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CN111244634A - 底部馈电的宽带宽波束双端口毫米波数字化编码天线 - Google Patents

底部馈电的宽带宽波束双端口毫米波数字化编码天线 Download PDF

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CN111244634A
CN111244634A CN202010104432.2A CN202010104432A CN111244634A CN 111244634 A CN111244634 A CN 111244634A CN 202010104432 A CN202010104432 A CN 202010104432A CN 111244634 A CN111244634 A CN 111244634A
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patch structure
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millimeter wave
dual
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耿军平
王磊
王堃
周晗
金荣洪
梁仙灵
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Shanghai Jiao Tong University
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Abstract

本发明提供了一种底部馈电的宽带宽波束双端口毫米波数字化编码天线，包括：上层辐射贴片结构，下层寄生贴片结构以及双射频接头端口；所述上层辐射贴片结构采用离散的网格化二进制编码形式，实现不规则的贴片结构，在点对点处再处理，形成一个矩形带状面结构；所述下层寄生贴片结构采用离散的网格化二进制编码形式，实现不规则的贴片结构，在点对点处再处理，成一个矩形带状面结构，下层寄生贴片结构位于上层辐射贴片结构下方并通过两个探针与辐射贴片及地板相连接；所述双射频接头端口设置于底部馈电的宽带宽波束双端口毫米波数字化编码天线的底部。本发明的类同轴阻抗匹配端口可以直接连毫米波射频接头，方便连接使用。

Description

底部馈电的宽带宽波束双端口毫米波数字化编码天线
技术领域
本发明涉及天线领域，具体地，涉及一种底部馈电的宽带宽波束双端口毫米波数字化编码天线，尤其是一种具有宽带宽角双端口馈电的毫米波数字化编码天线阵元及具有大角度扫描特性的线阵。
背景技术
由于在实际运用中，接收天线(发射天线)需要工作在较宽的频带内去接收信号(发射信号)，在当代纷扰的电磁环境中有一定的稳定性，通信距离要足够远(噪声系数要小)，链路质量要足够高，接收(发射)电平足够大。但一般的天线频带较窄，带宽内数据容量不足，且由于频谱资源紧缺及当代小型及集成化发展迅速，低频天线体积有较大的限制，故窄带低频天线在军，民等运用上缺点还需要改进。实现一种具有宽带，双端口，宽角毫米波天线及阵元极度需要
专利文献“Design and Analysis of a Reflect-array Using Slot AntennaElements for Ka-band SatCom”提出了一种双端口，阵元及天线阵列，虽然天线双端口辐射且端口隔离度较高，且阵列扫描特性达到60度，但天线仍未解决宽带特性，当具有较高的信道容量时为使用者造成不便。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种底部馈电的宽带宽波束双端口毫米波数字化编码天线。
