CN117578095B - 一种毫米波双频宽带圆极化天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种毫米波双频宽带圆极化天线，属于通信技术领域，它包括极化器、PCB板和同轴接头；PCB板固定于极化器的下方，同轴接头穿过PCB板对极化器进行馈电，信号经过PCB板的介质集成波导到达极化器；极化器包括两个金属模具组成，两个金属模具通过螺丝孔固定连接成一立方体，在立方体内开设有一矩形凹槽，在矩形凹槽的其中两个对角上分别设置有产生圆极化电磁波的小三棱柱和大三棱柱。本发明利用极化器中两对尺寸不同的三棱柱可以将从介质集成波导耦合过来的线极化电磁波转化成圆极化电磁波并向正z轴辐射，具有良好的圆极化辐射效果；PCB板中有匹配调节金属通孔和空气孔，便于根据实际需求优化调谐。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种毫米波双频宽带圆极化天线。
背景技术
圆极化天线辐射圆极化电磁波，在固定位置其电场矢量随时间运动的轨迹接近圆形；与线极化天线相比，圆极化天线可以解决多径失真、极化失配损耗和电离层引起的法拉第旋转效应，因此，圆极化天线被广泛应用在卫星通信领域。
目前，基于LTCC（低温共烧陶瓷）技术加工毫米波圆极化天线是一种常见的毫米波圆极化天线实现方式，这种方式可以利用多层介质和金属结构设计辐射器，产生圆极化辐射。但是LTCC采用高介电常数的陶瓷介质，通过低温烧结加工成型，基于该工艺的单元天线多为平面结构，辐射口径相对较小，因此单元天线的增益通常较低，需要组成列阵使用，而且，LTCC工艺的成本也较高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种毫米波双频宽带圆极化天线，解决了现有技术存在的不足。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种毫米波双频宽带圆极化天线，它包括天线罩、极化器、PCB板和同轴接头；天线罩设置于极化器上方，PCB板固定于极化器的下方，同轴接头穿过PCB板对极化器进行馈电，信号经过PCB板的介质集成波导到达极化器；
所述极化器包括两个金属模具组成，两个金属模具通过螺丝孔固定连接成一立方体，在立方体内开设有一矩形凹槽，在矩形凹槽的其中一个对角上同时设置有产生圆极化电磁波的小三棱柱和大三棱柱。
所述PCB板上设置有贯穿PCB板的多个介质集成波导通孔，多个介质集成波导通孔依次排列组成介质集成波导的侧壁，阻止电磁波向非目标方向泄露。
所述PCB板的顶层设置有耦合槽，且耦合槽位于介质集成波导通孔组成的侧壁内，通过耦合槽将耦合到极化器x方向的线极化电磁波转化为右旋圆极化电磁波，最终产生向正z轴辐射右旋圆极化电磁波。
在耦合槽的前端和后端均设置有贯穿PCB板四个匹配调节金属通孔通过四个匹配调节金属通孔在介质集成波导内部调节阻抗匹配。
在所述PCB板上设置有贯穿PCB板的PCB板金属空气孔和PCB板金属螺丝孔，在PCB板中间的介质层设置有同轴接头内芯孔，在PCB板的底层设置有金属同轴接头连接孔；所述同轴接头通过PCB板金属螺丝孔固定，同轴接头的同轴内芯穿过PCB板底层的金属同轴接头连接孔和介质层的同轴接头内芯孔将电磁信号馈入PCB板中的介质集成波导中。
所述介质集成波导由介质集成波导通孔以及PCB板的顶层和底层金属围成。
所述小三棱柱产生高频段圆极化电磁波，大三棱柱产生低频段圆极化电磁波，小三棱柱的高度小于大三棱柱的高度，调节小三棱柱和大三棱柱大小与高度实现对圆极化频段范围的调节。
本发明具有以下优点：一种毫米波双频宽带圆极化天线，利用极化器中两对尺寸不同的三棱柱可以将从介质集成波导耦合过来的线极化电磁波转化成圆极化电磁波并向正z轴辐射，具有良好的圆极化辐射效果；PCB板中有匹配调节金属通孔和空气孔，便于根据实际需求优化调谐。
