CN113782960B - 正交线极化的小型化共口径天线 - Google Patents

正交线极化的小型化共口径天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种正交线极化的小型化共口径天线，包含：辐射多层板、馈电多层板、上层金属通孔阵列、金属调谐通孔、上行屏蔽带状线转接地共面波导结构、下层金属通孔阵列以及下行屏蔽带状线转接地共面波导结构。整个天线主要由金属层和金属化通孔组成，整个结构可以用传统的PCB工艺来实现；该天线结合基片集成波导结构和带状线结构，将高频和低频天线集成在同一个空间内，属于平面结构，剖面很低，有效地减小了天线体积并提高了口径利用率，实现了小型化；该天线能够在两个频段下同时独立工作，且这两个天线实现的极化特性彼此正交。另外高、低频天线的传输模式不同，且高低频馈电网络之间通过金属层相隔，具有很高的隔离度。

Description

正交线极化的小型化共口径天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种正交线极化的小型化共口径天线。
背景技术
在无线通信系统中，接收机和发射机的信号通常使用不同的工作频段，因此需要使用多个天线来分别接收和发射信号，即上下行频分。另外，为了增加接收和发射系统的隔离度，通常需要增加天线之间的距离来减小电磁互耦，这将导致天线的体积显著增大。为了满足通信系统小型化和高度集成化的迫切需求，天线必须具有多功能和小型化的特性。由于频谱资源的紧缺性，为了提升传输速率，高频段传输将成为必然的选择。共口径天线在有限的空间内放置多种天线，通过合理的空间布局减少不同频率的天线之间的互耦，并共享同一口径辐射，能够极大程度地减小系统体积，因此毫米波多频段共口径天线的研究具有重要的现实意义。
现今提出的一些适用于无线通信系统中的天线，大多采用的是高、低频天线结构交织放置的形式，口径复用率较低；或者采用的微带贴片堆叠的形式，单元尺寸较大且端口隔离度较低，因此目前仍然缺乏适用于无线通信的高效解决方案。
发明内容
根据本发明实施例，提供了一种正交线极化的小型化共口径天线，包含：辐射多层板、馈电多层板、上层金属通孔阵列、金属调谐通孔、上行屏蔽带状线转接地共面波导结构、下层金属通孔阵列以及下行屏蔽带状线转接地共面波导结构；
辐射多层板设置在馈电多层板的顶部；
辐射多层板包含：由上到下依次设置的辐射缝隙金属层、第一介质基板、上层带状线馈电网络、上层粘合层、第二介质基板以及上层耦合缝隙金属层；
馈电多层板包含：由上到下依次设置的下层耦合缝隙金属层、第三介质基板、下层粘合层、下层带状线馈电网络、第四介质基板以及底层金属层。
上层金属通孔阵列和金属调谐通孔均自辐射缝隙金属层贯穿至上层耦合缝隙金属层构成多个上谐振腔；
上行屏蔽带状线转接地共面波导结构与上层带状线馈电网络的馈入端相连；
下层金属通孔阵列自下层耦合缝隙金属层贯穿至底层金属层构成多个下谐振腔；
下行屏蔽带状线转接地共面波导结构与下层带状线馈电网络的馈入端相连。
进一步，每个上谐振腔的辐射缝隙金属层上刻蚀有平行双缝和横向蝶形缝隙，每个上谐振腔的上层耦合缝隙金属层中心位置上刻蚀有上层耦合缝隙，每个下谐振腔的下层耦合缝隙金属层中心位置上刻蚀有下层耦合缝隙，上层耦合缝隙和下层耦合缝隙尺寸相同。
进一步，下层带状线馈电网络馈入高频信号，上层带状线馈电网络馈入低频信号。
进一步，下层带状线馈电网络为并联形式，下层带状线馈电网络的馈线为渐变型，下层耦合缝隙处的馈线开路端为叉状。
进一步，上层带状线馈电网络为并联形式，对横向蝶形缝隙偏心馈电，且位于Y轴方向相邻的两个横向蝶形缝隙的馈电位置镜像对称。
进一步，每个平行双缝和横向蝶形缝隙一一对应相互垂直放置，且具有重合部分构成一个整体的缝隙。
