CN114284747A - 多种极化可重构锥状波束Fabry-Perot腔天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多种极化可重构锥状波束Fabry‑Perot腔天线，包括Fabry‑Perot腔、贴片天线和双端口馈电网络；所述贴片天线设置在Fabry‑Perot腔中；所述双端口馈电网络由嵌套的同轴双端口对Fabry‑Perot腔中的贴片天线馈电，通过控制双端口的输入实现水平极化、垂直极化、左旋圆极化和右旋圆极化四种极化模式的锥状波束。本发明结构简单、一体化设计，重量轻，频带宽，增益高，在固定频率下通过控制端口的输入可以实现水平极化、垂直极化、左旋圆极化和右旋圆极化四种极化模式的高增益锥状波束。

Description

多种极化可重构锥状波束Fabry-Perot腔天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体为一种多种极化可重构锥状波束Fabry-Perot腔天线。

背景技术

近年来，最大辐射方向位于与天线的法线方向成一定倾斜角度的锥面上的锥状波束天线广泛应用于卫星通信、车载导航和弹丸引信制导等移动通信系统中。例如当地球同步通信卫星位于赤道平面时，此时位于南北半球的通信设备与卫星进行通信的路径与地面呈一定倾角；其次，装备有通信设备的车辆等移动终端在行进中随着行驶方向的变化，天线的接收路径也会发生改变。因此，在周向呈现全向特性，且在一定仰角范围内呈现高增益的锥状波束天线是一个很好的解决方案，能够满足卫星通信中的波束跟踪功能且相比一般的全向天线更能满足天线高增益的要求。此外，在车载导航和弹丸引信制导等移动通信系统中有一个共同的特点就是这些载体需要与卫星、地面基站等多种极化类型的发射端通信，所以终端天线的极化必须保持与星载系统或地面基站等发射端的天线一致，才能避免产生极化损失。这种情况下则需要一种高增益多种极化可重构的锥状波束天线才能完成收发工作。综合以上分析，研究一种高增益多种极化可重构特性的锥状波束天线具有重要的意义。

实现极化可重构的方法目前主要有两种，一种是可控馈电系统，另一种是可控缝隙。可控馈电系统是通过加载可变电抗或切换馈电位置，使得在馈电输出端产生不同的相位差，从而改变天线的极化特性。而可控槽缝是将缝隙加在天线合适位置，并在缝隙上加入射频开关以改变电流路径。

实现高增益的方法目前主要有反射面天线、反射阵列天线、介质透镜天线、单元天线组成的天线阵列和Fabry-Perot腔天线等。前几种天线的体积巨大，且为非平面结构，增加了制作成本和难度。而阵列天线需要较为复杂的馈电网络，使辐射效能下降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑、高增益的多种极化可重构锥状波束Fabry-Perot腔天线。

实现本发明目的的技术方案为：一种多种极化可重构锥状波束Fabry-Perot腔天线，包括Fabry-Perot腔、贴片天线和双端口馈电网络；

所述贴片天线设置在Fabry-Perot腔中；

所述双端口馈电网络由嵌套的同轴双端口对Fabry-Perot腔中的贴片天线馈电，通过控制双端口的输入实现水平极化、垂直极化、左旋圆极化和右旋圆极化四种极化模式的锥状波束。

优选地，所述Fabry-Perot腔包括第一金属地板、第一金属印刷电路、第一介质基板，所述第一金属印刷电路印刷在第一介质基板正对第一金属地板的一面，第一金属地板和第一金属印刷电路之间形成腔体，所述第一金属印刷电路包括10圈无金属的圆形图案，圆的排布规则为：中心处一个圆，沿半径方向每增加距离P增加一圈圆，每圈圆之间的间距相等，由中心向外侧第n圈圆的个数Nn满足公式：Nn＝round(2nπ)，n为正整数。

