CN116404414A - 一种结构复用的微波/毫米波双频宽带共口径天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种结构复用的微波/毫米波双频宽带共口径天线，包括金属地板、波导功分器、Г型馈电结构、两个基片集成波导阵列、同轴接头和同轴‑波导转接头。波导功分器为一分二路的功分器,Г型馈电结构位于波导功分器两路之间，且波导功分器的T型结部分位于金属地板的下方，两个输出路穿过金属地板向上延伸；两个基片集成波导阵列分别设置在波导功分器两个输出路的末端，两个基片集成波导阵列在结构、尺寸上相同且关于x轴对称放置；同轴接头用于给偶极子天线馈电，同轴‑波导转接头用于给两个基片集成波导阵列馈电。本发明具有结构简单、结构复用率高、宽带且带内性能稳定、隔离度高等的优势。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种结构复用的微波/毫米波双频宽带共口径天线。
背景技术
在当代无线通信系统中，微波、毫米波共存是一个重要的发展趋势，一方面人们需要利用毫米波频段丰富的频谱资源来实现更高的数据传输速率、更大的传输带宽以及更低的传输延迟，另一方面微波频段作为无线通信的“黄金频段”，其本身低损耗、高效、稳定的优势仍然受到普遍重视。在此背景下，无线通信系统中的天线部分将不再是单个的单元或者简单的阵列，而是以多天线、多频共存的天线系统的形式存在，这就为整个天线部分的小型化和集成化带来了巨大的挑战。为解决这一问题，人们提出了一种利用结构复用原理的共口径天线方案，通过将两个分别工作于微波和毫米波频段的天线有机结合，从而实现微波、毫米波双频的功能。由于两个天线在结构上为复用关系，因此可以有效实现天线系统小型化和高集成的目的。
此类天线在设计过程中需考虑的关键问题包括：1)口径复用率。这是衡量微波、毫米波两个天线复用程度的关键参数，同时也可以说明天线系统的小型化和集成化程度；2)天线性能。这是共口径天线设计的核心问题，理想情况下，复用后的天线性能应与复用前的性能基本一致或更高，同时微波、毫米波天线之间需互不影响(高隔离度)；3)由于毫米波频段大气损耗较高，因此该频段应采用高增益的天线阵列以保证通信质量。目前，已有一些结构复用共口径天线的研究报道。文献[1-4]中分别提出了贴片/介质谐振器阵列、贴片/基片集成波导缝隙阵列、超表面/基片集成波导缝隙阵列、偶极子/喇叭复用的共口径天线方案，虽然它们可以有效实现微波、毫米波双频，但是在口径复用率和天线性能(带宽、隔离度、毫米波频段增益等)方面都存在一些不足之处，无法满足人们的使用需求。
[1]X.-H.Ding,W.-W.Yang,W.Qin,and J.-X.Chen,“A broadside sharedaperture antennafor(3.5,26)GHz mobile terminals with steerable beam inmillimeter-waveband,”IEEETransactions on Antennas and Propagation,vol.70,no.3,pp.1806–1815,Mar.2022.
[2]J.F.Zhang,Y.J.Cheng,Y.R.Ding,and C.X.Bai,“A dual-band shared-aperture antennawith large frequency ratio,high aperture reuse efficiency,andhigh channel isolation,”IEEE Transactions on Antennas and Propagation,vol.67,no.2,pp.853–860,Feb.2019.
[3]T.Li and Z.N.Chen,“Metasurface-based shared-aperture 5G S/K-bandantenna usingcharacteristic mode analysis,”IEEE Transactions on Antennas andPropagation,vol.66,no.12,pp.6742–6750,Dec.2018.
[4]Y.Cheng and Y.Dong,“Dual-broadband dual-polarized shared-aperturemagnetoelectricdipole antenna for 5G applications,”IEEE Transactions onAntennas and Propagation,vol.69,no.11,pp.7918–7923,Nov.2021.
