CN117374579A - 一种宽带端射圆极化相控阵天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种宽带端射圆极化相控阵天线，属于天线工程技术领域。该端射圆极化相控阵由三层PCB板和两层金属夹板所构成，其易于装配，成本较低，具有宽工作带宽、宽扫描角度的特点，工作在Ka波段，适用于卫星移动通讯系统。该天线由介质集成波导部分、偶极子部分和匹配层部分构成，通过对波导口进行特殊设计实现了宽带圆极化工作。金属夹板及其切削部分的引入有效改善了该圆极化相控阵的波束扫描能力，可以很好地满足卫星通讯系统对天线的性能需求。
Description
技术领域
本发明属于天线工程技术领域，涉及一种端射圆极化相控阵天线，应用背景为卫星和移动通讯系统，其工作在毫米波频段，具有端射、宽频带、连续波束扫描的特点。
背景技术
随着卫星和移动通讯系统的不断发展，设备体积逐步小型化，在一些低剖面需求的应用中，端射天线可以更好地满足系统要求。圆极化天线可以抑制多径效应，减小极化失配，在卫星通讯中被广泛应用。除此之外，宽频带和波束扫描能力也是端射圆极化天线的主要性能指标，以实现多频段通讯并实现广域信号覆盖。例如在论文“A W-band high-efficiency multibeam circularly polarized antenna array fed by GGW butlermatrix”中，实现了17.6％的工作带宽以及±10°和±28°的波束扫描指向；论文“Millimeter-wave multibeam endfire dual-circularly polarized antenna arrayfor 5G wireless applications”也实现了和上述论文相同的波束指向，不过其工作带宽被拓宽至22.5％。论文“Millimeter-wave endfire wide-angle scanning circularlypolarized antenna array”将波束指向角度拓展到了0°和60°，但是其工作带宽仅有3.5％；论文“V-band wideband circularly polarized endfire multibeam antennawith wide beam coverage”有着不错的24.6％的带宽和±14°和±42°的波束指向角度，但是其天线单元间距为0.63倍的高频波长，这使得其副瓣电平在大角度扫描时抬高至-4.5dB，过高的副瓣电平会导致系统干扰增加，灵敏度下降。此外，相较于微波频段，毫米波的空气损耗增加，往往需要高增益阵列天线来抵消路径损耗，以上论文中的天线皆通过功分移相网络馈电，随着阵列规模增加馈电网络的设计难度和加工成本将大幅增加，难以根据所需增益要求来扩大阵列规模。
发明内容
本发明在背景技术的基础上，提出了一种宽带端射圆极化相控阵天线，其工作在Ka频段，具有宽工作频带，宽扫描角度，并且控制单元间距在0.5倍高频波长以降低副瓣电平，提高了抗干扰能力，和卫星移动通讯所需求的天线性能十分吻合。
本发明采用的技术方案如下：
一种宽带端射圆极化相控阵天线，该天线由多个天线单元组成，每个天线单元由PCB板部分和金属夹板部分构成；
所述PCB板部分共三层，分别为第一层匹配层、天线层和第二层匹配层；所述天线层为长条状，包括PCB板和位于PCB板两侧的金属贴片，PCB板分为两部分，第一部分的正反面都覆盖金属贴片，下边沿、左边沿、右边沿采用金属化通孔隔离，形成介质集成波导，上边沿中心位置设置馈电同轴孔；第二部分的正反面分别设置一弯折的金属贴片，形成偶极子，该部分的中心设置一中央金属通孔；所述第一层匹配层和第二层匹配层分别位于天线层第一部分的两侧，通过半固化片粘合；第二部分中靠近第一部分的一端设置金属夹板，从两侧夹紧PCB板部分；
多片单元天线并列在一起形成一列天线，该列天线共用一个PCB板，相邻夹片远离偶极子的一端设置一连通条，该连通条伸出PCB板外；
PCB板第二部分的正反面分别设置的弯折金属贴片包括两个枝节，第一枝节的一端连接覆盖PCB板第一部分的金属贴片的上边沿中点，第一枝节与第二枝节的连接点位于中央金属通孔旁边，第二枝节向远离中央金属通孔的方向延伸；PCB板两侧的弯折金属贴片延伸的方向不同。
进一步的，PCB板第一部分的金属贴片的上边沿的一侧设置第一矩形贴片向外延伸，另一侧首先开设一向下凹的缺口，再在缺口边缘设置一向上延伸的第二矩形贴片，第二矩形贴片的上边沿高于PCB板第一部分的金属贴片原本的上边沿低于第一矩形贴片的上边沿；PCB板第一部分两侧的金属贴片的形状为旋转对称关系。
