CN114267962A - 一种具有宽带特性的双圆极化阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有宽带特性的双圆极化阵列天线，包括：圆极化馈电网络和8*8阵列单元；其中，圆极化馈电网络包括隔板极化器和正交模式转换器；将电磁波输入到圆极化馈电网络的输入端口；利用隔板极化器在方波导区域内产生两种不同模式的电磁波，从而在方波导区域中传输圆极化电磁波；利用正交模式转换器将两种不同模式的电磁波分离至圆极化馈电网络的四个输出端口；通过8*8阵列单元将四个输出端口输出的电磁波辐射出去。本发明采用隔板极化器加载正交模式转换器的结构，利用隔板极化器和正交模式转换器实现双圆极化波的激励和分离，同时结合二者的宽带特性，实现了宽带双圆极化馈电网络。
Description
技术领域
本发明涉及毫米波通信技术领域，尤其是指一种具有宽带特性的双圆极化阵列天线。
背景技术
随着5G移动通信技术的成熟和移动通信系统的不断升级和发展，低频段频谱资源极度紧缺，同时无线业务的爆发式增长又带来对能够媲美光纤的超高速无线传输速率的巨大需求，现有的通信频段和技术越来越难以满足日益增长的业务需求。而在毫米波频段，目前仍然存在大量的空闲频谱资源，这些频谱资源使得提供数十吉比特，甚至上百吉比特的无线通信速率服务成为可能。近些年来，在5G技术的推动下，卫星通信逐渐在向毫米波频段发展。
与传统微波通信相比，毫米波因其波长短，带宽较宽的特点，可有效解决6GHz以下微波无线通信中频谱紧张的问题，实现超高速率无线通信。对于卫星通信系统而言，其工作频率随着5G技术发展逐渐从C、Ku波段向Ka波段等毫米波波段迁移。由于毫米波存在大气传输损耗较高的问题，对于卫星通信系统通常需要高增益的天线来补偿链路损耗，而高增益天线形式有阵列天线和反射面天线。此外，卫星通信天线往往需要采用圆极化的极化方式来克服传输过程中极化失配的问题。
常见的毫米波双圆极化阵列天线形式有：3dB电桥结合双线极化天线，这种形式的双圆极化阵列天线通常基于微带线结构实现，其结构简单、易于加工、剖面较低，然而这种结构的天线轴比带宽较窄，并且微带线结构的天线在毫米波频段具有高损耗的特点。另外一种则是双圆极化馈源结合馈电网络的形式，这类基于波导结构的天线在毫米波段虽然损耗较低，但其存在工作带宽较窄、结构复杂，尺寸缩放后在高频段难以加工的问题。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中基于波导结构的双圆极化阵列天线在毫米波频段带宽较窄的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种具有宽带特性的双圆极化阵列天线，其特征在于，包括：
圆极化馈电网络和8*8阵列单元；
其中，所述圆极化馈电网络包括隔板极化器和正交模式转换器；
将电磁波输入到所述圆极化馈电网络的输入端口；
利用所述隔板极化器在方波导区域内产生两种不同模式的电磁波，从而在所述方波导区域中传输圆极化电磁波；
利用所述正交模式转换器将所述两种不同模式的电磁波分离至所述圆极化馈电网络的四个输出端口；
通过所述8*8阵列单元将所述四个输出端口输出的电磁波辐射出去。
在本发明的一个实施例中，所述圆极化馈电网络输入端口输入的电磁波模式为TE10模式。
在本发明的一个实施例中，所述圆极化馈电网络输入端口输入的电磁波通过所述隔板极化器在方波导区域内产生TE10和TE01模式的电磁波，并且二者相位相差90°。
在本发明的一个实施例中，所述圆极化电磁波通过所述方波导区域进入所述正交模式转换器后，利用所述正交模式转换器将所述TE10和TE01模式电磁波分别分离至第三、五输出端口和第四、六输出端口，并使所述第三、五输出端口和所述第四、六输出端口之间的线极化波相位相差180°。
在本发明的一个实施例中，所述第三输出端口到所述第六输出端口的电磁波相位依次相差90°。
在本发明的一个实施例中，所述8*8阵列单元包括辐射层、腔体和馈电层。
在本发明的一个实施例中，所述8*8阵列单元包括4个4*4阵列单元。
在本发明的一个实施例中，所述4个4*4阵列单元按两行两列排布，且相邻4*4阵列单元之间相互正交。
