一种基于低剖面馈电结构的宽带端射圆极化天线及阵列

1.本发明属于微波毫米波领域，特别是一种基于低剖面结构的宽带端射圆极化天线及阵列。


背景技术：

2.由于具有大带宽、高数据传输速率的优势，毫米波技术相关应用近年来成为通信、雷达技术的研究热点，例如第五代移动通信、汽车雷达、卫星通信等等。在这些应用中，毫米波接收机与发射机之间的对准误差难以避免。若采用线极化天线作为收发天线，将导致收发天线间的极化失配以及接收信号信噪比的恶化。圆极化天线由于其抗多径衰落、对天线方位姿态敏感性低等优点被广泛来解决上述问题。根据天线的最大辐射方向，可以将圆极化天线分为边射和端射两类。由于端射圆极化天线的最大辐射方向平行于阵轴线，更加适合某些手持式、低剖面毫米波设备应用场景。
3.近年来，宽带毫米波端射圆极化天线相关研究受到国内外学者的广泛关注，也有相关的研究报道。然而，目前已报道的端射圆极化天线难以兼顾宽带和易于平面集成两大特性。目前实现宽带端射圆极化天线方案主要有两种，第一种方案是采用金属波导工艺实现宽带端射圆极化，然而其结构笨重、天线剖面高、加工成本高，且难以与平面电路相集成。第二种方案是采用互补源结构，在平面电路板上分别设有两种正交极化的辐射单元，通过调节两种正交极化电场分量之间的幅度、相位关系，实现宽带端射圆极化。该方案通常将开口siw作为垂直极化辐射单元，为了产生两种幅度相近的正交极化分量，天线馈电结构剖面很高。如果采用如此厚的介质，对应的50ω微带线宽将超过4mm。然而，前端有源电路芯片管脚间距较小(～0.5mm)，这使得芯片管脚与50ω微带线二者之间阻抗匹配过渡结构设计困难且插入损耗较大，导致天线与射频前端有源电路难以平面集成。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于低剖面馈电结构的宽带端射圆极化天线及阵列。在能够实现宽带端射圆极化辐射的同时，降低天线馈电结构的剖面，使得整体天线阵列易于与前端有源电路平面集成。
5.实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于低剖面馈电结构的宽带端射圆极化天线，包括由上至下依次设置的顶部金属辐射块、顶部金属层、介质层、底部金属层和底部金属辐射块；所述顶部金属层、底部金属层上设有带引向振子的偶极子辐射单元；所述顶部金属辐射块、底部金属辐射块共同构成线性渐变槽辐射单元；所述偶极子辐射单元产生水平极化电场分量，线性渐变槽辐射单元产生垂直极化电场分量，通过调节两个正交极化电场分量间幅相关系，实现宽带圆极化辐射。
6.进一步地，所述顶部金属层、底部金属层平行于介质层对称设置；
7.所述顶部金属层包括第一矩形金属片、第一l型金属片和用于补偿高频处偶极子单元增益损失的第一引向振子，所述第一l型金属片设置于第一矩形金属片的长边处，包括
第一金属臂和第二金属臂，其中第一金属臂与第一矩形金属片的长边相接且两者相互垂直，第二金属臂作为辐射边，所述第一引向振子相对于第一矩形金属片设置在第一l型金属片的另一侧，与第二金属臂平行且之间有一定距离；
8.所述底部金属层包括第二矩形金属片、第二l型金属片和用于补偿高频处偶极子单元增益损失的第二引向振子，所述第二l型金属片设置于第二矩形金属片的长边处，包括第三金属臂和第四金属臂，其中第三金属臂与第二矩形金属片的长边相接且两者相互垂直，第四金属臂作为辐射边，所述第二引向振子相对于第二矩形金属片设置在第二l型金属片的另一侧，与第四金属臂平行且之间有一定距离；
9.两个所述辐射边构成偶极子辐射单元；
10.所述第一l型金属片和第二l型金属片的开口方向相反，即两者的辐射边指向相反。
11.进一步地，所述第一矩形金属片长边的中心轴、第一金属臂的中心轴以及第一引向振子的中心轴同轴设置，所述第二矩形金属片长边的中心轴、第三金属臂的中心轴以及第二引向振子的中心轴同轴设置。
12.进一步地，所述偶极子辐射单元和线性渐变槽辐射单元共同由低剖面基片集成波导siw进行馈电，所述低剖面基片集成波导siw由第一矩形金属片、第二矩形金属片、两矩形金属片之间的金属通孔以及siw端口构成。
13.进一步地，所述低剖面基片集成波导siw的剖面高度仅为0.056λ0，λ0为工作频段中心频点的空气波长。