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种结构复用的微波/毫米波双频宽带共口径天线，利用基片集成波导阵列与金属贴片的等效原理，将偶极子天线和基片集成波导阵列通过结构复用的方式有机的结合在一起，提出了一种微波/毫米波双频共口径天线方案。相比于已报道的传统设计，本发明具有结构简单、结构复用率高、宽带且带内性能稳定、隔离度高等的优势。
为了实现本发明目的，本发明提供的一种结构复用的微波/毫米波双频宽带共口径天线，包括金属地板、波导功分器、Г型馈电结构、两个基片集成波导阵列、同轴接头和同轴-波导转接头，
波导功分器为一分二路的功分器,Г型馈电结构位于波导功分器两路之间，且波导功分器的T型结部分位于金属地板的下方，两个输出路弯折90度穿过金属地板向上延伸；
两个基片集成波导阵列分别设置在波导功分器两个输出路的末端，两个基片集成波导阵列在结构、尺寸上相同且关于x轴对称放置；
同轴接头用于给偶极子天线馈电，同轴-波导转接头用于给两个基片集成波导阵列馈电。
进一步地，Г型馈电结构为基于PCB的微带线结构。
进一步地，波导功分器采用空气填充的矩形波导结构。
进一步地，还包括第一支撑结构，所述第一支撑结构用于支撑固定Г型馈电结构。
进一步地，波导功分器两个输出路的末端均设置有第二支撑结构，两个基片集成波导阵列分别固定设置在两第二支撑结构上。
进一步地，金属地板、波导功分器、第一支撑结构和第二支撑结构采用金属3D打印技术一体成型。
进一步地，每个基片集成波导阵列均包括从下到上依次为第一金属层、第一介质板、第二金属层、第二介质板、第三金属层、第三介质板和第四金属层，其中，第一金属层上开设有两平行于y轴的矩形缝隙，第一介质板上设置有第一功分器，且在第二金属层上且位于第一功分器的每路的末端均设置有第一耦合缝隙，第二介质板上设置有第二功分器，在第三金属层且位于第二功分器每路的末端均开设有第二耦合缝隙，第四金属层为4*4的贴片阵列，且贴片与第二耦合缝隙一一对应。
进一步地，第一功分器为一分四路的基片集成波导功分器。
进一步地，第二功分器为一分四路的基片集成波导功分器，且以2*2的形式排布在第二介质板上。
进一步地，基片集成波导阵列和Г型馈电结构均采用印刷PCB工艺制成。
与现有技术相比，本发明至少能够实现以下有益效果：
(1)本发明提出了一种偶极子/基片集成波导阵列复用的微波/毫米波双频共口径天线方案。该方案充分考虑了结构复用共口径天线设计中的关键问题，通过将基片集成波导阵列等效为金属贴片然后取代偶极子天线双臂的方式，实现了微波/毫米波双频辐射。具体地，微波频段时，天线以偶极子的形式工作，毫米波频段时，天线则以基片集成波导阵列的形式工作。本发明中的复用方案可以使微波、毫米波频段的两种天线以相对独立的方式工作，因此可以实现较高的隔离度同时尽可能的保留了两种天线本身的优秀工作性能。相比于已报道的传统设计，本发明具有结构简单、结构复用率高、宽带且带内性能稳定、隔离度高等的优势。在已报道的文献中，尚未有基于类似想法的设计提出。
(2)本发明提出的一种结构复用的微波/毫米波双频宽带共口径天线，结构上，基于偶极子天线与基片集成波导阵列的结合实现了天线结构简单、结构复用率高的特点；性能上，本发明具有双频段宽带(32.5％，2.73～3.79GHz；22.5％，31.25～39.19GHz)、隔离度高(优于-30dB)、带内性能稳定的优点。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种结构复用的微波/毫米波双频宽带共口径天线的三维结构示意图。
图2是本发明实施例提供的一种结构复用的微波/毫米波双频宽带共口径天线的俯视图。
图3是本发明实施例提供的一种结构复用的微波/毫米波双频宽带共口径天线的侧视图。
图4是本发明实施例中Г型馈电结构和第一支撑结构的示意图。
图5是本发明实施例中波导功分器和第二支撑结构的俯视图。
图6是本发明实施例中其中一个基片集成波导阵列的分解图。
图7是本发明实施例基片集成波导阵列中的第一金属层、第二金属层和第一介质板的俯视图。