在本发明的一个实施例中，所述圆极化馈电网络的四个输出端口输出的电磁波通过所述8*8阵列单元辐射时，电磁波的极化方式为圆极化。
在本发明的一个实施例中，所述圆极化电磁波为左旋极化电磁波或右旋极化电磁波。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的具有宽带特性的双圆极化阵列天线，其特征在于，包括：圆极化馈电网络和8*8阵列单元；其中，所述圆极化馈电网络包括隔板极化器和正交模式转换器；将电磁波输入到所述圆极化馈电网络的输入端口；利用所述隔板极化器在方波导区域内产生两种不同模式的电磁波，从而在所述方波导区域中传输圆极化电磁波；利用所述正交模式转换器将所述两种不同模式的电磁波分离至所述圆极化馈电网络的四个输出端口；通过所述8*8阵列单元将所述四个输出端口输出的电磁波辐射出去。本发明采用隔板极化器加载正交模式转换器的结构，利用隔板极化器和正交模式转换器实现双圆极化波的激励和分离，同时结合二者的宽带特性，实现了宽带双圆极化馈电网络。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
图1为本发明所提供的双圆极化阵列天线的结构图；
图2为本发明所提供的8*8阵列单元结构图；
图3为本发明所提供的双圆极化馈电网络结构图；
图4为本发明所提供的双圆极化阵列天线的电场和电流分布图；
图5为本发明所提供的双圆极化阵列天线的S参数仿真结果图；
图6为本发明所提供的双圆极化阵列天线的轴比仿真结果图；
图7为本发明所提供的双圆极化阵列天线的天线增益仿真结果图；
图8为本发明所提供的双圆极化阵列天线在90GHz-110GHz频点的归一化方向图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1所示，本发明的双圆极化阵列天线，包括：
圆极化馈电网络和8*8阵列单元；
其中，所述圆极化馈电网络包括隔板极化器和正交模式转换器；
将电磁波输入到所述圆极化馈电网络的输入端口；
利用所述隔板极化器在方波导区域内产生两种不同模式的电磁波，从而在所述方波导区域中传输圆极化电磁波；
利用所述正交模式转换器将所述两种不同模式的电磁波分离至所述圆极化馈电网络的四个输出端口；
通过所述8*8阵列单元将所述四个输出端口输出的电磁波辐射出去。
本实施例所提供的双圆极化阵列天线，采用隔板极化器加载正交模式转换器的结构，能够实现双圆极化波的激励和分离，同时结合隔板极化器和正交模式转换器的宽带特性，能够实现宽带双圆极化馈电网络。
基于上述实施例，本实施例是对双圆极化阵列天线作进一步说明；
所述双圆极化阵列天线包括双圆极化馈电网络和8*8阵列单元；所述8*8阵列单元由辐射层、腔体、馈电层三层构成，如图2所示，其中8*8阵列由4个4*4阵列单元构成，并且相邻两个4*4阵列单元沿xoy平面互相垂直排布。
当输入信号以TE10模式输入至所述圆极化馈电网络的第一输入端口时，通过所述隔板极化器在方波导区域内产生TE10和TE01模式的电磁波并且二者相位相差90°，从而在方波导区域中传输左旋圆极化波。当所述左旋圆极化波通过所述方波导进入所述正交模式转换器后，所述正交模式转换器将TE10和TE01模式电磁波分别分离至第三、五端口和第四、六端口，并使所述第三、五端口和所述第四、六端口之间的线极化波具有180°相位差。因此从所述第三端口到所述第六端口的电磁波相位依次相差90°，如图3所示。
当能量从所述双圆极化馈电网络分别馈入所述4个4*4阵列单元时，由于所述4*4阵列单元的一致性，从所述双圆极化馈电网络的四个输出端口输出的电磁波到达所述8*8阵列单元辐射层时相位并不会改变，同时由于相邻两个所述4*4阵列单元垂直排布，并且所述4个4*4阵列单元相位依次相差90°，因此电磁波从所述8*8阵列辐射出去时，极化方式为左旋圆极化波。
