CN210296624U - 一种圆极化多层板天线、天线子阵及阵列天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种圆极化多层板天线、天线子阵及阵列天线，通过在第一层板一侧表面上设置单极子天线，辐射馈出同相且极化正交的信号；在第二层板上设置第一金属层、第二金属层、连接第一金属层和第二金属层的互联通孔、以及第二金属层上设置连接其它功能模块单极子馈电端；同时设置具有对称的中心缝隙的寄生贴片，所述单极子天线在所述寄生贴片上的垂直投影覆盖所述中心缝隙。进一步地，本申请技术方案将上述多层板天线采用旋转90度按正矩阵方式顺序排列的方式组成圆极化天线子阵，进一步再将圆极化天线子阵按矩阵方式排列组成阵列天线。由此具有提高圆极化天线增益、拓展驻波带宽和轴比带宽且兼具小型化的技术效果。

Description

一种圆极化多层板天线、天线子阵及阵列天线

技术领域

本实用新型涉及毫米波频段天线安装结构集成技术领域，特别是涉及一种圆极化多层板天线、天线子阵及阵列天线。

背景技术

圆极化天线在无线电领域中有重要作用。特别在航天飞行器中，由于飞行器位置姿态的固定，它们的通讯测控设备要求应用能够实现共形、重量轻、体积小、成本低等特点的天线，而圆极化微带天线就是能满足这些要求的比较理想的天线。

天线圆极化特性的实现需要天线能够同时激励出两个正交、极化分量幅度一致，且相位相差90°的线极化波。

传统天线为了实现较好的圆极化特性通常有以下几种设计方式：第一种是采用正交馈电的方式，然而这种方式会导致射频端口利用率不高或者需要额外的匹配网络引入，使得天线尺寸变大，应用范围受限；第二种方式是利用天线本身的曲线结构而实现天线圆极化功能，例如：曲线微带天线、平面螺旋天线等，不过这类天线一般尺寸较大，并且由于背向辐射严重，为了获得较好的定向性这类天线在设计时还需引入背腔，从而进一步增加了天线剖面高度；第三种方式是采用一点或多点馈电的单片天线，通过激励多个同相且极化正交的线极波，也可以辐射出圆极化波，但其缺点是单馈点的带宽太窄，多馈点的互耦较大，从而往往会导致天线增益下降。如果进一步采用将单元天线组成较大的阵面天线，虽然可以提高天线增益，但圆极化天线阵面的极化性能通常通过旋转组阵实现，当阵元数量较少时，大角度的圆极化性能会大受影响。

可见，现有技术中的圆极化天线要么存在着天线尺寸较大、要么存在着天线剖面高度过高、要么存在着带宽较窄或天线增益小、圆极化实现度太低的技术问题。

实用新型内容

本申请提供一种圆极化多层板天线、天线子阵及阵列天线，用以解决现有技术中的圆极化天线要么存在着天线尺寸较大、要么存在着天线剖面高度过高、要么存在着带宽较窄或天线增益小、圆极化实现度太低的技术问题。

本申请第一方面提供了一种低轴比高增益的圆极化多层板天线，包括：

第一层板，所述第一层板的一侧表面上固定设置单极子天线，用以辐射馈出同相且极化正交的信号；

第二层板，贴附设置在所述第一层板的另一侧表面上，包括第一金属层、第二金属层、互联通孔、以及单极子馈电端，所述第二层板贴近所述第一层板侧的表面上设置所述第一金属层，所述第二层板的另一侧表面上设置所述第二金属层，所述互联通孔贯穿设置在所述第二层板内，用以连接所述第一金属层和所述第二金属层，而所述单极子馈电端设置在所述第二金属层上且与所述互联通孔连接，所述单极子馈电端用以连接其它功能模块；

第三层板，贴附设置在所述单极子天线所在侧的第一层板表面上，且在所述单极子天线所在的另一侧第三层板表面上固定设置具有中心缝隙的寄生贴片，所述中心缝隙的形状为对称形状，所述单极子天线在所述寄生贴片上的垂直投影覆盖所述中心缝隙；

其中，所述第一层板、所述第二层板和所述第三层板通过粘结材料压合固定为一体。

可选地，所述单极子天线为切掉一对角的矩形辐射贴片，且所述矩形辐射贴片未切去对角的角方向上分别设置有形状对称的辐射端。

可选地，所述中心缝隙为形状对称的十字结构，且所述十字结构的长宽尺寸与其在信号辐射过程中所产生的信号谐振点匹配。

可选地，所述多层板天线还包括：

至少两个屏蔽金属孔，围绕所述互联通孔贯穿设置在所述第二层板内，所述屏蔽金属孔的轴向与所述互联通孔的轴向平行。

可选地，所述屏蔽金属孔的轴向与所述互联通孔的轴向与所述第二层板的板面垂直。

本申请第二方面提供了一种圆极化天线子阵，包括：

四个如第一方面所述的多层板天线，其中，四个所述多层板天线按照矩阵方式顺序排列，每相邻两个多层板天线之间的旋转角度差为90度，且四个所述多层板天线与所述圆极化天线子阵的中心点距离相同。

