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CN110190408B - 一种圆极化电磁偶极子阵列天线 - Google Patents

一种圆极化电磁偶极子阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种圆极化电磁偶极子阵列天线，包括设置在介质板上的4个子阵列以及序列相位馈电网络，每个子阵列均包含4个天线单元，整个阵列天线包含16个天线单元；每个子阵列通过一分四功分器进行馈电；在每个子阵列中，所述一分四功分器由五个基片集成波导转同轴线转换器构成，其中一个基片集成波导作为输入，通过转换器由同轴线输出能量分配给其余四个基片集成波导，再通过转换器传到同轴线，最后给子阵列的四个天线单元供电。本发明的馈电结构简单，使用阻抗较高的基片集成波导作为输入，简化了序列相位馈电网络的设计，实现整体结构小型化。

Description

一种圆极化电磁偶极子阵列天线
[技术领域]
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种圆极化电磁偶极子阵列天线。
[背景技术]
随着无线通信技术进一步发展，低频频段越来越无法满足日益增长的对带宽的需求，圆极化天线通信系统具有相比线极化较好的通信质量，没有因极化失配而造成的通信失败，由于毫米波不擅长衍射，圆极化毫米波天线对于提升通信系统能力有积极意义。毫米波微带线一般使用0.127mm或0.254mm厚度的基片，能使用此两款基片的天线种类相对有限，所以通常毫米波天线的馈电网络设计是基于基片集成波导技术，基片集成波导易于集成加工，高功率容量，损耗低。基于基片集成技术设计的电磁偶极子具有高增益、宽带宽、对称方向图等优良特性，是设计毫米波天线的重要方案之一。
毫米波通信系统传输距离有限，典型的视距传输。由于毫米波波长较短，衍射能力弱，常以直线方向传播。当频率大于15GHz，空气中水分子对波的吸收严重，雨天无法室外使用，所以毫米波适合于室内通信。为了实现宽频高增益天线阵列，而使用电磁偶极子作为天线单元，需要解决天线单元与馈电网络之间的连接问题，这就需要一款宽带宽、低损耗的转换器。常见的基片集成波导转同轴线转器使用阻抗较小的基本集成波导，虽然能制成带宽较宽的转换器，但是尺寸庞大。此外，由于传统的转换器阻抗较小，不适合激励天线。另一方面，使用阻抗较大的基片集成波导制成的转换器，其带宽较为狭窄。
[发明内容]
本发明目的是提供一款实现一款能覆盖24.75到27.5GHz频段的应用于亚毫米波的宽带宽圆极化电磁偶极子阵列天线。该阵列天线同时具备高增益，宽带宽，高前后比，低交叉极化水平，对称方向图的特性。
本发明的技术方案如下：
一种圆极化电磁偶极子阵列天线，包括设置在介质板上的4个子阵列以及序列相位馈电网络，每个子阵列均包含4个天线单元，整个阵列天线包含16个天线单元；每个子阵列通过一分四功分器进行馈电；在每个子阵列中，所述一分四功分器由五个基片集成波导转同轴线转换器构成，其中一个基片集成波导作为输入，通过转换器由同轴线输出能量分配给其余四个基片集成波导，再通过转换器传到同轴线，最后给子阵列的四个天线单元供电。
进一步地，所述天线单元具有电偶极子、磁偶极子，每个子阵列由2乘2个电磁偶极子构成，整个阵列天线的四个子阵列按序列方向旋转排布，每个子阵列里的4个电磁偶极子的方向朝向统一，左右相邻的两个子阵列里的电磁偶极子方向相差90°,上下相邻的两个子阵列的电磁偶极子方向相差90°。
进一步地，所述天线单元包括辐射贴片以及四个金属化过孔，所述辐射贴片作为电偶极子，四个金属化过孔作为磁偶极子。
进一步地，所述天线单元的电磁偶极子通过切角和补加三角形，使得电磁偶极子的辐射贴片呈旋转且中心对称的图形，产生圆极化辐射。
进一步地，所述电磁偶极子通过同轴线可以自由旋转方向。
