CN117039425A - 一种低剖面的宽带圆极化毫米波天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低剖面的宽带圆极化毫米波天线，包括依次堆叠的介质极化器、天线阵列和馈电网络，所述介质极化器包括上下两层阻抗匹配层和中间的极化层，所述阻抗匹配层与所述极化层结构相同，所述阻抗匹配层剖面厚度为四分之一的介质波长；所述天线阵列用于提供线极化波，所述馈电网络为基片集成波导用于给所述天线阵列进行馈电。本发明通过一个4×4的天线阵列辐射线极化波并实现23dB的增益，介质极化器采用高介电常数的材料用于降低剖面，并使用阻抗匹配层减小高介电常数带来的强反射。介质极化器的单元结构经过优化可以采用PCB打印技术加工实现，并不需要额外的支撑结构，利于批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种低剖面的宽带圆极化毫米波天线。
背景技术
现有的圆极化天线设计主要包括：单馈源馈电，通过单一馈源激励特殊的辐射元件例如互补源或者交叉偶极子天线。互补源比如磁电偶极子天线，通过在同一方向放置电偶极子以及磁偶极子，可以获得等效的正交方向上的两个电场分量。合理控制电偶极子和磁偶极子的尺寸以及位置，可以调控辐射的正交电场的幅度以及相位，满足相同幅度以及90°相位差即可实现圆极化。交叉偶极子为交叉放置的偶极子天线，圆极化实现原理与上述类似；多馈源馈电，通过两个或多个馈点进行馈电，往往需要复杂的馈电结构。例如双馈点馈电，可以通过串联的两个馈电点对微带贴片进行馈电，馈电点距离为四分之一个波长，提供幅度相等的正交馈电实现圆极化。当天线结构更为复杂时则需要相移功分网络进行馈电；金属型极化器不是从馈电角度实现圆极化，而是将线极化天线源辐射出的电磁波进行极化转换。金属型极化器为印刷在介质基板上的周期性金属图案，当线极化波穿过金属型极化器后，正交方向上的电场相位发生变化，通过控制金属图案大小、形状等方式可以调整相位差。当相位差满足90°时即可实现圆极化；介质极化器即为介质光栅，由周期性的具有一定厚度的介质和空气组成。该各向异性结构在正交方向上有不同的等效介电常数，当线极化波穿过介质极化器后，正交方向电场的幅度不变，而相位差随着介质的厚度以及介质的占空比发生变化。当相位差满足90°时即可实现线极化波转圆极化波。
上述圆极化天线设计存在的主要问题是：采用单馈的形式实现圆极化往往有较为简单的天线以及馈电结构，但轴比带宽较窄，其带宽不足以满足毫米波波段大带宽的要求；采用多馈源馈电的方式可以在一定程度上增大轴比带宽，但需要复杂的馈电网络，不仅增大了设计的难度，同时其损耗在毫米波波段也会更大；金属型极化器因为其谐振结构轴比带宽较窄，同时还有3dB的插入损耗。需要多层介质板增大其带宽，会使结构更加复杂，成本增大。介质极化器拥有较宽的轴比带宽，适用于毫米波频段，但其结构加工依赖于3D打印，不利于批量生产，同时需要额外的支撑结构用于组装。其厚度往往需要两个至三个波长，增大了体积。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种低剖面的宽带圆极化毫米波天线，用于提高介质极化器的轴比带宽，且采用PCB技术即可实现。
一种低剖面的宽带圆极化毫米波天线，包括依次堆叠的介质极化器、天线阵列和馈电网络，所述介质极化器包括上下两层阻抗匹配层和中间的极化层，所述阻抗匹配层与所述极化层结构相同，所述阻抗匹配层剖面厚度为四分之一的介质波长；所述天线阵列用于提供线极化波，所述馈电网络为基片集成波导用于给所述天线阵列进行馈电。
本发明的进一步技术方案是：所述极化层采用介电常数为9.2的材料RogersTMM10。