进一步，每个上谐振腔内的金属调谐通孔的个数为四个，四个金属调谐通孔于平行双缝之间，与上层耦合缝隙对称，且分为两对，对称分布于横向蝶形缝隙两侧。
进一步，下行屏蔽带状线转接地共面波导结构馈入高频信号，下行屏蔽带状线转接地共面波导结构的裂缝刻蚀于底层金属层，上行屏蔽带状线转接地共面波导结构馈入低频信号，上行屏蔽带状线转接地共面波导结构的裂缝刻蚀于辐射缝隙金属层。
进一步，其特征在于，小型化共口径天线通过多层PCB工艺制作。
进一步，第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板和第四介质基板均为RogersRO4003C。
进一步，第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板和第四介质基板的厚度分别为0.508mm、0.508mm、0.1mm和0.254mm。
进一步，上层金属通孔阵列和下层金属通孔阵列中的相邻通孔的间距为0.5mm，通孔直径为0.3mm。
根据本发明实施例的正交线极化的小型化共口径天线，具备以下有益效果：
1、整个天线主要由金属层和金属化通孔组成，整个结构可以用传统的PCB工艺来实现；
2、该天线结合基片集成波导结构和带状线结构，将高频和低频天线集成在同一个空间内，属于平面结构，剖面很低，有效地减小了天线体积并提高了口径利用率，实现了小型化；
3、该天线能够在两个频段下同时独立工作，且这两个天线实现的极化特性彼此正交。另外高、低频天线的传输模式不同，且高低频馈电网络之间通过金属层相隔，具有很高的隔离度；
4、本发明提出的共口径天线单元结构简单，结构独立，易于直接扩展成大型阵列结构。
要理解的是，前面的一般描述和下面的详细描述两者都是示例性的，并且意图在于提供要求保护的技术的进一步说明。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中天线的辐射缝隙金属层结构示意图；
图2为本发明具体实施方式中天线的侧面结构示意图；
图3为本发明具体实施方式中天线的上层带状线馈电网络结构示意图；
图4为本发明具体实施方式中天线的上层耦合缝隙金属层结构示意图；
图5为本发明具体实施方式中天线的下层耦合缝隙金属层结构示意图；
图6为本发明具体实施方式中天线的下层带状线馈电网络结构示意图；
图7为本发明具体实施方式中天线的底层金属层结构示意图；
图8为本发明具体实施方式中天线单元的俯视透视图；
图9为本发明具体实施方式中天线仿真和测试的反射系数和隔离度图；
图10为本发明具体实施方式中在最大辐射方向上随频率变化下的增益变化关系图；
图11为本发明具体实施方式中天线在18.4GHz的辐射方向图；
图12为本发明具体实施方式中天线在19GHz的辐射方向图；
图13为本发明具体实施方式中天线在19.6GHz的辐射方向图；
图14为本发明具体实施方式中天线29GHz的辐射方向图；
图15为本发明具体实施方式中天线在30GHz的辐射方向图；
图16为本发明具体实施方式中天线在31GHz的辐射方向图。
具体实施方式
以下将结合附图，详细描述本发明的优选实施例，对本发明做进一步阐述。
本具体实施方式公开了一种正交线极化的小型化共口径天线，如图1所示，包括64 个天线单元，尺寸为91mm
Figure DEST_PATH_IMAGE002