根据本发明提供的一种底部馈电的宽带宽波束双端口毫米波数字化编码天线，其特征在于，包括：上层辐射贴片结构，下层寄生贴片结构以及双射频接头端口；所述上层辐射贴片结构采用离散的网格化二进制编码形式，实现不规则的贴片结构，为防止点对点结构在毫米波波段加工的不稳定性，在点对点处再处理，形成一个矩形带状面结构；所述下层寄生贴片结构采用离散的网格化二进制编码形式，实现不规则的贴片结构，为防止点对点结构在毫米波波段加工的不稳定性，在点对点处再处理，成一个矩形带状面结构，下层寄生贴片结构位于上层辐射贴片结构下方并通过两个探针与辐射贴片及地板相连接；所述双射频接头端口设置于底部馈电的宽带宽波束双端口毫米波数字化编码天线的底部。
优选地，整个上层辐射贴片结构、下层寄生贴片结构及双射频接头端口沿平面(1，-1，0)镜像对称。故两个端口具有一定的极化交叉及端口隔离特性。由双端口天线组成的阵列具有大角度扫描特性。
优选地，上层辐射贴片结构位于最上层，由馈电探针向上馈电。
优选地，双射频接头端口采用毫米波射频接头。
优选地，采用一离散的网格化二进制编码形式，实现不规则的贴片结构；在矩形网格优化时由于点对点结构由于加工误差的不可控性，将点对点结构转化为矩形带状结构，便于在毫米波波段加工；下层寄生贴片结构包括两个金属短路柱；所述金属短路柱穿过下层寄生贴片与上层辐射贴片结构及地板相连接。
优选地，关于平面(1，-1，0)镜像对称的两个双射频接头端口具有极化交叉特性、端口隔离特性。
优选地，所述宽带宽角双端口毫米波数字化编码天线组成宽带宽角双端口毫米波数字化编码天线阵列；所述宽带宽角双端口毫米波数字化编码天线阵列采用1*8线阵结构。
优选地，所述宽带宽角双端口毫米波数字化编码天线阵列的间距为1/2λ。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明相较于传统宽带天线，具有在毫米波频段带宽较宽。
2、本发明可双端口辐射，且端口隔离度良好。
3、本发明具有宽角特性，组成阵列具有宽角扫描特性。
4、本发明天线效率较高，具有较高的增益。
5、本发明的类同轴阻抗匹配端口可以直接连毫米波射频接头，方便连接使用。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的结构爆炸示意图。
图3为本发明实施例中双层宽带宽角毫米波双端口天线上层辐射贴片结构二进制编码示意图。
图4为本发明实施例中双层宽带宽角毫米波双端口天线下层寄生贴片结构二进制编码示意图。
图5为本发明实施例中双层宽带宽角毫米波双端口天线组成阵列示意图。
图6为本发明实施例中双层宽带宽角毫米波双端口天线、双层宽带宽角毫米波双端口天线组成阵列沿直角坐标系z-x平面的剖视图(以同轴线轴线为z轴)。
图7为本发明实施例中仿真得到的中心谐振频率下的方向曲线示意图。
图8为本发明实施例中第一仿真得到的频带范围内的散射系数曲线示意图。
图9为本发明实施例中第二仿真得到的频带范围内的散射系数曲线示意图。
图10为本发明实施例中第三仿真得到的频带范围内的散射系数曲线示意图。
图11为本发明实施例中仿真得到的带内增益变化曲线示意图。
图12为本发明实施例中仿真得到的阵列方向图扫描特性变化示意图。
图中：
1为上层辐射贴片结构 4为普通馈电接头
2为下层寄生贴片结构 5为金属短路柱
3为金属地板
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1-12所示，根据本发明提供的一种底部馈电的宽带宽波束双端口毫米波数字化编码天线，其特征在于，包括：上层辐射贴片结构，下层寄生贴片结构以及双射频接头端口；所述上层辐射贴片结构采用离散的网格化二进制编码形式，实现不规则的贴片结构，为防止点对点结构在毫米波波段加工的不稳定性，在点对点处再处理，形成一个矩形带状面结构；所述下层寄生贴片结构采用离散的网格化二进制编码形式，实现不规则的贴片结构，为防止点对点结构在毫米波波段加工的不稳定性，在点对点处再处理，成一个矩形带状面结构，下层寄生贴片结构位于上层辐射贴片结构下方并通过两个探针与辐射贴片及地板相连接；所述双射频接头端口设置于底部馈电的宽带宽波束双端口毫米波数字化编码天线的底部。
