CN114883787A - 一种基于层叠式阿基米德螺旋结构的毫米波共口径天线 - Google Patents

一种基于层叠式阿基米德螺旋结构的毫米波共口径天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于层叠式阿基米德螺旋结构的共口径天线，依次包括基片集成同轴线馈电网络、接地共面波导馈电结构、耦合缝隙层和双层叠式阿基米德螺旋臂辐射结构，电磁波经过基片集成同轴线馈电网络，通过SICL‑to‑GCPW转接结构至接地共面波导馈电结构，再通过耦合缝隙层耦合至底层馈电直臂，最后由顶层螺旋臂辐射出去。本发明的结构将工作在不同频段的辐射结构放置在同一口径面内，通过单馈电端口实现同时在K和Ka波段工作，且具有相互正交的圆极化特性，同时在两个频段内均可达到较宽的相对轴比带宽，辐射性能良好。

Description

一种基于层叠式阿基米德螺旋结构的毫米波共口径天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种基于层叠式阿基米德螺旋结构的毫米波共口径天线。
背景技术
随着现代无线通信系统的飞速发展，多波段天线由于其具有多个工作频段及信道容量较高的特性而受到了国内外学者的广泛关注。进一步地，圆极化天线不仅可以减弱无线通信系统中常遇到的多径衰落现象，而且可以放宽对发射天线和接收天线极化相对方向的约束，避免由于极化失配导致无线通信链路的可靠性降低且具有较强的穿透能力，因而在某些应用中比线极化天线更可取。
共口径天线是将多个天线结构通过合理的空间布局限制在一定的尺寸内，以实现多频段，多极化性能，且具有较高的空间利用率。若共口径天线在不同的工作频段内具有相互正交的极化方式，则可以显著地提高不同通道之间的隔离度。因此，共口径多频多极化天线的研究在需要高度隔离不同通信信道的应用中具有非常重要的意义。
在卫星通信系统对于更高吞吐量的需求下，卫星通信的工作频段已由最初的Ku波段逐渐向更高的频段扩展。目前，卫星通信的研究主要集中在K波段和Ka波段。综上所述，探索用于K/Ka波段卫星通信系统应用的共口径双频双圆极化天线形式成为了业内关注的热点。但目前针对共口径双频双圆极化天线的研究仍存在两个频段内相对轴比带宽较窄或其中某一个频段内的相对轴比带宽较窄的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于层叠式阿基米德螺旋结构的毫米波共口径天线,以解决频段内相对轴比带宽较窄的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：
一种基于层叠式阿基米德螺旋结构的毫米波共口径天线，从下到上依次包括基片集成同轴线馈电网络、SICL-to-GCPW转接结构、接地共面波导馈电结构、耦合缝隙层、双层叠式阿基米德螺旋结构；
双层叠式阿基米德螺旋结构包括K和Ka波段底层螺旋臂和馈电直臂、Ka波段螺旋臂馈电孔、K波段螺旋臂馈电孔、Ka波段顶层螺旋臂和K波段顶层螺旋臂；K和Ka波段底层螺旋臂和馈电直臂通过K波段螺旋臂馈电孔与K波段顶层螺旋臂相连，K和Ka波段底层螺旋臂和馈电直臂通过Ka波段螺旋臂馈电孔与Ka波段顶层螺旋臂相连；
电磁波经过基片集成同轴线馈电网络，通过SICL-to-GCPW转接结构至接地共面波导馈电结构，再通过耦合缝隙层耦合至K和Ka波段底层螺旋臂和馈电直臂，最后由K波段顶层螺旋臂和Ka波段顶层螺旋臂辐射出去；K波段顶层螺旋臂和Ka波段顶层螺旋臂之间设有第一介质板，Ka波段顶层螺旋臂和K和Ka波段底层螺旋臂和馈电直臂之间设有第二介质板，耦合缝隙层和接地共面波导馈电结构之间设有第三介质板，基片集成同轴线馈电网络内部设有第四介质板和第五介质板。
进一步的，基片集成同轴线馈电网络为一分六十四路基片集成同轴线功分器。
进一步的，所述K和Ka波段底层螺旋臂和馈电直臂包括Ka波段底层馈电直臂、K波段底层馈电直臂、Ka波段的底层螺旋臂和K波段底层螺旋臂，K波段底层螺旋臂与K波段底层馈电直臂相连，并通过K波段螺旋臂馈电孔与K波段顶层螺旋臂相连；Ka波段的底层螺旋臂与Ka波段底层馈电直臂相连，并通过Ka波段螺旋臂馈电孔与Ka波段顶层螺旋臂相连。
