CN117353048A - 一种双圆极化天线以及通信设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种双圆极化天线及通信设备，其中双圆极化天线包括宽带天线阵列以及宽带垂直过渡结构；宽带天线阵列设置于所述宽带垂直过渡结构上；所述宽带天线阵列包括两组相互中心对称放置的天线子阵列；每个子阵列包括两个宽带天线单元；其中，任意一个宽带天线单元包括顶层辐射贴片、底层辐射贴片、寄生金属环、解耦超表面以及耦合馈电探针；其中所述寄生金属环设置于所述宽带天线单元的边缘，所述寄生金属环环绕所述顶层辐射贴片设置；所述耦合馈电探针设置于所述底层辐射贴片与所述解耦超表面之间。本双圆极化天线可以拓展天线工作带宽，可以提升端口隔离度，可以优化大角度扫描时天线的有源驻波。本申请可广泛应用于微波天线技术领域。

Description

一种双圆极化天线以及通信设备

技术领域

本申请涉及微波天线技术领域，尤其是一种双圆极化天线以及通信设备。

背景技术

天线作为接收和发送无线电波的基本装置，是无线通信系统必不可少的组成部分。圆极化天线通常应用于车载通信系统、机载以及卫星通信中。相对于线极化天线，圆极化天线具有良好的抗多径效应及抗雨雾等天气因素的干扰能力，且由于圆极化天线电磁波电场的特性，对收发天线位置不敏感，使得天线的安装和应用更加便捷，更适用于移动通信场景。

常见的圆极化阵列天线形式通常基于微带线结构实现，其结构简单、易于加工、剖面较低，然而这种结构的天线阻抗带宽较窄，且轴比带宽会更窄，扫描角度较小。另外一种则是基于波导结构的圆极化天线，这类结构的天线在虽然损耗较低，但也存在工作带宽较窄、结构复杂、重量较大。因此，相关技术中仍存在需要解决的技术问题。

发明内容

本申请的目的在于至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一。

为此，本申请实施例的一个目的在于提供一种双圆极化天线，该方法可以根据可以拓展天线工作带宽，可以提升端口隔离度，可以优化大角度扫描时天线的有源驻波。

为了达到上述技术目的，本申请实施例所采取的技术方案包括：一种双圆极化天线，包括：宽带天线阵列以及宽带垂直过渡结构；所述宽带天线阵列设置于所述宽带垂直过渡结构上；所述宽带天线阵列包括两组相互中心对称放置的天线子阵列；每个子阵列包括两个宽带天线单元；其中，任意一个宽带天线单元包括顶层辐射贴片、底层辐射贴片、寄生金属环、解耦超表面以及耦合馈电探针；其中所述寄生金属环设置于所述宽带天线单元的边缘，所述寄生金属环环绕所述顶层辐射贴片设置；所述耦合馈电探针设置于所述底层辐射贴片与所述解耦超表面之间。

另外，根据本发明中上述实施例的一种双圆极化天线，还可以有以下附加的技术特征：

进一步地，本申请实施例中，所述双圆极化天线还包括TR芯片，所述宽带天线阵列设置于所述宽带垂直过渡结构上；所述宽带天线阵列与所述宽带垂直过渡结构接触的面为贴合面，所述TR芯片设置于所述宽带垂直过渡结构的第二面；所述第二面为远离所述贴合面的宽带垂直过渡结构的表面。

进一步地，本申请实施例中，所述宽带天线单元还包括若干个天线屏蔽过孔；所述若干个天线屏蔽过孔环绕所述耦合馈电探针设置。

进一步地，本申请实施例中，所述顶层辐射贴片为圆形贴片。

进一步地，本申请实施例中，所述宽带垂直过渡结构还包括第一金属化屏蔽孔以及第二金属化屏蔽孔；所述第一金属化屏蔽孔以及所述第二金属化屏蔽孔用于减小所述天线子阵列中两个或者多个单元的间的互耦。