14.进一步地，所述顶部金属辐射块、底部金属辐射块为楔形结构。
15.基于低剖面馈电结构的宽带端射圆极化天线的天线阵列，所述天线阵列包括2n个宽带端射圆极化天线单元，采用1分2n低剖面siw等功率分配器对2n个宽带端射圆极化天线单元进行馈电，siw等功率分配器的2n个输出口与2n个宽带端射圆极化天线单元的输入口相连。
16.进一步地，该天线阵列的每个端射圆极化天线单元输入口设有一阶感性窗，对整体天线阵列的阻抗匹配进行调整。
17.进一步地，所述阵列天线结构可扩展至1
×2n
，n≥2。
18.本发明与现有技术相比，其显著优点为：
19.1)已有的端射圆极化技术方案通常将开口siw构成的磁偶极子作为垂直极化辐射单元。为了产生两种幅度相近的正交极化分量，天线馈电结构剖面很高。与传统开口siw作为垂直极化分量辐射方案不同，本发明线性渐变槽辐射单元可被低剖面siw激励，并产生与偶极子辐射单元电场幅度相近的垂直极化电场分量，从而可在低剖面馈电结构下实现宽带圆极化辐射。
20.2)本发明提出的端射圆极化天线阵列馈电剖面仅为0.056λ0(λ0为工作频段中心频点的空气波长)，易于与前端有源电路进行平面集成。
21.3)偶极子单元前方设有引向振子，用来补偿高频处偶极子单元增益损失，从而进一步展宽端射圆极化天线的3db轴比带宽。
22.4)本发明提出的端射圆极化天线阵列实现了42.1％的阻抗带宽以及35.8％的3db轴比带宽，同时具有低剖面的馈电结构，易于与前端有源电路平面集成，是毫米波通信的优
良选择。
23.下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
24.图1为传统偶极子天线单元结构图。
25.图2为传统偶极子天线馈电剖面厚度与对应两种正交极化电场幅度比例示意图。
26.图3为本发明涉及的宽带端射式圆极化天线单元结构图。
27.图4为本发明涉及的宽带端射式圆极化天线在引入引向振子前后关于水平极化增益(gainy)和远场电场幅度差(|db(ex)-db(ey)|)的变化曲线图。
28.图5为本发明涉及的宽带端射式圆极化天线在引入引向振子前后关于天线轴比变化的曲线图。
29.图6为本发明涉及的偶极子辐射单元结构俯视图。
30.图7为本发明涉及的宽带端射式圆极化天线单元仿真|s11|和仿真圆极化增益曲线图。
31.图8为本发明涉及的宽带端射式圆极化天线阵列结构示意图。
32.图9为本发明涉及的宽带端射式圆极化天线阵列实测与仿真|s11|曲线图。
33.图10为本发明涉及的宽带端射式圆极化天线阵列辐射方向图(35g，xoz面)。
34.图11为本发明涉及的宽带端射式圆极化天线阵列辐射方向图(35g，yoz面)。
35.图12为本发明涉及的宽带端射式圆极化天线阵列增益和轴比曲线图。
具体实施方式
36.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
37.需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
38.另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
39.图1是传统印刷偶极子辐射单元结构图，现有的端射圆极化天线技术方案采用互补源方案实现端射圆极化。该方案将图1中的开口基片集成波导(siw)构成的磁偶极子作为垂直极化辐射单元，印刷偶极子作为水平极化辐射单元。通过调节二者之间的幅度、相位关系，实现端射圆极化。为实现较为理想的圆极化辐射，需要两种正交极化之间幅度差尽量小(|db(ex)-db(ey)|《2-3db)。如图2所示，往往需要使用较厚的介质剖面(》1.5mm)才能让开口siw电场辐射强度(db(ex))与偶极子(db(ey))相当。若采用如此厚的介质，对应50ω微带
线宽将超过4mm。然而，前端有源电路芯片管脚间距较小(～0.5mm)，这使得芯片管脚与50ω微带线二者之间阻抗匹配过渡结构设计困难且插入损耗较大，导致天线与射频前端有源电路难以平面集成。
