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CN106450738A - 高增益双圆极化平板天线 - Google Patents

高增益双圆极化平板天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高增益双圆极化平板天线，包括：金属支撑板、单层径向线波导、馈电网络，径向线波导上表面设有辐射缝隙阵列；辐射缝隙阵列包括多圈同心的环状缝隙，每圈环状缝隙阵由一个线极化的缝隙绕阵列的圆心同向依次旋转相同的角度复制而得，径向线波导上表面中心处设有环状缝隙作为匹配圆环；4个同轴探针分布于匹配圆环内部同心圆的圆周上，馈电网络由威尔金森功分器和分支线混合网络级联构成，本发明避免了庞大的馈电功分结构，损耗小，天线效率高，采用单层径向线波导实现双圆极化设计，结构更为简单小巧，在所需频段内，本发明具有稳定的辐射方向图、极低的交叉极化电平、良好的回波损耗以及收发隔离度。

Description

高增益双圆极化平板天线
技术领域
本发明属于无线通信系统中天线设计的技术领域，尤其是一种高增益双圆极化平板天线。
背景技术
二十世纪80年代后期，径向线缝隙天线(Radial Line Slot Antennas，RLSA)作为Ku波段的高增益卫星接收天线而被提出，它兼具了波导缝隙天线的高效率和微带天线低剖面的优点。
从早期的高次模十字交叉缝隙环形阵列，到双层介质填充正交缝隙阵列，再到单层介质填充正交缝隙阵列，研究学者们对径向线缝隙天线的结构进行了不断的改进，使性能达到了与波导缝隙阵列近似的水平。现已广泛用于DBS卫星直播电视收发系统，并在高速无线接入、点到点通信、汽车防碰撞雷达以及高功率阵列天线领域获得了应用。
在卫星通信系统中，为了有效利用静止轨道与频谱资源，在某些轨道划分中存在频率重复利用，这将在有效带宽内产生信号的相互干扰，为此需采用不同的极化方式来收发信号。因此，设计一副在同频段内能实现左旋或者右旋圆极化接收的高增益天线成为卫星通信中的必然需求。2013年Hideki Ueda等人利用180°E形弯头连接两层径向线波导实现双圆极化的设计，但是结构复杂，加工难度大，因此单层径向线波导结构的双圆极化天线就显得很有优势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高增益双圆极化平板天线，它工作于Ku波段，包括单层径向线波导和微带馈电网络。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种高增益双圆极化平板天线，包括：金属支撑板、固定于金属支撑板上方的单层径向线波导、固定于金属支撑板下方的馈电网络，径向线波导上表面设有贯穿波导表面覆铜层的辐射缝隙阵列；
所述辐射缝隙阵列包括多圈同心的环状缝隙，每圈环状缝隙由一个线极化的缝隙绕阵列的圆心同向依次旋转相同的角度复制而得，每一圈的缝隙在所在圈上均布排列，相邻缝隙依次旋转的角度＝360度/每一圈的缝隙个数，同一圈上的缝隙尺寸相同，从内圈向外圈缝隙的尺寸逐渐增大；
从内圈向外圈缝隙的尺寸逐渐增大，是为了获得均匀口径场分布，得到最大增益。
径向线波导上表面中心处设有一贯穿波导表面覆铜层的环状缝隙作为匹配圆环；
4个同轴探针均匀分布于匹配圆环内部同心圆的圆周上，4个同轴探针用于对径向线波导馈电，同轴探针一端通过定位孔深入径向线波导中、另一端通过定位孔焊接于馈电网络的输出端口上；
馈电网络由威尔金森功分器和分支线混合网络级联构成，其中两个威尔金森功分器具有四个输出端口，分支线混合网络的两个输入端口分别连接到两个威尔金森功分器的输出端口上；两个SMA接头分别连接馈电网络的威尔金森功分器的输入端。
作为优选方式，每圈相邻缝隙之间的间隔为0.6个径向线波导的波长，所述间隔为每个缝隙中点之间的距离。间隔0.6个波长是为了避免栅瓣并且减少缝隙之间的互耦；