优选地，整个上层辐射贴片结构、下层寄生贴片结构及双射频接头端口沿平面(1，-1，0)镜像对称。故两个端口具有一定的极化交叉及端口隔离特性。由双端口天线组成的阵列具有大角度扫描特性。
优选地，上层辐射贴片结构位于最上层，由馈电探针向上馈电。
优选地，双射频接头端口采用毫米波射频接头。
优选地，采用一离散的网格化二进制编码形式，实现不规则的贴片结构；在矩形网格优化时由于点对点结构由于加工误差的不可控性，将点对点结构转化为矩形带状结构，便于在毫米波波段加工；下层寄生贴片结构包括两个金属短路柱；所述金属短路柱穿过下层寄生贴片与上层辐射贴片结构及地板相连接。
优选地，关于平面(1，-1，0)镜像对称的两个双射频接头端口具有极化交叉特性、端口隔离特性。
优选地，所述宽带宽角双端口毫米波数字化编码天线组成宽带宽角双端口毫米波数字化编码天线阵列；所述宽带宽角双端口毫米波数字化编码天线阵列采用1*8线阵结构。
优选地，所述宽带宽角双端口毫米波数字化编码天线阵列的间距为1/2λ。
本发明相较于传统宽带天线，具有在毫米波频段带宽较宽。本发明可双端口辐射，且端口隔离度良好。本发明具有宽角特性，组成阵列具有宽角扫描特性。本发明天线效率较高，具有较高的增益。本发明的类同轴阻抗匹配端口可以直接连毫米波射频接头，方便连接使用。
具体地，在一个实施例中，如图1-5所示，本发明所提供的宽带宽角双端口毫米波数字化编码天线及天线组成的阵列，包括：上层辐射贴片结构1、下层寄生贴片结构2、金属地板3、普通毫米波馈电接头4。整个天线结构为双层结构，上层辐射贴片结构1为最上层，下层寄生贴片结构2为第二层。上层辐射贴片结构1为一离散的网格化二进制编码形式，实现不规则的贴片结构。在矩形网格优化时由于点对点结构由于加工误差的不可控性，将点对点结构转化为矩形带状结构，便于在毫米波波段加工。上层辐射贴片结构位于最上层，由馈电探针向上馈电。下层寄生贴片结构2为一离散的网格化二进制编码形式，实现不规则的贴片结构。在矩形网格优化时由于点对点结构由于加工误差的不可控性，将点对点结构转化为矩形带状结构，便于在毫米波波段加工。下层寄生贴片结构2由两个金属短路柱5穿过与上层辐射贴片结构1及地板3相连接。上层辐射贴片结构1，下层寄生贴片结构2，两个金属短路柱5及普通馈电接头4沿镜面(1，-1，0)镜像对称。
进一步的，将阵元天线沿一方向平移形成线阵，为防止栅瓣出现，线阵阵元之间的间距小于1/2λ。
本发明超宽带工作原理如下：
如图1-5所示，本发明所提供的双层宽带宽角毫米波双端口天线及天线组成的阵列射频激励从底部的电缆结构3馈入，在上层辐射贴片结构1实现一个谐振点，下层寄生贴片结构2产生一个与1上层辐射贴片结构相近的谐振点，再通过金属短路柱5连接，引入电感效应，使两个谐振点相重合，实现宽频带特性。上层辐射贴片结构1及下层寄生贴片结构2为一离散的网格化二进制编码形式，实现不规则的贴片结构。具体二进制编码形式如图3及图4所示，编码中，0代表空气槽缝，1代表金属导体。再图三及图四中，白色矩形代表1，黑色矩形代表0，白色矩形相连形成不规则贴片，在矩形网格优化时由于点对点结构由于加工误差的不可控性，将点对点结构转化为矩形带状结构，便于在毫米波波段加工。在利用PSO优化算法进行二进制编码优化时，将宽频带设置为一个主要目标。故天线整体具有良好的宽频带特性。其中上层辐射贴片结构1,下层寄生贴片结构2，两个金属短路柱5及普通馈电接头4沿镜面(1，-1，0)镜像对称。使得天线具有良好的端口隔离及一定的极化隔离。阵元天线沿一方向平移形成线阵，为防止栅瓣出现，线阵阵元之间的间距小于1/2λ。
如图7所示，从图中可以看出，辐射主方向为边射方向，且3dB波束宽度较大。