进一步的，双层叠式阿基米德螺旋结构采用嵌套技术整合在同一口径面内，实现共口径。
进一步的，双层叠式阿基米德螺旋结构的旋转方向分别满足左手定则和右手定则，辐射左旋圆极化波和右旋圆极化波，实现极化正交。
进一步的，多个相同的双层叠式阿基米德螺旋结构组成平面阵列，为优化所述平面阵列的辐射特性，在平面阵列的外围加入四圈哑单元，以减小边缘效应及降低栅瓣电平。
进一步的，平面阵列外围的哑单元需要焊接匹配电阻，为减少引线，将相邻的十六个哑单元使用一分十六路基片集成同轴线功分器连接，在一分十六路基片集成同轴线馈电网络的端口处使用SICL-to-GCPW转接结构，便于焊接匹配电阻以实现阻抗匹配。
进一步的，一分十六路和一分六十四路基片集成同轴线馈电网络加入SICL-to-GCPW转接结构后，采用四面阶梯板的形式进行PCB加工。
进一步的，第一介质板和第二介质板之间通过第一粘合层压合，第二介质板和第三介质板之间通过第二粘合层压合，第三介质板和第四介质板之间通过第三粘合层压合，第四介质板和第五介质板之间通过第四粘合层压合。
本发明的一种基于层叠式阿基米德螺旋结构的毫米波共口径天线，具有以下优点：
1、本发明中，耦合缝隙层激励平行的两根底层馈电直臂，从而实现仅通过一个馈电端口就可对双层叠式阿基米德螺旋臂同时馈电，使天线同时工作在两个频段。
2、本发明中，K波段螺旋臂和Ka波段螺旋臂通过不同的螺旋方向实现正交的圆极化辐射，并采用嵌套技术整合到同一个口径面内，实现共口径。同时，K波段顶层螺旋臂和Ka波段顶层螺旋臂分别置于不同层，因而减少了耦合和金属遮挡，使天线在两个频段内均具有较宽的相对轴比带宽。
3、本发明使用基片集成同轴线馈电网络，并加入SICL-to-GCPW转接结构与天线单元整合，使天线具有较宽的驻波带宽。
附图说明
图1为本发明一实施例基于层叠式阿基米德螺旋结构的共口径天线的剖面示意图；
图2为本发明双层叠式阿基米德螺旋臂结构示意图
图3为本发明实施例中K波段顶层螺旋臂和Ka波段顶层螺旋臂结构图；
图4为本发明实施例中K和Ka波段底层螺旋臂和馈电直臂结构图；
图5为本发明实施例中耦合缝隙层结构图；
图6为本发明实施例中接地共面波导馈电结构图；
图7为本发明实施例中基片集成同轴线馈电网络结构图；
图8为本发明SICL-to-GCPW转接结构示意图；
图9(a)为本发明实施例进行测试的K波段反射系数图；
图9(b)为本发明实施例进行测试的的Ka波段反射系数图；
图10(a)为本发明实施例进行测试的K波段轴比图；
图10(b)为本发明实施例进行测试的Ka波段轴比图；
图11(a)为本发明实施例K波段实际增益图；
图11(b)为本发明实施例Ka波段实际增益图；
图12(a)为本发明实施例19GHz处xoz面辐射方向图；
图12(b)为本发明实施例为19GHz处yoz面辐射方向图；
图12(c)为本发明实施例为20GHz处xoz面辐射方向图；
图12(d)为本发明实施例d为20GHz处yoz面辐射方向图；
图12(e)为本发明实施例为21GHz处xoz面辐射方向图；
图12(f)为本发明实施例为21GHz处yoz面辐射方向图；
图12(g)为本发明实施例为27GHz处xoz面辐射方向图；
图12(h)为本发明实施例为27GHz处yoz面辐射方向图；
图12(i)为本发明实施例为28.3GHz处xoz面辐射方向图；
图12(j)为本发明实施例为28.3GHz处yoz面辐射方向图；
图12(k)为本发明实施例k为29.6GHz处xoz面辐射方向图；
图12(l)为本发明实施例为29.6GHz处yoz面辐射方向图；
