CN107768837A - 一种圆极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种圆极化天线，包括线极化天线源和圆极化器，线极化天线源用以辐射线极化波；圆极化器位于线极化天线源上方，用以将线极化波转化为圆极化波，圆极化器包括多个竖直且平行设置的介质栅片，多个介质栅片沿水平方向以相等间距依次排列。本发明较好拓展了毫米波天线的阻抗带宽以及轴比带宽，同时还能有效地提高天线的整体增益，通过与3D打印技术相结合，能减小加工难度，节约成本，本发明可用于5G移动通信，适用于未来的第五代等移动通信的场景。

Description

一种圆极化天线

技术领域

本发明涉及无线移动通信领域，尤其是一种高增益的圆极化天线。

背景技术

天线是无线通信系统中接收和发送电磁波的能量转换装置，是无线移动通信系统中不可缺少的组成部分。随着无线移动通信技术的发展，对数据传输速率的要求越来越高。毫米波频段拥有无需牌照的7GHz的通信带宽，能在很大程度上提高无线通讯的速率，实现大量数据的即时传送。由于频率越高，信号在传输的过程中的损耗就越大，这就对天线的增益提出了更高的指标。另一方面，在毫米波段，天线的体积很小，加工难度较大，这些都对天线的设计提出了更高的要求，特别对于圆极化天线，设计的难度将大大提高。

对于圆极化天线而言，目前实现的常用方法与技术包括以下几种：一是双馈技术，通过采用两个端口施加两个幅度相等并且相位差为90°的正交的信号，可以在比较宽的频段内实现圆极化。但是这种技术需要比较复杂的馈电网络，在毫米波段实现难度很大。第二种方法是采用单馈电方式，例如圆极化切角贴片天线，这种天线的结构简单，容易实现，但是带宽很窄，不适合宽频带的应用。而第三种是采用圆极化器，这种技术是在传播的过程中，将线极化的电磁波转化成圆极化波；传统的圆极化器包括采用金属图案的圆极化器以及介质极化器。金属图案极化器比较容易实现，但是损耗比较大。而介质极化器的加工比较复杂，很难在毫米波段应用。

另一方面，在毫米波段，由于空间损耗比较大，因此提高天线的增益显得尤其重要。在传统的方法中，提高天线的增益一般采用天线阵列。天线阵列要求比较复杂的馈电网络，实现难度较大，另一方便，馈电网络也会带来额外的信号损耗。而提升的增益的另一种方法是采用凹反射面，能大大提高天线的增益，但是它的空间结构比较复杂，加工以及安装难度大。第三种方法是采用喇叭天线，喇叭天线的发展已经十分成熟，通过增大体积能够很好地提高增益。但是喇叭天线的体积比较大，高度也比较高，在某些应用场景也不合适。

发明内容

本发明的目的是提供一种圆极化天线，其具有高增益特性。

为达到上述目的，本发明提出一种圆极化天线，其包括：线极化天线源，用以辐射线极化波；圆极化器，位于线极化天线源上方，用以将线极化波转化为圆极化波，圆极化器包括多个竖直且平行设置的介质栅片，多个介质栅片沿水平方向以相等间距依次排列。

如上所述的圆极化天线，其中，多个介质栅片构成圆柱形结构，各介质栅片的两端侧面围成圆柱面。

如上所述的圆极化天线，其中，圆极化器还包括一个以上的介质环，介质环套接在多个介质栅片外，以将多个介质栅片连接在一起。

如上所述的圆极化天线，其中，介质栅片的介电常数大于1。

如上所述的圆极化天线，其中，介质栅片的高度为h，线极化波的波长为λ，h＝2λ。

如上所述的圆极化天线，其中，圆极化器还包括一个以上的介质支柱，介质支柱的一端与介质栅片连接，介质支柱的另一端与线极化天线源连接，线极化天线源与介质栅片之间具有距离。

如上所述的圆极化天线，其中，多个介质栅片沿第一方向依次排列，线极化天线源的极化方向与第一方向之间的夹角为45°。

如上所述的圆极化天线，其中，线极化天线源包括：金属铜片，其具有厚度；一个方形通孔，贯穿金属铜片，且位于金属铜片的中心处，线极化天线源通过方形通孔产生线极化波。

如上所述的圆极化天线，其中，线极化天线源还包括两个圆形通孔，两个圆形通孔贯穿金属铜片，且分别位于方形通孔的两侧，圆极化器包括两个介质支柱，两个介质支柱的一端分别与两个介质栅片连接，两个介质支柱的另一端分别嵌入两个圆形通孔中。