进一步地，所述天线单元设有围栏将每个电磁偶极子进行包围，每个子阵列都包含一个“田”字形围栏，中间的围栏进行共用。
进一步地，所述介质板包含第一层介质板、第二层介质板、第三层介质板，所述序列相位馈电网络通过矩形波导转基片集成波导转换器传播能量，在第一层介质板能量被一分四传到四个基片集成波导，四路能量具有90度相位差形成序列馈电，四路能量通过4个同轴线转换器向第二层介质板传递，通过4个一分四功分器，以等相位等幅度分为16路能量给第三层介质板的电磁偶极子阵列馈电。
本发明具有如下优点：
本发明的馈电结构简单，使用阻抗较高的基片集成波导作为输入，从而实现结构小型化，电磁偶极子馈电能力提高。基于五个转换器做成的一分四功分器结构简单，无需额外结构设计。同时，由于使用同轴线来馈电，其上电磁偶极子可以自由旋转，使得馈电网络无需额外绕行，因而简化了序列相位馈电网络的设计，实现整体结构小型化。此外，由于馈电网络序列相位的馈电，使得天线阵列的轴比带宽得到拓展，获得接近于天线阵列的工作带宽。
[附图说明]
图1为本发明电磁偶极子阵列天线爆炸图。
图2为本发明电磁偶极子阵列天线子阵列剖视图。
图3为本发明电磁偶极子阵列天线示意图。
图4为本发明电磁偶极子阵列天线单个子阵列示意图。
图5为本发明电磁偶极子阵列天线单元示意图。
图6为本发明电磁偶极子放大图。
图7为序列相位馈电网络。
图8为4个一分四功分器。
图9为单个一分四功分器放大图。
图10为基片集成波导转同轴线转换器示意图。
图11为转换器工作频段
图12为转换器仿真电场图。
图13为本发明阵列天线仿真S参数和轴比带宽。
图14为本发明阵列天线仿真增益带宽。
图15为本发明阵列天线方向图。
其中1为电磁偶极子，11为辐射贴片，12为金属化过孔，13为同轴线，2为围栏，3为第三层介质板，31为第二层介质板，32为第三层介质板，4为序列相位馈电网络，5为矩形波导转介质集成波导转换器，6为一分四功分器，7为同轴线转换器。
[具体实施方式]
为了使本发明实现的技术手段清晰明了，下面结合附图进一步阐述本发明。
实施例
如图1-9所示，一种圆极化电磁偶极子阵列天线，为了应对空气吸收，使用4乘4的16单元天线阵列，获得高于单个天线的增益，具体为包括设置在介质板上的4个子阵列以及序列相位馈电网络，每个子阵列均包含4个天线单元，整个阵列天线包含16个天线单元；每个子阵列通过一分四功分器6进行馈电；在每个子阵列中，所述一分四功分器6由五个基片集成波导转同轴线转换器构成，其中一个基片集成波导作为输入，通过转换器由同轴线输出能量分配给其余四个基片集成波导，再通过转换器传到同轴线，最后给每个子阵列的四个天线单元供电。
如图6展示电磁偶极子1主要结构，辐射贴片11作为电偶极子，四个金属化过孔12作为磁偶极子，每个子阵列由2乘2个电磁偶极子1构成，整个阵列天线的四个子阵列按序列方向旋转排布，每个子阵列里的4个电磁偶极子1的方向朝向统一，左右相邻的两个子阵列里的电磁偶极子方向相差90°,上下相邻的两个子阵列的电磁偶极子1方向相差90°。利用电磁偶极子本身固有高增益宽带宽属性，实现电磁偶极子阵列高增益性能，对单个电磁偶极子天线单元，通过切角和补加三角形，使得电磁偶极子的辐射贴片呈旋转对称的图形，产生圆极化辐射。
由于使用同轴线来馈电，其上电磁偶极子可以自由旋转，使得馈电网络无需额外绕行，因而简化了序列相位馈电网络的设计，实现整体结构小型化。
如图5所示，天线单元设有围栏将每个电磁偶极子进行包围，每个子阵列都包含一个“田”字形围栏，中间的围栏进行共用。