附图说明
图1为本发明的3D结构示意图；
图2为极化器的爆炸结构示意图；
图3为PCB板的顶层示意图；
图4为PCB板的介质层示意图；
图5为PCB板的底层示意图；
图6为双频天线的电压驻波比示意图；
图7为双频天线的轴比示意图；
图8双频天线的效率示意图；
图9为双频天线的增益示意图；
图10为带宽天线电压驻波比示意图；
图11为带宽天线轴比示意图；
图12为带宽天线效率示意图；
图13为带宽天线增益示意图；
图14为xoz平面方向示意图；
图15为yoz平面方向示意图；
图中：1-天线罩，2-极化器，21-小三棱柱，22-大三棱柱，23-螺丝孔，3-PCB板，311-耦合槽，312-PCB板金属空气孔，313-PCB板金属螺丝孔，321-匹配调节金属过孔，322-介质集成波导通孔，323-同轴接头内芯孔，331-金属同轴接头连接孔，4-同轴接头。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。
如图1和图2所示，本发明具体涉及一种毫米波双频宽带圆极化天线，由天线罩1、极化器2、PCB板3和同轴接头4组成，其中，天线罩1位于极化器2的正上方，罩住整个天线，防止使用时雨水、杂物落入天线内部造成损坏。
进一步地，极化器2由两金属模具组成，在极化器螺丝孔23处上螺丝紧固成立方体，并与PCB板 3固定在一起，极化器2中有两对小三棱柱21和大三棱柱22，可将通过图3中311耦合槽耦合至极化器的x方向的线极化电磁波转化成右旋圆极化电磁波，最终产生向正z轴辐射右旋圆极化电磁波。其中，小三棱柱21负责高频频段，大三棱柱22负责低频频段。通过合理设计两对小三棱柱21和大三棱柱22的尺寸，可以让本发明中的毫米波双频/宽带圆极化天线覆盖两个频段或者单个较宽的频带。天线由同轴接头4馈电，信号经过PCB板3中的介质集成波导达到极化器2，通过极化器2中的两对小三棱柱21和大三棱柱22产生右旋圆极化电磁波，如图14和15所示，其方向图主波束指向﹢z轴，波束形状规则，交叉极化分量很小，很适合实际应用。
进一步地，如图4和图5所示，馈电的同轴接头4可以通过PCB板3上的PCB板金属螺丝孔313固定，其同轴内芯穿过PCB板3底层的金属同轴接头连接孔331和介质层的同轴接头内芯孔323将电磁信号馈入到PCB板3的介质集成波导中。
进一步地，贯穿PCB板3的介质集成波导通孔322组成介质集成波导的侧壁，阻止电磁波向非目标方向泄露，匹配调节金属过孔321在介质集成波导内部调节阻抗匹配；贯穿PCB板3的PCB板金属空气孔312也负载调节阻抗匹配，根据实际需要确定好工作频带后，通过调节器与匹配调节金属过孔321的位置和尺寸，让工作频带内的电压驻波比小于指定值后，即可良好工作。
图6和图7展示了将两对三棱柱尺寸设计成双频天线时对应的电压驻波比和轴比情况，此时天线可以在22.5 GHz -23.4 GHz（0.9GHz）和 31 GHz -32 GHz(1GHz)内满足驻波比小于2，轴比小于3dB。图8和图9展示了此双频天线对应的效率和增益，在工作频带内，天线增益大于10.5dBic,效率高于76%，具有良好的辐射性能。图10和图11展示了将两对三棱柱尺寸设计成宽带天线时对应的电压驻波比和轴比情况，此时天线可以在24.6 GHz -28.2 GHz(3.6GHz)内满足驻波比小于2，轴比小于3dB。图12和图13展示了此双频天线对应的效率和增益，在工作频带内，天线增益大于11.8dBic,效率高于80%，具有良好的辐射性能。在实际使用时，可以根据需求合理地设计两对小三棱柱21和大三棱柱22的大小，让该天线覆盖两个频段或者一个较宽的频带。