进一步地，本申请实施例中，所述宽带垂直过渡结构包括馈电过孔以及微带线；所述TR芯片通过所述微带线以及所述馈电过孔进行馈电。

进一步地，本申请实施例中，所述顶层辐射贴片与所述底层辐射贴片的中心在垂直于双圆极化天线放置方向的投影重合。

进一步地，本申请实施例中，所述宽带天线单元还包括树脂材料的传导柱。

进一步地，本申请实施例中，所述天线的工作频段为26.5-32.5GHz。

此外，本申请还提供一种通信设备，前面任一项所述一种双圆极化天线。

本申请的优点和有益效果将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到：

本申请可以通过设置宽带天线阵列以及宽带垂直过渡结构；宽带天线阵列设置于宽带垂直过渡结构上；宽带天线阵列包括两组相互中心对称放置的天线子阵列；每个子阵列包括两个宽带天线单元；其中，任意一个宽带天线单元包括顶层辐射贴片、底层辐射贴片、寄生金属环、解耦超表面以及耦合馈电探针；其中寄生金属环设置于宽带天线单元的边缘，寄生金属环环绕顶层辐射贴片设置；耦合馈电探针设置于底层辐射贴片与解耦超表面之间，本申请采用两层圆形辐射贴片，拓展天线工作带宽。采用寄生金属环，可以增加阵元间隔离度，还可以寄生金属环与天线相互作用，产生环路谐振，进一步拓展天线工作带宽。本申请采用馈电探针耦合馈电，抵消微带天线辐射贴片与金属地之间强烈的电感效应，拓展天线带宽。本申请采用解耦超表面，可以提升端口隔离度，可以优化大角度扫描时天线的有源驻波。

附图说明

图1为本发明中一种具体实施例中双圆极化天线(包含垂直过渡)的整体结构示意图；

图2为本发明中一种具体实施例中双圆极化天线的PCB侧视图；

图3为本发明中一种具体实施例中双圆极化天线(不包含垂直过渡)的整体结构示意图；

图4为本发明中一种具体实施例中双圆极化天线顶层金属层示意图；

图5为本发明中一种具体实施例中双圆极化天线下层辐射贴片示意图；

图6为本发明中一种具体实施例中双圆极化天线耦合馈电探针以超表面层示意图；

图7为本发明中一种具体实施例中双圆极化天线与TR芯片连接示意图；

图8为本发明中一种具体实施例中双圆极化天线有源驻波仿真结果图；

图9为本发明中一种具体实施例中双圆极化天线未加超表面两端口隔离度仿真结果图；

图10为本发明中一种具体实施例中双圆极化天线加超表面两端口隔离度仿真结果图；

图11为本发明中一种具体实施例中天线在75°扫描角、未加超表面的有源驻波仿真结果图；

图12为本发明中一种具体实施例中天线在75°扫描角、加超表面的有源驻波仿真结果图；

图13为本发明中一种具体实施例中天线主极化电平与交叉极化电平仿真结果图；

图14为本发明中一种具体实施例中天线轴比仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的实施例对本发明实施例中的双圆极化天线、及通信设备的原理和过程作以下说明。

TR(Transmitter and Receiver)＝收发。

首先对相关技术存在的技术缺陷进行说明：

天线作为接收和发送无线电波的基本装置，是无线通信系统必不可少的组成部分。圆极化天线通常应用于车载通信系统、机载以及卫星通信中。相对于线极化天线，圆极化天线具有良好的抗多径效应及抗雨雾等天气因素的干扰能力，且由于圆极化天线电磁波电场的特性，对收发天线位置不敏感，使得天线的安装和应用更加便捷，更适用于移动通信场景。

常见的圆极化阵列天线形式通常基于微带线结构实现，其采用同轴馈电，金属化过孔直接给微带天线馈电，因此结构简单、易于加工、剖面较低，然而这种结构的天线阻抗带宽较窄，通常只有5％-10％，且轴比带宽会更窄，通常只有3％-7％，扫描角度较小，通常只有30°。另外一种则是基于波导结构的圆极化天线，这类结构的天线在虽然损耗较低，但也存在工作带宽较窄、结构复杂、重量较大，且在尺寸缩放后存在在高频段难以加工的问题。

为了解决相关技术中存在的技术问题，参照图1，本申请提供一种双圆极化天线。该天线可以包括宽带天线阵列1以及宽带垂直过渡结构2；宽带天线阵列1设置于宽带垂直过渡结构2上。具体地，宽带垂直过渡结构2具有两个相对的表面，分别是第一面以及第二面，而宽带天线阵列1也具有两个相对的表面，分别是第三面以及第四面；其中宽带垂直过渡结构2的第一面与宽带天线阵列1的第三面可以进行压合或者是焊接或者是其他的物理方式的压合，其中第一面与第三面形成一个压合面，而第二面则是宽带垂直过渡结构中远离压合面的表面，同样第四面是宽带天线阵列1中远离压合面的一个表面。

宽带天线阵列包括两组相互中心对称放置的天线子阵列；每个子阵列包括两个宽带天线单元，具体地，在图1中，宽带天线单元11与宽带天线单元14组成一组中心对称的天线子阵列，而宽带天线单元12与宽带天线单元13组成另外一组中心对称的天线子阵列，其中4个宽带天线单元相互通过侧面接壤。