作为优选方式，所述辐射缝隙阵列包括5圈同心的环状缝隙。设置5圈缝隙阵列是为了获得所需要的24dBi左右的增益。
作为优选方式，左旋圆极化馈电SMA接头、右旋圆极化馈电SMA接头分别连接馈电网络的威尔金森功分器的输入端，这样对整个天线进行馈电。
作为优选方式，每个缝隙与从辐射缝隙阵列圆心发出的径向线的锐角夹角为43-47度。这样可使左旋圆极化和右旋圆极化的增益大致相同。
作为优选方式，金属支撑板下方设有凸起的腔体，馈电网络通过金属螺钉固定于所述腔体底部。这样是为了便于安装馈电网络并且为左旋圆极化馈电SMA接头、右旋圆极化馈电SMA接头的焊接留够足够的空间。
作为优选方式，4个同轴探针均匀分布于匹配圆环内部半径5mm的同心圆的圆周上。这样能在径向线波导里激励起所需的稳定的场模式。
作为优选方式，径向线波导通过塑料螺钉固定于金属支撑板的上表面。这样对径向线波导起到支撑作用，防止径向线波导因外力而变形；
作为优选方式，相邻圈的环状缝隙沿缝隙阵列圆心的径向方向的间距为一个径向线波导的波长，以便辐射能量同相叠加，所述间距是指相邻缝隙中点间的距离。
传统的双圆极化径向线缝隙天线采用双层波导结构，本发明为了简化天线结构，采用单层径向线波导，通过在上表面开环形排布的缝隙阵列辐射电磁波。不同于传统的径向线缝隙天线采用两个相互正交的缝隙对作为辐射单元，本发明采用线极化的单个缝隙作为辐射单元，将此单元沿中心旋转复制得到环状缝隙阵列，通过顺序旋转技术(SequentialRotation Technique)实现圆极化波的辐射。
本发明采用四个探针对径向线波导馈电，以分支线混合网络(branch-linehybrid)为单元，根据Bulter矩阵设计馈电网络，控制探针馈电相位，在波导中分别产生顺时针旋转场模式和逆时针旋转场模式，从而通过单层径向线波导结构实现了双圆极化RLSA的设计。
本发明为了提高天线阻抗匹配带宽，在径向线波导上表面中心处开一环状缝隙，以加载电容的方式调节阻抗匹配，扩宽了带宽。
本发明具有以下有益效果：
(1)与常规的双圆极化微带天线相比，本发明用波导开缝形式辐射电磁波，避免了庞大的馈电功分结构，损耗小，天线效率高。
(2)与常规的双圆极化径向线缝隙天线相比，本发明采用单层径向线波导实现双圆极化设计，结构更为简单小巧，易加工，成本低。
(3)在径向波导上表面中心处开一环形缝隙，作为匹配圆环，有效扩宽了天线阻抗匹配带宽。
(4)在所需频段内，本发明具有稳定的辐射方向图、极低的交叉极化电平、良好的回波损耗以及收发隔离度。
附图说明
图1是本发明结构的俯视图；
图2是本发明结构的侧视图；
图3是本发明的仰视图；
图4是本发明的馈电网络结构图；
图5(a)是天线左旋圆极化E面的主极化与交叉极化方向图；
图5(b)是天线左旋圆极化H面的主极化与交叉极化方向图；
图6(a)是天线右旋圆极化E面的主极化与交叉极化方向图；
图6(b)是天线右旋圆极化H面的主极化与交叉极化方向图；
图7是天线左旋圆极化E面、H面的轴比方向图；
图8是天线右旋圆极化E面、H面的轴比方向图；
图9是天线两端口反射系数曲线图；
图10是天线两端口隔离度曲线图；
图11是天线的增益随频率的变化曲线；
图12是天线的轴比随频率的变化曲线。
其中1为径向线波导，2为辐射缝隙阵列，3为匹配圆环，4为同轴探针，5为塑料螺钉，6为金属支撑板，7为馈电网络，8为左旋圆极化馈电SMA接头，9为右旋圆极化馈电SMA接头，10为金属螺钉，11为威尔金森功分器，12为分支线混合网络。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
传统的双圆极化径向线缝隙天线采用双层波导结构，本发明为了简化天线结构，采用单层径向线波导，通过在上表面开环形排布的缝隙阵列辐射电磁波。