优选地，所述第一介质基板为Rogers RO4003,其介电常数为3.55，所述腔体为空气。

优选地，所述贴片天线包括第二介质基板、第二印刷电路和金属化通孔，所述第二介质基板设置于第一金属地板的一面，所述第二印刷电路印刷在第二介质基板的上表面，所述第二印刷电路的非金属图案为m个周向旋转排布的Vivaldi开口，m为自然数；所述金属化通孔贯穿第二介质基板，两端分别与第一金属地板、第二印刷电路相连。

优选地，Vivaldi图案轮廓线表达式为

其中V_bw＝0.3mm，V_tw＝15.92mm，V_l＝16.22mm，R_i2≤x≤V_l，R_i2为第一空心金属圆柱外半径。

优选地，所述双端口馈电网络包括由端口1和端口2馈电的嵌套同轴波导和巴伦平衡馈电网络，所述嵌套同轴波导包括同心设置的探针、空心Teflon圆柱、第一空心金属圆柱和第二空心金属圆柱，所述探针设置在空心Teflon圆柱的内部且上端与巴伦平衡馈电网络连接，所述空心Teflon圆柱设置在第一空心金属圆柱的内部且上端与第一空心金属圆柱平齐，所述第一空心金属圆柱设置在第二空心金属圆柱的内部且上端与贴片天线第二印刷电路连接。

优选地，所述Teflon圆柱采用介电常数为2.1的Teflon介质，内外半径分别为R_i1＝0.3mm、R_o1＝1mm。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

1、利用多种极化可重构技术，可以使锥状波束天线避免产生极化损失。

2、利用Fabry-Perot腔天线构建了低剖面，结构简单的高增益锥状波束天线。采用平面结构相对简单，并且生产和加工成本更低。

3、Fabry-Perot腔天线在实现高增益和高口径效率的同时，采用嵌套双端口馈电形式作为其馈电结构，无需加载复杂的馈电网络，可以有效地提升辐射效率。

下面结合附图和具体实施方案对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明多种极化可重构锥状波束Fabry-Perot腔天线的主视图。

图2是本发明多种极化可重构锥状波束Fabry-Perot腔天线的俯视图。

图3是图1中的双端口馈电网络(3)和贴片天线(2)沿图2中AA₁切开的剖面放大图。

图4是图1中的贴片天线(2)放大的俯视图。

图5是图3中的巴伦馈电网络(32)放大的俯视图。

图6是本发明实施例的水平极化(Horizontal polarization“HP”)增益方向图。

图7是本发明实施例的垂直极化(Vertical polarization“VP”)增益方向图。

图8是本发明实施例的左旋圆极化(Left-hand circular polarization“LHCP”)增益方向图。

图9是本发明实施例的右旋圆极化(Left-hand circularpolarization“RHCP”)增益方向图。

图10是本发明实施例的双端口S参数性能图。

图11是本发明实施例的轴比性能图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，一种多种极化可重构锥状波束Fabry-Perot腔天线，包括Fabry-Perot腔(1)；贴片天线(2)；和双端口馈电网络(3)。所述Fabry-Perot腔包括第一金属地板(11)、印刷电路(12)、第一介质基板(13)和腔体(14)。所述贴片天线(2)具有7个Vivaldi开口，并周向旋转排布在贴片天线上。所述双端口馈电网络(3)分别由嵌套的端口1和端口2对Fabry-Perot腔(1)中的贴片天线(2)馈电。

结合图2，所述第一介质基板(13)底面的印刷电路(12)上的非金属图案为同样半径的圆(15)。所述圆(15)的排布规则为：中心处一个圆，沿半径方向每增加距离P增加一圈圆，每圈圆之间的间距相等，由中心向外侧第n圈圆的个数Nn满足公式：Nn＝round(2nπ)，n为正整数。

结合图3，所述贴片天线(2)包括第二介质基板(21)、第二印刷电路(22)和金属化通孔(23)。所述第二印刷电路(22)印刷在第二介质基板(21)的上表面，无金属部分的形状为7个周向排布的Vivaldi开口图案。所述金属化通孔(23)贯穿第二介质基板(21)，两端分别与第一金属地板(11)、第二印刷电路(22)相连。