图8是本发明实施例基片集成波导阵列中的第二金属层、第三金属层和第二介质板的俯视图。
图9是本发明实施例基片集成波导阵列中的第三金属层、第四金属层和第三介质板的俯视图。
图10是本发明实施例所提供天线在微波频段的反射系数和频率之间的关系示意图。
图11是本发明实施例所提供天线在微波频段的增益特性示意图。
图12是本发明实施例所提供天线在微波频段E面(a图)和H面(b图)的方向图。
图13是本发明实施例所提供天线在毫米波频段的反射系数和频率之间的关系示意图。
图14是本发明实施例所提供天线在毫米波频段的增益特性示意图。
图15是本发明实施例所提供天线在毫米波频段E面(a图)和H面(b图)方向图。
图16是本发明实施例所提供天线端口隔离度曲线图。
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，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、完整的描述，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都是本发明保护的范围。
本发明实施例提供的一种结构复用的微波/毫米波双频宽带共口径天线，图1至图3分别为天线结构的全视图、俯视图和侧视图，所述天线包括金属地板11、Г型馈电结构12、波导功分器13和两个基片集成波导阵列14。
Г型馈电结构12为基于PCB的微带线结构，用于偶极子天线馈电，在本发明的其中一些实施例中，Г型馈电结构12的介质板材料为Rogers5880,厚度为0.508mm,介电常数和损耗角正切分别为2.2和0.0009。
波导功分器13为一个一分二路的功分器,结构采用空气填充的矩形波导结构，用于两个基片集成波导阵列的馈电。Г型馈电结构12位于波导功分器13两路中间的位置，由第一支撑结构41通过螺丝固定，如图4所示。图5所示为波导功分器13的俯视图，波导功分器13的T型结部分位于金属地板11的下方，两个输出路弯折90度穿过金属地板11向上延伸，末端处分别设置有两个第二支撑结构51用于固定和支撑两个基片集成波导阵列14。两个基片集成波导阵列14在结构、尺寸上完全相同，且关于x轴对称放置。
图6所示为其中一个基片集成波导阵列的分解图，所述基片集成波导阵列包括四层金属层和三层介质基板，从下到上依次为第一金属层61、第一介质板62、第二金属层63、第二介质板64、第三金属层65、第三介质板67和第四金属层66。图7所示为第一金属层61、第二金属层63和第一介质板62的俯视图，第一金属层61上开设有两个平行于y轴的矩形缝隙71，用于将电磁波馈至第一功分器73中。第一功分器73为一个一分四路的基片集成波导功分器，在其四路的末端处分别开设有四个平行于y轴的呈矩形的第一耦合缝隙72，其中，第一耦合缝隙72设置在第二金属层63上，第一功分器73设置在第一介质板62上。图8所示为第二金属层63、第三金属层65和第二介质板64的俯视图，第二介质板64上设置有四个以2×2形式排布的第二功分器82，每个第二功分器82为一个一分四路的基片集成波导功分器，在其四路的末端处分别开设有四个平行于x轴的呈矩形的第二耦合缝隙81。图9所示为第三金属层65、第四金属层67和第三介质板66的俯视图，第四金属层67为一个4×4的贴片阵列，平行于x轴的相邻两列交替放置，且每一个贴片与一个第二耦合缝隙81相对应，贴片置于第二耦合缝隙81正上方。
在本发明的其中一些实施例中，基片集成波导阵列14中的介质材料均为Rogers5880，厚度均为0.787mm，介电常数和损耗角正切分别为2.2和0.0009。
在本发明的其中一些实施例中，在加工过程中，天线分为两部分进行加工，其中金属地板11和波导功分器13以及第一支撑结构41、第二支撑结构51一体成型，采用金属3D打印技术，材料为可用于3D打印的任意良导体材料，如铝，铝合金，不锈钢等；基片集成波导阵列14和Г型馈电结构12均采用印刷PCB工艺，其中基片集成波导阵列14为多层PCB板压合工艺。加工完成后，各组件通过螺丝固定。微波和毫米波馈电分别由同轴接头42和同轴-波导转接头21馈电。
