CN109980366B - 一种基于间隙波导的宽频带双圆极化端射阵列天线 - Google Patents
一种基于间隙波导的宽频带双圆极化端射阵列天线 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于间隙波导的宽频带双圆极化端射阵列天线,包括由上至下依次层叠设置的上金属盖板层、间隙波导层和下金属盖板层,间隙波导层分别与上金属盖板层和下金属盖板层组合形成上下两层间隙波导结构,通过一号输入端口与二号输入端口分别给上下两层间隙波导结构馈电;间隙波导层包括金属隔板以及排布在金属隔板正反两面的金属脊和若干个金属销钉,金属脊包括脊间隙波导T型功分器和脊间隙波导向槽间隙波导过渡的三级阶梯过渡段,金属隔板的终端设置为隔板圆极化器,天线辐射结构由矩阵排布的多个隔板圆极化器组成。本发明满足宽频带、易集成,并且兼有不同圆极化旋向的特点。
Description
技术领域
本发明属于天线结构设计领域,涉及一种基于间隙波导的宽频带双圆极化端射阵列天线。
背景技术
天线按照极化特性可以分为线极化、圆极化和椭圆极化三种,在能满足设计指标要求的频率范围内,带宽是天线的主要性能参数,如输入阻抗、方向图、增益、主瓣宽度和副瓣电平等,一般情况下,天线性能参数是随频率而变化的,因而天线带宽就取决于各项性能参数的频率特性。对于圆极化天线,其极化特性往往是限制工作带宽的主要因素。圆极化天线可以接收任意极化方向的线极化波,同时它发射的信号也可以被任意极化方向的线极化天线接收,并且具有旋向正交性,尤其是在航天飞行器、无线通信和雷达的极化分集、全球定位等无线电领域中得到广泛的应用。波导是天线结构的重要组成部分,在天线结构中起到传输电磁波的作用,其工艺和指标都是影响天线性能的重要因素。随着应用频率的提高,器件的尺寸相应地减小,使得传统金属波导的加工成本明显提高,在加工中对金属壁之间的焊接要求也很高,大大加大了加工难度,因此把传统金属波导应用到高频通信器件如毫米波通信中会遇到很大的困难。在高频广泛应用的基片集成波导和微带天线中都存在介质,使得电磁波沿介质传播时会产生大量损耗。间隙波导是一种新型的导波结构,可以分为脊间隙波导、槽间隙波导和微带间隙波导,它是由上下两层金属板及金属板之间的周期性电磁带隙结构组成,间隙波导结构兼具损耗小易于集成等特点,适用于工作频率较高的天线及微波器件的设计。
近年来,端射的圆极化天线多采用对称锥形缝隙结构实现,虽然可以同时实现低剖面和低损耗,但其结构仍过于复杂且不易于加工;基片集成波导被广泛应用到低剖面的馈电网络中,但在毫米波频段会带来很大的损耗;间隙波导结构是一种新型的导波结构,被应用到端射天线的例子还不多见,因此如何结合间隙波导技术研制出宽频带、低损耗、易集成的端射天线是目前急需解决的一个问题,同时,在宽频带内实现双圆极化也是一个难题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题,提供一种基于间隙波导的宽频带双圆极化端射阵列天线,满足宽频带、易集成,并且兼有不同圆极化旋向的特点。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案为:包括由上至下依次层叠设置的上金属盖板层、间隙波导层和下金属盖板层,间隙波导层分别与上金属盖板层和下金属盖板层组合形成上下两层间隙波导结构,通过一号输入端口与二号输入端口分别给上下两层间隙波导结构馈电;所述的间隙波导层包括金属隔板以及排布在金属隔板正反两面的金属脊和若干个金属销钉,金属脊包括脊间隙波导T型功分器和脊间隙波导向槽间隙波导过渡的三级阶梯过渡段,金属隔板的终端设置为隔板圆极化器,隔板圆极化器沿直线排布形成多个辐射结构,每个隔板圆极化器为一个四级阶梯;所述的三级阶梯过渡段沿高度方向加工而成,隔板圆极化器的四级阶梯在金属隔板上沿横向加工而成,金属销钉分布在脊间隙波导T型功分器的四周以及金属隔板的终端上,每个隔板圆极化器上的金属销钉作为槽间隙波导的侧壁。
所述的隔板圆极化器沿直线排布形成1×8的矩阵式辐射结构。
