CN220628227U - 一种高增益圆极化棒状天线结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及天线技术领域，特别涉及一种高增益圆极化棒状天线结构。其包括辐射介质棒、波导‑基片集成波导转换的馈电网络模块、波导固定连接件，馈电网络模块和辐射介质棒为一体式结构，一体式结构由多片PCB板拼接组成，辐射介质棒部分的多片PCB板拼接结构为中心对称结构，对称中心为辐射介质棒的轴心，辐射介质棒由馈电网络模块的一端向外部延伸，馈电网络模块的另一端插入波导固定连接件的中心并固定连接。通过采用波导‑基片集成波导的转换馈电结构，从馈电网络到天线采用整片PCB板材进行一体化设计，使天线在实际应用场景中与射频电路进行高度集成化。本棒状天线同时兼具宽阻抗带宽和轴比带宽的特性，对于提高天线的工作性能具有重要意义。
Description
技术领域
本实用新型涉及天线技术领域，特别涉及一种高增益圆极化棒状天线结构。
背景技术
在通信、雷达、广播、导航、遥感、射电天文等领域中，天线作为收发设备是必不可少的部件，其用于将发射机的高频能量有效地转换为空间的电磁能量，同时可将自由空间中的电磁能量转换为高频电流，其在无线通信系统中承担着至关重要的作用，所以天线的特性决定整个系统的性能。
随着通信技术的不断革新，在实际的通信场景中，终端所处的电磁环境也逐渐复杂，在相同的传输距离和接收灵敏度下，由于街道纵横，建筑耸立或山区峰峦起伏，电磁波可能受到多重反射和散射，所以电磁能量传输损耗增大，为保证通信链路的可靠性，则需要更高的天线增益来满足通信要求。棒状天线作为毫米波天线的一种，其可以通过简单的方法提高天线的增益。当辐射介质棒的长度增加时，棒状天线的增益也会随之提高，并且在实际天线加工制造时，这种提高增益的方法是简单容易实现的。此外，棒状天线同时兼具宽阻抗带宽和结构紧凑的特性，并且其辐射方向图平稳。
圆极化波在恶劣环境中具有更好的稳定性，其能够有效的抑制干扰和由于雾和雨等环境问题产生的多路径影响，在现实环境中能减少极化失配问题，进而减少电磁能量的传输损耗。所以圆极化棒状天线的应用，不仅能有效地补偿毫米波段的高路径损耗，还能显著地提高通信速率。
在现有圆极化棒状天线的研究中，存在的主要问题是现有圆极化棒状天线很难与其他射频器件、集成电路进行集成一体化设计，从而造成额外的空间消耗。在目前众多圆极化棒状天线的设计中，电介质棒的形状大多采用圆锥型或者锥形，电介质棒的材质不是采用PCB板材，而是使用3D打印技术，使得天线的设计很难实现大规模的量产。正是受到电介质棒的形状、材质及其在天线结构中的位置等条件的限制，使得其较难与射频电路集成，从而在实际应用中需要增加额外的体积和空间。
实用新型内容
本实用新型提供一种高增益圆极化棒状天线结构，旨在解决现有圆极化棒状天线结构难与射频电路集成的问题。
本实用新型提供一种高增益圆极化棒状天线结构包括辐射介质棒、波导-基片集成波导转换的馈电网络模块、波导固定连接件，所述馈电网络模块和辐射介质棒为一体式结构，所述一体式结构由多片PCB板拼接组成，所述辐射介质棒部分的多片PCB板拼接结构为中心对称结构，对称中心为辐射介质棒的轴心，所述辐射介质棒由馈电网络模块的一端向外部延伸，所述馈电网络模块的另一端插入波导固定连接件的中心并固定连接。
作为本实用新型的进一步改进，以辐射介质棒的轴心为旋转轴，所述辐射介质棒相对于馈电网络模块旋转的角度为45°。
作为本实用新型的进一步改进，所述PCB板的材料为Rogers 4003板材。
作为本实用新型的进一步改进，所述PCB板的表面覆铜。
作为本实用新型的进一步改进，所述波导固定连接件的馈电波导型号为WR-28。
作为本实用新型的进一步改进，所述波导固定连接件的材质为铝。
