CN116231312A - 低剖面双频双圆极化共口径天线及其阵列 - Google Patents

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CN116231312A CN202211570468.5A CN202211570468A CN116231312A CN 116231312 A CN116231312 A CN 116231312A CN 202211570468 A CN202211570468 A CN 202211570468A CN 116231312 A CN116231312 A CN 116231312A
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郑治
赵磊
郑雨阳
孟儒
徐波
吴贻伟
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陈明
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Abstract

本发明提供一种低剖面双频双圆极化共口径天线及其阵列，涉及天线技术领域。本发明中，共口径天线采用基片集成波导结构，其核心结构是一种双馈点多模谐振腔，基于该谐振腔结构，实现了对传统复杂功分馈电网络的简化。在双馈点多模谐振腔底部设置有低频和高频同轴转接头；在双馈点多模谐振腔中部规则排布有低频和高频调谐柱，用于调节谐振腔内部的场分布特性；在双馈点多模谐振腔顶部规则排列有低频和高频辐射缝。此外，在辐射缝上方还加载了一层极化转换层，极化转换层上包含低频和高频极化转换金属片，且两种极化转换金属片规则地分布在相应的低频辐射缝或高频辐射缝两侧，电磁波实现从线极化向圆极化的转换。

Description

低剖面双频双圆极化共口径天线及其阵列
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种低剖面双频双圆极化共口径天线及其阵列。
背景技术
由于无线系统功能的日益复杂，一副天线往往并不能满足通信需求，大多应用场景下需要在有限空间内安置多副天线，由此引出了目前共口径天线的概念。共口径天线是由多副天线构成并且能够共用同一口径，其与多副天线单独放置相比，大大节省了天线所占的空间。需要注意的是，这里的多副天线指的是多个不同结构形式的天线，而不是传统天线阵列中结构形式相同的天线单元。目前共口径天线的发展趋势是小型化、多极化和宽带等。天线的小型化设计，如减小天线尺寸、降低天线剖面等，可以有效提高对通信系统中狭小空间的利用率，具有重要的现实意义。而多种极化方式的应用，能够进一步增加天线系统的通信容量。
上海大学钟顺时教授团队在国内外较早的开展了共口径天线的研究，他们在文献“共用口径S/X双波段双极化微带天线阵，电波科学学报，2008-04-15”中公布了一种奇数频率比的双频共口径天线，在S波段采用正交的微带振子天线，在X波段采用双极化方形微带贴片天线，为获得较宽的带宽，该二天线均采用双层结构。在馈电方式上，S波段采用邻近耦合馈电，X波段采用同轴探针和口径耦合馈电。以及文献“Ku/Ka双频共口径微带阵列天线设计，中国空间科学技术，2012-10-25”中采用双频段天线共面嵌套放置，实现了结构紧凑的Ku/Ka双频共口径微带阵列天线设计。
然而上述多频、多极化、共口径天线结构复杂，大多采用复杂的微带或波导功分馈电网络，或者运用大量的同轴转换以及射频电缆来实现单元结构的组阵。这显著提高了天线的设计和加工成本，而且不利于天线小型化和低剖面的实现。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种低剖面双频双圆极化共口径天线及其阵列，解决了多频、多极化、共口径天线馈电结构复杂的技术问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种低剖面双频双圆极化共口径天线，采用基片集成波导结构，该天线由下至上堆叠有双馈点多模谐振腔和极化转换层，所述双馈点多模谐振腔包括多模谐振腔底部、中部和顶部；
在多模谐振腔底部，金属背板朝下一侧分别设有与其第一金属隔离孔对应的高频同轴外壳，以及与其第二金属隔离孔对应的低频同轴外壳；高频同轴内芯依次穿过所述高频同轴外壳、第一金属隔离孔，延伸进入多模谐振腔中部；低频同轴内芯依次穿过所述低频同轴外壳、第二金属隔离孔，延伸进入多模谐振腔中部；
在多模谐振腔中部，第一介质板边缘间隔设置金属屏蔽孔，若干低频金属调谐柱、高频金属调谐柱分别规则地排列在所述金属屏蔽孔围合的区域；
