CN114725671B - 一种双向圆极化单元天线及阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种双向圆极化单元天线及阵列天线，属于毫米波通信技术领域，包括：介质基板，以及嵌于介质基板表面的馈线、辐射贴片、第一平面、第二平面、第一耦合组件和第二耦合组件。本发明通过使单元天线的第一平面和第二平面保持不同的高度，相较于现有技术中使用高度相同的两个平面仅能够产生线极化辐射的方案，本发明能够产生圆极化辐射，解决了线极化失配的问题；进一步通过在辐射贴片两侧引入两个耦合组件，使之分别与辐射贴片发生耦合效应，在天线尺寸未增大的情况下，还大幅提高圆极化天线的频带带宽。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种双向圆极化单元天线及阵列天线。
背景技术
随着电磁波频率越来越高，天线工作频率的升高带来的诸多问题持续困扰着天线的设计开发。相比于线极化天线只能接收与它相同的线极化波，圆极化天线可以接收任意线极化波，也可以接收圆极化波，可以避免发射与接收天线因极化不匹配的关系而造成极化损耗。圆极化天线在解决极化失配、抑制雨雾干扰、消除法拉第效应方面性能优异，吸引了大量研究者的关注。
但随着5G无线通信系统的快速发展，越来越多的毫米波频段被分配到无线标准中。因此，为了实现高通用性和良好的兼容性，对天线的带宽和体积提出了越来越高的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种双向圆极化单元天线及阵列天线，无需对天线的尺寸进行增大即可提高天线的频带带宽，实现了天线的高通用性和良好的兼容性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种双向圆极化单元天线，包括：介质基板，以及嵌于所述介质基板表面的馈线、辐射贴片、第一平面、第二平面、第一耦合组件和第二耦合组件；
所述辐射贴片首端与所述介质基板的第一水平边缘保持齐平，所述馈线尾端与所述介质基板的第二水平边缘保持齐平，所述辐射贴片尾端与所述馈线首端相接；
所述第一平面位于所述馈线左侧，所述第二平面位于所述馈线右侧，所述第一平面和所述第二平面为高度不同的两个平面，所述第一平面和所述第二平面均接地；所述第一平面、所述馈线和所述第二平面之间设有间隙；
所述第一耦合组件位于所述辐射贴片左侧，所述第二耦合组件位于所述辐射贴片右侧，所述第一耦合组件、所述辐射贴片和所述第二耦合组件之间设有间隙。
可选的，所述第一耦合组件为C型环结构。
可选的，所述第二耦合组件为所述第二平面延伸出的一段平面。
可选的，所述辐射贴片首端为半椭圆形结构。
可选的，所述介质基板为PCB板。
可选的，所述馈线、辐射贴片、第一平面、第二平面、第一耦合组件和第二耦合组件均为金属材料。
对应于前述的双向圆极化单元天线，本发明还提供了一种双向圆极化阵列天线，包括：阵列介质基板、共用所述阵列介质基板的4个如前所述的双向圆极化单元天线、用于连接各所述双向圆极化单元天线的旋转馈电网络、馈电端口以及嵌于所述阵列介质基板背面的接地平面；
所述旋转馈电网络包括微带馈线、c型旋转馈线和4个馈线支节，所述c型旋转馈线分别与所述微带馈线和4个所述馈线支节连接；4个所述馈线支节分别与4个所述双向圆极化单元天线的馈线尾端连接，相邻两个所述双向圆极化单元天线的相位差为90°；各双向圆极化单元天线的所述第一平面和所述第二平面向所述c型旋转馈线各延伸出一段平面支节；
所述接地平面包括与所述馈电端口、所述微带馈线、所述c型旋转馈线和4个所述馈线支节分别对应的馈电端口接地面、微带馈线接地面、旋转馈线接地面和4个支节接地面，所述旋转馈线接地面分别与所述微带馈线和4个所述支节接地面连接；4个所述支节接地面与对应方向的双向圆极化单元天线的两段平面支节通过若干个并排的金属通孔连接；所述馈电端口与所述馈电端口接地面通过若干个并排的金属通孔连接。
可选的，相邻的两个所述双向圆极化单元天线的第一平面和第二平面做切角处理。