工作原理上，由于微波、毫米波频段的频率比很高，在本发明的其中一些实施例中，以3.5GHz和38GHz为例，频率比可达10.8，因此基片集成波导阵列中的部分结构，例如：贴片、通孔、缝隙、多层板间距等，在微波频段时可以看作为极电小结构，因此它们不会对微波频段的辐射产生影响，而起决定性作用的是阵列中大面积的金属部分，所以可以将基片集成波导阵列等效为金属贴片使用，两个阵列则构成偶极子天线的两个臂。与此同时，由于基片集成波导阵列为指向z轴的单向辐射天线，而偶极子天线的大部分结构均位于阵列下方，所以微波频段的偶极子天线同时也不会对毫米波频段产生影响，两个频段的天线为相对独立的关系。
微波频段时，天线由同轴接头42馈电，电磁能量由Г形馈电结构12耦合至偶极子，然后再由偶极子辐射至大气。毫米波频段时，基片集成波导阵列由WR-28标准波导进行馈电，电磁能量经由波导功分器13等幅同相位分配至两个基片集成波导阵列中。以其中一个基片集成波导阵列为例，当电磁波进入第一层介质基板62后会由矩形缝隙71等幅反相位耦合至第一功分器73中，然后电磁波在第一功分器73中一分四路再由四条矩形的第一耦合缝隙72等幅反相位耦合至第二层介质基板64中的四个第二功分器82，为保证阵列辐射相位一致，第二金属层63、第三金属层65上的矩形的第一耦合缝隙72、第二耦合缝隙81均采用交替错位开槽；最后，电磁波通过第二耦合缝隙81与贴片阵列67耦合进而将电磁能量辐射至大气。
天线性能方面，当天线工作在微波频段时，该天线在2.73～3.79GHz范围内反射系数都小于-10dB，带宽为32.5％，如图10所示，说明该天线在微波频段阻抗匹配良好；图11为微波频段天线的增益特性，在-10dB带宽内天线增益位于6.68～7.9dBi区间，说明该天线在微波频段具有良好的增益特性；E面和H面方向图如图12所示，该方向图与传统偶极子天线方向图基本一致，说明在微波频段天线可以等效为偶极子正常工作。当天线工作在毫米波频段时，该天线在31.25～39.19GHz范围内反射系数都小于-10dB，带宽为22.5％，如图13所示，说明该天线在该频段内可以实现良好的阻抗匹配；天线的毫米波频段增益特性如图14所示，最高增益可达21.8dBi，在-10dB带宽内天线增益位于19.84～21.8dBi区间，说明该天线在毫米波频段具有良好的增益特性，工作频带内增益稳定；图15为毫米波频段E面和H面方向图，可以看出天线方向图旁瓣低于-13dB，并且都具有较低的后瓣；该共口径天线端口隔离度曲线如图16所示，该曲线在频带内小于-30dB，说明两个端口隔离度情况良好，两个频段的天线相互独立工作。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种结构复用的微波/毫米波双频宽带共口径天线，其特征在于，包括金属地板(11)、波导功分器(13)、Г型馈电结构(12)、两个基片集成波导阵列(14)、同轴接头(42)和同轴-波导转接头(21)，
波导功分器(13)为一分二路的功分器，Г型馈电结构(12)位于波导功分器(13)两路之间，且波导功分器(13)的T型结部分位于金属地板(11)的下方，两个输出路弯折90度穿过金属地板(11)向上延伸；
两个基片集成波导阵列(14)分别设置在波导功分器(13)两个输出路的末端，两个基片集成波导阵列(14)在结构、尺寸上相同且关于x轴对称放置；
同轴接头(42)用于给偶极子天线馈电，同轴-波导转接头(21)用于给两个基片集成波导阵列(13)馈电。
2.根据权利要求1所述的一种结构复用的微波/毫米波双频宽带共口径天线，其特征在于，Г型馈电结构(12)为基于PCB的微带线结构。
3.根据权利要求1所述的一种结构复用的微波/毫米波双频宽带共口径天线，其特征在于，波导功分器(13)采用空气填充的矩形波导结构。
4.根据权利要求1所述的一种结构复用的微波/毫米波双频宽带共口径天线，其特征在于，还包括第一支撑结构(41)，所述第一支撑结构(41)用于支撑固定Г型馈电结构(12)。