作为本实用新型的进一步改进，所述辐射介质棒的形状为锥形。
本实用新型的有益效果是：通过采用波导-基片集成波导(SIW)的转换馈电结构，从馈电网络到天线采用整片PCB板材进行一体化设计，使天线在实际应用场景中可以与射频电路进行高度集成化。另外，本棒状天线同时兼具了宽阻抗带宽和轴比带宽的特性，对于提高天线的工作性能具有重要意义。
附图说明
图1是本实用新型圆极化棒状天线的整体结构图；
图2是本实用新型圆极化棒状天线及其馈电结构的侧视图；
图3是本实用新型圆极化棒状天线及其馈电结构的俯视图；
图4是本实用新型圆极化棒状天线的顶部视图；
图5是本实用新型中WR-28波导固定连接件的立体结构图；
图6是本实用新型中平面波沿辐射介质棒的“Z”型路径示意图；
图7是本实用新型中包含两个端射辐射的轴向平面ABCD结构示意图；
图8是本实用新型中辐射介质棒相对于馈电波导旋转角度后的结构示意图；
图9是本实用新型中圆极化棒状天线在35GHz的电场分布图；
图10是本实用新型天线模型中电场分量Eu和Ev的幅度差和相位差示意图：(a)幅度差，(b)相位差；
图11是本实用新型中圆极化棒状天线回波损耗随频率的变化图；
图12是本实用新型中圆极化棒状天线轴比随频率的变化图；
图13是本实用新型中圆极化棒状天线增益随频率的变化图；
图14是本实用新型中圆极化棒状天线在不同频率的辐射方向图：(a)30GHz，(b)35GHz，(c)38GHz。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。
如图1至图4所示，本实用新型的一种高增益圆极化棒状天线结构，包括辐射介质棒1、波导-基片集成波导转换的馈电网络模块2、波导固定连接件3，馈电网络模块2和辐射介质棒1为一体式结构，一体式结构由多片PCB板4拼接组成，辐射介质棒1部分的多片PCB板4拼接结构为中心对称结构，对称中心为辐射介质棒1的轴心，辐射介质棒1由馈电网络模块2的一端向外部延伸，馈电网络模块2的另一端插入波导固定连接件3的中心并固定连接。
本实用新型所提出的圆极化棒状天线使用的材料为Rogers 4003板材，其介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027，WR-28波导固定连接件3材质为铝。图1为圆极化棒状天线各部分的结构图，其由一个波导-基片集成波导(SIW)的转换馈电网络模块2、辐射介质棒1部分以及WR-28波导连接固定件所组成。波导-基片集成波导(SIW)的转换馈电网络插入WR-28波导连接固定件的中心并由紧固件进行结构固定，辐射介质棒1部分的作用是将电磁波由介质棒向自由空间进行辐射。如图2至图4所示，圆极化棒状天线各部分的具体尺寸如
表1所示。
表1圆极化棒状天线主要参数表
表格中各个参数的文字含义为：
l1～l4为辐射介质棒部分各片PCB板的长度，w1～w4为辐射介质棒部分各片PCB板的底部宽度，d1～d2为辐射介质棒部分各片PCB板的顶部宽度，lr为基片集成波导SIW部分的长度，match_l为波导-基片集成波导结构匹配部分的长度，match_w为波导-基片集成波导结构匹配部分的宽度，ws为基片集成波导SIW金属柱之间的宽度。
为了增大圆极化天线的轴比带宽，辐射介质棒1部分的结构为中心对称结构，并以辐射介质棒1的轴心为旋转轴，整个辐射介质棒1部分相对于馈电结构旋转的角度为45°，从而可以产生圆极化辐射。辐射介质棒1部分的形状可以为锥形。为了实际测量的需要，采用波导-基片集成波导(SIW)的转换馈电网络，该馈电网络与辐射介质棒1部分为一体式结构，该一体式结构由8片Rogers 4003PCB板4所组成，其中每片PCB板4的厚度均为0.813mm，覆铜厚度为18微米，采用一体式结构可以使得该圆极化棒状天线和其他的射频电路更容易集成一体化，即指圆极化棒状天线的PCB板4可以和其他射频电路的PCB板4集成在一张PCB板上。