40.为解决上述难题，本发明提出了基于低剖面馈电结构的宽带端射式圆极化天线单元及阵列，在实现宽带端射圆极化性能的同时，易于与前端有源电路平面集成，其天线单元具体结构如图3所示。该天线单元包括由上到下依次设置的顶部金属辐射块1、顶部金属层2、介质层3、底部金属层4和底部金属辐射块5；所述顶部金属层2、底部金属层4上设有带引向振子7的偶极子辐射单元6；所述顶部金属辐射块1、底部金属辐射块5共同构成线性渐变槽辐射单元。所述偶极子辐射单元6沿水平方向排布(平行于介质层3)，偶极子辐射单元6的两个金属辐射边分别分布在顶部金属层2、底部金属层4上，且指向相反。所述线性渐变槽辐射单元沿垂直方向排列(垂直于介质层3)。所述偶极子辐射单元6和线性渐变槽辐射单元中心线相互重合。所述偶极子辐射单元6和线性渐变槽辐射单元均由低剖面基片集成波导(siw)进行馈电，剖面高度仅为0.056λ0(λ0为工作频段中心频点的空气波长)，因此易于与前端有源电路进行平面集成。所述偶极子辐射单元6产生水平极化电场分量，而顶部金属辐射块1、底部金属辐射块5共同构成的线性渐变槽辐射单元产生垂直极化电场分量。通过调节两个正交极化电场分量间幅相关系，实现宽带圆极化辐射。
41.与传统开口siw作为垂直极化分量辐射方案不同，本发明采用的线性渐变槽辐射单元可被低剖面siw激励，并产生与偶极子辐射单元6电场幅度相近的垂直极化电场分量，从而可在低剖面馈电结构下实现宽带圆极化辐射。
42.如图4和5所示，所述偶极子单元6前方设有寄生引向振子7，用来补偿高频处偶极子单元增益损失。如图4所示，在没有寄生引向振子7的情况下，偶极子辐射单元的水平极化增益(gainy)在高频处(》33ghz)开始下降。这使得两种正交极化幅度平衡范围(|db(ex)-db(ey)|《2db)较窄，从而大大限制了圆极化天线单元的3db轴比带宽。寄生引向振子7的引入，能够有效补偿偶极子辐射单元的高频增益衰减，大大展宽了正交极化幅度平衡范围(|db(ex)-db(ey)|《2db)。如图5所示，寄生引向振子7的引入能够大幅拓展圆极化天线单元3db轴比带宽，其3db轴比相对带宽从21％提升至40.9％。
43.为了验证本发明所提宽带端射式圆极化天线的真实性与可靠性，首先设计了工作于ka-波段的圆极化天线单元全波模型，并进行优化仿真设计。图6展示了圆极化天线单元中偶极子辐射单元的俯视图，通过对偶极子6、寄生振子7相关参数进行全波优化仿真，获得理想的设计结果。图5、7展示了本发明涉及的宽带端射式圆极化天线单元的相关仿真结果，其|s11|《-10db阻抗带宽为46.2％(26.6-42.6ghz)，3db轴比带宽为40.9％(26.8-40.6ghz)。
44.除此以外，本发明提出的宽带端射圆极化天线单元，可以方便地扩展至1
×2n
(n≥2)的圆极化天线阵列，具体方法如下：
45.天线阵列采用1分2n低剖面siw等功率分配器8对2n个宽带端射圆极化天线单元进行馈电。siw等功率分配器8的2n个输出口与2n个宽带端射圆极化天线单元的输入口相连。每个端射圆极化天线单元输入口设有一阶感性窗9对于整体天线阵列的阻抗匹配进行调整。根据上述天线阵列组阵方法，本发明制作了1
×
8的低剖面馈电结构圆极化天线阵列进行验证，具体结构如图8所示。该天线阵列采用单层厚度为0.508mm的taconic tly-5进行加工，8
个端射式天线单元的输入口与1分8siw等功率分配器的8个输出口相连。图9至图12展示了圆极化天线阵列的仿真与实测|s11|、天线辐射方向图、圆极化增益以及轴比。可以看出仿真与实测结果之间一致性良好，从而验证了本发明所提天线的正确性与可靠性。实测结果表明，圆极化天线阵列的|s11|《-10db阻抗带宽为42.1％(27.45-42.1ghz)，3db轴比带宽为35.8％(27.5-39.5ghz)。与此同时，本发明提出的天线由低siw进行馈电，剖面高度仅为0.056λ0(λ0为工作频段中心频点的空气波长)，易于和前端有源电路进行平面集成。
46.综上，本发明提出的端射式圆极化天线及阵列不仅能够实现宽带圆极化辐射，而且具有低剖面馈电结构(0.508mm～0.056λ0)，易于和前端有源电路平面集成。
47.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

技术特征：