不同于传统的RLSA天线采用两个相互正交的缝隙对作为辐射单元，本发明采用线极化的单个缝隙作为辐射单元，将此单元沿中心旋转复制得到一个环形缝隙阵，通过顺序旋转技术(Sequential Rotation Technique)实现圆极化波的辐射。
如图1-3所示，本实施例的高增益双圆极化平板天线包括：金属支撑板6、固定于金属支撑板6上方的单层径向线波导1、固定于金属支撑板6下方的馈电网络7，径向线波导1上表面设有贯穿波导表面覆铜层的辐射缝隙阵列2；
所述辐射缝隙阵列2包括5圈同心的环状缝隙，每圈环状缝隙由一个线极化的缝隙绕阵列的圆心同向依次旋转相同的角度复制而得，每一圈的缝隙在所在圈上均布排列，相邻缝隙依次旋转的角度＝360度/每一圈的缝隙个数，同一圈上的缝隙尺寸相同，从内圈向外圈缝隙的尺寸逐渐增大；
从内圈向外圈缝隙的尺寸逐渐增大，使靠近中心的缝隙从波导耦合的能量稍弱，靠近边缘的缝隙从波导耦合的能量稍强，从而达到均匀口径分布的效果，得到最大增益。
径向线波导1上表面中心处设有一贯穿波导表面覆铜层的环状缝隙作为匹配圆环3；以加载电容的方式调节阻抗匹配，扩宽了带宽。
4个同轴探针4均匀分布于匹配圆环3内部半径5mm的同心圆的圆周上，这样能在径向线波导里激励起所需的稳定的场模式。4个同轴探针4用于对径向线波导1馈电，同轴探针4一端通过定位孔深入径向线波导1中、另一端通过定位孔焊接于馈电网络7的输出端口上；
本发明采用四个同轴探针对径向线波导馈电，以分支线混合网络(branch-linehybrid)为单元，根据Bulter矩阵设计馈电网络，控制探针馈电相位，在波导中分别产生顺时针旋转场模式和逆时针旋转场模式，从而通过单层径向线波导结构实现了双圆极化RLSA的设计。
如图4所示，馈电网络7由威尔金森功分器11和分支线混合网络12级联构成，其中两个威尔金森功分器11具有四个输出端口，分支线混合网络12的两个输入端口分别连接到两个威尔金森功分器11的输出端口上；左旋圆极化馈电SMA接头8、右旋圆极化馈电SMA接头9分别连接馈电网络的威尔金森功分器11的输入端，这样对整个天线进行馈电。
微带线印刷于厚度为0.254mm、相对介电常数为2.2的介质板上，当信号由左旋圆极化馈电SMA接头8输入时，经过威尔金森功分器11和分支线混合网络12，得到四路输出信号，四路输出信号相位呈顺时针90°递减，通过同轴探针4对径向波导1馈电，在波导中激励起顺时针旋转场模式——两个空间、时间均正交的TM11模式组合。沿圆周方向场幅度相等，相位沿圆周方向存在线性变化，故波导上表面的圆环状缝隙阵辐射左旋圆极化波；当信号由右旋圆极化馈电SMA接头9输入时，四路输出信号相位呈逆时针90°递减，通过同轴探针4在径向波导1中激励起逆时针旋转场模式，故波导上表面的圆环缝隙阵辐射右旋圆极化波。
径向线波导1厚度的选择应保证波导内传输单一的电磁波，本实施例中取厚度为5mm。
由于径向线波导中心附近存在高次模，为了减少高次模的影响，第一圈缝隙阵列距离馈电点一个波导波长。相邻圈的环状缝隙沿缝隙阵列2圆心的径向方向的间距为一个径向线波导1的波长，以便辐射能量同相叠加。
每圈相邻缝隙之间的间隔为0.6个径向线波导1的波长，所述间隔为每个缝隙中点之间的距离。间隔0.6个波长是为了避免栅瓣并且减少缝隙之间的互耦；每圈相邻缝隙之间的间隔可根据实际缝隙排列随意选取，只需满足抑制栅瓣条件即可。
本实施例设置5圈缝隙阵列是为了获得所需要的24dBi左右的增益。
本实施例每个缝隙与从辐射缝隙阵列2圆心发出的径向线的锐角夹角为43-47度。这样可使左旋圆极化和右旋圆极化的增益大致相同。
本实施例金属支撑板6下方设有凸起的腔体，馈电网络7通过金属螺钉10固定于所述腔体底部。这样是为了便于安装馈电网络7并且为左旋圆极化馈电SMA接头8、右旋圆极化馈电SMA接头9的焊接留够足够的空间。左旋圆极化馈电SMA接头8及右旋圆极化馈电SMA接头9采用微波通信中经常使用的50欧姆SMA接头，可直接与信号发生器或者接收机相连。