图中标记说明：1、第一介质板；2、第二介质板；3、第三介质板；4、第四介质板；5、第五介质板；6、第一粘合层；7、第二粘合层；8、第三粘合层；9、第四粘合层；10、K波段顶层螺旋臂；11、Ka波段顶层螺旋臂；12、K和Ka波段底层螺旋臂和馈电直臂；12a、Ka波段底层馈电直臂；12b、K波段底层馈电直臂；12c、Ka波段底层螺旋臂；12d、K波段底层螺旋臂；13、耦合缝隙层；14、接地共面波导馈电结构；15、基片集成同轴线馈电网络、16、K波段螺旋臂馈电孔；17、Ka波段螺旋臂馈电孔；18、SICL-to-GCPW转接结构。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种基于层叠式阿基米德螺旋结构的毫米波共口径天线做进一步详细的描述。
在下述描述中，参考附图，附图描述了本申请的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本发明的精神的情况下进行组成以及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本申请的实施例的范围仅由本申请的专利的权利要求书所限定。这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本申请。
虽然在一些实例中术语第一、第二等在本文中用来描述各种元素，但是这些元素不应当被这些术语限制。这些术语仅用来将一个元素与另一个元素进行区分。本发明方案所公开的技术手段不仅限于以下实施方式所公开的技术手段，还包括由以下技术特征任意组合所组成的技术方案。
再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、步骤、操作、元素、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元素、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。
如图1所示，本实施例提供的基于层叠式阿基米德螺旋结构的毫米波共口径天线，从下到上依次包括基片集成同轴线馈电网络15、SICL-to-GCPW转接结构18、接地共面波导馈电结构14、耦合缝隙层13、双层叠式阿基米德螺旋结构；双层叠式阿基米德螺旋结构包括K和Ka波段底层螺旋臂和馈电直臂12、Ka波段螺旋臂馈电孔17、K波段螺旋臂馈电孔16、Ka波段顶层螺旋臂11和K波段顶层螺旋臂10；电磁波经过所述基片集成同轴线馈电网络15，通过SICL-to-GCPW转接结构18至所述接地共面波导馈电结构14，再通过耦合缝隙层13耦合至K和Ka波段底层螺旋臂和馈电直臂12，最后由K波段顶层螺旋臂10和Ka波段顶层螺旋臂11辐射出去；所述K波段顶层螺旋臂10和所述Ka波段顶层螺旋臂11之间设有第一介质板1，所述Ka波段顶层螺旋臂11和所述K和Ka波段底层螺旋臂和馈电直臂12之间设有第二介质板2，所述耦合缝隙层13和所述接地共面波导馈电结构14之间设有第三介质板3，所述基片集成同轴线馈电网络15内部设有第四介质板4和第五介质板5。
K和Ka波段底层螺旋臂和馈电直臂12包括Ka波段底层馈电直臂12a、K波段底层馈电直臂12b、Ka波段的底层螺旋臂12c和K波段底层螺旋臂12d，K波段底层螺旋臂12d与K波段底层馈电直臂12b相连，并通过K波段螺旋臂馈电孔16与K波段顶层螺旋臂10相连；Ka波段的底层螺旋臂12c与Ka波段底层馈电直臂12a相连，并通过Ka波段螺旋臂馈电孔17与Ka波段顶层螺旋臂11相连。
作为优选实施例，基片集成同轴线馈电网络15为一分六十四路基片集成同轴线功分器，如图7所示。每一路电磁波通过SICL-to-GCPW转接结构18至接地共面波导馈电结构14，再通过耦合缝隙层13耦合至K和Ka波段底层螺旋臂和馈电直臂12，对双层叠式阿基米德螺旋臂进行馈电。本实施例的天线采用基片集成同轴线馈电网络15、接地共面波导馈电结构14及耦合缝隙13对双层叠式阿基米德螺旋臂进行馈电，提供了较宽的带宽、提高了空间利用率。
具体的，基片集成同轴线馈电网络15的上层地位于第四介质板4的上表面、下层地位于第五介质板5的下表面，内导体两侧设有金属化屏蔽孔，如图7所示。接地共面波导的地位于第五介质板5的下表面、共面波导的槽线刻蚀于第四介质板4的上表面，如图6所示。基片集成同轴线馈电网络15与接地共面波导之间通过SICL-to-GCPW转接结构18连接，转接结构如图8所示。耦合缝隙13位于第三介质板3的上表面，在共面波导槽线的正上方，如图5所示。
