一种双宽频圆极化的大频比共口径天线阵

1.本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种双宽频圆极化的大频比共口径天线阵。


背景技术：

2.圆极化天线由于具备抗多径干扰、良好的极化匹配等优点，在卫星通信系统中具有广阔的应用前景。为了实现卫星通信系统的小型化，提高系统设备的集成度，往往需要将不同频段和极化的天线安装在同一口径中，以节省天线所占的空间，降低生产成本。同时随着微波频谱资源的日益短缺，充分利用毫米波频谱资源，设计同时覆盖微波和毫米波频段的共口径天线也成为新的研究热点。
3.然而目前此领域仍然面临诸多技术瓶颈，中国专利文献cn 113097718a公布了一种双频双圆极化共口径天线单元，但是其工作带宽较窄，且功能所限无法应用于双频圆极化共口径天线阵设计。申请号为cn106356622a的发明专利公开了一种高增益双频双圆极化共口径平面阵列天线，但是其工作频率仅覆盖微波频段，且两个频段频率比值较小，未能同时覆盖微波毫米波频段。尽管申请号为cn113809518a的发明专利设计了同时覆盖微波与毫米波频段的大频比天线，但是该天线只辐射线极化波。目前兼具大频比特性和宽频圆极化特性的紧凑型共口径天线阵鲜有研究。