可选的，所述微带馈线和所述微带馈线接地面均为层级渐变结构。
可选的，所述微带馈线的宽度小于所述双向圆极化阵列天线最高频率对应的二分之一波长。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的一种双向圆极化单元天线及阵列天线，包括：介质基板，以及嵌于介质基板表面的馈线、辐射贴片、第一平面、第二平面、第一耦合组件和第二耦合组件；辐射贴片首端与介质基板的第一水平边缘保持齐平，馈线尾端与介质基板的第二水平边缘保持齐平，辐射贴片尾端与馈线首端相接；第一平面位于馈线左侧，第二平面位于馈线右侧，第一平面和第二平面为高度不同的两个平面；第一平面、馈线和第二平面之间设有间隙；第一耦合组件位于辐射贴片左侧，第二耦合组件位于辐射贴片右侧，第一耦合组件、辐射贴片和第二耦合组件之间设有间隙。本发明通过使单元天线的第一平面和第二平面保持不同的高度，相较于现有技术中使用高度相同的两个平面仅能够产生线极化辐射的方案，本发明能够产生圆极化辐射，解决了线极化失配的问题；进一步通过在辐射贴片两侧引入两个耦合组件，使之分别与辐射贴片发生耦合效应，在天线尺寸未增大的情况下，还大幅提高圆极化天线的频带带宽。另一方面，本发明将4个双向圆极化单元天线组成双向圆极化阵列天线，每相邻的两个双向圆极化单元天线同样也可以实现圆极化辐射，通过旋转馈电网络能够将馈电网络产生的圆极化辐射和单元天线本身产生的圆极化辐射组合在一起，从而扩宽天线的圆极化带宽，3dB轴比带宽可以达到103.5％。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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为本发明实施例1提供的一种双向圆极化单元天线的示意图；
图2为本发明实施例1提供的双向圆极化单元天线的俯视图；
图3为本发明实施例1的单元天线回波损耗仿真结果图；
图4为本发明实施例1的轴比带宽仿真结果对比图；
图5为本发明实施例2提供的一种双向圆极化阵列天线的示意图；
图6为本发明实施例2提供的一种双向圆极化阵列天线的俯视图；
图7为本发明实施例2提供的一种双向圆极化阵列天线的仰视图；
图8为本发明实施例2的阵列天线回波损耗仿真结果图；
图9为本发明实施例2的阵列天线轴比仿真结果图；
图10为本发明实施例2的阵列天线在25GHz频点下的xoz平面圆极化方向图；
图11为本发明实施例2的阵列天线在25GHz频点下的yoz平面圆极化方向图；
图12为本发明实施例2的阵列天线在35GHz频点下的xoz平面圆极化方向图；
图13为本发明实施例2的阵列天线在35GHz频点下的yoz平面圆极化方向图；
图14为本发明实施例2的阵列天线在45GHz频点下的xoz平面圆极化方向图；
图15为本发明实施例2的阵列天线在45GHz频点下的yoz平面圆极化方向图；
图16为本发明实施例2的阵列天线的增益仿真结果图。
符号解释：1：介质基板；2：馈线；3：辐射贴片；4：第一平面；5：第二平面；6：第一耦合组件；7：第二耦合组件；8：阵列介质基板；9：双向圆极化单元天线；10：馈电端口；11：金属通孔；12：微带馈线；13：c型旋转馈线；14：馈线支节；15：馈电端口接地面；16：微带馈线接地面；17：旋转馈线接地面；18：支节接地面；19：平面支节。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种双向圆极化单元天线及阵列天线，无需对天线的尺寸进行增大即可提高天线的频带带宽，实现了天线的高通用性和良好的兼容性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
本实施例提供了一种双向圆极化单元天线，如图1所示，双向圆极化单元天线包括：介质基板1，以及嵌于所述介质基板1表面的馈线2、辐射贴片3、第一平面4、第二平面5、第一耦合组件6和第二耦合组件7；