其中，对于任意一个宽带天线单元，参照图2以及图3，其可以包括顶层辐射贴56、底层辐射贴片55、寄生金属环50、解耦超表面54以及耦合馈电探针40(图2中)；其中寄生金属环50可以设置于每个宽带天线单元的边缘，寄生金属环50环绕顶层辐射贴片56设置，寄生金属环50可以用于形成低频环路谐振，拓展低频带宽性能，也可以用于减小天线单元间的互耦。寄生金属环50可以形成一个矩形的金属环，其中每个矩形金属环与顶层辐射贴51之间存在一定的距离，该距离的具体数值可以是根据实际需要确定；而在图2中可以看出耦合馈电探针40可以设置于底层辐射贴片55与解耦超表面54之间。顶层辐射贴片56可以用于形成高次模，与底层辐射贴片55形成双谐振，拓展天线阻抗带宽，还可以用于减少天线阵元间隔离，同时可以产生低频环路谐振。解耦超表面54可以用于减少耦合探针间的耦合，提升端口隔离度，二是用于降低大扫描角度下天线的输入阻抗，优化大扫描角度扫描时天线的有源驻波。

进一步地，在本申请的一些实施例中，参照图7，双圆极化天线还包括TR芯片，TR芯片可以作为TR组件的一部分。TR组件是收发组件，T/R是Trans mitter and Receiver的缩写。T/R组件通常意义下是指一个无线收发系统中视频与天线之间的部分。T/R组件一端接天线，一端接中频处理单元就构成一个无线收发系统。其功能就是对信号进行放大、移相、衰减。T/R组件一般包括收发两个支路，单元电路应包括：本振、上下变频、滤波器、低噪声放大器、功率放大器、双工电路等。TR组件大量应用于有源相控阵雷达，主要用于实现对发射信号的放大、对接收信号的放大以及对信号幅度、相位的控制，由低噪放、功放、限幅器、移相器等组成。一部有源相控阵雷达包含了成千上万个TR组件，TR组件成本一般超过雷达总成本的50％。随着雷达科学的发展，相控阵雷达的应用越来越广泛，在其中的TR组件通常配备了几千到几万个组成阵列的功能模块，起到了相控阵雷达的核心作用。TR芯片可以设置于宽带垂直过渡结构的第二面；第二面为远离贴合面的宽带垂直过渡结构的表面，也就是TR芯片可以设置于远离压合面的一侧表面；具体地，本申请的实施例中，TR组件焊接在天线bottom层，实现天线的高度集成化、小型化。

进一步地，在本申请一些实施例中，参照图2，宽带天线单元还可以包括若干个天线屏蔽过孔32；天线屏蔽过孔32可以设置在寄生金属环的下方，若干个天线屏蔽过孔32可以环绕耦合馈电探针40设置。可以理解的是，若干个天线屏蔽过孔32可以是包括两个或者两个以上的天线屏蔽过孔。若干个天线屏蔽过孔32可以环绕耦合馈电探针40设置时，若干个天线屏蔽过孔32也同时设置于寄生金属环50所形成的的矩形的下方。而且，每两个天线屏蔽过孔32之间的间距可以相同，也可以不同。具体地，本申请的每两个天线屏蔽过孔32之间的间距相同。

进一步地，在本申请的一些实施例中，参照图4以及图5，顶层辐射贴片56可以是圆形贴片。可以理解的是，圆形贴片可以是指顶层辐射贴片56在垂直于宽带天线阵列水平方向的投影为圆形。而底层辐射贴片的形状可以是圆形贴片去除若干个弧形缺口所形成的形状，其中若干个弧形缺口中任意两个缺口之间可以存在一定的距离，该距离可以是相等。本申请可以采用两层圆形辐射贴片，可以拓展天线工作带宽。

进一步地，在本申请的一些实施例中，参照图2，宽带垂直过渡结构还可以包括第一金属化屏蔽孔33以及第二金属化屏蔽孔39。第一金属化屏蔽孔33以及第二金属化屏蔽孔39可以通过背钻的形式进行加工得到通孔，然后可以对通孔进行金属化得到金属化屏蔽孔，第一金属化屏蔽孔33以及第二金属化屏蔽孔39均可以嵌埋于宽带垂直过渡结构的内部。第一金属化屏蔽孔33以及第二金属化屏蔽孔39可以减小天线子阵列中两个或者多个单元的间的互耦。

进一步地，在本申请的一些实施例中，参照图2和图6，宽带垂直过渡结构可以包括馈电过孔34以及微带线35；TR芯片可以通过微带线35以及馈电过孔34进行馈电。

进一步地，在本申请的一些实施例中，参照图3，顶层辐射贴片56与底层辐射贴片55的中心在垂直于双圆极化天线放置方向的投影可以重合。具体地，以双圆极化天线放置方向为水平方向，顶层辐射贴片的中心可以与底层辐射贴片的中心在垂直方向上的投影重合。可以理解的是，顶层辐射贴片与底层辐射贴片也可以在垂直方向上的投影面积相同。