1.一种基于低剖面馈电结构的宽带端射圆极化天线，其特征在于，包括由上至下依次设置的顶部金属辐射块(1)、顶部金属层(2)、介质层(3)、底部金属层(4)和底部金属辐射块(5)；所述顶部金属层(2)、底部金属层(4)上设有带引向振子(7)的偶极子辐射单元(6)；所述顶部金属辐射块(1)、底部金属辐射块(5)共同构成线性渐变槽辐射单元；所述偶极子辐射单元(6)产生水平极化电场分量，线性渐变槽辐射单元产生垂直极化电场分量，通过调节两个正交极化电场分量间幅相关系，实现宽带圆极化辐射。2.根据权利要求1所述的基于低剖面馈电结构的宽带端射圆极化天线，其特征在于，所述顶部金属层(2)、底部金属层(4)平行于介质层(3)对称设置；所述顶部金属层(2)包括第一矩形金属片、第一l型金属片和用于补偿高频处偶极子单元增益损失的第一引向振子，所述第一l型金属片设置于第一矩形金属片的长边处，包括第一金属臂和第二金属臂，其中第一金属臂与第一矩形金属片的长边相连接且两者相互垂直，第二金属臂作为辐射边，所述第一引向振子相对于第一矩形金属片设置在第一l型金属片的另一侧，与第二金属臂平行且之间有一定距离；所述底部金属层(4)包括第二矩形金属片、第二l型金属片和用于补偿高频处偶极子单元增益损失的第二引向振子，所述第二l型金属片设置于第二矩形金属片的长边处，包括第三金属臂和第四金属臂，其中第三金属臂与第二矩形金属片的长边相连接且两者相互垂直，第四金属臂作为辐射边，所述第二引向振子相对于第二矩形金属片设置在第二l型金属片的另一侧，与第四金属臂平行且之间有一定距离；两个所述辐射边构成偶极子辐射单元(6)；所述第一l型金属片和第二l型金属片的开口方向相反，即两者的辐射边指向相反。3.根据权利要求2所述的基于低剖面馈电结构的宽带端射圆极化天线，其特征在于，所述第一矩形金属片长边的中心轴、第一金属臂的中心轴以及第一引向振子的中心轴同轴设置，所述第二矩形金属片长边的中心轴、第三金属臂的中心轴以及第二引向振子的中心轴同轴设置。4.根据权利要求2所述的基于低剖面馈电结构的宽带端射圆极化天线，其特征在于，所述偶极子辐射单元(6)和线性渐变槽辐射单元共同由低剖面基片集成波导siw进行馈电，所述低剖面基片集成波导siw由第一矩形金属片、第二矩形金属片、两矩形金属片之间的金属通孔以及siw端口构成。5.根据权利要求4所述的基于低剖面馈电结构的宽带端射圆极化天线，其特征在于，所述低剖面基片集成波导siw的剖面高度仅为0.056λ0，λ0为工作频段中心频点的空气波长。6.根据权利要求1所述的基于低剖面馈电结构的宽带端射圆极化天线，其特征在于，所述顶部金属辐射块(1)、底部金属辐射块(5)为楔形结构。7.基于权利要求1至6任意一项所述的基于低剖面馈电结构的宽带端射圆极化天线的天线阵列，其特征在于，所述天线阵列包括2
n
个宽带端射圆极化天线单元，采用1分2
n
低剖面siw等功率分配器(8)对2
n
个宽带端射圆极化天线单元进行馈电，siw等功率分配器(8)的2
n
个输出口与2
n
个宽带端射圆极化天线单元的输入口相连。8.根据权利要求7所述的天线阵列，其特征在于，该天线阵列的每个端射圆极化天线单元输入口设有一阶感性窗(9)，对整体天线阵列的阻抗匹配进行调整。9.根据权利要求8所述的天线阵列，其特征在于，所述阵列天线结构可扩展至1
×2n
，n≥2。

技术总结
本发明公开了一种基于低剖面馈电结构的宽带端射圆极化天线及阵列，天线包括由上到下设置的顶部金属辐射块、顶部金属层、介质层、底部金属层和底部金属辐射块；金属层上设有水平极化偶极子辐射单元，两个金属辐射块共同构成垂直极化的渐变槽辐射单元。通过调节两单元间幅度、相位关系，实现宽带圆极化天线。天线引入寄生引向振子，能够有效补偿偶极子辐射单元在高频段的增益衰减，从而大大展宽天线单元的轴比带宽。该天线通过低剖面基片集成波导进行馈电，能方便地扩展成天线阵列，且易于与前端有源电路相集成。本发明提出的天线阵列在保证宽带端射圆极化特性的同时，还具有低剖面的馈电结构，能方便地与前端有源电路平面集成，是毫米波通信的优良选择。米波通信的优良选择。米波通信的优良选择。


技术研发人员：余英瑞 吴文 张金栋 陈峤羽
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：2021.12.31
技术公布日：2023/7/13