进一步地，尽管本发明中展示的毫米波圆极化天线双频设计工作频带为22.5GHz-23.4 GHz和31GHz-32 GHz ,宽带设计工作于24.6GHz-28.2 GHz，应当理解：天线的工作频率可以根据实际需要设置，只需对本发明中天线的尺寸进行调整即可。尽管本发明中极化器通过在phi=-45°的对角线上加两对三棱柱实现右旋圆极化辐射，应当理解：将两个三棱柱设计在phi=45°对角线上，可以实现左旋圆极化辐射。尽管本发明中的片状天线罩面积与极化器面积相等，应当理解：可以用面积更大的或盒状天线罩保护天线。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和完善，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (6)
1.一种毫米波双频宽带圆极化天线，其特征在于：它包括极化器（2）、PCB板（3）和同轴接头（4）；PCB板（3）固定于极化器（2）的下方，同轴接头（4）穿过PCB板（3）对极化器（2）进行馈电，信号经过PCB板（3）的介质集成波导到达极化器（2）；
所述极化器（2）包括两个金属模具组成，两个金属模具通过螺丝孔（23）固定连接成一立方体，在立方体内开设有一矩形凹槽，在矩形凹槽的其中一个对角上同时设置有产生圆极化电磁波的小三棱柱（21）和大三棱柱（22）；
所述PCB板（3）上设置有贯穿PCB板（3）的多个介质集成波导通孔（322），多个介质集成波导通孔（322）依次排列组成介质集成波导的侧壁，阻止电磁波向非目标方向泄漏；
所述PCB板（3）的顶层设置有耦合槽（311），且耦合槽（311）位于介质集成波导通孔（322）组成的侧壁内，通过耦合槽（311）将耦合到极化器（2）x方向的线极化电磁波转化为右旋圆极化电磁波，最终产生向正z轴辐射的右旋圆极化电磁波；
所述小三棱柱（21）产生高频段圆极化电磁波，大三棱柱（22）产生低频段圆极化电磁波。
2.根据权利要求1所述的一种毫米波双频宽带圆极化天线，其特征在于：在耦合槽（311）的前端和后端均设置有贯穿PCB板（3）的四个匹配调节金属通孔（321），通过四个匹配调节金属通孔（321）在介质集成波导内部调节阻抗匹配。
3.根据权利要求1所述的一种毫米波双频宽带圆极化天线，其特征在于：在所述PCB板（3）上设置有贯穿PCB板（3）的PCB板金属空气孔（312）和PCB板金属螺丝孔（313），在PCB板（3）中间的介质层设置有同轴接头内芯孔（323），在PCB板（3）的底层设置有金属同轴接头连接孔（331）；所述同轴接头（4）通过PCB板金属螺丝孔（313）固定，同轴接头（4）的同轴内芯穿过PCB板（3）底层的金属同轴接头连接孔（331）和介质层的同轴接头内芯孔（323）将电磁信号馈入PCB板（3）中的介质集成波导中。
4.根据权利要求3所述的一种毫米波双频宽带圆极化天线，其特征在于：所述介质集成波导由介质集成波导通孔（322）以及PCB板（3）的顶层和底层金属围成。
5.根据权利要求1所述的一种毫米波双频宽带圆极化天线，其特征在于：还包括天线罩（1），所述天线罩（1）设置于极化器（2）上方。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种毫米波双频宽带圆极化天线，其特征在于：所述小三棱柱（21）的高度小于大三棱柱（22）的高度，调节小三棱柱（21）和大三棱柱（22）大小与高度实现对圆极化频段范围的调节。
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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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