如图5所示，波导固定连接件3的馈电波导选择WR-28标准波导，其尺寸为3.556mm×7.12mm，该波导固定连接件3用于将WR-28波导和天线的整个馈电结构进行连接固定。波导固定连接件3用于连接馈电网络模块2和标准波导，其结构与这两者相匹配而设计的连接件。
圆极化棒状天线的工作原理：
棒状天线长度增加时，其波束宽度会变窄，其定向辐射性能更好，于是天线增益也会有所提高，棒状天线高增益的原理为：
辐射电场存在于电介质棒的外部，电磁波的能量在电介质棒的外部和内部流动，根据斯涅尔折射定律，电磁波可以从电介质棒的内部进入外层空间进行辐射。对于与波长相比直径较小的电介质棒，能量流主要在电介质棒外，而对于大直径的电介质棒，能量主要在电介质棒内携带。如图6所示，在电介质棒中，电磁波的基模也遵循“Z”字形路径，其在电介质和空气边界处发生折射和反射，折射分量或新出现的电磁波分量会发生相位的变化。反射部分在下一次遇到电介质和空气边界时再次发生折射和反射，使得每个辐射部分都小于最后出现的部分。预计反射和折射将会随着电磁波沿着电介质棒的传播一直发生下去，电磁波各个分量也会在向前传播过程中不断叠加，电磁波向前辐射的能量也会不断叠加，因此电介质棒状天线的辐射效率应该随着电介质棒的长度而增加。此外，随着电介质棒长度的增加，辐射效率最初的提高可能会很快，但是随着长度的进一步增加，辐射效率的提高会变得不明显。
如图7所示，将沿着杆的H模分解为无限多个均匀的平面波，其方向形成与介质杆同轴的圆锥。首先只考虑在介质棒内平面ABCD上的两个基础平面波，其余的平面波均可以由这两个平面波在AB或DC进行反射或折射得到。数值n表示介质杆沿着AB的表面上一系列分开的等间距点，相邻点之间的距离为a，介质棒外部相邻路径之间的路径差为b。每个点都可以被视为一个基础辐射器，并且由于各个独立的基本源与激发馈电波导的距离不同，它们之间彼此异相。在远离基础辐射元2的点P处的辐射具有比来自基础辐射元1的辐射更短的传播路径，但是辐射到达时会产生相位滞后。
λ表示电介质棒的波长，λ0表示在空气中的波长，那么相位差可以由公式2-1、公式2-2表示：
沿着a：
沿着b：
公式中和/>分别表示辐射源辐射波之后，在路径距离a和路径距离b上产生的相位差。
那么，来自辐射元2的辐射场和来自辐射元1的辐射场之间的远距离点P处的总相位为：
其中K＝λ0/λ，θ为点P相对于杆的轴线的角度。公式中，表示在P点处，来自辐射元2的辐射场和来自辐射元1的辐射场之间的相位差。K没有物理含义，只是公式代码。
相邻路径之间的这种相位延迟在介质棒的整个长度上是相同的，在实际中，幅度将会沿着介质杆衰减，假设振幅分布在介质杆的整个长度上也是均匀的。将波的相变因子记为将来自于基础源在P点的场分量的幅度记为Δζ，那么在P点所有场分量的场总和可以由公式2-4给出。
公式中，代表第n条路径上的相位延迟，/>代表第2条路径上的相位延迟，代表第n-1条路径上的相位延迟，/> 两个公式符号没有任何的物理含义，只是公式变形，为了之后公式化简。
如果介质棒的长度为L，那么
L＝(n-1)a (2-5)
Δζ＝ζ/n (2-6)
其中ζ是这一组n个基本源在P处的场强，其中所有基本源都同相。
利用公式(2-3)(2-5)(2-6)替换公式(2-4)：
公式中，ζp代表P点所有场分量的场总和。
当n接近无穷大时，
由公式(2-7)分析可知，当增加时，也就是棒状天线的长度增加时，θ的值会降低，这也表明天线的主波束宽度减小，天线的定向辐射性更好，天线的端射增益也会随着长度的增加而提高。
圆极化棒状天线的工作原理为：