可选地，所述多层板天线为正方形结构。

可选地，所述天线子阵还包括：

至少十二个金属隔离孔，均匀分布设置在每相邻两个多层板天线之间、以及所述多层板天线的边缘位置上。

本申请第三方面提供了一种圆极化阵列天线，包括：

至少两个如第二方面所述的圆极化天线子阵，其中，所述至少两个圆极化天线子阵按照矩阵方式顺序排列。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请实施例中的技术方案通过在多层微波板的第一层板一侧表面上固定设置单极子天线，辐射馈出同相且极化正交的信号；在第二层板上设置第一金属层、第二金属层、连接第一金属层和第二金属层的互联通孔、以及第二金属层上设置连接其它功能模块单极子馈电端；同时在所述单极子天线所在侧的第一层板表面上设置具有对称的中心缝隙的寄生贴片，所述单极子天线在所述寄生贴片上的垂直投影覆盖所述中心缝隙。进一步地，本申请技术方案将上述多层板天线采用旋转90度按正矩阵方式顺序排列的方式组成圆极化天线子阵，进一步再将圆极化天线子阵按矩阵方式排列组成阵列天线。由此具有提高圆极化天线增益、拓展驻波带宽和轴比带宽且兼具小型化的技术效果。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种圆极化多层板天线的结构图；

图2为本实用新型实施例提供的一种天线子阵及阵列天线的结构图。

具体实施方式

本申请提供一种圆极化多层板天线、天线子阵及阵列天线，用以解决现有技术中的圆极化天线要么存在着天线尺寸较大、要么存在着天线剖面高度过高、要么存在着带宽较窄或天线增益小、圆极化实现度太低的技术问题。

本申请实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

本申请实施例中的技术方案通过在多层微波板的第一层板一侧表面上固定设置单极子天线，辐射馈出同相且极化正交的信号；在第二层板上设置第一金属层、第二金属层、连接第一金属层和第二金属层的互联通孔、以及第二金属层上设置连接其它功能模块单极子馈电端；同时在所述单极子天线所在侧的第一层板表面上设置具有对称的中心缝隙的寄生贴片，所述单极子天线在所述寄生贴片上的垂直投影覆盖所述中心缝隙。进一步地，本申请技术方案将上述多层板天线采用旋转90度按正矩阵方式顺序排列的方式组成圆极化天线子阵，进一步再将圆极化天线子阵按矩阵方式排列组成阵列天线。由此具有提高圆极化天线增益、拓展驻波带宽和轴比带宽且兼具小型化的技术效果。

下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

实施例一

请参考图1，本申请实施例一提供一种低轴比高增益的圆极化多层板天线10，包括：

第一层板101，所述第一层板101的一侧表面上固定设置单极子天线 1011，用以辐射馈出同相且极化正交的信号，在实际操作中，能够辐射馈出同相且极化正交信号的单极子天线1011可以为多种形式，例如圆形贴片天线、正方形贴片天线、多馈点直线形单极子天线1011，等等，在实际操作时用户可以根据需要而自行设置；

第二层板102，贴附设置在所述第一层板101的另一侧表面上，包括第一金属层1021、第二金属层1022、互联通孔1023、以及单极子馈电端1024，所述第二层板102贴近所述第一层板101侧的表面上设置所述第一金属层 1021，所述第二层板102的另一侧表面上设置所述第二金属层1022，所述互联通孔1023贯穿设置在所述第二层板102内，用以连接所述第一金属层1021 和所述第二金属层1022，而所述单极子馈电端1024设置在所述第二金属层 1022上且与所述互联通孔1023连接，所述单极子馈电端1024用以连接其它功能模块；这些其它功能模块可以是指射频信号处理芯片、信号功分结构、或供电模块等等，只要是可与单极子馈电端1024相配合实现功能作业的处理模块即可。而在实际操作时，可以把这些其它功能模块设置为与所述第二金属层1022同层的金属层上；

第三层板103，贴附设置在所述单极子天线1011所在侧的第一层板101 表面上，且在所述单极子天线1011所在的另一侧第三层板103表面上固定设置具有中心缝隙1032的寄生贴片1031，所述中心缝隙1032的形状为对称形状，所述单极子天线1011在所述第二层板102上的投影覆盖所述中心缝隙 1032；

