一种基于加载三角形贴片的毫米波端射宽带圆极化天线

1.本发明涉及微波毫米波端射圆极化天线领域，具体是利用基片集成波导技术构建的端射宽带圆极化天线。


背景技术：

2.在毫米波频段，利用圆极化波传递信息可以减少多径干扰和极化损耗，同时具有稳定链接的特性，因此圆极化天线是一种重要的天线形式。
3.具有端射功能的圆极化天线属于比较特殊的一类圆极化天线，应用于通信、导航、识别与探测等领域，特别适合应用在高速移动的运载工具上，比如导弹、火箭、航天飞机等。端射圆极化天线拥有和机载电路平行的波束，具有良好的气动力学特征和隐身特征，可以和载体一体化同构，节省载体的载荷，降低天线和馈电电路的排布难度；因此，研究端射圆极化天线具有重要的意义。
4.因此，如何能实现端射宽带圆极化波束辐射特性，是目前要解决的一个问题。


技术实现要素：

5.发明目的：提供一种基于加载三角形贴片的毫米波端射宽带圆极化天线，以解决现有技术存在的上述问题。
6.技术方案：一种基于加载三角形贴片的毫米波端射宽带圆极化天线，包括：中间siw传输线层，以及堆叠在中间siw传输线层两个侧面的上介质基板层和下介质基板层；所述中间siw传输线层包括siw传输线，开设于所述siw传输线末端的开口，与所述siw传输线连接的中基板，以及设置在siw传输线末端开口处、且位于中基板两侧的两个偏置平行带线；所述上介质基板层包括上金属层和三角形贴片，三角形贴片向着上金属层方向延伸，并与上金属层连接，以及位于三角形贴片与其中一个偏置平行带线之间的上基板；所述上介质基板层与下介质基板层结构相同，下介质基板层与上介质基板层中的三角形贴片方向相反；其中，天线在xoy面的投影中，偏置平行带线向外延伸至三角形贴片边缘处，且偏置平行带线为四分之一工作波长；工作时，电偶极子和磁偶极子同时工作，且相位相差90度，通过设置的siw末端开口、偏置平行带线和三角形贴片可以实现端射宽带圆极化。
7.在进一步的实施例中，其中以中间siw传输线层开口方向为y轴，也是波束辐射方向，以中间siw传输线层横截面建立xoz平面，siw上下金属层沿z轴排列，构建右手坐标系，用以描述天线空间结构。
8.在进一步的实施例中，上金属层横截面上还开设有一排短路通孔，短路通孔与三角形贴片形成短路三角形贴片，两三角形贴片的斜边与y轴之间的夹角相等；
三角形斜边为极化偶极子的主要谐振部位，通过设置的上下两个短路三角形贴片形成沿三角形斜边、且平行与xoz平面的电偶极子；siw传输线末端开口处为磁偶极子所在位置，该位置的磁偶极子极化方向与z轴方向平行；所述短路通孔的轴线方向与z轴方向相同、并向着中间siw传输线层处延伸；在x轴方向上，三角形的斜边至短路通孔的距离不同，呈线性变化；工作时，由偏置平行带线末端激励，通过调节三角形斜边倾斜程度，从而调节电偶极子上电流大小和幅度。
9.在进一步的实施例中，其中两个偏置平行带线按照其到上金属层的距离，距离小的为上金属带线，反之则为下金属带线；其中天线在xoy面的投影中，沿着x的正方向，接近siw传输线开口处时，下金属带线在上金属带线的前方，接近短路三角形贴片斜边时，下金属带线在上金属带线的后方。
10.在进一步的实施例中，两偏置平行带线偏置放置，且在xoy面的投影中，两偏置平行带线呈现相互交叉的结构。
11.在进一步的实施例中，所述偏置平行带线包括与siw传输线连接的后突出支节，以及与后突出支节连接的前突出支节；后突出支节与siw传输线之间的偏置角度小于后突出支节与前突出支节之间的偏置角度；两偏置平行带线的偏置方向相反；其中一个偏置平行带线中，后突出支节向着x轴正方向偏移，而前突出支节与后突出支节的偏移方向相反。
12.在进一步的实施例中，所述siw传输线末端开口的长度方向与x轴方向平行，其宽度方向与z轴方向平行。
13.在进一步的实施例中，所述上介质基板层、下介质基板层和siw传输线均设有第一固定螺丝孔，以及设于所述siw传输线上的两个第二固定螺丝孔；安装时，通过金属螺丝与第一固定螺丝孔配合将上介质基板层和下介质基板层固定在siw传输线两侧。
14.在进一步的实施例中，所述中间siw传输线层还包括设于其端部的siw和gcpw的转换结构以及多个短路孔；所述siw（基片集成波导）和gcpw（接地的共面波导）的转换结构与微波毫米波电路连接。