本发明的进一步技术方案是：所述阻抗匹配层采用介电常数为3.0的材料RogersRO3203。
本发明的进一步技术方案是：所述天线阵列的介质基板采用材料为介电常数为2.2的Rogers 5880。
本发明的进一步技术方案是：所述馈电网络采用材料为介电常数为2.2的Rogers5880。
本发明的进一步技术方案是：所述介质极化器由单元结构进行周期性延拓而成的，所述单元结构由介质板组成，所述介质板被切割成“H”型。
本发明的进一步技术方案是：所述极化层厚度为0.8个波长。
本发明的进一步技术方案是：所述天线阵列由天线单元按照4×4进行周期性排列，所述天线单元尺寸为1.1波长×1.1波长，所述天线单元采用C型槽缝隙天线，具体为：在介质基板上的铜片左右各开一个C型槽。
本发明的进一步技术方案是：所述馈电网络包括由多个金属过孔围起来的功率分配网络，所述功率分配网络最中间是矩形波导转基片集成波导结构，能量将由所述矩形波导进入所述基片集成波导，再通过四个功率一分四网络结构将能量等分为十六分，最后通过矩形缝隙向上层的所述天线阵列耦合馈电。
本发明的进一步技术方案是：所述介质极化器采用PCB技术实现。
本发明提供的一种低剖面的宽带圆极化毫米波天线，采用介质极化器实现圆极化，通过一个4×4的天线阵列辐射线极化波并实现23dB的增益。介质极化器采用高介电常数的材料用于降低剖面，并使用阻抗匹配层减小高介电常数带来的强反射。介质极化器的单元结构经过优化可以采用PCB打印技术加工实现，并不需要额外的支撑结构，利于批量生产。最后实现了34％的阻抗带宽，44％的轴比带宽。其有益效果是：采用PCB技术的低剖面介质极化器相比于现在的圆极化天线而言，拥有较宽的轴比带宽达到44％，而单馈源馈电或者是金属型极化器的圆极化天线其轴比带宽不超过10％；相比于现有的其他介质极化器，本发明设计的是唯一采用PCB技术实现的介质极化器，该设计拥有最低的剖面，且与天线阵列集成，全部结构均采用PCB技术，最后可以实现34％的阻抗带宽以及23dBic的最大增益。
附图说明
图1为本发明实施例中低剖面的宽带圆极化毫米波天线立体结构示意图；
图2为本发明实施例中介质极化器的单元结构图及介质极化器俯视图示意图；
图3为本发明实施例中x方向和y方向电场的反射系数和透射系数图；
图4为本发明实施例中加入阻抗匹配层后的反射系数及透射系数图；
图5为本发明实施例中透射电场的相位差曲线图；
图6为本发明实施例中天线单元结构示意图；
图7为本发明实施例中天线阵列的俯视图；
图8为本发明实施例中馈电网络俯视图；
图9为本发明实施例中仿真实验轴比曲线图；
图10为本发明实施例中仿真实验反射系数曲线图；
图11为本发明实施例中仿真实验xoz平面和yoz平面方向图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“内，外”通常是指相应物体轮廓的内和外。使用的方位词如“上下左右，前后，顶部底部”通常是指相应物体的上下左右、前后、顶部底部。
参见图1，本实施例的一种低剖面的宽带圆极化毫米波天线，包括依次堆叠的介质极化器、天线阵列和馈电网络，所述介质极化器包括上下两层阻抗匹配层和中间的极化层，所述阻抗匹配层与所述极化层结构相同，所述阻抗匹配层剖面厚度为四分之一的介质波长；所述天线阵列用于提供线极化波，所述馈电网络为基片集成波导用于给所述天线阵列进行馈电。
参见图1，具体实施过程中，首先由馈电波导口将能量馈入馈电网络，再由馈电网络将功率一分十六，最后通过缝隙耦合给天线阵列馈电。该馈电网络同样采用Rogers 5880的板材。
所述极化层采用高介电常数为9.2的材料Rogers TMM10，用以降低极化器的剖面。