在多模谐振腔顶部，金属上盖板设有与低频金属调谐柱一一对应的低频辐射缝，以及与所述高频金属调谐柱一一对应的高频辐射缝；
在极化转换层，第二介质板设有分布在所述低频辐射缝两侧的低频极化转换金属片，以及分布在所述高频辐射缝两侧的高频极化转换金属片。
优选的，所述低剖面双频双圆极化共口径天线整体为正方形口径，且低频天线和高频天线的频率比为1:1.5。
优选的，所述低频辐射缝为2×2阵列，且所述高频辐射缝为3×3阵列。
优选的，所述低频辐射缝在相互垂直的两个排列方向上的缝隙单元间距相等。
优选的，所述高频辐射缝在相互垂直的两个排列方向上的缝隙单元间距相等。
优选的，所述低频极化转换金属片和/或高频极化转换金属片由矩形金属片两侧切角而构成的。
优选的，高频天线为左旋圆极化，且低频天线为右旋圆极化；
或高频天线为右旋圆极化，且低频天线为左旋圆极化；
或高频天线和低频天线为同一种旋向的圆极化。
一种低剖面双频双圆极化共口径天线阵列，包括若干如上所述的低剖面双频双圆极化共口径天线，各个天线之间呈矩形栅格排列。
优选的，所述矩形栅格阵列规模为8×8。
优选的，所述低剖面双频双圆极化共口径天线阵列采用印制板加工工艺，一体化加工成型。
(三)有益效果
本发明提供了一种低剖面双频双圆极化共口径天线及其阵列。与现有技术相比，具备以下有益效果：
本发明中，共口径天线采用基片集成波导结构，其核心结构是一种双馈点多模谐振腔，基于该谐振腔结构，实现了对传统复杂功分馈电网络的简化。在双馈点多模谐振腔底部设置有低频和高频同轴转接头；在双馈点多模谐振腔中部规则排布有低频和高频调谐柱，用于调节谐振腔内部的场分布特性；在双馈点多模谐振腔顶部规则排列有低频和高频辐射缝。此外，在辐射缝上方还加载了一层极化转换层，极化转换层上包含低频和高频极化转换金属片，且两种极化转换金属片规则地分布在相应的低频辐射缝或高频辐射缝两侧，电磁波实现从线极化向圆极化的转换。
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，下面将对实施例或现有技术描述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(a)～(c)分别为本发明实施例提供的一种低剖面双频双圆极化共口径天线的立体图、俯视图和正视图；
图2为本发明实施例提供的一种低剖面双频双圆极化共口径天线的爆炸图；
图3(a)～(c)分别为本发明实施例提供的一种多模谐振腔底部的立体图、俯视图和正视图；
图4(a)～(c)分别为本发明实施例提供的一种多模谐振腔中部的立体图、俯视图和正视图；
图5(a)～(c)分别为本发明实施例提供的一种多模谐振腔顶部的立体图、俯视图和正视图；
图6(a)～(c)分别为本发明实施例提供的一种极化转换层的立体图、俯视图和正视图；
图7为本发明实施例提供的一种天线中线极化转化为圆极化的原理示意图；
图8～9分别为本发明实施例提供的一种双馈点多模谐振腔低频、高频激励时的电场分布示意图；
图10为本发明实施例提供的一种低剖面双频双圆极化共口径天线阵列示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。
本申请实施例通过提供一种低剖面双频双圆极化共口径天线及其阵列，解决了多频、多极化、共口径天线馈电结构复杂的技术问题，显著降低了天线的设计和加工成本，而且有利于天线小型化和低剖面的实现。
本申请实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
本发明实施例提供一种基于简易馈电网络的低剖面双频双圆极化共口径天线及其阵列，该共口径天线采用基片集成波导结构，其核心结构是一种双馈点多模谐振腔，基于该谐振腔结构，实现了对传统复杂功分馈电网络的简化。在双馈点多模谐振腔底部设置有低频和高频同轴转接头；在双馈点多模谐振腔中部规则排布有低频和高频调谐柱，用于调节谐振腔内部的场分布特性；在双馈点多模谐振腔顶部规则排列有低频和高频辐射缝。此外，在辐射缝上方还加载了一层极化转换层，极化转换层上包含低频和高频极化转换金属片，且两种极化转换金属片规则地分布在相应的低频辐射缝或高频辐射缝两侧，电磁波实现从线极化向圆极化的转换。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例1：
如图1(a)～(c)、图2所示，本发明实施例提供了一种低剖面双频双圆极化共口径天线，采用基片集成波导结构，该天线由下至上堆叠有双馈点多模谐振腔和极化转换层4，所述双馈点多模谐振腔包括多模谐振腔底部1、中部2和顶部3。