所述双端口馈电网络(3)包括由端口1和端口2馈电的嵌套同轴波导(31)和巴伦平衡馈电网络(32)，所述嵌套同轴波导(31)包括同心设置的探针(311)、空心Teflon圆柱(312)、第一空心金属圆柱(313)和第二空心金属圆柱(314)，所述探针(311)设置在空心Teflon圆柱(312)的内部且上端与巴伦平衡馈电网络(32)连接，所述空心Teflon圆柱(312)设置在第一空心金属圆柱(313)的内部且上端与第一空心金属圆柱(313)平齐，所述第一空心金属圆柱(313)设置在第二空心金属圆柱(314)的内部且上端与贴片天线第二印刷电路(22)连接。所述端口1馈电的同轴探针(311)连接巴伦平衡馈电网络(32)从贴片天线(2)上方对贴片天线(2)馈电。所述端口2馈电的同轴波导由第一空心金属圆柱(313)和第二空心金属圆柱(314)组成，从下方对贴片天线(2)馈电。巴伦平衡馈电网络(32)包括介质基板(321)和印刷电路(322)。所述巴伦平衡馈电网络(32)贴附于贴片天线(2)上方。所述金属印刷电路(322)印刷在介质基板(321)的上表面。

所述由端口1馈电的同轴探针(311)连接巴伦平衡馈电网络(32)，从贴片天线(2)上方对贴片天线(2)馈电产生水平极化的电磁波。所述端口2馈电的同轴波导由第一空心金属圆柱(313)和第二空心金属圆柱(314)组成，从下方对贴片天线(2)馈电产生垂直极化的电磁波。

所述端口1和端口2同时馈电且输入的馈电相位满足垂直极化电磁波和水平极化电磁波的相位差为正/负90°时，本发明可以产生左旋/右旋圆极化的锥状波束。

结合图4，所述第二印刷电路(22)的非金属图案为m个周向旋转排布的Vivaldi开口，m为自然数。

结合图5，所述巴伦平衡馈电网络的金属印刷电路(322)包括m个巴伦馈电线，m为自然数。

实施例

参见图1，本发明多种极化可重构锥状波束Fabry-Perot腔天线的结构示意图。多种极化可重构锥状波束Fabry-Perot腔天线由Fabry-Perot腔(1)，贴片天线(2)，和双端口馈电网络(3)组成。所述贴片天线(2)具有7个Vivaldi开口，并周向旋转排布在贴片天线上。所述双端口馈电网络(3)分别由嵌套的端口1和端口2对Fabry-Perot腔(1)中的贴片天线(2)馈电。

示例性的，本发明中Fabry-Perot腔包括第一金属地板(11)、印刷电路(12)、第一介质基板(13)和腔体(14)。实施例中，第一介质基板(13)采用相对介电常数为3.55，厚度为1.524mm的Rogers 4003介质板，腔体(14)的高度为h＝13.5mm。

参见图2，半径为R＝110mm的第一介质基板(13)底面是半径R_print＝105mm的印刷电路(12)，印刷电路(12)上的非金属图案为半径R_hole＝3.4mm相同的圆(15)。圆(15)的排布规则为：中心处一个圆，沿半径方向每增加距离P＝10.4mm则增加一圈圆，每圈圆之间的间距相等，由中心向外侧第n圈圆的个数Nn满足公式：Nn＝round(2nπ)，n为正整数。例如可以是如图2所示的10圈圆，则由中心向外每圈圆的个数依次为6、13、19、25、31、38、44、50、57、63，本发明实施例对此不进行限制。