其中，所述第一层板101、所述第二层板102和所述第三层板103通过粘结材料压合固定为一体。

在实际操作时，可以将处理后的射频信号从其它功能模块经所述单极子馈电端1024输入，并经所述互联通孔1023传输到第一金属层1021上，再经所述第一金属层1021辐射馈入到所述单极子天线1011，通过所述单极子天线1011可以辐射馈出同相且极化正交的信号，从而实现天线的圆极化功能。并且由于所述单极子天线1011在所述第二层板102上的投影覆盖所述中心缝隙1032，因此射频信号可以经所述寄生贴片1031的中心缝隙1032馈入空间，实现引入新的信号谐振点，与单极子天线1011共同作用还可使得整个天线带宽进一步增加，并提高天线增益。进一步地，所述中心缝隙1032为形状对称的十字结构，且所述十字结构的长宽尺寸与其在信号辐射过程中所产生的信号谐振点匹配。通过所述十字结构寄生贴片1031的设置，还可进一步拓展天线的驻波带宽和轴比带宽，而采用多层板形式实现集中射频电源走线，可以提高整个天线的集成度，实现小型化的技术效果。

进一步地，具体在本申请实施例中，所述单极子天线1011为切掉一对角的矩形辐射贴片，且所述矩形辐射贴片未切去对角的角方向上分别设置有形状对称的辐射端。由此可以使得贴片单极子天线1011可以实现激励起两个正交的信号模式，获得天线的圆极化特性。

另一方面，本申请实施例中的所述多层板天线还包括：

至少两个屏蔽金属孔1025，围绕所述互联通孔1023贯穿设置在所述第二层板102内，所述屏蔽金属孔1025的轴向与所述互联通孔1023的轴向平行。同时，所述屏蔽金属孔1025的轴向与所述互联通孔1023的轴向与所述第二层板102的板面垂直。由此可以实现在加工时采用最短距离加工生成屏蔽金属孔1025。降低加工复杂度的同时也可以实现节省生产材料，提高整个天线结构的紧凑性。

实施例二

请参考图1、图2，本申请实施例二提供一种圆极化天线子阵20，包括：

四个如实施例一所述的多层板天线，其中，四个所述多层板天线按照矩阵方式顺序排列，每相邻两个多层板天线之间的旋转角度差为90度，且四个所述多层板天线与所述圆极化天线子阵20的中心点距离相同。所述多层板天线为正方形结构。从而可以使得如上述方式排列的圆极化天线子阵20其结构为一个正四边形，方便实现进一步的天线排序组阵。

同时，所述天线子阵还包括至少十二个金属隔离孔，均匀分布设置在每相邻两个多层板天线之间、以及所述多层板天线的边缘位置上。

需要指出的是，采用上述结构所组成的天线子阵，其每个圆极化多层板天线10的第二金属层1022可以为同一金属层。因此采用上述旋转对称分布的结构构成的天线子阵，可以通过外部馈相网络由每个圆极化天线子阵20的其中一个单极子馈电端1024分别给四个单极子天线1011馈电，从而使得每相邻两个单极子天线1011间相位依次相差90°，同时，每相邻两个单极子天线1011馈出的信号间距一个波长，从而实现提高天线圆极化完整度的性能。另一方面，通过所述至少十二个金属隔离孔可以减小单元圆极化天线子阵20间相互干涉的影响，起到提高天线子阵的隔离度的技术效果。

前述图1实施例中的圆极化多层板天线，其各种变化方式和具体实例同样适用于本实施例的圆极化天线子阵，通过前述对圆极化多层板天线的详细描述，本领域技术人员可以清楚的知道本实施例中圆极化天线子阵的实施方法，所以为了说明书的简洁，在此不再详述。

实施例三

请参考图2，本申请实施例三提供一种圆极化阵列天线30，包括：

至少两个如实施例二所述的圆极化天线子阵20，其中，所述至少两个圆极化天线子阵20按照矩阵方式顺序排列。

而在本申请实施例中使用16个所述圆极化天线子阵20采用正方形矩阵方式进行顺序排列，从而实现采用六十四个单极子天线1011进行旋转布阵。由方向图相乘原理可知，相控阵天线阵面总场为天线单元场与阵因子的乘积。阵因子包含每个天线单元信号幅度和相位的差异，相位差异主要由每个单元的位置和结构所决定。不同规律的激励分布可以实现天线不同的性能。为了使得天线阵面增益最大，可以在外部进行幅相补偿，使得在某个特定扫描方向上，每个天线单元都是等幅同相，形成高增益窄波束方向图。而本申请实施例中的六十四个单元阵面天线，其每个单极子端口均可以独自控制激励信号的幅度和相位从而在整个阵面上进行幅相加权，根据需求可以实现天线低副瓣的性能，同时可以形成宽波束，也能用于降低天线指定角度上的轴比等。