所述的金属脊与金属盖板层之间的空气间隙厚度为0.3mm。
槽间隙波导的金属销钉与金属盖板层之间的空气间隙厚度为0.05mm。
所述的间隙波导层布置在上金属盖板层和下金属盖板层之间,通过螺丝将上金属盖板层和下金属盖板层连接,使三者固定成为一体。
所述的一号输入端口设置在金属隔板与上金属盖板层之间,二号输入端口设置在金属隔板与下金属盖板层之间,一号输入端口和二号输入端口分别连接脊间隙波导T型功分器,一号输入端口馈电时,天线辐射右旋圆极化波,二号输入端口馈电时,天线辐射左旋圆极化波。
与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果:采用隔板圆极化器,能够在天线终端产生一个与原场分量有90°相位差的新的场分量,进而在天线终端与原场分量合成圆极化波,间隙波导层上设有上下两个输入端口,在给不同的输入端口馈电时,可以分别实现两个旋向不同的圆极化。本发明整体采用间隙波导作为导波结构,使天线整体结构简单紧凑、易集成,整体无需焊接,只需通过螺丝紧固即可。金属脊上设置过渡段,分为一级阶梯过渡段、二级阶梯过渡段和切角过渡段,使馈电网络在较宽的频带内有较好的阻抗匹配特性,采用脊间隙波导作为馈电结构,使本发明的天线满足了宽频带的工作要求并在毫米波频段实现低损耗。
附图说明
图1本发明天线的整体结构示意图;
图2本发明间隙波导层的结构示意图;
图3本发明间隙波导层的俯视示意图;
图4本发明天线反射系数及端口间隔离度的仿真结果图;
图5本发明天线轴比的仿真结果图;
图6本发明天线增益的仿真结果图;
图7(a)为本发明天线29GHz处仿真方向图;
图7(b)为本发明天线36.5GHz处仿真方向图;
图7(c)为本发明天线44GHz处仿真方向图;
附图中:11-上金属盖板层;12-间隙波导层;13-下金属盖板层;14-一号输入端口;15-二号输入端口;21-金属隔板;22-隔板圆极化器;23-三级阶梯过渡段;24-金属脊;25-金属销钉;26-脊间隙波导T型功分器;AA'-金属隔板的轴向剖面线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1-3,本发明的天线在结构上包括由上至下依次层叠设置的上金属盖板层11、间隙波导层12和下金属盖板层13,间隙波导层12分别与上金属盖板层11和下金属盖板层13组合形成上下两层间隙波导结构,通过一号输入端口14与二号输入端口15分别给上下两层间隙波导结构馈电。一号输入端口14为上层间隙波导的输入端口,二号输入端口15为下层间隙波导的输入端口。一号输入端口14设置在金属隔板21与上金属盖板层11之间,二号输入端口15设置在金属隔板21与下金属盖板层13之间。间隙波导层12包括金属隔板21以及排布在金属隔板21正反两面的金属脊24和若干个周期排列的金属销钉25,金属脊24包括脊间隙波导T型功分器26和脊间隙波导向槽间隙波导过渡的三级阶梯过渡段23,金属隔板21的终端设置为隔板圆极化器22,天线辐射结构由隔板圆极化器22组成1×8的矩阵。
间隙波导层12布置在上金属盖板层11和下金属盖板层13之间,通过螺丝将上金属盖板层11和下金属盖板层13连接,使三者固定成为一体。天线整体关于金属隔板的轴向剖面线AA'对称。每个隔板圆极化器22为一个四级阶梯,隔板圆极化器22沿直线排布形成1×8的矩阵式辐射结构,相邻隔板圆极化器22之间排布金属销钉25,形成辐射结构单元。
脊间隙波导向槽间隙波导过渡的三级阶梯过渡段23沿高度方向加工而成,而隔板圆极化器22的四级阶梯在金属隔板21上沿横向加工而成,金属销钉25分布在脊间隙波导T型功分器26的四周以及金属隔板21的终端上。金属脊24与金属盖板之间的空气间隙厚度为0.3mm,槽间隙波导的金属销钉25与金属盖板之间的空气间隙厚度为0.05mm。
两个输入端口分别连接脊间隙波导T型功分器26。本发明采用隔板圆极化器,可以在天线终端产生一个与原场分量有90°相位差的新的场分量,进而在天线终端与原场分量合成圆极化波;当一号输入端口14馈电时,本发明天线辐射右旋圆极化波,与之相反,当二号输入端口15馈电时,本发明天线辐射左旋圆极化波。馈电网络部分为脊间隙波导结构,终端辐射部分为槽间隙波导结构,辐射单元两侧的金属销钉25相当于槽间隙波导的侧壁,周期性排布的金属销钉25提供了高阻抗表面,产生阻带抑制电磁波的传播。