如上所述的圆极化天线，其中，多个介质栅片沿第一方向依次排列，方形通孔具有长边和短边，长边的长度大于短边的长度，长边与第一方向之间的夹角为45°。

如上所述的圆极化天线，其中，圆极化器由3D打印技术成型。

本发明的圆极化天线的特点和优点是：

1、本发明的圆极化天线，通过设置圆极化器，能将线极化波转化为圆极化波；圆极化器的多个介质栅片还能通过折射作用，将圆极化器外侧的电磁波折射汇聚，提高天线的增益；

2、本发明的圆极化天线，通过将圆极化器设置为圆柱形结构，能对位于圆极化器外侧各个方向的电磁波进行折射汇聚，可以有效提高天线的增益；

3、本发明的圆极化天线，由于具有高增益特性，尤其适用于对天线增益要求高的毫米波的发射和接收，加之与3D打印技术相结合，能有效解决毫米波在传输过程中损耗大、毫米波天线设计复杂的难题；

4、本发明的圆极化天线，拓展了毫米波天线的阻抗带宽以及轴比带宽，同时还能有效地提高天线的整体增益，便于加工，节约成本，可用于5G移动通信，适用于未来的第五代等移动通信的场景。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1是本发明的圆极化天线的立体示意图；

图2是本发明的圆极化天线的侧视图；

图3是本发明的圆极化天线的俯视图；

图4是本发明中线极化天线源的俯视图；

图5是本发明中圆极化器的俯视图；

图6是本发明中圆极化器的侧视图。

主要元件标号说明：

1 金属铜片

2、9 圆形通孔

3 方形通孔

4、5 介质支柱

601、602、603、604、605、606 介质栅片

7、8 介质环

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明提供一种圆极化天线，可用于发射和接收各种类型的电磁波，尤其适用于对天线增益要求高的毫米波的发射和接收，因此也可称为毫米波圆极化天线，其包括用以辐射线极化波的线极化天线源和用以将线极化波转化为圆极化波的圆极化器，圆极化器位于线极化天线源正上方；

其中，圆极化器包括竖直且平行设置的多个介质栅片(slab)，多个介质栅片沿水平方向以相等间距依次排列，以构造人工的各向异性的圆极化器，使圆极化器在水平方向与垂直方向(即水平的两个方向)对同频率的电磁波具有不同的介电常数，能够对不同极化方向的线极化波产生不同的延迟效果，从而能使两个极化方向相互正交的线极化波产生90°的相差，实现将线极化波转化为圆极化波；圆极化器与线极化天线源之间具有距离。

本发明通过设置多个间隔排列的介质栅片，不仅能在很宽的频带内将线极化波转化为圆极化波，还能对线极化波进行折射，将位于圆极化器外侧的发散的电磁波折射汇聚，从而有效提高天线的整体增益；通过将介质栅片隔开相同的间距平行放置，大大增加了天线的轴比带宽。

如图2、图3所示，例如，介质栅片的数量为6个，分别为依次间隔排列的介质栅片601、介质栅片602、介质栅片603、介质栅片604、介质栅片605和介质栅片606。但本发明对介质栅片的数量不加以限制，可根据实际工程需要来确定。

进一步，介质栅片的高度为h，h＝2λ，其中λ为线极化波的波长，从而便于通过调节介质栅片的高度，使极化方向相互正交的两个线极化波的波程差为90°，以产生宽带的圆极化电磁波。

在一个优选的实施例中，多个介质栅片构成圆柱形结构，各介质栅片的两端侧面围成圆柱形面，这种结构有利于对电磁波的折射作用，能对位于圆极化器外侧各个方向的电磁波进行折射汇聚，使发散的电磁波束更加集中，减小天线方向图的波束宽度，有效提高天线的方向性，从而大大提高天线的增益。

具体是，位于圆极化器中间的介质栅片的长度最长，自圆极化器的中间向两侧依次排列的介质栅片的长度递减，从而多个介质栅片构成圆柱形结构，每个介质栅片的两端外侧面为弧形面(介质栅片的两端外侧面之间的距离即为介质栅片的长度)，从而多个介质栅片的两端外侧面构成圆柱面。