本申请实施例中的圆极化阵列天线30以35GHz频率天线为例，其驻波为小于等于2的带宽为13％，远高于传统贴片天线的1％～7％。

同时，本申请实施例中的圆极化阵列天线30其最大增益可以为6dB，5dB 增益带宽为12.8％。

前述图1实施例中的圆极化多层板天线，图2实施例中的圆极化天线子阵，其各种变化方式和具体实例同样适用于本实施例的圆极化阵列天线，通过前述对圆极化多层板天线、圆极化天线子阵的详细描述，本领域技术人员可以清楚的知道本实施例中圆极化阵列天线的实施方法，所以为了说明书的简洁，在此不再详述。

由此可见，本申请实施例中的技术方案通过在多层微波板的第一层板一侧表面上固定设置单极子天线，辐射馈出同相且极化正交的信号；在第二层板上设置第一金属层、第二金属层、连接第一金属层和第二金属层的互联通孔、以及第二金属层上设置连接其它功能模块单极子馈电端；同时在所述单极子天线所在侧的第一层板表面上设置具有对称的中心缝隙的寄生贴片，所述单极子天线在所述寄生贴片上的垂直投影覆盖所述中心缝隙。进一步地，本申请技术方案将上述多层板天线采用旋转90度按正矩阵方式顺序排列的方式组成圆极化天线子阵，进一步再将圆极化天线子阵按矩阵方式排列组成阵列天线。由此具有提高圆极化天线增益、拓展驻波带宽和轴比带宽且兼具小型化的技术效果。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。进一步地，本申请技术方案中的各个方法步骤可以颠倒，变换先后顺序而依然落入本申请所涵盖的实用新型范围中。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种低轴比高增益的圆极化多层板天线，其特征在于，包括：

第一层板，所述第一层板的一侧表面上固定设置单极子天线，用以辐射馈出同相且极化正交的信号；

第二层板，贴附设置在所述第一层板的另一侧表面上，包括第一金属层、第二金属层、互联通孔、以及单极子馈电端，所述第二层板贴近所述第一层板侧的表面上设置所述第一金属层，所述第二层板的另一侧表面上设置所述第二金属层，所述互联通孔贯穿设置在所述第二层板内，用以连接所述第一金属层和所述第二金属层，而所述单极子馈电端设置在所述第二金属层上且与所述互联通孔连接，所述单极子馈电端用以连接其它功能模块；

第三层板，贴附设置在所述单极子天线所在侧的第一层板表面上，且在所述单极子天线所在的另一侧第三层板表面上固定设置具有中心缝隙的寄生贴片，所述中心缝隙的形状为对称形状，所述单极子天线在所述寄生贴片上的垂直投影覆盖所述中心缝隙；

其中，所述第一层板、所述第二层板和所述第三层板通过粘结材料压合固定为一体。

2.如权利要求1所述的多层板天线，其特征在于，所述单极子天线为切掉一对角的矩形辐射贴片，且所述矩形辐射贴片未切去对角的角方向上分别设置有形状对称的辐射端。

3.如权利要求2所述的多层板天线，其特征在于，所述中心缝隙为形状对称的十字结构，且所述十字结构的长宽尺寸与其在信号辐射过程中所产生的信号谐振点匹配。

4.如权利要求1所述的多层板天线，其特征在于，所述多层板天线还包括：

至少两个屏蔽金属孔，围绕所述互联通孔贯穿设置在所述第二层板内，所述屏蔽金属孔的轴向与所述互联通孔的轴向平行。

5.如权利要求4所述的多层板天线，其特征在于，所述屏蔽金属孔的轴向与所述互联通孔的轴向与所述第二层板的板面垂直。

6.一种圆极化天线子阵，其特征在于，包括：

四个如权利要求1-5任一权利要求所述的多层板天线，其中，四个所述多层板天线按照矩阵方式顺序排列，每相邻两个多层板天线之间的旋转角度差为90度，且四个所述多层板天线与所述圆极化天线子阵的中心点距离相同。

7.如权利要求6所述的天线子阵，其特征在于，所述多层板天线为正方形结构。

8.如权利要求6所述的天线子阵，其特征在于，所述天线子阵还包括：

至少十二个金属隔离孔，均匀分布设置在每相邻两个多层板天线之间、以及所述多层板天线的边缘位置上。

9.一种圆极化阵列天线，其特征在于，包括：

至少两个如权利要求6-8任一权利要求所述的圆极化天线子阵，其中，所述至少两个圆极化天线子阵按照矩阵方式顺序排列。

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