15.有益效果：本发明公开了一种基于加载三角形贴片的毫米波端射宽带圆极化天线，通过利用简单的结构，获得了优异的天线性能，实用性强；本发明提供的偏置平行带线，有效地同时激励起水平方向的电偶极子和垂直方向的磁偶极子，同时提供正交相位延迟的功能；一举解决了端射圆极化天线工作带宽问题，并且具有极其简单的结构；本发明所设计的短路三角形贴片，可以利用偏置平行带线传递的场结构，有效激励水平极化的电流，等效于电偶极子；两个偶极子一起工作，形成具有端射波束的宽带圆极化天线。
附图说明
16.图1为本发明实施例提供的天线三维结构示意图。
17.图2为本发明实施例提供的天线每一层的平面结构示意图，（a）为第一层基板示意图，（b）为第二层基板示意图，（c）为第三层基板示意图。
18.图3为本发明实施例提供的电偶极子、磁偶极子所在位置及场分布图。
19.图4为本发明实施例提供的端射宽带圆极化天线的反射系数仿真与实测对比示意图。
20.图5为本发明实施例提供的端射宽带圆极化天线的轴比特性仿真与实测对比示意图。
21.图6为本发明实施例提供的宽带圆极化阵列天线的增益特性仿真与实测对比示意图。
22.图7为本发明实施例提供的宽带圆极化阵列天线的xoy平面25ghz实测与仿真辐射方向示意图。
23.图8为本发明实施例提供的宽带圆极化阵列天线的zoy平面25ghz实测与仿真辐射方向示意图。
24.图9为本发明实施例提供的宽带圆极化阵列天线的xoy平面28ghz实测与仿真辐射方向示意图。
25.图10为本发明实施例提供的宽带圆极化阵列天线的zoy平面28ghz实测与仿真辐射方向示意图。
26.图11为本发明实施例提供的宽带圆极化阵列天线的xoy平面31ghz实测与仿真辐射方向示意图。
27.图12为本发明实施例提供的宽带圆极化阵列天线的zoy平面31ghz实测与仿真辐射方向示意图。
28.附图标记为：中间siw传输线层1、siw传输线11、中基板12、偏置平行带线13、上金属带线131、后突出支节1311、前突出支节1312、下金属带线132、上介质基板层2、上金属层21、三角形贴片22、上基板23、短路通孔24、下介质基板层3、第一固定螺丝孔4、第二固定螺丝孔5、siw和gcpw的转换结构6、短路孔7。
具体实施方式
29.为详细阐述该发明实施方式，探讨宽带圆极化天线端射形式的具体实现方法，解决特殊高速移动运载工具具体应用场景的信号探测和通信问题，给出本发明的一个具体实施例，其实现方式如下：一种基于加载三角形贴片的毫米波端射宽带圆极化天线，包括：中间siw传输线层1、siw传输线11、中基板12、偏置平行带线13、上金属带线131、后突出支节1311、前突出支节1312、下金属带线132、上介质基板层2、上金属层21、三角形贴片22、上基板23、短路通孔24、下介质基板层3、第一固定螺丝孔4、第二固定螺丝孔5、siw和gcpw的转换结构6、短路孔7。
30.本装置包括中间siw传输线层1，以及堆叠在中间siw传输线层1两个侧面的上介质基板层2和下介质基板层3；所述中间siw传输线层1包括siw传输线11，开设于所述siw传输线11末端的开口，与所述siw传输线11连接的中基板12，以及设置在siw传输线11末端开口
处、且位于中基板12两侧的两个偏置平行带线13；所述上介质基板层2包括上金属层21和三角形贴片22，三角形贴片22向着上金属层21方向延伸，并与上金属层21连接，以及位于三角形贴片22与其中一个偏置平行带线13之间的上基板23，该偏置平行带线13为上金属带线131；所述上介质基板层2与下介质基板层3结构相同，下介质基板层3与上介质基板层2中的三角形贴片22方向相反；其中，沿着中间siw传输线层1厚度方向的投影中，偏置平行带线13向外延伸至三角形贴片22边缘处，其偏置平行带线13上的一点位于三角形贴片22的斜边上，且偏置平行带线13为四分之一工作波长；工作时，电偶极子和磁偶极子同时工作，且相位相差90度，通过设置的siw末端开口、偏置平行带线13和三角形贴片22可以实现端射宽带圆极化；其特殊的偏置结构主要功能包括激励x方向极化的电偶极子和提供宽带正交相位差，根据端射圆极化天线形成条件，所提天线结构可以辐射y方向传播的左旋圆极化波，这是本发明的一个关键馈电结构，所述中间siw传输线层1用于传递传播te
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主模，即矩形波导中的最低模式。