K和Ka波段底层螺旋臂和馈电直臂12位于第二介质板2的下表面，在耦合缝隙13的正上方，不同频段的馈电直臂互相平行，如图4所示。K波段顶层螺旋臂10位于第一介质板1的上表面，Ka波段顶层螺旋臂11位于第二介质板2的上表面，不同频段的顶层螺旋臂分层放置可以减少耦合，确保两个频段内均具有较宽的相对轴比带宽，如图3所示。优选的双层叠式阿基米德螺旋结构的螺旋常数及旋转角度不同，可采用嵌套技术使不同频段的辐射结构放置于同一口径面内，实现共口径。同时，为保证两个频段内具有相互正交的圆极化，双层叠式阿基米德螺旋结构的旋转方向分别满足左手定则和右手定则，辐射左旋圆极化波和右旋圆极化波，双层叠式阿基米德螺旋臂结构如图2所示。多个均匀分布的双阿基米德螺旋臂组成天线阵。
优选的，天线阵外围布有四圈哑单元，目的是减小边缘效应及在一定程度内降低栅瓣电平。由于哑单元的馈电端口需要焊接匹配负载，则每个哑单元都需要使用SICL-to-GCPW转接结构18引出端口进行焊接，大量的引线造成布线空间不足。因而采用将相邻的十六个哑单元利用基片集成同轴线馈电网络15连接的方式，归为一个馈电端口，引出后焊接匹配负载，这样大大减少了引线的数量。
在一些实施方式中，天线阵的一分六十四路基片集成同轴线馈电网络的端口处需要加入SICL-to-GCPW转接结构18，以方便连接西南微波接头进行测试；哑单元阵列的一分十六路基片集成同轴线馈电网络的端口处也需要加入SICL-to-GCPW转接结构，以方便焊接匹配负载。根据PCB加工工艺要求，转接后的共面波导槽线均刻蚀在第三介质板3的上表面，因此需要采取阶梯板的形式，如图5所示。
在一些实施方式中，第一介质板1和第二介质板2通过粘合层6压合、第二介质板2和第三介质板3通过粘合层7压合、第三介质板3和第四介质板4通过粘合层8压合、第四介质板4和第五介质板5通过粘合层9压合。该实施例提供的天线从上到下分别是第一介质板1、粘合层6、第二介质板2、粘合层7、第三介质板3、粘合层8、第四介质板4、粘合层9以及第五介质板5。第一介质板1、第二介质板2及第三介质板3采用Rogers RT/duroid 5880，介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。第四介质板4及第五介质板5采用RO4350B，介电常数为3.48，损耗角正切为0.004。粘合层均采用Rogers 4450F，介电常数为3.52，损耗角正切为0.004。介质板之间均通过双层电路板工艺用粘合层进行压合。
用PNA-X N5247A矢量网络分析仪和微波暗室对本实施例提供的天线进行反射系数、方向图和增益的测试。天线的尺寸213.4mm×213.4mm(17.43λ0×17.43λ0)，其中l0为中心频率处的波长。图9为天线仿真和测试的反射系数。该天线在17.5-21GHz(K波段)及26.5-30GHz(Ka波段)频段内的反射系数均低于-10dB。图10为天线仿真和测试的轴比。该天线测试的相对轴比带宽在K波段为11.59％(18.7-21GHz)，在Ka波段为9.93％(26.8-29.6GHz)。图11为天线仿真和测试的增益。在17.5-21GHz(K波段)内，测试结果的最大增益为18.59dB，整个频段均在3dB增益带宽内；在26.5-30GHz(Ka波段)内，测试结果的最大增益为18.13dB，3dB增益带宽为10.68％(26.6-29.6GHz)。图11为天线在xoz面和yoz面仿真和测试的方向图。该天线测试的在xoz面和yoz面的副瓣电平和栅瓣电平均低于-10dB。测试结果表明，该天线通过单馈电端口实现同时在K和Ka波段工作，且具有相互正交的圆极化特性，同时在两个频段内均可达到较宽的相对轴比带宽，辐射性能良好。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (9)