所述辐射贴片3首端与所述介质基板1的第一水平边缘保持齐平，所述馈线2尾端与所述介质基板1的第二水平边缘保持齐平，所述辐射贴片3尾端与所述馈线2首端相接；
所述第一平面4位于所述馈线2左侧，所述第二平面5位于所述馈线2右侧，所述第一平面4和所述第二平面5为高度不同的两个平面，所述第一平面4和所述第二平面5均接地；所述第一平面4、所述馈线2和所述第二平面5之间设有间隙；
所述第一耦合组件6位于所述辐射贴片3左侧，所述第二耦合组件7位于所述辐射贴片3右侧，所述第一耦合组件6、所述辐射贴片3和所述第二耦合组件7之间设有间隙。
在本实施例中，第一耦合组件6为C型环结构。C形环与辐射贴片3之间的耦合效应在低频处产生了一个新的谐振点。
在本实施例中，所述第二耦合组件7为所述第二平面5延伸出的一段平面。第二耦合组件7与辐射贴片3产生耦合效应，在高频处产生一个新的谐振点。
在本实施例中，所述辐射贴片3首端为半椭圆形结构。可以减小电流的反射，从而改善天线的阻抗带宽和轴比带宽。
在本实施例中，所述介质基板1为PCB板，可选为罗杰斯5880，厚度为0.127mm，介电常数为2.2。
在本实施例中，所述馈线2、辐射贴片3、第一平面4、第二平面5、第一耦合组件6和第二耦合组件7均为金属材料，包括但不限于覆铜、铝、金和银等金属。
本发明通过在辐射贴片3旁引入一个C形环，利用C形环与辐射贴片3之间的耦合效应在低频处(23GHz)产生了一个新的谐振点，从而扩展了天线的轴比带宽。进一步的，在第二平面5靠近辐射贴片3处再引入一个耦合支节，耦合支节与辐射贴片3产生耦合效应，在高频处产生了一个新的谐振点，可以进一步扩展天线的轴比带宽，通过调整第一平面4和第二平面5的间隙大小和高度，以及C形环和耦合支节的位置，可以将三个相邻的圆极化谐振点组合在一起，获得宽频带的带宽。如图2所示，优化后的C形环和辐射贴片3之间的间隙大小为0.05mm，耦合支节和辐射贴片3之间的距离为0.25mm。
如图3所示为双向圆极化单元天线的回波损耗仿真结果，结果显示，其在-10dB的频带带宽为20～23.76GHz和29.71～60GHz，中间23.76～29.71GHz回波损耗最大值为-8.4dB。如图4所示为不同结构下单元单极子天线轴比带宽的对比图，分别对比了其在有无C形环和耦合支节时天线的3dB轴比带宽，结果显示，当没有C形环和耦合组件时，第一平面4和第二平面5只能产生45GHz处的一个谐振点，轴比带宽很窄。当有C形环时，由于C形环与天线耦合，在低频处产生了一个新的谐振点，轴比带宽变宽了。当既有C形环又有耦合支节时，耦合支节的加入使得天线在高频处产生了一个新的谐振点，进一步扩宽了天线的轴比带宽，3dB轴比带宽达到了24.22～54.55GHz，相对带宽为77％。
实施例2：
如图5-图7所示，对应于实施例1所提供的一种双向圆极化单元天线，本实施例提供了一种双向圆极化阵列天线，采用共面波导馈电，使用罗杰斯5880介质基板，其介电常数为2.2mm，厚度为0.127mm，包括：
阵列介质基板8、共用所述阵列介质基板的4个如实施例1所述的双向圆极化单元天线9、用于连接各所述双向圆极化单元天线9的旋转馈电网络、馈电端口10以及嵌于所述阵列介质基板背面的接地平面；接地平面通过金属通孔11连接到各双向圆极化单元天线9的第一平面4和第二平面5上，起到接地的作用。
所述旋转馈电网络包括微带馈线12、c型旋转馈线13和4个馈线支节14，所述c型旋转馈线13分别与所述微带馈线12和4个所述馈线支节14连接；4个所述馈线支节14分别与4个所述双向圆极化单元天线9的馈线2尾端连接，相邻两个所述双向圆极化单元天线的相位差为90°；各双向圆极化单元天线9的所述第一平面4和所述第二平面5向所述c型旋转馈线13各延伸出一段平面支节19；