31.在进一步实施例中，两个线极化偶极子包括垂直极化的磁偶极子，远区辐射场的电场沿z方向，由开口siw波导构成，水平极化的电偶极子，由堆叠的短路三角形贴片22构成，由于空间电场是矢量场，根据矢量合成原理，堆叠的短路三角形贴片22上半部分和下半部分构成的电场，在远区辐射场中合成沿x方向极化的电场。
32.其中以中间siw传输线层1开口方向为y轴，也是波束辐射方向，以中间siw传输线层1横截面建立xoz平面，siw上下金属层沿z轴排列，构建右手坐标系，用以描述天线空间结构。
33.上金属层21横截面上还开设有一排短路通孔24，短路通孔24与三角形贴片22形成短路三角形贴片22，两三角形贴片22的斜边与y轴之间的夹角相等；三角形斜边为极化偶极子的主要谐振部位，通过设置的上下两个短路三角形贴片22形成沿三角形斜边、且平行与xoz平面的电偶极子；siw传输线11末端开口处为磁偶极子所在位置，该位置的磁偶极子极化方向与z轴方向平行；所述短路通孔24的轴线方向与z轴方向相同、并向着中间siw传输线层1处延伸；在x轴方向上，三角形的斜边至短路通孔24的距离不同，呈线性变化；工作时，由偏置平行带线13末端激励，通过调节三角形斜边倾斜程度，从而调节电偶极子上电流大小和幅度；堆叠在siw开口端上部的介质基板层和堆叠在siw开口端下部的介质基板层可以支撑位于上部的短路三角形贴片22和位于下部的短路三角形贴片22，同时影响磁偶极子的电场大小，两排短路通孔24位于上下两个短路三角形贴片22后部，三角形斜边作为水平极化偶极子的主要谐振部位，在x轴方向上至两排短路通孔24的距离不同，呈线性变化，因此该短路三角形谐振结构具有宽带谐振特性，构成的电偶极子工作带宽很宽，这也是本发明的一个关键谐振结构。
34.其中两个偏置平行带线13按照其到上金属层21的距离，距离小的为上金属带线131，反之则为下金属带线132；其中天线在xoy面的投影中，沿着x的正方向，接近siw传输线11开口处时，下金属带线132在上金属带线131的前方，接近短路三角形贴片22斜边时，下金属带线132在上金属带线131的后方。
35.两偏置平行带线13偏置放置，且天线在xoy面的投影中，两偏置平行带线13呈现相互交叉的结构。
36.所述偏置平行带线13包括与siw传输线11连接的后突出支节1311，以及与后突出
支节1311连接的前突出支节1312；后突出支节1311与siw传输线11之间的偏置角度小于后突出支节1311与前突出支节1312之间的偏置角度；两偏置平行带线13的偏置方向相反；其中一个偏置平行带线13中，后突出支节1311向着x轴正方向偏移，而前突出支节1312与后突出支节1311的偏移方向相反。
37.所述siw传输线11末端开口的长度方向与x轴方向平行，其宽度方向与z轴方向平行。
38.所述上介质基板层2、下介质基板层3和siw传输线11均设有第一固定螺丝孔4，以及设于所述siw传输线11上的两个第二固定螺丝孔5；安装时，通过金属螺丝与第一固定螺丝孔4配合将上介质基板层2和下介质基板层3固定在siw传输线11两侧。
39.所述中间siw传输线层1还包括设于其端部的siw和gcpw的转换结构6以及多个短路孔7；所述siw和gcpw的转换结构6与微波毫米波电路连接。
40.本实施例提供的端射宽带圆极化天线，按功能可以分为辐射部分和馈电部分，其中，辐射部分是2个三角形贴片22，开设于所述siw传输线11末端的开口，1个特殊设计的激励结构即两个偏置平行带线13，馈电部分是siw传输线11；辐射部分沿y轴方向的长度可以有效调节天线的圆极化增益和前后比辐射特性，而对其他指标如反射系数，圆极化特性等影响较小，因此该天线可以根据使用场景和天线尺寸设置具体的辐射部分长度，具有很好的实用性。
41.本实施例提供的毫米波端射宽带圆极化天线能够实现》35.3%（23.8ghz～40ghz）的-10 db阻抗带宽，38.6%（22.8ghz～33.5 ghz）的3db轴比带宽和8.6dbic的峰值增益特性。