进一步的，所述金属夹板的上边沿一侧设置有开口，两侧金属夹板的开口分别位于不同侧。
本发明采用了PCB和金属加工工艺，组装简单，成本较低。采用了介质集成波导馈电偶极子的结构，实现了端射辐射特性，使介质集成波导辐射垂直于PCB板方向极化的电磁波，偶极子辐射平行于PCB板方向极化的电磁波，并调节二者相位差为90°，从而生成了圆极化电磁波，满足卫星移动通讯的应用需求。在波导口左侧添加长方形贴片，有效地增强了垂直于PCB板方向极化的电磁波，显著优化了轴比性能。添加了两侧的金属夹板，有效地增强了天线在垂直于PCB板方向的电长度，使轴比得到优化，并且在相邻单元间的金属夹板间开槽，有效地使天线的工作频带向低频移动，使天线单元满足高频半波长的扫描需求，降低了副瓣电平，提高天线的抗干扰能力。对波导口右侧和金属夹板右侧进行了相同形状的刻蚀和切削，有效地改善了天线的扫描轴比，使此相控阵天线实现了宽带宽角扫描。
附图说明
图1为本发明端射圆极化相控阵天线单元3D视图。
图2为本发明端射圆极化相控阵天线单元分层视图。
图3为本发明端射圆极化相控阵天线单元天线层正/后视图。
图4为本发明端射圆极化1×16相控阵3D视图。
图5为本发明天线单元的电压驻波比在各扫描角度下随频率变化图。
图6为本发明天线单元的轴比在各扫描角度下随频率变化图。
图7为本发明天线1×16阵列在26GHz扫描角度下的方向图。
图8为本发明天线1×16阵列在29GHz扫描角度下的方向图。
图9为本发明天线1×16阵列在32GHz扫描角度下的方向图。
图1中结构1为第一层匹配层，结构2为天线层，结构3为第二层匹配层，结构4为偶极子，结构5为中央金属孔，结构6为介质集成波导，结构7为金属夹板；图2中结构8为半固化片，结构9为金属夹板的不规则切削部分；图3中结构10为偶极子辐射臂，结构11为金属化过孔，结构12为偶极子馈电臂，结构13为波导口左侧贴片，结构14为波导口不规则刻蚀部分，结构15为构成介质集成波导壁的金属化过孔；图4中结构16为包含连通条的金属夹板，结构17为馈电同轴。
具体实施方式
本实施例中端射圆极化相控阵天线单元3D视图如图1，天线工作在Ka频段，此相控阵单元的间距为4.7mm，即32GHz的半波长。其由PCB板部分和金属夹板部分构成。其中PCB板共三层介质板，分别是位于两侧的匹配层1和3，以及位于中间的天线层2。介质板的材料为Ro5880，相对介电常数为2.2。匹配层1和3为光板，其上无金属贴片，其厚度为1mm，其顶部于天线层平齐，向下延伸3.8mm。天线层2主要由偶极子4、中央金属孔5和介质集成波导6构成，其厚度为1mm，自波导口向上高度为4mm，中央金属孔5自波导口向上高度为2.3mm。金属夹板7厚度为1.2mm，顶部与波导口平齐，其宽度为4mm，和相邻单元的金属夹板间有0.7mm的缝隙，此开缝设计可以使天线的工作频带向低频移动，以使天线的单元间距保持在高频的半波长，从而避免栅瓣的产生，降低旁瓣电平。
本实施例中端射圆极化相控阵天线单元分层视图如图2。半固化片8材料为RLP30，厚0.111mm，相对介电常数为3.0。金属夹板的不规则切削部分9形状为在其中一条边倒半径0.5mm的圆角的长方体，此长方体长1.5mm宽0.7mm，形状和介质集成波导6上所刻蚀的部分相吻合，此切削和波导口刻蚀部分一同改善了天线低频部分在扫描45°时的轴比，有效地拓展了天线的扫描角度和扫描时的带宽。
本实施例中端射圆极化相控阵天线单元天线层正/后视图如图3所示，由于正反面的贴片形状和金属化过孔在径向方向中心对称，所以天线层的正视图和后视图是相同的。偶极子辐射臂10呈平行四边形，底为1mm，高为1.75mm，上下底偏移量为1mm。金属化过孔11直径0.2mm，焊盘单边0.2mm。偶极子馈电臂12呈平行四边形，底为0.5mm，高为1.6mm，上下底偏移量为0.3mm。波导口左侧贴片13长0.9mm，宽0.8mm，此贴片可以有效增强垂直于PCB板方向的电场强度，使其和平行于PCB板方向的电场幅值相匹配，以改善天线的轴比。波导口不规则刻蚀部分14形状为在其中一个角倒圆角的长方形，倒角半径为0.5mm，长方形长1.5mm，宽0.7mm。构成介质集成波导壁的金属化过孔15直径为0.2mm，孔间距为0.21mm。
本实施例中端射圆极化1×16相控阵3D视图如图4所示。包含连通条的金属夹板16中金属夹板高10mm，连通条高6mm。由于毫米波小尺寸限制，馈电同轴17在PCB板两侧交错排列，相控阵馈电时相邻单元补偿180°相位即可。
图5给出了此天线单元的电压驻波比在各扫描角度下随频率变化图，天线在0°、30°和45°扫描角度下可以实现在24～34GHz(甚至更宽)范围内驻波小于2.4。
