层31接入负载，第二端口层32馈电时，能够形成水平极化。

图中，Freq为频率，Phi为以天线为中心的球坐标系下的Phi分量，Theta为以天线为中心的球坐标系下的Theta分量，GainTheta为远场增益的Theta分量，GainPhi为远场增益的Phi分量，GainLHCP为远场增益的左旋圆极化分量(Gain Left-hand circularpolarization)，GainRHCP为远场增益的右旋圆极化分量(Gain Right-hand circularpolarization)，LHCP为左旋圆极化(Left-hand circular polarization)、PeakGain为峰值增益，RHCP为右旋圆极化(Right-hand circular polarization)，Magnetitude为幅度，单位为dB，Deg为角度，AR为轴比(axial ratio)，dBi为以理想全向线极化天线作为比较天线的待测天线的增益，dBic为以理想全向圆极化天线作为比较天线的待测天线的增益。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本说明书一个或多个实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本说明书一个或多个实施例难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本说明书一个或多个实施例难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本说明书一个或多个实施例的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本公开的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本说明书一个或多个实施例。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本公开的具体实施例对本公开进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本说明书一个或多个实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims

1.一种多极化天线，其特征在于，包括从上到下依次设置的辐射腔、高次模腔和馈电端口；

所述高次模腔的下表面设置一个二级馈电结构；

2.根据权利要求1所述的多极化天线，其特征在于，所述馈电端口包括从上到下依次设置的第一端口层和第二端口层，

所述第二端口层设有用于馈电的第二端口；

3.根据权利要求2所述的多极化天线，其特征在于，所述第一路电磁波与第二路电磁波的幅度不相等，所述相位差为所述第一度或所述第二度时，所述高次模腔形成与所述第一路电磁波、第二路电磁波的幅度比值相对应的电场分布，所述辐射腔形成任意线极化。

4.根据权利要求2或3所述的多极化天线，其特征在于，所述第一度与所述第二度的差为180度，所述第一度与所述第三度的差为90度，所述第一度与所述第四度的差为270度。

5.根据权利要求2所述的多极化天线，其特征在于，当所述第一端口层馈电输入第一路电磁波，所述第二端口层接入负载时，所述高次模腔形成第五状态电场分布，所述辐射腔形成垂直极化；当所述第一端口层接入负载，所述第二端口层馈电输入第二路电磁波，所述高次模腔形成第六状态电场分布，所述辐射腔形成水平极化。

6.根据权利要求2所述的多极化天线，其特征在于，所述四个金属贴片等旋转角度设置，所述一级馈电结构与所述金属贴片一一对应设置，所述二级馈电结构与所述三级馈电结构对应设置，所述二级馈电结构的中心点与所述四个一级馈电结构的中心点所形成的四边形的中心点相对应。

7.根据权利要求1所述的多极化天线，其特征在于，所述金属贴片的形状为长方形、六边形、菱形或具有孔的长方形。

8.根据权利要求1所述的多极化天线，其特征在于，所述金属贴片四周设置金属表面，所述金属贴片四周设置金属通孔围栏。