91mm。每个天线单元集成了一个低频天线结构和一个高频天线结 构，高低频天线可以在分别在各自的频段独立工作，且两天线实现的线极化性能是正交的。 如图2所示，本实施例提供的天线包括由上往下依次设置的辐射缝隙金属层1、第一介质基 2、上层带状线馈电网络11、上层粘合层3、第二介质基板4、上层耦合缝隙金属层5、下层耦合 缝隙金属层6、第三介质基板7、下层粘合层8、下层带状线馈电网络12、第四介质基板9和底 层金属层10。其中辐射缝隙金属层1上包括64对平行双缝20和64个横向蝶形缝隙21，上层耦 合缝隙金属层5上刻蚀有64个上层耦合缝隙22，下层耦合缝隙金属层6上刻蚀有64个下层耦 合缝隙23，上层耦合缝隙22与下层耦合缝隙23的尺寸相同。高频段电磁波先由下行屏蔽带 状线转接地共面波导结构19馈入，经过下层带状线馈电网络12将信号馈送到下层耦合缝隙 23，再经由上层耦合缝隙22并在上谐振腔16内激励起类TE120模式，最后通过辐射缝隙金属 层1上的平行双缝20辐射水平极化波。低频电磁场由上行屏蔽带状线转接地共面波导结构 18馈入，经由上层带状线馈电网络11馈送TEM模式并耦合激励起辐射缝隙金属层1上的横向 蝶形缝隙21，辐射垂直极化波。该天线的高频和低频馈电网络均采用的是全并馈形式，低频 馈电网络位于高频馈电网络的上方，且两馈电网络之间采用了两层金属层相隔，有效地提 高了隔离性能。
该天线中所述横向蝶形缝隙21位于上谐振腔16的中线，所述平行双缝20与横向蝶形缝隙21正交放置且与上谐振腔16的中线对称，平行双缝20与横向蝶形缝隙21部分重合，因此在辐射缝隙金属层1上形成64个整体的缝隙。每个谐振腔内引入了4个金属调谐通孔14对低频天线进行调频。
该天线的上层带状线馈电网络11和下层带状线馈电网络12部分金属导带周围引入金属通孔，起到了抑制平行板模式的作用。低、高频天线分别通过上行屏蔽带状线转接地共面波导结构18、下行屏蔽带状线转接地共面波导结构19进行馈电。
本发明提出的天线实例采用PCB工艺进行加工，第一介质基板2、第二介质基板4、第三介质基板7、第四介质基板9均为RogersRO4003C，厚度分别为0.508mm、0.508mm、0.1mm和0.254mm，上层带状线馈电网络11位于第一介质基板2的下表面，且第一介质基板2与第二介质基板4通过上层粘合层3进行压合，上行屏蔽带状线转接地共面波导结构18位于第一介质基板2的上表面；下层带状线馈电网络12位于第四介质基板9的上表面，且第三介质基板7与第四介质基板9通过下层粘合层8进行压合，下行屏蔽带状线转接地共面波导结构19位于第四介质基板9的下表面。两个压合的双层板利用螺钉通过四周及内部的螺孔进行组装固定。
基于本发明思想，利用PCB工艺制作，并进行相关测试：图9为天线仿真和测试的反射系数和隔离度图；图10为天线在最大辐射方向上随频率变化下的增益变化关系图；图11为天线测试在频率18.4GHz的辐射方向图；图12为天线测试在频率19.0.GHz的辐射方向图；图13为天线测试在频率19.6GHz的辐射方向图；图14为天线测试在频率29GHz的辐射方向图；图15为天线测试在频率30GHz的辐射方向图；图16为天线测试在频率31GHz的辐射方向图。测试表明，该天线在K频段内测试的-10dB阻抗带宽为7.73%（18.27-19.74GHz），端口隔离度大于60dB；在27-33GHz频带内，反射系数测量值均小于-10dB，测量带宽大于20%，端口隔离度大于44dB。在K和Ka波段内，天线测量最大增益分别为18.5dB和20.25dB，增益带宽分别为9.53%（18.18-20GHz）和10.54%（28.4-31.56GHz）。此天线具有两种不同的线极化极化，同时满足较好的极化特性，较好的驻波特性，且增益波动小、轮廓低、体积小、实现简单，易于集成。
以上，参照图1~16描述了根据本发明实施例的正交线极化的小型化共口径天线，整个天线主要由金属层和金属化通孔组成，整个结构可以用传统的PCB工艺来实现；该天线结合基片集成波导结构和带状线结构，将高频和低频天线集成在同一个空间内，属于平面结构，剖面很低，有效地减小了天线体积并提高了口径利用率，实现了小型化；该天线能够在两个频段下同时独立工作，且这两个天线实现的极化特性彼此正交；另外高、低频天线的传输模式不同，且高低频馈电网络之间通过金属层相隔，具有很高的隔离度。本发明提出的共口径天线单元结构简单，结构独立，易于直接扩展成大型阵列结构。
