CN114122736B

CN114122736B - 一种全向覆盖的宽带圆极化多波束天线阵列

Info

Publication number: CN114122736B
Application number: CN202210094942.5A
Authority: CN
Inventors: 马自龙; 彭少聪
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2022-01-26
Filing date: 2022-01-26
Publication date: 2022-05-24
Anticipated expiration: 2042-01-26
Also published as: CN114122736A

Abstract

本发明公开了一种全向覆盖的宽带圆极化多波束天线阵列。所述天线阵列包括多个具有相同的结构以及物理尺寸的单元，单元包括一个介质极化器和一个金属波导；其中，金属波导底部设置有一个法兰盘，金属波导通过法兰盘与馈电电路连接；金属波导两侧设置有矩形的金属连接结构，所有单元通过金属连接结构相互连接，围绕中心轴呈等间距的环形排布，单元中金属波导的朝向为径向向外。不同于传统的圆极化天线方案，本发明提出了基于行波原理的单介质片极化器，其具有结构简单、性能优秀的特点；本发明具有宽带、高增益、高扫描精度的优点，相比传统设计具有明显的优势。

Description

一种全向覆盖的宽带圆极化多波束天线阵列

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种全向覆盖的宽带圆极化多波束天线阵列。

背景技术

近年来，5G毫米波通信越来越受到人们的关注。在实际应用当中，通信场景是复杂且灵活多变的，一个基站往往需要面对多个通信目标。由于目标与基站之间的相对位置不确定，所以通常会在基站中采用全向天线来达到更广的辐射覆盖范围，以保证其与所有目标之间的通信质量。虽然这种方案可以有效地解决信号覆盖问题，但是却会不可避免的引起能量浪费。例如，当通信目标仅存在于某个小范围区域时，全向天线仍然会向该范围以外的其他区域进行辐射，这样就会导致能量利用率的降低。针对上述问题，人们提出一种全向覆盖的多波束天线方案。该方案中天线可以产生多个单一方向的高定向波束，根据通信目标位置的不同来切换波束指向，在切换过程中所有波束的半功率波束宽度覆盖360度。这种方案不仅可以满足全向覆盖的问题，同时又极大程度的避免了能量的浪费。

目前，已报道的文献中波束切换的实现方案主要分为两类。其一为采用无源的移相网络，例如现有论文中提出的基于巴特勒矩阵的基片集成波导多波束天线（P. Chen, W.Hong, Z. Kuai, J. Xu, H. Wang, J. Chen, H. Tang, J. Zhou, and K. Wu, "AMultibeam Antenna Based on Substrate Integrated Waveguide Technology for MIMOWireless Communications," IEEE Trans. Antennas Propag.,vol. 57, no. 6, pp.1813-1821, June 2009 .）。其二为采用有源的控制电路，现有论文中引入多个开关二极管来实现波束指向的控制（S. Chen, P. Qin, W. Lin and Y. J. Guo, "Pattern-Reconfigurable Antenna With Five Switchable Beams in Elevation Plane,"IEEEAntennas Wireless Propag. Lett., vol. 17, no. 3, pp. 454-457, March 2018. L.Ge, M. Li, Y. Li, H. Wong, and K. Luk, “Linearly polarized and circularlypolarized wideband dipole antennas with reconfigurable beam direction,” IEEETrans. Antennas Propag., vol. 66, no. 4, pp. 1747–1755, Apr. 2018. J.-S. Rowand C.-W. Tsai, “Pattern reconfigurable antenna array with circularpolarization,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 64, no. 4, pp. 1525–1530,Apr. 2016.）。这两种方案都存在一些缺陷：对于无源移相网络，通常存在设计复杂、体积庞大、电磁损耗较大等的问题。有源控制电路方案由于集总元件的引入也会导致整个天线的损耗增加。另外，额外的直流馈电网络也会令天线的尺寸以及设计难度大幅度增加。另一方面，就极化形式而言，目前已报道的方案多为线极化和圆极化的设计。相较之下，由于在抑制极化失配、多径效应方面的优势，圆极化天线具有更加广泛的应用。但是，现有的圆极化方案大多工作在微波频段，鲜有针对毫米波应用的设计提出。另外，现有方案的波束扫描精度也较低，多数只能实现4个波束的切换。针对上述问题同时结合毫米波频段通信的特点（频谱资源丰富但是电磁波在大气中的衰减明显），一款全向覆盖的圆极化天线需同时具备宽带、高增益、高扫描精度、低损耗、设计简单的特性。