所述阻抗匹配层采用介电常数为3.0的材料Rogers RO3203，用以匹配层用以减小电磁波的反射。
所述天线阵列的介质基板采用材料为介电常数为2.2的Rogers 5880，该天线阵列有宽阻抗带宽达到34％，同时最高增益可达23dB。
所述馈电网络采用材料为介电常数为2.2的Rogers 5880。
所述介质极化器由单元结构进行周期性延拓而成的，所述单元结构由介质板组成，所述介质板被切割成“H”型。
具体地，参见图2，左边为极化器的单元结构图，右边为极化器的俯视图。极化器的整体结构是由单元进行周期性延拓而成的。单元结构是由一定厚度的介质板组成，被切割成类似于“H”型。使用hfss电磁仿真软件的周期性边界条件可以得到极化方向分别为x方向和y方向的平面波经过极化器后的幅度和相位。得到的幅度和相位将与极化器的形状，介电常数εr以及极化器厚度h有关。阻抗匹配层的厚度为t(四分之一个介质波长)，介电常数为εm。
当不采用阻抗匹配层时，利用hfss软件可以得到在高介电常数的极化层的影响下，穿过极化器的电磁波的反射系数以及透射系数仿真图，如图3所示，S11代表反射系数，S21代表透射系数，可以看到无论是极化方向为x轴还是y轴的电磁波，在频率范围内反射最高达到-5dB，透射效果差。
为了解决透射差的问题，利用四分之一阻抗变换的原理，令且阻抗匹配层厚度为四分之一个介质波长，可以改善透射效果。如图4所示，在加入了阻抗匹配层后，在频率范围内，反射系数均在-10dB以下，透射接近于0dB，电磁波几乎可以无损耗地穿过极化器。
电磁波穿过极化器后正交电场的相位差可由下式确定：
由于该极化器结构为各向异性，在x方向和y方向有不同的等效介电常数εx和εy，由极化器的形状决定。当极化层介电常数εr增大时，x方向和y方向的介电常数差值增大。则由公式可以看出若要实现90°的相位差，可以采用更小的厚度h。如图5所示可以看到，当极化层的厚度为0.8个波长时，在频率范围内正交方向的透射电场相位差为90°+n×360°(n为整数)左右，可以实现圆极化。
所述天线阵列由天线单元按照4×4进行周期性排列，所述天线单元尺寸为1.1波长×1.1波长，所述天线单元采用C型槽缝隙天线，具体为：在介质基板上的铜片左右各开一个C型槽。
具体地，天线单元采用的是C型槽缝隙天线，结构图如图6所示。在介质基板上的铜片上左右各开一个C型槽，和传统的槽相比，C型槽在高次模的情况下会使磁流的相位一致从而增大增益，该天线单元的增益最高可达11dB左右，阻抗带宽为39.8％。将该天线单元按照4×4进行周期性排列，间距为单元大小距离，形成一个紧凑的结构。如图7所示是该天线阵列，由于单元尺寸为1.1波长×1.1波长，该阵列的尺寸大小为4.4波长×4.4波长。
所述馈电网络包括由多个金属过孔围起来的功率分配网络，所述功率分配网络最中间是矩形波导转基片集成波导结构，能量将由所述矩形波导进入所述基片集成波导，再通过四个功率一分四网络结构将能量等分为十六分，最后通过矩形缝隙向上层的所述天线阵列耦合馈电。
具体地，如图8所示为馈电网络，它是由多个金属化过孔围起来的功率分配网络。在最中间是矩形波导转基片集成波导结构，能量将由矩形波导进入基片集成波导形成的馈电网络。再通过四个功率一分四网络结构将能量等分为十六分，最后通过矩形缝隙向上层的4×4天线阵列耦合馈电。该网络的阻抗带宽为34％。
具体实施过程中，所述介质极化器采用PCB技术实现。
为了验证本发明低剖面的宽带圆极化毫米波天线的有效性，实施例进行了该天线的性能指标测试，如图9所示，为了衡量其圆极化效果，仿真得出了其轴比。图9可以看出在频率范围47-74.8GHz，轴比AR小于等于3dB，轴比带宽达到44％。图10为反射系数图，可以看出反射系数在48.6-68.5GHz小于-10dB，说明能量可以很好的进入该天线，相对带宽为34％。图11为60GHz时天线的方向图，可以看到天线的增益达到23dB，由良好的方向性以及低旁瓣。