如图3(a)～(c)所示，在多模谐振腔底部1，金属背板101朝下一侧分别设有与其第一金属隔离孔102对应的高频同轴外壳106，以及与其第二金属隔离孔103对应的低频同轴外壳107；高频同轴内芯104依次穿过所述高频同轴外壳106、第一金属隔离孔102，延伸进入多模谐振腔中部2；低频同轴内芯105依次穿过所述低频同轴外壳107、第二金属隔离孔103，延伸进入多模谐振腔中部2。
如图4(a)～(c)所示，在多模谐振腔中部2，第一介质板201边缘间隔设置金属屏蔽孔202，若干低频金属调谐柱203、高频金属调谐柱204分别规则排列在所述金属屏蔽孔202围合的矩形区域，用于调节谐振腔内部的场分布特性。
如图5(a)～(c)所示，在多模谐振腔顶部3，金属上盖板301设有与低频金属调谐柱203一一对应的低频辐射缝302，两者在位置上紧挨着；以及所述金属上盖板301设有与所述高频金属调谐柱204一一对应的高频辐射缝303，两者在位置上也紧挨着。
如图6(a)～(c)所示，在极化转换层4，第二介质板401设有分布在所述低频辐射缝302两侧的低频极化转换金属片403，以及分布在所述高频辐射缝303两侧的高频极化转换金属片402。
不难理解的是，上述方案中所言的低频和高频为一组相对概念，不涉及具体的频率值，本领域技术人员可根据实际需求选择。
在一可选的实施例中，上述低频、高频极化转换金属片是由矩形金属片两侧切角而构成的，且切角的位置和切角的大小会影响极化特性。如图7所示，当切角达到一定尺寸时，从辐射缝出来的线极化电磁波经过一对极化转换金属片时会被分解为一对正交的模式，当这两个模式的幅度相等且相位相差90°时，即可实现圆极化。对于本实施例所述的高频和低频极化转换金属片，它们的切角位置不同，这就会形成两种旋向的圆极化。
具体而言，对于高频，当高频线极化波从高频辐射缝辐射，会被分解为高频线极化分量1和高频线极化分量2，二者呈现正交、等辐、相位差90°(高频线极化分量1的相位超前高频线极化分量2)的特点，从而产生左旋圆极化辐射。对于低频，当低频线极化波从低频辐射缝辐射，会被分解为低频线极化分量1和低频线极化分量2，二者呈现正交、等辐、相位差90°(低频线极化分量1的相位滞后高频线极化分量2)的特点，从而产生右旋圆极化辐射。
在一可选的实施例中，所述低剖面双频双圆极化共口径天线整体为正方形口径，且低频天线和高频天线的频率比为1:1.5。此外，所述低频辐射缝302在相互垂直的两个排列方向上的缝隙单元间距相等，所述高频辐射缝303在相互垂直的两个排列方向上的缝隙单元间距也相等，即低频天线在相互垂直的两个排列方向上的缝隙单元间距相等，和高频天线在相互垂直的两个排列方向上的缝隙单元间距也相等。
要满足上述正方形口径以及频率比。需要以下两式成立：
Figure BDA0003987824810000081
Figure BDA0003987824810000091
其中，f低频和f高频分别表示低频频率和高频频率；ε和μ分别表示正方形的第一介质板(201)的相对介电常数和相对磁导率；a表示正方形的第一介质板(201)的边长。
在一可选的实施例中，所述低频辐射缝302为2×2阵列，且所述高频辐射缝303为3×3阵列，即低频天线为2×2缝隙阵列，且高频天线为3×3缝隙阵列，当然此处的天线阵列规模可以灵活调整，不局限于该设置。
在一可选的实施例中，高频天线为左旋圆极化，低频天线为右旋圆极化。也可以是高频天线为右旋圆极化，低频天线为左旋圆极化。还可以将高频天线和低频天线设计为同一种旋向的圆极化。
当天线低频工作时，电磁信号由低频同轴内芯105进入到2、多模谐振腔内部，产生如图7所示的电场分布。紧接着，通过低频金属调谐柱203的调节作用，电磁波可以从多模谐振腔顶部3的低频辐射缝302辐射出去，并经过极化转换层4的低频极化转换金属片403实现从线极化向圆极化的转换。
类似的，当天线高频工作时，电磁信号由高频同轴内芯104进入到多模谐振腔内部2，产生如图8所示的电场分布。紧接着，通过高频金属调谐柱204的调节作用，电磁波可以从、多模谐振腔顶部3的高频辐射缝303辐射出去，并经过极化转换层4的高频极化转换金属片402实现从线极化向圆极化的转换。
如图8所示，为本发明实施例所述双馈点多模谐振腔低频激励时的电场分布示意图(以20GHz激励场分布为例)。所述低频辐射缝302分布于各个驻波的中心位置，并通过低频金属调谐柱203来实现对电场幅度、相位的调节，最终实现对各个低频辐射缝302的等幅同相激励。
如图9所示，为本发明实施例所述双馈点多模谐振腔高频激励时的电场分布示意图(以30GHz激励场分布为例)。所述高频辐射缝303分布于各个驻波的中心位置，并通过高频金属调谐柱204来实现对电场幅度、相位的调节，最终实现对各高频辐射缝303的等幅同相激励。