发明内容

本发明旨在提出一款工作于毫米波频段，具有宽带、高增益、高扫描精度、低损耗、设计简单特性的全向覆盖圆极化多波束天线阵列，以解决现有方案中所普遍存在的体积大、损耗高、扫描精度低、设计复杂的问题。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

一种全向覆盖的宽带圆极化多波束天线阵列，包括多个具有相同的结构以及物理尺寸的单元，单元包括一个介质极化器和一个金属波导；其中，金属波导底部设置有一个法兰盘，金属波导通过法兰盘与馈电电路连接；金属波导两侧设置有矩形的金属连接结构，所有单元通过金属连接结构相互连接，围绕中心轴呈等间距的环形排布，单元中金属波导的朝向为径向向外；

每个单元单独激励，金属波导内产生TE₁₀模式的线极化波；当馈入的电磁波经由金属波导传播至介质极化器后，介质片对来波进行扰动，从而产生两个幅度相等且相互正交的线极化模式；由于介质片在这两个正交方向上具有不同的结构特性，所以两个线极化模式在传播过程中具有不同的相位常数，在经过一段距离后，两个线极化模式之间的相位差达到90度，进而实现圆极化辐射。

进一步地，介质极化器包括一个半椭圆形的介质片、一个矩形的介质连接结构和一个燕尾形阻抗匹配结构，三者的中心轴重合、依次连接，介质片与水平面即XY平面呈45度夹角且垂直于介质连接结构，介质连接结构垂直于水平面，燕尾形阻抗匹配结构平行于水平面；

直角坐标系的建立如下：直角坐标系的XY平面为整个天线阵列的方位面，XY平面与法兰盘平行，直角坐标系的X轴与其中一个单元的中轴线平行，直角坐标系的Z轴垂直于XY平面并与电磁波馈入方向相同。

进一步地，每个单元中，金属波导内部中空且沿宽壁弯折90度；

燕尾形阻抗匹配结构插入金属波导内部中空处，介质连接结构紧贴金属波导并固定，进而连接介质极化器与金属波导。

进一步地，介质连接结构和金属波导之间通过螺丝进行固定。

进一步地，宽带圆极化多波束天线阵列中所有金属结构，即金属波导、金属波导两侧的连接结构和法兰盘，均通过金属的3-D打印技术加工实现，所有金属结构一体成型。

进一步地，介质极化器中，介质片、介质连接结构和燕尾形阻抗匹配结构三者一体成型，通过介质的3-D打印技术加工实现。

进一步地，介质极化器的加工材料为树脂材料，相对介电常数为2.9，损耗角正切为0.01。

进一步地，金属波导、金属波导两侧的金属连接结构和法兰盘的加工材料为常见的具有良好导电性能的金属3-D打印材料，包括铜、铝、铝合金或不锈钢。

进一步地，金属波导内部中空处的尺寸与标准波导WR-28相同，即内部中空处的尺寸为7.1 mm×3.6 mm。

进一步地，介质极化器21的各个尺寸参数通过全波仿真软件仿真得出，单元11的数目大于等于18。

相比与现有技术，本发明的优点在于：

工作原理上，不同于传统的圆极化天线方案，本发明提出了基于行波原理的单介质片极化器，其具有结构简单、性能优秀的特点；

天线性能上，本发明具有宽带（38%）、高增益(10.5±1.2 dBic)、高扫描精度(大于等于18波束)的优点，相比传统设计具有明显的优势。

阵列设计上，本发明具有馈电网络简单、馈电损耗低、无需引入有源器件和控制电路的优点，可以实现全向的圆极化波束覆盖。

附图说明

图1为本发明实施例1中一种全向覆盖的宽带圆极化多波束天线阵列的全视图；

图2为本发明实施例1中一种全向覆盖的宽带圆极化多波束天线阵列的单元结构示意图；

图3为本发明实施例1中介质极化器的结构示意图；

图4为本发明实施例1中每个单元的半功率波束宽度随频率变化的结果示意图；

图5为本发明实施例1中每个单元的3-dB轴比波束宽度随频率变化的结果示意图；

图6为本发明实施例1中每个单元的阻抗匹配特性示意图；

图7为本发明实施例1中每个单元的轴比特性示意图；

图8为本发明实施例1中每个单元的增益特性示意图；

图9为本发明实施例1中一种全向覆盖的宽带圆极化多波束天线阵列激励单个端口时的方向图；

图10为本发明实施例1中一种全向覆盖的宽带圆极化多波束天线阵列不同端口开启的情况下波束扫描的方向图。

图11为本发明实施例2中一种全向覆盖的宽带圆极化多波束天线阵列不同端口开启的情况下波束扫描的方向图。

图12为本发明实施例3中一种全向覆盖的宽带圆极化多波束天线阵列不同端口开启的情况下波束扫描的方向图。

图13为本发明实施例4中一种全向覆盖的宽带圆极化多波束天线阵列不同端口开启的情况下波束扫描的方向图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图并举实施例，对本发明的具体实施进行详细说明。