技术实现要素：

4.本发明为了克服现有技术的缺点与不足，提出了一种结构紧凑、双宽频圆极化、大频比共口径天线阵，该天线采用交织技术和嵌套技术相融合的方法，将微波频段天线和毫米波频段天线交织排布在同一口径内，保证各频段天线独立工作；同时为了使天线结构紧凑，将部分毫米波天线单元放置在微波频段天线的辐射口径内，避免了微波频段天线的辐射遮挡；采用改进的缝隙耦合馈电方法展宽天线带宽，整体天线阵具有结构紧凑、宽频带、大频比、圆极化等优点。
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种双宽频圆极化的大频比共口径天线阵，包括微波天线单元、毫米波天线单元、空气层、第一层介质板、第二层介质板、第三层介质板、第四层介质板、微波天线阵馈电网络、毫米波天线阵馈电网络、金属地板；其中，所述微波天线单元包含4个方环贴片和十字型槽，微波频段采用4个呈棋盘形状分布的方环贴片作为辐射结构，同时通过十字型槽耦合能量到第一层介质板上表面的微波天线单元，四个微波天线单元位于第一层介质板的四个顶角，在微波频段组成2
×
2的天线阵，由位于第四介质板下表面的微波天线阵馈电网络进行馈电；所述毫米波天线单元由磁电偶极子天线作为辐射结构，包含4个方形贴片、4个金属过孔和x型槽，16个毫米波天线单元位于第二层介质板的上表面，通过x型槽进行耦合馈电，在毫米波频段组成4
×
4的天线阵，由位于第三介质板下表面的毫米波天线阵馈电网络进行馈电，其中位于四个顶角的毫米波天线单元为了避免微波天线单元的辐射遮挡，放置在方环
贴片的辐射口径内。
6.进一步地，所述方环贴片位于第一层介质板的上表面，所述金属地板位于第二层介质板的下表面，所述十字型槽蚀刻在金属地板上。
7.进一步地，所述方形贴片位于第二层介质板上表面，方形贴片通过金属过孔与金属地板短接。
8.进一步地，所述十字型槽包含长度大小不同的垂直矩形槽和水平矩形槽，垂直矩形槽的长度大于水平矩形槽。
9.进一步地，为使得毫米波天线单元产生圆极化模，垂直方向的两个所述方形贴片通过连接条带连接在一起。
10.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：1、针对目前同时覆盖微波和毫米波频段的共口径天线大多是线极化天线，本发明只用一个辐射口径实现同时覆盖微波和毫米波频段的双频圆极化共口径天线，具有结构紧凑、宽频带、大频比、圆极化等优点。
11.2、针对现有报道中双频圆极化共口径天线单元的带宽较窄，且无法组成阵列以提升天线增益；本发明在微波频段和毫米波频段分别采用方环贴片天线和磁电偶极子天线，利用改进的十字型槽和x型槽耦合的馈电结构，可以有效展宽天线的阻抗带宽和轴比带宽，宽频工作带宽的优点可满足宽频通信系统需求。
12.3、针对目前双频圆极化共口径天线阵的尺寸较大，且口径复用率较低，本发明采用交织排布微波天线单元和毫米波天线单元的方法，可以充分利用辐射口径空间，实现天线结构紧凑，提升天线口径复用率。
13.4、针对目前双频圆极化共口径天线的频率比值较小，且未能同时覆盖微波和毫米波频段，本发明将毫米波天线单元放置在微波天线单元的辐射口径内，可以有效解决低频天线对高频天线的辐射遮挡问题，且所设计的天线可同时覆盖微波和毫米波频段，两个频段频率比值大，设计灵活，可任意调整频率比值。
附图说明
14.图1为本发明俯视图。
15.图2为本发明侧视图。
16.图3为本发明毫米波天线单元结构示意图。
17.图4为本发明微波天线单元轴比仿真结果对比曲线图。
18.图5为本发明毫米波天线单元轴比仿真结果对比曲线图。
19.图6为本发明在微波频段s参数随频率变化曲线图。
20.图7为本发明在毫米波频段s参数随频率变化曲线图。
21.图8为本发明轴比在微波频段随频率变化曲线图。
22.图9为本发明轴比在毫米波频段随频率变化曲线图。
具体实施方式
23.为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
24.图1和图2分别为本发明提出的一种双宽频圆极化的大频比共口径天线阵的俯视图和侧视图。本发明所提出的天线阵包含了微波天线单元100，毫米波天线单元200，空气层300，第一层介质板301，第二层介质板302，第三层介质板303，第四层介质板304，微波天线阵馈电网络400，毫米波天线阵馈电网络401，金属地板500。其中微波天线单元100包含4个方环贴片101和十字型槽102，方环贴片101位于第一层介质板301的上表面，金属地板500位于第二层介质板302的下表面，十字型槽102蚀刻在金属地板500上，包含长度大小不同的垂直矩形槽102a和水平矩形槽102b，垂直矩形槽102a的长度大于水平矩形槽102b。在微波频段，采用4个呈棋盘形状分布的方环贴片101作为辐射结构，同时利用长度不等的十字型槽102，耦合能量到第一层介质板301上表面的方环贴片101，使得微波天线单元100获得宽频圆极化特性。为了进一步展宽天线带宽，4个微波天线单元100采用连续旋转馈电技术排布在第一层介质板301上表面的四个顶角，组成2
×
2的天线阵，由位于第四层介质板304下表面的微波天线阵馈电网络400进行馈电。毫米波天线单元200由位于第二层介质板302上表面的4个方形贴片201构成，方形贴片201通过金属过孔202与金属地板500短接，同时利用长度不等的x型槽203，由位于第三层介质板303下表面的毫米波天线阵馈电网络401进行馈电。
25.毫米波天线单元200为磁电偶极子天线，如图3所示，主要包括4个方形贴片201，4个金属过孔202和x型槽203，方形贴片201位于第二层介质板302的上表面，金属过孔202贯穿第二层介质板302，一端与方形贴片201接触，另一端与金属地板500接触。为使得毫米波天线单元200产生第一个圆极化模，将垂直方向的两个方形贴片201通过连接条带204连接在一起。其次通过在金属地板上蚀刻x型槽203，将毫米波天线阵馈电网络401的能量通过x型槽203耦合到第二层介质板302上表面的方形贴片201，与传统矩形槽耦合馈电的方式相比，可产生第二个圆极化模，从而在毫米波频段获得宽频圆极化特性。
26.图4是本发明提出的微波天线单元100轴比仿真结果对比曲线，对比的天线为微波天线单元100未加载4个方环贴片101。参照图4，当引入4个方环贴片101后，本发明提出的微波天线单元100的轴比带宽得到大幅度提升，该天线单元的轴比低于3db的频段范围为5.15 ghz-6.15 ghz，3db轴比带宽为17.7%。
27.图5是本发明提出的毫米波天线单元200轴比仿真结果对比曲线，对比的天线为毫米波天线单元200加载矩形槽。参照图5，当在金属地板500上蚀刻x型槽203，本发明提出的毫米波天线单元200的轴比带宽得到大幅度提升，该天线单元的轴比低于3db的频段范围为21.5 ghz-31.5 ghz，3db轴比带宽为37.7%。
28.图6是本发明提出的双宽频圆极化的大频比共口径天线阵在微波频段s参数随频率变化曲线图。天线阵在微波频段|s11|低于-10db的频段范围为5.0 ghz-5.95 ghz，阻抗带宽为16.4%，在微波频段内隔离度优于18db。
29.图7是本发明提出的双宽频圆极化的大频比共口径天线阵在毫米波频段s参数随频率变化曲线图。天线阵在毫米波频段|s11|低于-10db的频段范围为19.0 ghz-32.5 ghz，阻抗带宽为52.4%，在毫米波频段内隔离度优于18db。
30.图8是本发明提出的双宽频圆极化的大频比共口径天线阵的轴比在微波频段随频率变化曲线图。在微波频段轴比低于3db的频段范围为5.1 ghz-6.0 ghz，3db轴比带宽为16.2%
图9是本发明提出的双宽频圆极化的大频比共口径天线阵的轴比在毫米波频段随频率变化曲线图。在毫米波频段轴比低于3db的频段范围为21.0 ghz-29.5 ghz，3db轴比带宽为33.7%。
31.综上，本发明专利达到预期效果。
32.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