参见图3，贴片天线(2)包括第二介质基板(21)、第二印刷电路(22)和金属化通孔(23)。金属化通孔(23)贯穿第二介质基板(21)，两端分别与第一金属地板(11)、第二印刷电路(22)相连。双端口馈电网络(3)包括由端口1和端口2馈电的嵌套同轴波导(31)和巴伦平衡馈电网络(32)。由端口1馈电的同轴探针(311)连接巴伦平衡馈电网络(32)从贴片天线(2)上方对贴片天线(2)馈电。有端口2馈电的同轴波导包括外半径R_i2＝1.5mm的第一空心金属圆柱(313)和内半径R_o2＝3mm的第二空心金属圆柱(314)，从下方对贴片天线(2)馈电。巴伦平衡馈电网络(32)包括介质基板(321)和印刷电路(322)。印刷电路(322)印刷在介质基板(321)上表面，巴伦平衡馈电网络(32)贴附于贴片天线(2)上方。

第二介质基板(21)采用相对介电常数为3.55，厚度为t₁＝1.524mm的Rogers 4003介质板。

介质基板(321)采用相对介电常数为2.2，厚度为t₂＝0.25mm的Rogers 5880介质板。

Teflon圆柱采用介电常数为2.1的Teflon，内外半径分别为R_i1＝0.3mm、R_o1＝1mm。

参见图4，第二介质基板(21)半径R_v＝18mm；金属化通孔(23)半径为0.2mm，金属化通孔(23)所在位置的半径R_s＝15mm。第二印刷电路(22)的非金属图案为7个周向旋转排布的Vivaldi开口，边缘宽度角θ＝3°，馈电处缝隙保持宽度不小于W_v＝0.2mm，Vivaldi图案轮廓线表达式为

其中V_bw＝0.3mm，V_tw＝15.92mm，V_l＝16.22mm，R_i2≤x≤V_l。

参见图5，巴伦馈电的微带线长度分别为l₁＝0.57mm，l₂＝0.57mm，l₃＝2.28mm，l₄＝2.45mm，l₅＝0.57mm，l₆＝0.45mm，l₇＝2.45mm，倒角边长l_cut＝0.4mm，巴伦馈电的微带线宽度w₁＝0.1mm，w₂＝0.2mm，w₃＝0.7mm，其中l₃为宽度渐变的微带线。介质基板(321)半径R_b＝5.8mm。

实施例中，所述多种极化可重构锥状波束Fabry-Perot腔天线的中心频率12GHz。

图6是利用HFSS仿真软件，工作在12GHz频率处，本发明多种极化可重构锥状波束Fabry-Perot腔天线,单独对端口1馈电时产生的水平极化锥状波束天线方向图。由图可知，天线增益达到12.5dBi，此时两馈电端口间的隔离度范围内达到-40dB以下,具有良好的隔离，两种天线能够独立工作而不会相互干扰。

图7是利用HFSS仿真软件，工作在12GHz频率处，本发明多种极化可重构锥状波束Fabry-Perot腔天线,单独对端口2馈电时产生的垂直极化锥状波束天线方向图。由图可知，天线增益达到12.2dBi，此时两馈电端口间的隔离度范围内达到-40dB以下,具有良好的隔离，两种天线能够独立工作而不会相互干扰。

图8是利用HFSS仿真软件，工作在12GHz频率处，本发明多种极化可重构锥状波束Fabry-Perot腔天线,同时对端口1和端口2馈电且水平极化与垂直极化电磁波相位差为90°时产生的左旋圆极化锥状波束天线方向图。由图可知，天线增益达到12.1dBic。

图9是利用HFSS仿真软件，工作在12GHz频率处，本发明多种极化可重构锥状波束Fabry-Perot腔天线,同时对端口1和端口2馈电且水平极化与垂直极化电磁波相位差为-90°时产生的右旋圆极化锥状波束天线方向图。由图可知，天线增益达到12.2dBic。

图10是利用HFSS仿真软件，工作在12GHz频率处，本发明多种极化可重构锥状波束Fabry-Perot腔天线,双端口的S参数。由图可知，水平极化锥状波束状态下天线在11.5GHz～12.6GHz范围内的S₁₁均小于-10dB；垂直极化锥状波束状态下天线在11.3GHz～12.45GHz范围内的S₁₁均小于-10dB；对应的圆极化同时馈电时，在11.5GHz～12.45GHz范围内的二者的S₁₁均小于-10dB。