1.一种基于层叠式阿基米德螺旋结构的毫米波共口径天线，其特征在于，从下到上依次包括基片集成同轴线馈电网络(15)、SICL-to-GCPW转接结构(18)、接地共面波导馈电结构(14)、耦合缝隙层(13)、双层叠式阿基米德螺旋结构；
所述双层叠式阿基米德螺旋结构包括K和Ka波段底层螺旋臂和馈电直臂(12)、Ka波段螺旋臂馈电孔(17)、K波段螺旋臂馈电孔(16)、Ka波段顶层螺旋臂(11)和K波段顶层螺旋臂(10)；所述K和Ka波段底层螺旋臂和馈电直臂(12)通过K波段螺旋臂馈电孔(16)与K波段顶层螺旋臂(10)相连，所述K和Ka波段底层螺旋臂和馈电直臂(12)通过Ka波段螺旋臂馈电孔(17)与Ka波段顶层螺旋臂(11)相连；
电磁波经过所述基片集成同轴线馈电网络(15)，通过SICL-to-GCPW转接结构(18)至所述接地共面波导馈电结构(14)，再通过耦合缝隙层(13)耦合至K和Ka波段底层螺旋臂和馈电直臂(12)，最后由K波段顶层螺旋臂(10)和Ka波段顶层螺旋臂(11)辐射出去；所述K波段顶层螺旋臂(10)和所述Ka波段顶层螺旋臂(11)之间设有第一介质板(1)，所述Ka波段顶层螺旋臂(11)和所述K和Ka波段底层螺旋臂和馈电直臂(12)之间设有第二介质板(2)，所述耦合缝隙层(13)和所述接地共面波导馈电结构(14)之间设有第三介质板(3)，所述基片集成同轴线馈电网络(15)内部设有第四介质板(4)和第五介质板(5)。
2.根据权利要求1所述的基于层叠式阿基米德螺旋结构的毫米波共口径天线，其特征在于，所述基片集成同轴线馈电网络(15)为一分六十四路基片集成同轴线功分器。
3.根据权利要求1所述的基于层叠式阿基米德螺旋结构的毫米波共口径天线，其特征在于，所述K和Ka波段底层螺旋臂和馈电直臂(12)包括Ka波段底层馈电直臂(12a)、K波段底层馈电直臂(12b)、Ka波段的底层螺旋臂(12c)和K波段底层螺旋臂(12d)，K波段底层螺旋臂(12d)与K波段底层馈电直臂(12b)相连，并通过K波段螺旋臂馈电孔(16)与K波段顶层螺旋臂(10)相连；Ka波段的底层螺旋臂(12c)与Ka波段底层馈电直臂(12a)相连，并通过Ka波段螺旋臂馈电孔(17)与Ka波段顶层螺旋臂(11)相连。
4.根据权利要求1所述的基于层叠式阿基米德螺旋结构的毫米波共口径天线，其特征在于，所述双层叠式阿基米德螺旋结构采用嵌套技术整合在同一口径面内，实现共口径。
5.根据权利要求4所述的基于层叠式阿基米德螺旋结构的毫米波共口径天线，其特征在于，所述双层叠式阿基米德螺旋结构的旋转方向分别满足左手定则和右手定则，辐射左旋圆极化波和右旋圆极化波，实现极化正交。
6.根据权利要求1所述的基于层叠式阿基米德螺旋结构的毫米波共口径天线，其特征在于，多个相同的双层叠式阿基米德螺旋结构组成平面阵列，为优化所述平面阵列的辐射特性，在平面阵列的外围加入四圈哑单元，以减小边缘效应及降低栅瓣电平。
7.根据权利要求6所述的基于层叠式阿基米德螺旋结构的毫米波共口径天线，其特征在于，所述平面阵列外围的哑单元需要焊接匹配电阻，为减少引线，将相邻的十六个哑单元使用一分十六路基片集成同轴线功分器连接，在一分十六路基片集成同轴线馈电网络(15)的端口处使用SICL-to-GCPW转接结构(18)，便于焊接匹配电阻以实现阻抗匹配。
8.根据权利要求2或7所述的基于层叠式阿基米德螺旋结构的毫米波共口径天线，其特征在于，所述一分十六路和一分六十四路基片集成同轴线馈电网络加入SICL-to-GCPW转接结构(18)后，采用四面阶梯板的形式进行PCB加工。
9.根据权利要求1所述的基于层叠式阿基米德螺旋结构的毫米波共口径天线，其特征在于，所述第一介质板(1)和第二介质板(2)之间通过第一粘合层(6)压合，第二介质板(2)和第三介质板(3)之间通过第二粘合层(7)压合，第三介质板(3)和第四介质板(4)之间通过第三粘合层(8)压合，第四介质板(4)和第五介质板(5)之间通过第四粘合层(9)压合。
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