技术特征：
1.一种双宽频圆极化的大频比共口径天线阵，其特征在于，包括微波天线单元、毫米波天线单元、空气层、第一层介质板、第二层介质板、第三层介质板、第四层介质板、微波天线阵馈电网络、毫米波天线阵馈电网络、金属地板；其中，所述微波天线单元包含4个方环贴片和十字型槽，微波频段采用4个呈棋盘形状分布的方环贴片作为辐射结构，同时通过十字型槽耦合能量到第一层介质板上表面的微波天线单元，四个微波天线单元位于第一层介质板的四个顶角，在微波频段组成2
×
2的天线阵，由位于第四介质板下表面的微波天线阵馈电网络进行馈电；所述毫米波天线单元由磁电偶极子天线作为辐射结构，包含4个方形贴片、4个金属过孔和x型槽，16个毫米波天线单元位于第二层介质板的上表面，通过x型槽进行耦合馈电，在毫米波频段组成4
×
4的天线阵，由位于第三介质板下表面的毫米波天线阵馈电网络进行馈电，其中位于四个顶角的毫米波天线单元放置在方环贴片的辐射口径内。2.如权利要求1所述的一种双宽频圆极化的大频比共口径天线阵，其特征在于，所述方环贴片位于第一层介质板的上表面，所述金属地板位于第二层介质板的下表面，所述十字型槽蚀刻在金属地板上。3.如权利要求1所述的一种双宽频圆极化的大频比共口径天线阵，其特征在于，所述方形贴片位于第二层介质板上表面，金属过孔贯穿第二层介质板，一端与方形贴片接触，另一端与金属地板接触，所述x型槽蚀刻在金属地板上。4.如权利要求1或2所述的一种双宽频圆极化的大频比共口径天线阵，其特征在于，所述十字型槽包含长度大小不同的垂直矩形槽和水平矩形槽，垂直矩形槽的长度大于水平矩形槽。5.如权利要求3所述的一种双宽频圆极化的大频比共口径天线阵，其特征在于，垂直方向的两个所述方形贴片通过连接条带连接在一起。

技术总结
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种双宽频圆极化的大频比共口径天线阵。主要包括微波天线单元、毫米波天线单元、空气层、第一层介质板、第二层介质板、第三层介质板、第四层介质板、微波天线阵馈电网络、毫米波天线阵馈电网络、金属地板。该天线采用交织技术和嵌套技术相融合的方法，将微波频段天线和毫米波频段天线交织排布在同一口径内，保证各频段天线独立工作；同时为了使天线结构紧凑，将部分毫米波天线单元放置在微波频段天线的辐射口径内，避免了微波频段天线的辐射遮挡；采用改进的缝隙耦合馈电方法展宽天线带宽，整体天线阵具有结构紧凑、宽频带、大频比、圆极化等优点。圆极化等优点。圆极化等优点。


技术研发人员：丁康 吴艳杰
受保护的技术使用者：广东工业大学
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/7/25