实施例：

一种全向覆盖的宽带圆极化多波束天线阵列，如图1所示，包括18个具有相同的结构以及物理尺寸的单元11，如图2所示，单元11包括一个介质极化器21和一个金属波导22；其中，金属波导22底部设置有一个法兰盘24，金属波导22通过法兰盘24与馈电电路连接；金属波导22两侧设置有矩形的金属连接结构23，所有单元11通过金属连接结构23相互连接，围绕中心轴呈等间距的环形排布，单元11中金属波导22的朝向为径向向外；

每个单元11单独激励，金属波导22内产生TE₁₀模式的线极化波；当馈入的电磁波经由金属波导22传播至介质极化器21后，介质片31对来波进行扰动，从而产生两个幅度相等且相互正交的线极化模式；由于介质片31在这两个正交方向上具有不同的结构特性，所以两个线极化模式在传播过程中具有不同的相位常数，在经过一段距离后，两个线极化模式之间的相位差达到90度，进而实现圆极化辐射。

如图3所示，介质极化器21包括一个半椭圆形的介质片31、一个矩形的介质连接结构32和一个燕尾形阻抗匹配结构33，三者的中心轴重合、依次连接，介质片31与水平面即XY平面呈45度夹角且垂直于介质连接结构32，介质连接结构32垂直于水平面，燕尾形阻抗匹配结构33平行于水平面；

直角坐标系的建立如下：直角坐标系的XY平面为整个天线阵列的方位面，XY平面与法兰盘24平行，直角坐标系的X轴与其中一个单元11的中轴线平行，直角坐标系的Z轴垂直于XY平面并与电磁波馈入方向相同。

每个单元11中，金属波导22内部中空且沿宽壁弯折90度；

燕尾形阻抗匹配结构33插入金属波导22内部中空处，介质连接结构32紧贴金属波导22并固定，进而连接介质极化器21与金属波导22。

介质连接结构32和金属波导22之间通过螺丝进行固定。

宽带圆极化多波束天线阵列中所有金属结构，即金属波导22、金属波导22两侧的金属连接结构23和法兰盘24，均通过金属的3-D打印技术加工实现，所有金属结构一体成型。

介质极化器21中，介质片31、介质连接结构32和燕尾形阻抗匹配结构33三者一体成型，通过介质的3-D打印技术加工实现。

介质极化器21的加工材料为树脂材料，相对介电常数为2.9，损耗角正切为0.01。

本实施例中，金属波导22、金属波导22两侧的金属连接结构23和法兰盘24的加工材料为铝合金材料。

本实施例中，金属波导22内部中空处的尺寸与标准波导WR-28相同，即内部中空处的尺寸为7.1 mm×3.6 mm。

本实施例中，介质极化器21的各个尺寸参数通过全波仿真软件Ansys HFSS仿真得出。

本实施例中，由于每个单元11在方位面上排列的角度不同，所以所辐射的波束方向也会发生相应的改变，通过切换馈电端口即可实现方位面上波束的扫描。

图4所示为每个单元11的半功率波束宽度随频率变化的结果，可见在26.5-39.5GHz的范围内波束宽度均大于20度，因此，18个单元11的阵列排布可以实现360度的波束覆盖。图5所示为每个单元11的3-dB轴比波束宽度随频率变化的结果，可见在27-39.5 GHz的范围内3-dB轴比波束宽度均大于20度，说明在该天线阵列在全向的范围内都可以实现圆极化辐射。

图6所示为天线的阻抗匹配特性，该天线在24.5-40 GHz的范围内|S11|均小于-10dB，说明该天线在较宽的频带范围内都可以实现阻抗匹配。轴比带宽特性如图7所示，从26.5GHz到39.5 GHz，轴比均小于3 dB，说明该天线具有较宽的轴比带宽，相对带宽为38%。图8所示为天线的增益特性，带内增益较高且稳定（10.5±1.2 dBic）。图9中的a图和b图所示分别为激励单个端口时方位面即XY平面的方向图和俯仰面即XZ平面的方向图，本发明中的天线阵列在工作频带内具有稳定、低后瓣（方向图前后比大于20 dB）的优点。图10为不同端口开启情况下波束扫描的方向图，通过切换端口该天线阵列可以实现全向的覆盖。