径向线波导1通过塑料螺钉5固定于金属支撑板6的上表面。这样对径向线波导1起到支撑作用，防止径向线波导1因外力而变形；
通过以上的设计，该天线直径为200mm，高为12mm，工作频率在12GHz。
从图5(a)、(b)可见，天线左旋圆极化最大增益为24.16dBi；
从图6(a)、(b)可见，天线右旋圆极化最大增益为24.31dBi；
从图7可见，天线左旋圆极化轴比为0.43dB；
从图8可见，天线右旋圆极化轴比为0.19dB；
从图9可见，左旋圆极化馈电SMA接头8、右旋圆极化馈电SMA接头9反射系数在观察的频带范围内都低于-10dB，带宽超过16.6％；
从图10可见，左旋圆极化馈电SMA接头8、右旋圆极化馈电SMA接头9之间的隔离度在11.2GHz-12.35GHz范围内都低于-10dB，带宽为7.4％；
从图11可见，左、右旋圆极化波的3dB增益带宽均很宽，大于13％；
从图12可见，左、右旋圆极化波的轴比性能均很好，AR<3dB的轴比带宽均超过16％；
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种高增益双圆极化平板天线，其特征在于，包括：金属支撑板(6)、固定于金属支撑板(6)上方的单层径向线波导(1)、固定于金属支撑板(6)下方的馈电网络(7)，径向线波导(1)上表面设有贯穿波导表面覆铜层的辐射缝隙阵列(2)；所述辐射缝隙阵列(2)包括多圈同心的环状缝隙，每圈环状缝隙由一个线极化的缝隙绕阵列的圆心同向依次旋转相同的角度复制而得，每一圈的缝隙在所在圈上均布排列，相邻缝隙依次旋转的角度＝360度/每一圈的缝隙个数，同一圈上的缝隙尺寸相同，从内圈向外圈缝隙的尺寸逐渐增大；径向线波导(1)上表面中心处设有一贯穿波导表面覆铜层的环状缝隙作为匹配圆环(3)；4个同轴探针(4)均匀分布于匹配圆环(3)内部同心圆的圆周上，4个同轴探针(4)用于对径向线波导(1)馈电，同轴探针(4)一端通过定位孔深入径向线波导(1)中、另一端通过定位孔焊接于馈电网络(7)的输出端口上；馈电网络(7)由威尔金森功分器(11)和分支线混合网络(12)级联构成，其中两个威尔金森功分器(11)具有四个输出端口，分支线混合网络(12)的两个输入端口分别连接到两个威尔金森功分器(11)的输出端口上；两个SMA接头分别连接馈电网络的威尔金森功分器(11)的输入端。
2.根据权利要求1所述的高增益双圆极化平板天线，其特征在于：每圈相邻缝隙之间的间隔为0.6个径向线波导(1)的波长，所述间隔为每个缝隙中点之间的距离。
3.根据权利要求1所述的高增益双圆极化平板天线，其特征在于：所述辐射缝隙阵列(2)包括5圈同心的环状缝隙。
4.根据权利要求1所述的高增益双圆极化平板天线，其特征在于：左旋圆极化馈电SMA接头(8)、右旋圆极化馈电SMA接头(9)分别连接馈电网络的威尔金森功分器(11)的输入端。
5.根据权利要求1所述的高增益双圆极化平板天线，其特征在于：每个缝隙与从辐射缝隙阵列(2)圆心发出的径向线的锐角夹角为43-47度。
6.根据权利要求1所述的高增益双圆极化平板天线，其特征在于：金属支撑板(6)下方设有凸起的腔体，馈电网络(7)通过金属螺钉(10)固定于所述腔体底部。
7.根据权利要求1所述的高增益双圆极化平板天线，其特征在于：4个同轴探针(4)均匀分布于匹配圆环(3)内部半径5mm的同心圆的圆周上。
8.根据权利要求1所述的高增益双圆极化平板天线，其特征在于：径向线波导(1)通过塑料螺钉(5)固定于金属支撑板(6)的上表面。
9.根据权利要求1所述的高增益双圆极化平板天线，其特征在于：相邻圈的环状缝隙沿缝隙阵列(2)圆心的径向方向的间距为一个径向线波导(1)的波长。
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