需要说明的是，在本说明书中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种正交线极化的小型化共口径天线，其特征在于，包含：辐射多层板、馈电多层板、上层金属通孔阵列、金属调谐通孔、上行屏蔽带状线转接地共面波导结构、下层金属通孔阵列以及下行屏蔽带状线转接地共面波导结构；
所述辐射多层板设置在所述馈电多层板的顶部；
所述辐射多层板包含：由上到下依次设置的辐射缝隙金属层、第一介质基板、上层带状线馈电网络、上层粘合层、第二介质基板以及上层耦合缝隙金属层；
所述馈电多层板包含：由上到下依次设置的下层耦合缝隙金属层、第三介质基板、下层粘合层、下层带状线馈电网络、第四介质基板以及底层金属层；
所述上层金属通孔阵列和所述金属调谐通孔均自所述辐射缝隙金属层贯穿至所述上层耦合缝隙金属层构成多个上谐振腔；
所述上行屏蔽带状线转接地共面波导结构与所述上层带状线馈电网络的馈入端相连；
所述下层金属通孔阵列自所述下层耦合缝隙金属层贯穿至所述底层金属层构成多个下谐振腔；
所述下行屏蔽带状线转接地共面波导结构与所述下层带状线馈电网络的馈入端相连；
每个所述上谐振腔的所述辐射缝隙金属层上刻蚀有平行双缝和横向蝶形缝隙，每个所述上谐振腔的上层耦合缝隙金属层中心位置上刻蚀有上层耦合缝隙，每个所述下谐振腔的所述下层耦合缝隙金属层中心位置上刻蚀有下层耦合缝隙，所述上层耦合缝隙和所述下层耦合缝隙尺寸相同；
每个所述平行双缝和所述横向蝶形缝隙一一对应相互垂直放置，且具有重合部分构成一个整体的缝隙；
所述下层带状线馈电网络为并联形式，所述下层带状线馈电网络的馈线为渐变型，所述下层带状线馈电网络馈入高频信号，所述下层耦合缝隙处的馈线开路端为叉状,所述下层带状线馈电网络馈送高频信号到所述下层耦合缝隙，再经由所述上层耦合缝隙并在所述上谐振腔内激励起类TE120模式，最后通过所述辐射缝隙金属层上的所述平行双缝辐射水平极化波；
所述上层带状线馈电网络馈入低频信号，所述上层带状线馈电网络馈送TEM模式并耦合激励起所述辐射缝隙金属层上的所述横向蝶形缝隙，辐射垂直极化波。
2.如权利要求1所述正交线极化的小型化共口径天线，其特征在于，所述上层带状线馈电网络为并联形式，对所述横向蝶形缝隙偏心馈电，且位于Y轴方向相邻的两个横向蝶形缝隙的馈电位置镜像对称。
3.如权利要求1所述正交线极化的小型化共口径天线，其特征在于，每个所述上谐振腔内的所述金属调谐通孔的个数为四个，四个所述金属调谐通孔位于所述平行双缝之间，与所述上层耦合缝隙对称，且分为两对，对称分布于横向蝶形缝隙两侧。
4.如权利要求1所述正交线极化的小型化共口径天线，其特征在于，所述下行屏蔽带状线转接地共面波导结构馈入高频信号，所述下行屏蔽带状线转接地共面波导结构的裂缝刻蚀于底层金属层，所述上行屏蔽带状线转接地共面波导结构馈入低频信号，所述上行屏蔽带状线转接地共面波导结构的裂缝刻蚀于辐射缝隙金属层。
5.如权利要求1~4任一项所述正交线极化的小型化共口径天线，其特征在于，所述小型化共口径天线通过多层PCB工艺制作。
6.如权利要求5所述正交线极化的小型化共口径天线，其特征在于，所述第一介质基板、所述第二介质基板、所述第三介质基板和所述第四介质基板均为RogersRO4003C。
7.如权利要求6所述正交线极化的小型化共口径天线，其特征在于，所述第一介质基板、所述第二介质基板、所述第三介质基板和所述第四介质基板的厚度分别为0.508mm、0.508mm、0.1mm和0.254mm。
8.如权利要求7所述正交线极化的小型化共口径天线，其特征在于，所述上层金属通孔阵列和所述下层金属通孔阵列中的相邻通孔的间距为0.5mm，所述通孔直径为0.3mm。
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