42.以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于加载三角形贴片的毫米波端射宽带圆极化天线，其特征是，包括：中间siw传输线层，以及堆叠在中间siw传输线层两个侧面的上介质基板层和下介质基板层；所述中间siw传输线层包括siw传输线，开设于siw传输线末端的开口，与所述siw传输线连接的中基板，以及设置在siw传输线末端开口处、且位于中基板两侧的两个偏置平行带线；所述上介质基板层包括上金属层和三角形贴片，三角形贴片向着上金属层方向延伸，并与上金属层连接，以及位于三角形贴片与其中一个偏置平行带线之间的上基板；所述上介质基板层与下介质基板层结构相同，下介质基板层与上介质基板层中的三角形贴片方向相反；其中，沿着中间siw传输线层厚度方向的投影中，偏置平行带线向外延伸至三角形贴片边缘处，且偏置平行带线为四分之一工作波长；工作时，电偶极子和磁偶极子同时工作，且相位相差90度，通过设置的siw末端开口、偏置平行带线和三角形贴片可以实现端射宽带圆极化。2.根据权利要求1所述的一种基于加载三角形贴片的毫米波端射宽带圆极化天线，其特征是：其中以中间siw传输线层开口方向为y轴，也是波束辐射方向，以中间siw传输线层横截面建立xoz平面，siw上下金属层沿z轴排列，构建右手坐标系，用以描述天线空间结构。3.根据权利要求2所述的一种基于加载三角形贴片的毫米波端射宽带圆极化天线，其特征是：上金属层横截面上还开设有一排短路通孔，短路通孔与三角形贴片形成短路三角形贴片，两三角形贴片的斜边与y轴之间的夹角相等；三角形斜边为极化偶极子的主要谐振部位，通过设置的上下两个短路三角形贴片形成沿三角形斜边、且平行与xoz平面的电偶极子；siw传输线末端开口处为磁偶极子所在位置，该位置的磁偶极子极化方向与z轴方向平行；所述短路通孔的轴线方向与z轴方向相同、并向着中间siw传输线层处延伸；在x轴方向上，三角形的斜边至短路通孔的距离不同，呈线性变化；工作时，由偏置平行带线末端激励，通过调节三角形斜边倾斜程度，从而调节电偶极子上电流大小和幅度。4.根据权利要求2所述的一种基于加载三角形贴片的毫米波端射宽带圆极化天线，其特征是：其中两个偏置平行带线按照其到上金属层的距离，距离小的为上金属带线，反之则为下金属带线；其中天线在xoy面的投影中，沿着x的正方向，接近siw传输线开口处时，下金属带线在上金属带线的前方，接近短路三角形贴片斜边时，下金属带线在上金属带线的后方。5.根据权利要求1所述的一种基于加载三角形贴片的毫米波端射宽带圆极化天线，其特征是：两偏置平行带线偏置放置，且在xoy面的投影中，两偏置平行带线呈现相互交叉的结构。6.根据权利要求4所述的一种基于加载三角形贴片的毫米波端射宽带圆极化天线，其特征是：所述偏置平行带线包括与siw传输线连接的后突出支节，以及与后突出支节连接的前突出支节；
后突出支节与siw传输线之间的偏置角度小于后突出支节与前突出支节之间的偏置角度；两偏置平行带线的偏置方向相反；其中一个偏置平行带线中，后突出支节向着x轴正方向偏移，而前突出支节与后突出支节的偏移方向相反。7.根据权利要求1所述的一种基于加载三角形贴片的毫米波端射宽带圆极化天线，其特征是：所述siw传输线末端开口的长度方向与x轴方向平行，其宽度方向与z轴方向平行。8.根据权利要求1所述的一种基于加载三角形贴片的毫米波端射宽带圆极化天线，其特征是：所述上介质基板层、下介质基板层和siw传输线均设有第一固定螺丝孔，以及设于所述siw传输线上的两个第二固定螺丝孔；安装时，通过金属螺丝与第一固定螺丝孔配合将上介质基板层和下介质基板层固定在siw传输线两侧。9.根据权利要求1所述的一种基于加载三角形贴片的毫米波端射宽带圆极化天线，其特征是：所述中间siw传输线层还包括设于其端部的siw和gcpw的转换结构以及多个短路孔；所述siw和gcpw的转换结构与微波毫米波电路连接。

技术总结
本发明公开了一种基于加载三角形贴片的毫米波端射宽带圆极化天线，中间SIW传输线层，以及堆叠在中间SIW传输线层两个侧面的上介质基板层和下介质基板层；所述中间SIW传输线层包括SIW传输线，开设于所述SIW传输线末端的开口，与所述SIW传输线连接的中基板，以及设置在SIW传输线末端开口处、且位于中基板两侧的两个偏置平行带线；所述上介质基板层包括上金属层和三角形贴片，三角形贴片向着上金属层方向延伸，并与上金属层连接，以及位于三角形贴片与其中一个偏置平行带线之间的上基板；所述上介质基板层与下介质基板层结构相同，下介质基板层与上介质基板层中的三角形贴片方向相反。板层与上介质基板层中的三角形贴片方向相反。板层与上介质基板层中的三角形贴片方向相反。


技术研发人员：许恒飞 韦朴 唐蕾 蒋姝 毛铮 余雨 刘传清
受保护的技术使用者：南京工程学院
技术研发日：2023.08.16
技术公布日：2023/10/6