如图8所示，由图8(a)可以先出，天线1端口反射系数在频带22-33GHz小于-10dB，有良好的阻抗带宽特性。且由于天线由(1，-1，0)平面镜像对称，1端口的反射系数与2端口的反射系数相同，如图8(c)所示。天线1端口到2端口的传输系数(S21)如图8(b)所示，可以看出，S21在频带21-33GHz以上小于-10dB，在23GHz以后小于-15dB，端口隔离度较好，且由于天线为互易结构，S21＝S12，故未给出2端口到1端口的传输系数(S12)
如图9所示，可以看出，带内增益大于4dB。在带内增益稳定。
如图10所示，可以看出，在一些频点，方向图在-50-+50度之间有良好的扫描特性。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种底部馈电的宽带宽波束双端口毫米波数字化编码天线，其特征在于，包括：上层辐射贴片结构，下层寄生贴片结构以及双射频接头端口；
所述上层辐射贴片结构采用离散的网格化二进制编码形式，实现不规则的贴片结构，在点对点处再处理，形成一个矩形带状面结构；
所述下层寄生贴片结构采用离散的网格化二进制编码形式，实现不规则的贴片结构，在点对点处再处理，成一个矩形带状面结构，下层寄生贴片结构位于上层辐射贴片结构下方并通过两个探针与辐射贴片及地板相连接；
所述双射频接头端口设置于底部馈电的宽带宽波束双端口毫米波数字化编码天线的底部。
2.根据权利要求1所述的底部馈电的宽带宽波束双端口毫米波数字化编码天线，其特征在于，整个上层辐射贴片结构、下层寄生贴片结构及双射频接头端口沿平面(1，-1，0)镜像对称。
3.根据权利要求1所述的底部馈电的宽带宽波束双端口毫米波数字化编码天线，其特征在于，上层辐射贴片结构位于最上层，由馈电探针向上馈电。
4.根据权利要求1所述的底部馈电的宽带宽波束双端口毫米波数字化编码天线，其特征在于，双射频接头端口采用毫米波射频接头。
5.根据权利要求1所述的底部馈电的宽带宽波束双端口毫米波数字化编码天线，其特征在于，下层寄生贴片结构包括两个金属短路柱；
所述金属短路柱穿过下层寄生贴片与上层辐射贴片结构及地板相连接。
6.根据权利要求2所述的底部馈电的宽带宽波束双端口毫米波数字化编码天线，其特征在于，关于平面(1，-1，0)镜像对称的两个双射频接头端口具有极化交叉特性、端口隔离特性。
7.根据权利要求1所述的底部馈电的宽带宽波束双端口毫米波数字化编码天线，其特征在于，所述宽带宽角双端口毫米波数字化编码天线组成宽带宽角双端口毫米波数字化编码天线阵列；
所述宽带宽角双端口毫米波数字化编码天线阵列采用1*8线阵结构。
8.根据权利要求7所述的底部馈电的宽带宽波束双端口毫米波数字化编码天线，其特征在于，所述宽带宽角双端口毫米波数字化编码天线阵列的间距为1/2λ。
9.一种底部馈电的宽带宽波束双端口毫米波数字化编码天线，其特征在于，包括：上层辐射贴片结构，下层寄生贴片结构以及双射频接头端口；
所述上层辐射贴片结构采用离散的网格化二进制编码形式，实现不规则的贴片结构，在点对点处再处理，形成一个矩形带状面结构；
所述下层寄生贴片结构采用离散的网格化二进制编码形式，实现不规则的贴片结构，在点对点处再处理，成一个矩形带状面结构，下层寄生贴片结构位于上层辐射贴片结构下方并通过两个探针与辐射贴片及地板相连接；
所述双射频接头端口设置于底部馈电的宽带宽波束双端口毫米波数字化编码天线的底部；
整个上层辐射贴片结构、下层寄生贴片结构及双射频接头端口沿平面(1，-1，0)镜像对称；
上层辐射贴片结构位于最上层，由馈电探针向上馈电；
双射频接头端口采用毫米波射频接头；
下层寄生贴片结构包括两个金属短路柱；
所述金属短路柱穿过下层寄生贴片与上层辐射贴片结构及地板相连接；
关于平面(1，-1，0)镜像对称的两个双射频接头端口具有极化交叉特性、端口隔离特性；
所述宽带宽角双端口毫米波数字化编码天线组成宽带宽角双端口毫米波数字化编码天线阵列；
所述宽带宽角双端口毫米波数字化编码天线阵列采用1*8线阵结构；
所述宽带宽角双端口毫米波数字化编码天线阵列的间距为1/2λ。
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