根据上述实施例提供的低剖面的宽带圆极化毫米波天线，采用介质极化器实现圆极化，通过一个4×4的天线阵列辐射线极化波并实现23dB的增益。介质极化器采用高介电常数的材料用于降低剖面，并使用阻抗匹配层减小高介电常数带来的强反射。介质极化器的单元结构经过优化可以采用PCB打印技术加工实现，并不需要额外的支撑结构，利于批量生产。最后实现了34％的阻抗带宽，44％的轴比带宽。其有益效果是：采用PCB技术的低剖面介质极化器相比于现在的圆极化天线而言，拥有较宽的轴比带宽达到44％，而单馈源馈电或者是金属型极化器的圆极化天线其轴比带宽不超过10％；相比于现有的其他介质极化器，本发明设计的是唯一采用PCB技术实现的介质极化器，该设计拥有最低的剖面，且与天线阵列集成，全部结构均采用PCB技术，最后可以实现34％的阻抗带宽以及23dBic的最大增益。
在本文中，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步骤、方法不仅包括那些要素，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步骤、方法所固有的要素。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种低剖面的宽带圆极化毫米波天线，其特征在于，包括依次堆叠的介质极化器、天线阵列和馈电网络，所述介质极化器包括上下两层阻抗匹配层和中间的极化层，所述阻抗匹配层与所述极化层结构相同，所述阻抗匹配层剖面厚度为四分之一的介质波长；所述天线阵列用于提供线极化波，所述馈电网络为基片集成波导用于给所述天线阵列进行馈电。
2.根据权利要求1所述的一种低剖面的宽带圆极化毫米波天线，其特征在于，所述极化层采用介电常数为9.2的材料RogersTMM10。
3.根据权利要求1所述的一种低剖面的宽带圆极化毫米波天线，其特征在于，所述阻抗匹配层采用介电常数为3.0的材料RogersRO3203。
4.根据权利要求1所述的一种低剖面的宽带圆极化毫米波天线，其特征在于，所述天线阵列的介质基板采用材料为介电常数为2.2的Rogers5880。
5.根据权利要求1所述的一种低剖面的宽带圆极化毫米波天线，其特征在于，所述馈电网络采用材料为介电常数为2.2的Rogers5880。
6.根据权利要求1所述的一种低剖面的宽带圆极化毫米波天线，其特征在于，所述介质极化器由单元结构进行周期性延拓而成的，所述单元结构由介质板组成，所述介质板被切割成“H”型。
7.根据权利要求1所述的一种低剖面的宽带圆极化毫米波天线，其特征在于，所述极化层厚度为0.8个波长。
8.根据权利要求1所述的一种低剖面的宽带圆极化毫米波天线，其特征在于，所述天线阵列由天线单元按照4×4进行周期性排列，所述天线单元尺寸为1.1波长×1.1波长，所述天线单元采用C型槽缝隙天线，具体为：在介质基板上的铜片左右各开一个C型槽。
9.根据权利要求1所述的一种低剖面的宽带圆极化毫米波天线，其特征在于，所述馈电网络包括由多个金属过孔围起来的功率分配网络，所述功率分配网络最中间是矩形波导转基片集成波导结构，能量将由所述矩形波导进入所述基片集成波导，再通过四个功率一分四网络结构将能量等分为十六分，最后通过矩形缝隙向上层的所述天线阵列耦合馈电。
10.根据权利要求1所述的一种低剖面的宽带圆极化毫米波天线，其特征在于，所述介质极化器采用PCB技术实现。
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