如图5所示，例如，当介质栅片的数量为6个时，位于中间的介质栅片603和介质栅片604的长度最长，介质栅片604、介质栅片605、介质栅片606的长度依次递减，介质栅片603、介质栅片602、介质栅片601的长度依次递减。

进一步，介质栅片呈方形，各介质栅片的厚度(即宽度)相同，各介质栅片的高度相同。

例如，各介质栅片的宽度为0.87mm，高度为11.9mm，相邻两个介质栅片之间的间距为0.83mm。但本发明对介质栅片的尺寸和间距不加以限制，可根据实际工程需要来确定。

进一步，介质栅片的介电常数大于1。

如图1、图2所示，进一步，圆极化器还包括一个以上的环形的介质环，介质环套接在多个介质栅片外，以将多个介质栅片连接在一起，使多个介质栅片连接为圆柱形结构。

例如，圆极化器包括两个介质环，分别为介质环7和介质环8，介质环7套接在多个介质栅片的中部外侧，介质环8套接在多个介质栅片的下部外侧，从而能将多个介质栅片稳固地连接在一起。

如图1、图6所示，进一步，圆极化器还包括一个以上的介质支柱，介质支柱的一端与介质栅片连接，介质支柱的另一端与线极化天线源连接，以使线极化天线源与介质栅片之间具有距离，并实现介质栅片与线极化天线源的一体化结构。通过调节介质支柱的高度，可以调节介质栅片与线极化天线源之间的距离，从而调节介质栅片与线极化天线源之间的耦合强度，拓宽天线的带宽，并提高天线的整体增益。

在一个具体实施例中，多个介质栅片沿第一方向依次排列，线极化天线源的极化方向与第一方向之间的夹角为45°，因此，线极化天线源辐射的45°的线极化波可以分解成两个幅度相等且相位相等的相互正交的线极化波，其中一个线极化波与介质栅片的排列方向(即第一方向)相平行，另一个线极化波与介质栅片的排列方向(即第一方向)相垂直，这两个相互正交的线极化波在经过圆极化器后能产生90°的相差，转化为圆极化波。

如图1、图4所示，本实施例中，线极化天线源包括方形的金属铜片1和一个贯穿金属铜片的方形通孔3，金属铜片1具有厚度，通过调节金属铜片1的厚度可以调节天线的带宽，使得天线在很宽的范围内实现良好的匹配；方形通孔3为长方形通孔，其位于金属铜片1的中心处，线极化天线源通过该方形通孔3产生线极化波，方形通孔3的长宽决定了天线的工作频率。线极化天线源也可称为金属底座馈源，能在很宽的频带内实现良好的阻抗匹配，产生一个交叉极化很低的线极化波。

进一步，方形通孔3具有相互垂直的长边和短边(即宽边)，长边的长度大于短边的长度(即方形通孔的宽度)，长边与多个介质栅片的排列方向(即第一方向)之间的夹角为45°，方形通孔3的长度约等于工作频率的半波长，通过调整方形通孔3的长度，可以得到想要的工作频率；另外，通过调节方形通孔3的宽度尺寸和金属铜片1的厚度，可以调节天线的匹配，使得天线具有比较宽的阻抗带宽。

例如，在中心频率为60GHz时，方形通孔3的长度(即长边长度)为3.3mm，宽度(短边长度)为2mm。

再如图4所示，进一步，线极化天线源还包括两个圆形通孔，分别为圆形通孔2和圆形通孔9，两个圆形通孔分别贯穿金属铜片，且分别位于方形通孔3的两侧，圆极化器包括两个介质支柱，分别为介质支柱4和介质支柱5，两个介质支柱的一端分别与两个介质栅片连接，两个介质支柱的另一端分别嵌入两个圆形通孔中，从而将介质栅片与线极化天线源稳固连接。

具体是，介质支柱4的一端与对应的介质栅片601的底端面连接，介质支柱5的一端与对应的介质栅片606的底端面连接，圆形通孔2和圆形通孔9均位于金属铜片1的对角线上，且呈中心对称，从而将线极化天线源稳固定位在介质栅片下方。两个圆形通孔的尺寸和间距根据实际工程需要设置，例如圆形通孔的直径为1mm，两个圆形通孔之间的距离为8mm。