为了产生圆极化波，首先要激励两个幅度相等且相位差为90°的正交电场分量。假设入射电场的方向相对于介质杆朝向的角度差为45°，那么入射电场可以分解为两个具有相同幅度的正交分量。由于在这两个方向上电磁波的扰动也彼此不同，这导致在这两个方向上电磁波的传播常数βx和βy也产生了较大的差别，并且可以通过调整介质杆的长度来获得期望的两个正交电场分量的相位差。因此，在本实用新型所提出的天线设计中，如图8所示，通过将辐射介质杆部分相对于馈电波导旋转45°，就可以将来自于馈电波导的线极化电场分解为两个具有较小幅度差的正交电场分量。为了更好地阐述理论，本文采用u-v坐标系来解释天线设计的工作原理。在u-v坐标系下，来自于线极化波导的入射波可以被分解为两个具有相同幅度的正交分量Eu和Ev。图9为在u-v坐标系下，本实用新型天线在35GHz的电场分布图，由图9可以看出，在电磁波传播一定距离之后，在介质杆天线的相同位置电场分量Eu和Ev的相位产生了不同。为产生圆极化波，介质杆天线的长度L需要满足如下条件：
式中，βu和βv为在u-v坐标系下，正交电场分量方向上电磁波的传播常数；N为自然数集合，k代表奇数值，得取奇数。
图10为本实用新型天线在远场区域Eu和Ev之间的幅度和相位差，从图中可以看出在天线的整个工作频段内，两个正交电场分量Eu和Ev的幅度差小于2dB。在35GHz下Eu和Ev之间的幅度差接近0dB，并且相应的相位差接近于90°。由于在工作频带内Eu和Ev之间较小的幅度差和平稳的相位差使得天线具有了宽3dB轴比带宽。
由图11可以看出，天线的工作频段覆盖25.3GHz-42GHz，工作频带可以覆盖整个Ka波段(27GHz-40GHz)，在工作频段内，S11＜-11dB，天线的阻抗带宽为49.6％。
由图12可以看出，天线的3dB轴比带宽为40％(28GHz-42GHz)，其中重叠带宽为40％。
由图13可以看出，在整个Ka波段内，天线增益的范围是13.5dBi-16dBi，天线的峰值增益为16dBi，出现在频率26.5GHz处。
图14为圆极化棒状天线在30GHz、35GHz以及38GHz时的辐射方向图，作为端射辐射方向图，天线在这些频点的方向图均是平稳且对称的。在各个频点上，天线的交叉极化均小于-17dB，并且天线的前后比大约为20dB。从图中可以看出，天线的3-dB轴比波束宽度较宽，这也是该圆极化棒状天线的另一显著优势。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。
Claims (7)
1.一种高增益圆极化棒状天线结构，其特征在于，包括辐射介质棒、波导-基片集成波导转换的馈电网络模块、波导固定连接件，所述馈电网络模块和辐射介质棒为一体式结构，所述一体式结构由多片PCB板拼接组成，所述辐射介质棒部分的多片PCB板拼接结构为中心对称结构，对称中心为辐射介质棒的轴心，所述辐射介质棒由馈电网络模块的一端向外部延伸，所述馈电网络模块的另一端插入波导固定连接件的中心并固定连接。
2.根据权利要求1所述高增益圆极化棒状天线结构，其特征在于，以辐射介质棒的轴心为旋转轴，所述辐射介质棒相对于馈电网络模块旋转的角度为45°。
3.根据权利要求2所述高增益圆极化棒状天线结构，其特征在于，所述PCB板的材料为Rogers 4003板材。
4.根据权利要求1所述高增益圆极化棒状天线结构，其特征在于，所述PCB板的表面覆铜。
5.根据权利要求1所述高增益圆极化棒状天线结构，其特征在于，所述波导固定连接件的馈电波导型号为WR-28。
6.根据权利要求1所述高增益圆极化棒状天线结构，其特征在于，所述波导固定连接件的材质为铝。
7.根据权利要求1所述高增益圆极化棒状天线结构，其特征在于，所述辐射介质棒的形状为锥形。
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