当输入信号以TE10模式输入至所述圆极化馈电网络的第二输入端口时，通过所述隔板极化器在所述方波导区域内产生TE10和TE01模式的电磁波并且二者相位相差90°，从而在方波导区域中传输右旋圆极化波。当所述右旋圆极化波通过所述方波导进入所述正交模式转换器后，所述正交模式转换器将TE10和TE01模式电磁波分别分离至第三、五端口和第四、六端口，并使第三、五端口和第四、六端口之间的线极化波具有180°相位差。因此从所述第三端口到所述第六端口的电磁波相位依次相差90°。
当能量从所述双圆极化馈电网络分别馈入所述4个4*4阵列单元时，由于所述4*4阵列单元的一致性，从所述双圆极化馈电网络的四个输出端口输出的电磁波到达所述8*8阵列单元辐射层时相位并不会改变，同时由于相邻两个所述4*4阵列单元垂直排布，并且所述4个4*4阵列单元相位依次相差90°，因此电磁波从所述8*8阵列辐射出去时，极化方式为右旋圆极化波。
所述双圆极化阵列天线的电场和电流分布图如图4所示，所述双圆极化阵列天线的S参数仿真结果图如图5所示，所述双圆极化天线的S11<-19dB的覆盖频率带宽为90GHz-110GHz，S21<-12dB的覆盖频率范围为90.2GHz-110GHz。所述双圆极化阵列天线的轴比仿真结果图如图6所示，左旋和右旋极化轴比具有较高的一致性，在90GHz-110GHz频带内低于1.15dB，圆极化纯度较高。所述双圆极化阵列天线的天线增益仿真结果图如图7所示，在90GHz-110GHz频带内，左旋和右旋增益大于22dBi。所述双圆极化阵列天线在90GHz-110GHz频点的归一化方向图如图8所示，所述双圆极化阵列天线在频带90GHz-110GHz内副瓣归一化幅值均低于-10dB。
本实施例所提供的双圆极化阵列天线，采用隔板极化器加载正交模式转换器的结构，利用隔板极化器和正交模式转换器实现双圆极化波的激励和分离。同时结合二者的宽带特性，实现了宽带双圆极化馈电网络。此双圆极化阵列天线不仅具有宽频带的优点，而且结构紧凑、简单易于加工，使得基于波导结构设计的双圆极化阵列天线在毫米波段可以广泛应用。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种具有宽带特性的双圆极化阵列天线，其特征在于，包括：
圆极化馈电网络和8*8阵列单元；
其中，所述圆极化馈电网络包括隔板极化器和正交模式转换器；
将电磁波输入到所述圆极化馈电网络的输入端口；
利用所述隔板极化器在方波导区域内产生两种不同模式的电磁波，从而在所述方波导区域中传输圆极化电磁波；
利用所述正交模式转换器将所述两种不同模式的电磁波分离至所述圆极化馈电网络的四个输出端口；
通过所述8*8阵列单元将所述四个输出端口输出的电磁波辐射出去。
2.根据权利要求1所述的双圆极化阵列天线，其特征在于，所述圆极化馈电网络输入端口输入的电磁波模式为TE10模式。
3.根据权利要求2所述的双圆极化阵列天线，其特征在于，所述圆极化馈电网络输入端口输入的电磁波通过所述隔板极化器在方波导区域内产生TE10和TE01模式的电磁波，并且二者相位相差90°。
4.根据权利要求3所述的双圆极化阵列天线，其特征在于，所述圆极化电磁波通过所述方波导区域进入所述正交模式转换器后，利用所述正交模式转换器将所述TE10和TE01模式电磁波分别分离至第三、五输出端口和第四、六输出端口，并使所述第三、五输出端口和所述第四、六输出端口之间的线极化波相位相差180°。
5.根据权利要求4所述的双圆极化阵列天线，其特征在于，所述第三输出端口到所述第六输出端口的电磁波相位依次相差90°。
6.根据权利要求1所述的双圆极化阵列天线，其特征在于，所述8*8阵列单元包括辐射层、腔体和馈电层。
7.根据权利要求1所述的双圆极化阵列天线，其特征在于，所述8*8阵列单元包括4个4*4阵列单元。
8.根据权利要求7所述的双圆极化阵列天线，其特征在于，所述4个4*4阵列单元按两行两列排布，且相邻4*4阵列单元之间相互正交。
9.根据权利要求1所述的双圆极化阵列天线，其特征在于，所述圆极化馈电网络的四个输出端口输出的电磁波通过所述8*8阵列单元辐射时，电磁波的极化方式为圆极化。
10.根据权利要求1所述的双圆极化阵列天线，其特征在于，所述圆极化电磁波为左旋极化电磁波或右旋极化电磁波。
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