脊间隙波导T型功分器26上的一级阶梯过渡段、二级阶梯过渡段和切角过渡使馈电网络在较宽的频带内有较好的阻抗匹配特性;通过脊间隙波导向槽间隙波导过渡的三级阶梯过渡段23使得脊间隙波导向槽间隙波导的过渡在较宽的频带内有较好的阻抗匹配特性。
参见图4,可以看出本发明天线在29.3-44.4GHz频带内反射系数小于-10dB,与此同时,在该频段内两个端口的隔离度大于15dB,相对阻抗带宽达到了41.4%。参见图5,可以看出本发明天线在29.6-44.6GHz频带内轴比小于3dB,3dB轴比带宽达到了41.1%;阻抗带宽与3dB轴比带宽均达到了41%以上,在较宽的频带实现了天线的性能指标。参见图6,可以看出本发明天线在工作频带内增益均大于16.7dBic,最高增益达到19.1dBic。图7(a)、图7(b)和图7(c)分别给出了本发明在一号输入端口馈电时低、中、高三个不同频点29GHz、36.5GHz、44GHz处的仿真方向图,可以看出本发明天线在工作频带内均能较好地实现圆极化。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并非用以对本发明做任何形式上的限定,本领域技术人员应当理解的是,在不脱离本发明精神和原则的前提下,本发明的技术方案还可以进行若干简单的修改及替换,这些修改和替换也会落入由权利要求所划定的专利保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于间隙波导的宽频带双圆极化端射阵列天线,其特征在于:包括由上至下依次层叠设置的上金属盖板层(11)、间隙波导层(12)和下金属盖板层(13),间隙波导层(12)分别与上金属盖板层(11)和下金属盖板层(13)组合形成上下两层间隙波导结构,通过一号输入端口(14)与二号输入端口(15)分别给上下两层间隙波导结构馈电;所述的间隙波导层(12)包括金属隔板(21)以及排布在金属隔板(21)正反两面的金属脊(24)和若干个金属销钉(25),金属脊(24)包括脊间隙波导T型功分器(26)和脊间隙波导向槽间隙波导过渡的三级阶梯过渡段(23),金属隔板(21)的终端设置为隔板圆极化器(22),隔板圆极化器(22)沿直线排布形成多个辐射结构,每个隔板圆极化器(22)为一个四级阶梯;所述的三级阶梯过渡段(23)沿高度方向加工而成,隔板圆极化器(22)的四级阶梯在金属隔板(21)上沿横向加工而成,金属销钉(25)分布在脊间隙波导T型功分器(26)的四周以及金属隔板(21)的终端上,每个隔板圆极化器(22)上的金属销钉(25)作为槽间隙波导的侧壁;所述的隔板圆极化器(22)沿直线排布形成1×8的矩阵式辐射结构;所述的一号输入端口(14)设置在金属隔板(21)与上金属盖板层(11)之间,所述的二号输入端口(15)设置在金属隔板(21)与下金属盖板层(13)之间,一号输入端口(14)和二号输入端口(15)分别连接脊间隙波导T型功分器(26),当一号输入端口(14)馈电时,天线辐射右旋圆极化波,当二号输入端口(15)馈电时,天线辐射左旋圆极化波。
2.根据权利要求1所述基于间隙波导的宽频带双圆极化端射阵列天线,其特征在于:所述的金属脊(24)与金属盖板层之间的空气间隙厚度为0.3mm。
3.根据权利要求1所述基于间隙波导的宽频带双圆极化端射阵列天线,其特征在于:槽间隙波导的金属销钉(25)与金属盖板层之间的空气间隙厚度为0.05mm。
4.根据权利要求1所述基于间隙波导的宽频带双圆极化端射阵列天线,其特征在于:所述的间隙波导层(12)布置在上金属盖板层(11)和下金属盖板层(13)之间,通过螺丝将上金属盖板层(11)和下金属盖板层(13)连接,使三者固定成为一体。
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