所述介质板包含第一层介质板32、第二层介质板31、第三层介质板3，所述序列相位馈电网络通过矩形波导转基片集成波导转换器传播能量，在第一层介质板能量被一分四传到四个基片集成波导，四路能量具有90度相位差形成序列馈电，四路能量通过4个同轴线转换器分别向第二层介质板传递，再通过4个一分四功分器，以等相位等幅度分为16路能量给第三层介质板的电磁偶极子阵列馈电。图11、12展示转换器基本原理，图11中可以看出在工作频段内转换器有两个谐振点分别在25GHz和30GHz上，对应于图12的电场图。在低频图12(a)的时候，由于转换器内加了四个金属化过孔，所以形成了一个类似腔体的结构，这种结构束缚住基片集成波导内的场分布，使得电场最大值点位于同轴线的后面。而高频图12(b)的时候，四个金属化过孔不足以束缚基片集成波导内的电场，使得电场最大值点位于同轴线的前面。由此获得两个谐振点，拓展转换器的带宽。
图12为本发明阵列天线仿真S参数和轴比带宽，工作带宽从23.2到30.5GHz，相对带宽27.2％，轴比带宽从23.3到30.8GHz。图14为本发明阵列天线仿真增益带宽，最大增益为20.7dBic，3dB增益带宽为23.2到30.2GHz，整个工作频段内几乎是圆极化辐射，没有工作带宽的浪费。图15(a)展示24GHz方向图，(b)27GHz方向图，(c)30GHz方向图，各频段方向图对称良好，副瓣电平在-10dB左右，前后比高。
本发明使用一种宽带宽、序列相位的一分四基片集成波导馈电网络来给电磁偶极子子阵列馈电。通过矩形波导转基片集成波导转换器，实现WR-34对整个阵列的馈电，最终产生应用于亚毫米波频段的宽频圆极化电磁偶极子阵列。
凡是属于本发明原理的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理的前提下进行的若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种圆极化电磁偶极子阵列天线，其特征在于，包括第一介质板、第二介质板以及设置在第三层介质板上的4个子阵列以及序列相位馈电网络，每个子阵列均包含4个天线单元，整个阵列天线包含16个天线单元；每个子阵列通过一分四功分器进行馈电；在每个子阵列中，所述一分四功分器由五个基片集成波导转同轴线转换器构成，其中一个基片集成波导作为输入，通过转换器由同轴线输出能量分配给其余四个基片集成波导，再通过转换器传到同轴线，最后给子阵列的四个天线单元供电；所述天线单元包括辐射贴片以及四个金属化过孔，所述辐射贴片作为电偶极子，四个金属化过孔作为磁偶极子；
在转换器内设置有四个金属化过孔，所述转换器内四个金属化过孔形成腔体结构，在低频时，该结构束缚住基片集成波导内的场分布，使得电场最大值点位于同轴线的后面；在高频时，四个金属化过孔不足以束缚基片集成波导内的电场，使得电场最大值点位于同轴线的前面，由此获得两个谐振点，拓展转换器的带宽。
2.根据权利要求1所述的一种圆极化电磁偶极子阵列天线，其特征在于，所述天线单元具有电偶极子、磁偶极子，每个子阵列由2乘2个电磁偶极子构成，整个阵列天线的四个子阵列按序列方向旋转排布，每个子阵列里的4个电磁偶极子的方向朝向统一，左右相邻的两个子阵列里的电磁偶极子方向相差90°,上下相邻的两个子阵列的电磁偶极子方向相差90°。
3.根据权利要求1所述的一种圆极化电磁偶极子阵列天线，其特征在于，所述天线单元的电磁偶极子通过切角和补加三角形，使得电磁偶极子的辐射贴片呈旋转且中心对称的图形，产生圆极化辐射。
4.根据权利要求1所述的一种圆极化电磁偶极子阵列天线，其特征在于，所述电磁偶极子通过同轴线可以自由旋转方向。
5.根据权利要求1所述的一种圆极化电磁偶极子阵列天线，其特征在于，所述天线单元设有围栏将每个电磁偶极子进行包围，每个子阵列都包含一个“田”字形围栏，中间的围栏进行共用。
6.根据权利要求1所述的一种圆极化电磁偶极子阵列天线，其特征在于，所述序列相位馈电网络通过矩形波导转基片集成波导转换器传播能量，在第一层介质板能量被一分四传到四个基片集成波导，四路能量具有90度相位差形成序列馈电，四路能量通过4个同轴线转换器向第二层介质板传递，通过4个一分四功分器，以等相位等幅度分为16路能量给第三层介质板的电磁偶极子阵列馈电。
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