图6给出了此天线单元的轴比在各扫描角度下随频率变化图，天线在0°、30°和45°扫描角度下，可以实现在25～32.8GHz(27％)范围内轴比小于3dB。
图7给出了此天线1×16阵列在26GHz的方向图，其中波束分别指向0°、±30°和±45°，可以看到此天线阵列波束指向稳定，在各个扫描角度下交叉极化优良，无栅瓣出现，扫描至最大角度时增益降低小于1.5dB。
图8给出了此天线1×16阵列在29GHz的方向图，其中波束分别指向0°、±30°和±45°，可以看到此天线阵列波束指向稳定，在各个扫描角度下交叉极化优良，无栅瓣出现，扫描至最大角度时增益降低小于1.5dB。
图9给出了此天线1×16阵列在32GHz的方向图，其中波束分别指向0°、±30°和±45°，可以看到此天线阵列波束指向稳定，在各个扫描角度下交叉极化优良，无栅瓣出现，扫描至最大角度时增益降低小于1.5dB。
可以实现端射辐射特性，25～32.8GHz宽工作频带，-45°～45°连续波束扫描。其特征在于：分为PCB板和金属夹板两个部分；在于：PCB板由两层匹配层和一层天线层构成，天线层位于两层匹配层中间；在于：天线层分为介质集成波导和偶极子两部分，偶极子两臂分别连接在介质集成波导的两面，介质集成波导为偶极子馈电；在于：波导口进行特殊处理，在其左侧添加方形金属贴片，右侧则减去了一块不规则图形，形状为在其中一个角倒圆角的长方形；在于：偶极子呈Y形，在偶极子中部有一寄生辐射金属孔。在于：金属夹板位于PCB板地两侧，其上端同波导口平齐，相邻单元间的金属夹板有缝隙，金属夹板右侧切削了一块不规则图形，形状为在其中一个边倒圆角的长方体，此切削形状和波导口所减去图形相吻合。天线结构为介质集成波导馈电偶极子，偶极子呈Y形，偶极子中央有一寄生辐射金属孔，以改善天线的圆极化辐射性能。波导口形状被特殊设计，以降低天线在侧射和扫描时的轴比，展宽工作带宽，波导口左侧添加方形金属贴片，此贴片可以增强垂直于PCB板方向极化的电磁波，显著优化了轴比性能。金属夹板的引入增加了天线在垂直于PCB板方向的电长度，从而进一步增强了垂直于PCB板方向极化的电磁波，使天线轴比得到了改善。相邻单元间金属夹板之间进行了开槽处理，使得天线的工作频带向低频移动，进而减小天线单元间距和天线高频半波长的比值，以避免大角度扫描时副瓣的产生，同时降低旁瓣电平，以提高天线分辨率和抗干扰能力。对波导口右侧和金属夹板右侧进行了相同形状的刻蚀和切削，有效地改善了天线在大角度扫描时的圆极化辐射性能和轴比带宽，从而实现了宽带宽角扫描。同轴端口在PCB板两侧交错排列，使得在毫米波小尺寸条件下有足够的空间放置同轴接头，从而使天线完成测试。
Claims (3)
1.一种宽带端射圆极化相控阵天线，该天线由多个天线单元组成，每个天线单元由PCB板部分和金属夹板部分构成；
所述PCB板部分共三层，分别为第一层匹配层、天线层和第二层匹配层；所述天线层为长条状，包括PCB板和位于PCB板两侧的金属贴片，PCB板分为两部分，第一部分的正反面都覆盖金属贴片，下边沿、左边沿、右边沿采用金属化通孔隔离，形成介质集成波导，上边沿中心位置设置馈电同轴孔；第二部分的正反面分别设置一弯折的金属贴片，形成偶极子，该部分的中心设置一中央金属通孔；所述第一层匹配层和第二层匹配层分别位于天线层第一部分的两侧，通过半固化片粘合；第二部分中靠近第一部分的一端设置金属夹板，从两侧夹紧PCB板部分；
多片单元天线并列在一起形成一列天线，该列天线共用一个PCB板，相邻夹片远离偶极子的一端设置一连通条，该连通条伸出PCB板外；
PCB板第二部分的正反面分别设置的弯折金属贴片包括两个枝节，第一枝节的一端连接覆盖PCB板第一部分的金属贴片的上边沿中点，第一枝节与第二枝节的连接点位于中央金属通孔旁边，第二枝节向远离中央金属通孔的方向延伸；PCB板两侧的弯折金属贴片延伸的方向不同。
2.如权利要求1所述的一种宽带端射圆极化相控阵天线，其特征在于，PCB板第一部分的金属贴片的上边沿的一侧设置第一矩形贴片向外延伸，另一侧首先开设一向下凹的缺口，再在缺口边缘设置一向上延伸的第二矩形贴片，第二矩形贴片的上边沿高于PCB板第一部分的金属贴片原本的上边沿低于第一矩形贴片的上边沿；PCB板第一部分两侧的金属贴片的形状为旋转对称关系。
3.如权利要求1所述的一种宽带端射圆极化相控阵天线，其特征在于，所述金属夹板的上边沿一侧设置有开口，两侧金属夹板的开口分别位于不同侧。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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