进一步地，在本申请的一些实施例中，参照图2，宽带天线单元还可以包括树脂材料的传导柱31。树脂材料的传导柱31可以通过背钻后形成钻孔，再通过给钻孔填充的树脂材料得到。可以理解的是树脂材料的传导柱在每个宽带天线单元中至少可以设置一个。具体地，本实施例可以设置三个。

进一步地，在本申请的一些实施例中，天线的工作频段为26.5-32.5GHz。

下面参照图8-图14说明本申请的技术效果：

其中图8为本申请的双圆极化天线有源驻波仿真结果图，从图8可以看出，本申请在天线在26.5-32.5GHz有源驻波均小于-10dB，具备良好的阻抗性能。

其中图9为本申请的双圆极化天线未加超表面两端口隔离度仿真结果图，图10为本申请的双圆极化天线加超表面两端口隔离度仿真结果图。从图9以及图10对比可以看出，未加去耦超表面时，端口隔离度在-15dB以下，增加去耦超表面后，端口隔离度在-20dB以下，增加超表面后，端口隔离度增加了5dB以上。

图11为本申请的天线在75°扫描角、未加超表面的有源回波损耗仿真结果图，而图12为天线在75°扫描角、加超表面的天线仿真结果图。从图11和图12可以看出，在加载超表面后，天线在75°扫描角下有源天线相比未加载超表面的，有源回波损耗优化了4dB以上，加载超表面后天线的阻抗性能更为优越，天线辐射效率更高。

图13为天线主极化电平与交叉极化电平仿真结果图。从图13中可以看出，天线主极化与交叉极化的电平插值大于20dB以上，具备良好的圆极化天线性能。

图14为天线轴比仿真结果图。从图14中可以看出，轴比为1.06dB，具备良好的圆极化性能。

此外，参照图3，与图1的方法相对应，本申请的实施例中还提供一种通信设备。该设备可以包括前面所述任一项双圆极化天线。

需要说明的是，上述的双圆极化天线实施例中的内容均适用于本通信设备实施例中，本通信设备实施例所具体实现的功能与上述的双圆极化天线实施例相同，并且达到的有益效果与上述的双圆极化天线实施例所达到的有益效果也相同。

在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本申请的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本申请的较佳实施进行了具体说明，但本申请并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本申请精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种双圆极化天线，其特征在于，包括：

宽带天线阵列以及宽带垂直过渡结构；所述宽带天线阵列设置于所述宽带垂直过渡结构上；所述宽带天线阵列包括两组相互中心对称放置的天线子阵列；每个子阵列包括两个宽带天线单元；其中，任意一个宽带天线单元包括顶层辐射贴片、底层辐射贴片、寄生金属环、解耦超表面以及耦合馈电探针；其中所述寄生金属环设置于所述宽带天线单元的边缘，所述寄生金属环环绕所述顶层辐射贴片设置；所述耦合馈电探针设置于所述底层辐射贴片与所述解耦超表面之间。

2.根据权利要求1所述一种双圆极化天线，其特征在于，所述双圆极化天线还包括TR芯片，所述宽带天线阵列设置于所述宽带垂直过渡结构上；所述宽带天线阵列与所述宽带垂直过渡结构接触的面为贴合面，所述TR芯片设置于所述宽带垂直过渡结构的第二面；所述第二面为远离所述贴合面的宽带垂直过渡结构的表面。

3.根据权利要求1所述一种双圆极化天线，其特征在于，所述宽带天线单元还包括若干个天线屏蔽过孔；所述若干个天线屏蔽过孔环绕所述耦合馈电探针设置。

4.根据权利要求1所述一种双圆极化天线，其特征在于，所述顶层辐射贴片为圆形贴片。

5.根据权利要求1所述一种双圆极化天线，其特征在于，所述宽带垂直过渡结构还包括第一金属化屏蔽孔以及第二金属化屏蔽孔；所述第一金属化屏蔽孔以及所述第二金属化屏蔽孔用于减小所述天线子阵列中两个或者多个单元的间的互耦。

6.根据权利要求2所述一种双圆极化天线，其特征在于，所述宽带垂直过渡结构包括馈电过孔以及微带线；所述TR芯片通过所述微带线以及所述馈电过孔进行馈电。

7.根据权利要求1所述一种双圆极化天线，其特征在于，所述顶层辐射贴片与所述底层辐射贴片的中心在垂直于双圆极化天线放置方向的投影重合。

8.根据权利要求1所述一种双圆极化天线，其特征在于，所述宽带天线单元还包括树脂材料的传导柱。

9.根据权利要求1所述一种双圆极化天线，其特征在于，所述天线的工作频段为26.5-32.5GHz。

10.一种通信设备，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述一种双圆极化天线。