5.根据权利要求4所述的一种结构复用的微波/毫米波双频宽带共口径天线，其特征在于，波导功分器(13)两个输出路的末端均设置有第二支撑结构(51)，两个基片集成波导阵列(14)分别固定设置在两第二支撑结构(51)上。
6.根据权利要求5所述的一种结构复用的微波/毫米波双频宽带共口径天线，其特征在于，金属地板(11)、波导功分器(13)、第一支撑结构(41)和第二支撑结构(51)采用金属3D打印技术一体成型。
7.根据权利要求1所述的一种结构复用的微波/毫米波双频宽带共口径天线，其特征在于，每个基片集成波导阵列(14)均包括从下到上依次为第一金属层(61)、第一介质板(62)、第二金属层(63)、第二介质板(64)、第三金属层(65)、第三介质板(66)和第四金属层(67)，其中，第一金属层(61)上开设有两平行于y轴的矩形缝隙(71)，第一介质板(62)上设置有第一功分器(73)，且在第二金属层(63)上且位于第一功分器(73)的每路的末端均设置有第一耦合缝隙(72)，第二介质板(64)上设置有第二功分器(82)，在第三金属层(65)且位于第二功分器(82)每路的末端均开设有第二耦合缝隙(81)，第四金属层(67)为4*4的贴片阵列，且贴片与第二耦合缝隙(81)一一对应。
8.根据权利要求7所述的一种结构复用的微波/毫米波双频宽带共口径天线，其特征在于，第一功分器(73)为一分四路的基片集成波导功分器。
9.根据权利要求7所述的一种结构复用的微波/毫米波双频宽带共口径天线，其特征在于，第二功分器(82)为一分四路的基片集成波导功分器，且以2*2的形式排布在第二介质板(64)上。
10.根据权利要求1-9任一所述的一种结构复用的微波/毫米波双频宽带共口径天线，其特征在于，基片集成波导阵列(14)和Г型馈电结构(12)均采用印刷PCB工艺制成。
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| CN202310360795.6A CN116404414A (zh) | 2023-04-06 | 2023-04-06 | 一种结构复用的微波/毫米波双频宽带共口径天线 |
Publications (1)
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|---|---|
| CN116404414A true CN116404414A (zh) | 2023-07-07 |
Family
ID=87017466
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202310360795.6A Pending CN116404414A (zh) | 2023-04-06 | 2023-04-06 | 一种结构复用的微波/毫米波双频宽带共口径天线 |
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|---|---|---|---|---|
| CN117810694A (zh) * | 2024-02-28 | 2024-04-02 | 成都华兴大地科技有限公司 | 一种双频宽带同极化共口径低剖面天线 |
-
2023
- 2023-04-06 CN CN202310360795.6A patent/CN116404414A/zh active Pending
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN117810694A (zh) * | 2024-02-28 | 2024-04-02 | 成都华兴大地科技有限公司 | 一种双频宽带同极化共口径低剖面天线 |
| CN117810694B (zh) * | 2024-02-28 | 2024-04-30 | 成都华兴大地科技有限公司 | 一种双频宽带同极化共口径低剖面天线 |
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