此外，虽然本发明实施例提供的低剖面双频双圆极化共口径天线，其采用基片集成波导形式，但实际也可以根据相同的设计原理，替换为常规金属波导结构，此处不再赘述。
实施例2：
将实施例1提供的低剖面双频双圆极化共口径天线作为独立单元，可以进一步构成不同规模的天线阵列。
如图10所示，实施例2提供了一种低剖面双频双圆极化共口径天线阵列，包括若干如实施例1所述的低剖面双频双圆极化共口径天线，各个天线之间呈矩形栅格排列，所述矩形栅格阵列规模为8×8。
在一可选的实施例中，基于印制板加工工艺，所述低剖面双频双圆极化共口径天线阵列一体化加工成型，而不是对单元进行独立加工再拼接。这种方式可以保证加工精度，并且能够降低加工成本。
需要说明的是，本发明实施例1和实施例2并未给出具体的尺寸参数，因为对应不同的工作频段和指标需求，可以灵活设计，此处不做绝对限制。
综上所述，与现有技术相比，具备以下有益效果：
1、本发明所述天线采用一种简易的多模谐振腔来代替传统多频、多极化、共口径天线中的复杂功分馈电网络，一定程度降低了天线的设计和加工成本；
2、本发明所述天线仅包含两层介质板结构，剖面高度较低，便于在有限空间进行应用；
3、本发明所述天线阵列规模可以灵活调整，不局限于实施例所述的2×2和3×3缝隙阵列规模；
4、本发明所述天线具备扁平化的结构，在组阵应用时极为便利；
5、本发明所述天线采用印制板工艺制作，加工工艺成熟，可靠性高，应用范围广，成本低。
6、基于印制板加工工艺，所述大规模天线阵列可以一体化加工，而不是对单元进行独立加工再拼接。这种方式可以保证加工精度，并且能够降低加工成本。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种低剖面双频双圆极化共口径天线，其特征在于，采用基片集成波导结构，该天线由下至上堆叠有双馈点多模谐振腔和极化转换层(4)，所述双馈点多模谐振腔包括多模谐振腔底部(1)、中部(2)和顶部(3)；
在多模谐振腔底部(1)，金属背板(101)朝下一侧分别设有与其第一金属隔离孔(102)对应的高频同轴外壳(106)，以及与其第二金属隔离孔(103)对应的低频同轴外壳(107)；高频同轴内芯(104)依次穿过所述高频同轴外壳(106)、第一金属隔离孔(102)，延伸进入多模谐振腔中部(2)；低频同轴内芯(105)依次穿过所述低频同轴外壳(107)、第二金属隔离孔(103)，延伸进入多模谐振腔中部(2)；
在多模谐振腔中部(2)，第一介质板(201)边缘间隔设置金属屏蔽孔(202)，若干低频金属调谐柱(203)、高频金属调谐柱(204)分别规则排列在所述金属屏蔽孔(202)围合的区域；
在多模谐振腔顶部(3)，金属上盖板(301)设有与低频金属调谐柱(203)一一对应的低频辐射缝(302)，以及与所述高频金属调谐柱(204)一一对应的高频辐射缝(303)；
在极化转换层(4)，第二介质板(401)设有分布在所述低频辐射缝(302)两侧的低频极化转换金属片(403)，以及分布在所述高频辐射缝(303)两侧的高频极化转换金属片(402)。
2.如权利要求1所述的低剖面双频双圆极化共口径天线，其特征在于，所述低剖面双频双圆极化共口径天线整体为正方形口径，且低频天线和高频天线的频率比为1:1.5。
3.如权利要求2所述的低剖面双频双圆极化共口径天线，其特征在于，所述低频辐射缝(302)为2×2阵列，且所述高频辐射缝(303)为3×3阵列。
4.如权利要求1所述的低剖面双频双圆极化共口径天线，其特征在于，所述低频辐射缝(302)在相互垂直的两个排列方向上的缝隙单元间距相等，和/或所述高频辐射缝(303)在相互垂直的两个排列方向上的缝隙单元间距相等。
5.如权利要求1所述的低剖面双频双圆极化共口径天线，其特征在于，所述低频极化转换金属片(403)和/或高频极化转换金属片(402)由矩形金属片两侧切角构成的。
6.如权利要求1～4任一项所述的低剖面双频双圆极化共口径天线，其特征在于，
高频天线为左旋圆极化，且低频天线为右旋圆极化；
或高频天线为右旋圆极化，且低频天线为左旋圆极化；
或高频天线和低频天线为同一种旋向的圆极化。
7.一种低剖面双频双圆极化共口径天线阵列，其特征在于，包括若干如权利要求1～6任一项所述的低剖面双频双圆极化共口径天线，各个天线之间呈矩形栅格排列。
8.如权利要求7所述的低剖面双频双圆极化共口径天线阵列，其特征在于，所述矩形栅格阵列规模为8×8。
9.如权利要求7或者8所述的低剖面双频双圆极化共口径天线阵列，其特征在于，基于印制板加工工艺，所述低剖面双频双圆极化共口径天线阵列一体化加工成型。
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