图11是利用HFSS仿真软件，工作在12GHz频率处，本发明多种极化可重构锥状波束Fabry-Perot腔天线工作在圆极化状态的轴比。由图可知，整个阻抗匹配带宽内，轴比都小于3dB。

综上所述，本发明多种极化可重构锥状波束Fabry-Perot腔天线剖面低，重量轻，增益高，能够实现多种极化收发共用，且结构简单紧凑，便于实现。

Claims (7)

1.一种多种极化可重构锥状波束Fabry-Perot腔天线，其特征在于，包括Fabry-Perot腔(1)、贴片天线(2)和双端口馈电网络(3)；

所述贴片天线(2)设置在Fabry-Perot腔(1)中；

所述双端口馈电网络(3)由嵌套的同轴双端口对Fabry-Perot腔(1)中的贴片天线(2)馈电，通过控制双端口的输入实现水平极化、垂直极化、左旋圆极化和右旋圆极化四种极化模式的锥状波束。

2.根据权利要求1所述的多种极化可重构锥状波束Fabry-Perot腔天线，其特征在于，所述Fabry-Perot腔(1)包括第一金属地板(11)、第一金属印刷电路(12)、第一介质基板(13)，所述第一金属印刷电路(12)印刷在第一介质基板(13)正对第一金属地板(11)的一面，第一金属地板(11)和第一金属印刷电路(12)之间形成腔体(14)，所述第一金属印刷电路(12)包括10圈无金属的圆形图案(15)，圆(15)的排布规则为：中心处一个圆，沿半径方向每增加距离P增加一圈圆，每圈圆之间的间距相等，由中心向外侧第n圈圆的个数Nn满足公式：Nn＝round(2nπ)，n为正整数。

3.根据权利要求2所述的多种极化可重构锥状波束Fabry-Perot腔天线，其特征在于，所述第一介质基板(13)为Rogers RO4003,其介电常数为3.55，所述腔体(14)为空气。

4.根据权利要求2所述的多种极化可重构锥状波束Fabry-Perot腔天线，其特征在于，所述贴片天线(2)包括第二介质基板(21)、第二印刷电路(22)和金属化通孔(23)，所述第二介质基板(21)设置于第一金属地板(11)的一面，所述第二印刷电路(22)印刷在第二介质基板(21)的上表面，所述第二印刷电路(22)的非金属图案为m个周向旋转排布的Vivaldi开口，m为自然数；所述金属化通孔(23)贯穿第二介质基板(21)，两端分别与第一金属地板(11)、第二印刷电路(22)相连。

5.根据权利要求4所述的多种极化可重构锥状波束Fabry-Perot腔天线，其特征在于，Vivaldi图案轮廓线表达式为

其中V_bw＝0.3mm，V_tw＝15.92mm，V_l＝16.22mm，R_i2≤x≤V_l，R_i2为第一空心金属圆柱(313)外半径。

6.根据权利要求1所述的多种极化可重构锥状波束Fabry-Perot腔天线，其特征在于，所述双端口馈电网络(3)包括由端口1和端口2馈电的嵌套同轴波导(31)和巴伦平衡馈电网络(32)，所述嵌套同轴波导(31)包括同心设置的探针(311)、空心Teflon圆柱(312)、第一空心金属圆柱(313)和第二空心金属圆柱(314)，所述探针(311)设置在空心Teflon圆柱(312)的内部且上端与巴伦平衡馈电网络(32)连接，所述空心Teflon圆柱(312)设置在第一空心金属圆柱(313)的内部且上端与第一空心金属圆柱(313)平齐，所述第一空心金属圆柱(313)设置在第二空心金属圆柱(314)的内部且上端与贴片天线第二印刷电路(22)连接。

7.根据权利要求6所述的多种极化可重构锥状波束Fabry-Perot腔天线，其特征在于，所述Teflon圆柱采用介电常数为2.1的Teflon介质，内外半径分别为R_i1＝0.3mm、R_o1＝1mm。

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