所述接地平面包括与所述馈电端口10、所述微带馈线12、所述c型旋转馈线13和4个所述馈线支节14分别对应的馈电端口接地面15、微带馈线接地面16、旋转馈线接地面17和4个支节接地面18，所述旋转馈线接地面17分别与所述微带馈线12和4个所述支节接地面18连接；4个所述支节接地面18与对应方向的双向圆极化单元天线9的两段平面支节19通过若干个并排的金属通孔11连接；所述馈电端口10与所述馈电端口接地面15通过若干个并排的金属通孔11连接。金属通孔11的作用是连接下方的接地面，实现双向圆极化单元天线9的接地，并排的金属通孔11也能使得电磁波集中沿着金属通孔11向双向圆极化单元天线9传播，避免电磁波向两侧传播造成损耗和干扰。
本发明所采用的旋转馈电网络能够进一步扩宽天线的圆极化带宽。具体地，微带线馈电的旋转馈电网络在逆时针方向4个馈线支节14处的相位分别为0°、90°、180°、270°，每个相邻的馈线支节14相位差为90°，并且电流方向是正交的，从而产生圆极化辐射模式。通过调节旋转馈电网络的尺寸大小和馈线支节14的长度，能够将旋转馈电网络产生的圆极化辐射和双向圆极化单元天线9本身产生的圆极化辐射组合在一起，从而扩宽阵列天线的圆极化带宽，3dB轴比带宽可以达到103.5％。轴比低于3dB，认为是圆极化辐射，反之不是。
在本实施例中，相邻的两个所述双向圆极化单元天线9的第一平面4和第二平面5做切角处理；可以使双向圆极化单元天线9靠的更近，实现提高阵列天线的方向性和增益并降低副瓣电平，如果不做切角处理，此时单元之间的地平面会相互接触，性能会恶化。
在本实施例中，所述微带馈线12和所述微带馈线接地面16均为层级渐变结构；例如，微带馈线12采用10级渐变结构，所述10级渐变是指它由10段相同长度但不同宽度矩形结构连接而成，并且所有相邻的矩形的邻边顶点相连组成渐变结构，如果不相连则成了阶梯型结构。所述10级渐变中第1级到第2级渐变幅度为0.01mm，其余每一级以0.02mm的幅度依次均匀增加宽度，连接馈电端口10的为第1级矩形，其最窄，宽度为0.3mm，连接旋转馈电网络的为第10级矩形，其最宽，宽度为0.47mm。渐变结构的微带馈线12由于具有逐渐变化的馈线宽度，从而使不同频率谐振模式之间的阻抗变化较小，在不同频率下可以在微带馈线12的不同位置谐振，有利于实现宽带特性。微带馈线接地面16，与微带馈线12一样采用渐变结构，共10级渐变。每一级以0.04mm的幅度依次均匀增加宽度，靠近馈电端口10一级矩形的最窄，宽度为1.14mm，靠近旋转馈电网络一级矩形的最宽，宽度为1.50mm。
在本实施例中，所述微带馈线12的宽度小于所述双向圆极化阵列天线最高频率对应的二分之一波长，有利于减小不期望的馈线辐射，从而实现降低旋转馈电网络的损耗，实现更高的增益。
图8为阵列天线的回波损耗仿真结果，结果显示-10dB回波损耗带宽为17.6～19.7GHz和23～64.5GHz。图9为阵列天线的轴比仿真结果，结果显示3dB轴比带宽为19.64～61.75GHz，相对带宽达到了103.5％。图10和图11分别为阵列天线在25GHz频点下的xoz和yoz圆极化方向图，图12和图13分别为阵列天线在35GHz频点下的xoz平面和yoz平面的辐射方向图，图14和图15分别为阵列天线在45GHz频点下的xoz平面和yoz平面的辐射方向图。结果显示，天线具有很好地方向性，并呈现出双向辐射特性，在+z方向为右旋圆极化辐射，在-z方向为左旋圆极化辐射。图16为阵列天线在+z方向的增益曲线。
根据上述阵列天线方向图所示，可以观察到很明显的双向圆极化辐射，并且具有良好的方向性，在25GHz、35GHz和45GHz三个频点下方向图副瓣电平都大于8dB，表明该天线在宽带范围皆具有良好的方向性。而且正如在“技术背景”中描述，双向辐射的阵列天线还可以应用于隧道等窄长直领域中，减少天线的使用，从而减弱信号干扰并且能够降低成本。
技术中的程序部分可以被认为是以可执行的代码和/或相关数据的形式而存在的“产品”或“制品”，通过计算机可读的介质所参与或实现的。有形的、永久的储存介质可以包括任何计算机、处理器、或类似设备或相关的模块所用到的内存或存储器。例如，各种半导体存储器、磁带驱动器、磁盘驱动器或者类似任何能够为软件提供存储功能的设备。