实施例2：

本实施例于实施例1的不同之处在于，本实施例采用20个单元11构成天线阵列，单元11的结构以及尺寸参数与实施例1相同；

图11为实施例2的天线阵列在不同端口开启的情况下波束扫描的方向图。

实施例3：

本实施例于实施例1的不同之处在于，本实施例采用22个单元11构成天线阵列，单元11的结构以及尺寸参数与实施例1相同；

图12为实施例3的天线阵列在不同端口开启的情况下波束扫描的方向图。

实施例4：

本实施例于实施例1的不同之处在于，本实施例采用24个单元11构成天线阵列，单元11的结构以及尺寸参数与实施例1相同；

图13为实施例4的天线阵列在不同端口开启的情况下波束扫描的方向图。

由此图11~图13可见，增加单元11的数目后，本发明的天线阵列的扫描精度可进一步提高。与此同时，单个单元11的特性（例如：阻抗匹配、波束宽度、增益等）几乎保持不变。

Claims

1.一种全向覆盖的宽带圆极化多波束天线阵列，其特征在于，包括多个具有相同的结构以及物理尺寸的单元（11），单元（11）包括一个介质极化器（21）和一个金属波导（22）；其中，金属波导（22）底部设置有一个法兰盘（24），金属波导（22）通过法兰盘（24）与馈电电路连接；金属波导（22）两侧设置有矩形的金属连接结构（23），所有单元（11）通过金属连接结构（23）相互连接，围绕中心轴呈等间距的环形排布，单元（11）中金属波导（22）的朝向为径向向外；

每个单元（11）单独激励，金属波导（22）内产生TE₁₀模式的线极化波；当馈入的电磁波经由金属波导（22）传播至介质极化器（21）后，介质片（31）对来波进行扰动，从而产生两个幅度相等且相互正交的线极化模式；由于介质片（31）在这两个正交方向上具有不同的结构特性，所以两个线极化模式在传播过程中具有不同的相位常数，在经过一段距离后，两个线极化模式之间的相位差达到90度，进而实现圆极化辐射；

介质极化器（21）包括一个半椭圆形的介质片（31）、一个矩形的介质连接结构（32）和一个燕尾形阻抗匹配结构（33），三者的中心轴重合、依次连接，介质片（31）与水平面即XY平面呈45度夹角且垂直于介质连接结构（32），介质连接结构（32）垂直于水平面，燕尾形阻抗匹配结构（33）平行于水平面；

直角坐标系的建立如下：直角坐标系的XY平面为整个天线阵列的方位面，XY平面与法兰盘（24）平行，直角坐标系的X轴与其中一个单元（11）的中轴线平行，直角坐标系的Z轴垂直于XY平面并与电磁波馈入方向相同；每个单元（11）中，金属波导（22）内部中空且沿宽壁弯折90度；

燕尾形阻抗匹配结构（33）插入金属波导（22）内部中空处，介质连接结构（32）紧贴金属波导（22）并固定，进而连接介质极化器（21）与金属波导（22）。

2.根据权利要求1所述的一种全向覆盖的宽带圆极化多波束天线阵列，其特征在于，介质连接结构（32）和金属波导（22）之间通过螺丝进行固定。

3.根据权利要求1所述的一种全向覆盖的宽带圆极化多波束天线阵列，其特征在于，宽带圆极化多波束天线阵列中所有金属结构，即金属波导（22）、金属波导（22）两侧的金属连接结构（23）和法兰盘（24），均通过金属的3-D打印技术加工实现，所有金属结构一体成型。

4.根据权利要求1所述的一种全向覆盖的宽带圆极化多波束天线阵列，其特征在于，介质极化器（21）中，介质片（31）、介质连接结构（32）和燕尾形阻抗匹配结构（33）三者一体成型，通过介质的3-D打印技术加工实现。

5.根据权利要求1所述的一种全向覆盖的宽带圆极化多波束天线阵列，其特征在于，介质极化器（21）的加工材料为树脂材料，相对介电常数为2.9，损耗角正切为0.01。

6.根据权利要求1所述的一种全向覆盖的宽带圆极化多波束天线阵列，其特征在于，金属波导（22）、金属波导（22）两侧的金属连接结构（23）和法兰盘（24）的加工材料包括铜、铝、铝合金或不锈钢。

7.根据权利要求1所述的一种全向覆盖的宽带圆极化多波束天线阵列，其特征在于，金属波导（22）内部中空处的尺寸与标准波导WR-28相同，即内部中空处的尺寸为7.1 mm×3.6mm。

8.根据权利要求1~7任一项所述的一种全向覆盖的宽带圆极化多波束天线阵列，其特征在于，介质极化器（21）的各个尺寸参数通过全波仿真软件仿真得出，单元（11）的数目大于等于18。