本发明中的线极化天线源和圆极化器的尺寸均由实际工程需要决定，本实施例给出了在中心频率为60GHz时，线极化天线源与圆极化器之间的距离为0.97mm，金属铜片1的边长为15mm，厚度为0.3mm，圆极化器的直径为10.3mm，高度为11.9mm。

具体工程实施中，可根据工作要求调整方形通孔3的尺寸，从而改变谐振点的频率；然后通过调整介质栅片的宽度、高度、以及介质栅片之间的间距，得到比较理想的轴比带宽。

在另一个具体实施例中，圆极化器由3D打印技术成型，从而简化了毫米波天线的加工难度。较佳地，所有介质栅片、介质环和介质支柱连成一个整体，用3D打印技术很容易加工，并且使得天线更加稳固，也方便天线的安装。介质栅片、介质环和介质支柱的材质例如均为聚四氟乙烯。

综上所述，本发明所提出的新型的圆极化天线的结构拓展了圆极化带宽，并且提高了毫米波天线的增益。本发明所提出的天线阻抗带宽和圆极化带宽分别取决于不同的参数，因此在实际工程的应用中调试方便。调节方形通孔的尺寸获得所需的工作频率以及阻抗带宽之后，再利用圆极化器实现天线的圆极化特性，拓展天线的轴比带宽，同时也能提高天线的增益。此外，将天线的设计与3D打印技术相结合，可以使得天线的加工方便，精确，并且容易安装，极大提高了天线的稳定性。

本发明提供的实施例主要应用于无线移动通信领域，特别适用于无需牌照的毫米波段的天线的设计。在高频的应用中，由于天线的尺寸比较小，对于圆极化天线来说，天线的设计加工难度大，传统的拓展的带宽技术已经不适用于毫米波段的设计，而且在毫米波段，电磁波信号的损耗比较大，对天线的增益要求也比较高，将本发明应用于毫米波天线的设计中，可以有效解决传统毫米波圆极化宽带天线设计复杂，损耗大的难题。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。而且需要说明的是，本发明的各组成部分并不仅限于上述整体应用，本发明的说明书中描述的各技术特征可以根据实际需要选择一项单独采用或选择多项组合起来使用，因此，本发明理所当然地涵盖了与本案发明点有关的其它组合及具体应用。

Claims (11)

1.一种圆极化天线，其特征在于，所述圆极化天线包括：

线极化天线源，用以辐射线极化波；

圆极化器，位于所述线极化天线源上方，用以将所述线极化波转化为圆极化波，所述圆极化器包括多个竖直且平行设置的介质栅片，多个所述介质栅片沿水平方向以相等间距依次排列。

2.如权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，多个所述介质栅片构成圆柱形结构，各所述介质栅片的两端侧面围成圆柱面。

3.如权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述圆极化器还包括一个以上的介质环，所述介质环套接在多个所述介质栅片外，以将多个所述介质栅片连接在一起。

4.如权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述介质栅片的介电常数大于1。

5.如权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述介质栅片的高度为h，所述线极化波的波长为λ，h＝2λ。

6.如权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述圆极化器还包括一个以上的介质支柱，所述介质支柱的一端与所述介质栅片连接，所述介质支柱的另一端与所述线极化天线源连接，所述线极化天线源与所述介质栅片之间具有距离。

7.如权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，多个所述介质栅片沿第一方向依次排列，所述线极化天线源的极化方向与所述第一方向之间的夹角为45°。

8.如权利要求1至7任一项所述的圆极化天线，其特征在于，所述线极化天线源包括：

金属铜片，其具有厚度；

一个方形通孔，贯穿所述金属铜片，且位于所述金属铜片的中心处，所述线极化天线源通过所述方形通孔产生所述线极化波。

9.如权利要求8所述的圆极化天线，其特征在于，所述线极化天线源还包括两个圆形通孔，两个所述圆形通孔贯穿所述金属铜片，且分别位于所述方形通孔的两侧，所述圆极化器包括两个介质支柱，两个所述介质支柱的一端分别与两个所述介质栅片连接，两个所述介质支柱的另一端分别嵌入两个所述圆形通孔中。

10.如权利要求8所述的圆极化天线，其特征在于，多个所述介质栅片沿第一方向依次排列，所述方形通孔具有长边和短边，所述长边的长度大于所述短边的长度，所述长边与所述第一方向之间的夹角为45°。

11.如权利要求1至7任一项所述的圆极化天线，其特征在于，所述圆极化器由3D打印技术成型。