所有软件或其中的一部分有时可能会通过网络进行通信，如互联网或其他通信网络。此类通信可以将软件从一个计算机设备或处理器加载到另一个。例如：从视频目标检测设备的一个服务器或主机计算机加载至一个计算机环境的硬件平台，或其他实现系统的计算机环境，或与提供目标检测所需要的信息相关的类似功能的系统。因此，另一种能够传递软件元素的介质也可以被用作局部设备之间的物理连接，例如光波、电波、电磁波等，通过电缆、光缆或者空气等实现传播。用来载波的物理介质如电缆、无线连接或光缆等类似设备，也可以被认为是承载软件的介质。在这里的用法除非限制了有形的“储存”介质，其他表示计算机或机器“可读介质”的术语都表示在处理器执行任何指令的过程中参与的介质。
本文中应用了具体个例，但以上描述仅是对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；本领域的技术人员应该理解，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种双向圆极化阵列天线，其特征在于，所述双向圆极化阵列天线包括：阵列介质基板、共用所述阵列介质基板的4个双向圆极化单元天线、用于连接各所述双向圆极化单元天线的旋转馈电网络、馈电端口以及嵌于所述阵列介质基板背面的接地平面；
所述旋转馈电网络包括微带馈线、c型旋转馈线和4个馈线支节，所述c型旋转馈线分别与所述微带馈线和4个所述馈线支节连接；4个所述馈线支节分别与4个所述双向圆极化单元天线的馈线尾端连接，相邻两个所述双向圆极化单元天线的相位差为90°；各双向圆极化单元天线的第一平面和第二平面向所述c型旋转馈线各延伸出一段平面支节；
所述接地平面包括与所述馈电端口、所述微带馈线、所述c型旋转馈线和4个所述馈线支节分别对应的馈电端口接地面、微带馈线接地面、旋转馈线接地面和4个支节接地面，所述旋转馈线接地面分别与所述微带馈线和4个所述支节接地面连接；4个所述支节接地面与对应方向的双向圆极化单元天线的两段平面支节通过若干个并排的金属通孔连接；所述馈电端口与所述馈电端口接地面通过若干个并排的金属通孔连接。
2.根据权利要求1所述的双向圆极化阵列天线，其特征在于，相邻的两个所述双向圆极化单元天线的第一平面和第二平面做切角处理。
3.根据权利要求1所述的双向圆极化阵列天线，其特征在于，所述微带馈线和所述微带馈线接地面均为层级渐变结构。
4.根据权利要求1所述的双向圆极化阵列天线，其特征在于，所述微带馈线的宽度小于所述双向圆极化阵列天线最高频率对应的二分之一波长。
5.根据权利要求1所述的双向圆极化阵列天线，其特征在于，所述双向圆极化单元天线包括：介质基板，以及嵌于所述介质基板表面的馈线、辐射贴片、第一平面、第二平面、第一耦合组件和第二耦合组件；
所述辐射贴片首端与所述介质基板的第一水平边缘保持齐平，所述馈线尾端与所述介质基板的第二水平边缘保持齐平，所述辐射贴片尾端与所述馈线首端相接；
所述第一平面位于所述馈线左侧，所述第二平面位于所述馈线右侧，所述第一平面和所述第二平面为高度不同的两个平面，所述第一平面和所述第二平面均接地；所述第一平面、所述馈线和所述第二平面之间设有间隙；
所述第一耦合组件位于所述辐射贴片左侧，所述第二耦合组件位于所述辐射贴片右侧，所述第一耦合组件、所述辐射贴片和所述第二耦合组件之间设有间隙。
6.根据权利要求5所述的双向圆极化阵列天线，其特征在于，所述第一耦合组件为C型环结构。
7.根据权利要求5所述的双向圆极化阵列天线，其特征在于，所述第二耦合组件为所述第二平面延伸出的一段平面。
8.根据权利要求5所述的双向圆极化阵列天线，其特征在于，所述辐射贴片首端为半椭圆形结构。
9.根据权利要求5所述的双向圆极化阵列天线，其特征在于，所述介质基板为PCB板。
10.根据权利要求5所述的双向圆极化阵列天线，其特征在于，所述馈线、辐射贴片、第一平面、第二平面、第一耦合组件和第二耦合组件均为金属材料。
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