CN105914475A - 一种Ka波段单圆极化天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种Ka波段单圆极化天线，其特征在于，包括：圆极化器、介质基板、耦合腔和功分馈电网络。圆极化器包括三层，上两层为印制在介质基板上的微带贴片，第三层为低频圆极化背腔；圆极化器由在其下方的所述耦合腔进行耦合馈电，所述耦合腔下方为所述功分馈电网络。本发明所设计的Ka波段单圆极化天线将微带天线与馈电波导进行集成设计，实现轴比和驻波带宽更宽(>12％)、插损更小；同时其腔体结构采用整机加工工艺制造，工艺简单，整个结构对加工工艺的误差有较好的容错性，并且有效降低了生产成本。
Description
技术领域
本发明属于无线通信领域，尤其涉及一种Ka波段单圆极化天线。
背景技术
天线是无线通信***中必不可少的部件，可将电流转换成无线电波(用于发射)，也可将无线电波转换成电流(用于接收)。天线的实现方式多种多样，若按照其产生的远区电场矢量的方向划分，主要有线极化天线和圆极化天线两种。而圆极化天线根据电场矢量绕着传播轴的旋转方向又可分为左旋圆极化和右旋圆极化。圆极化天线可有效降低发射天线与接收天线未对准而产生的损耗，对于反射、绕射造成的多径效应也有很好地抑制作用。
在近几年的Ka波段圆极化天线设计中，申请号为201110443445.3，名称为“一种Ka波段波导开缝激励的圆极化喇叭天线”的专利文件，公开了波导开缝激励的圆极化喇叭天线，包括角锥喇叭和馈电波导，采用馈电波导开缝给喇叭馈电，其中馈电波导内还有一根调节阻抗匹配的调节柱。
申请号为201310447214.9，名称为“一种Ka波段腔体耦合馈电的圆极化喇叭天线”的专利文件，公开了一种腔体耦合缝隙激励的圆极化喇叭天线，包括馈电斜缝，耦合斜缝，耦合腔体，两个角锥喇叭，馈电波导。采用耦合波导开缝给耦合腔体然后在耦合腔体上开双缝给喇叭馈电，其中耦合波导内还有一根调节阻抗匹配的调节柱。
申请号为201510488814.9，名称为“一种圆极化天线”的专利文件，公开了通信、测控领域的一种圆极化天线，该天线包括喇叭天线和馈电矩形波导，而喇叭天线本体包括辐射层、馈电网络层介质板和反射腔层。馈电网络层介质板上的极化器为内曲线和外曲线围合而成的钩型结构。
申请号为201210378439.9，名称为“一种宽频带小型化双旋圆极化天线”的专利文件公开了一种双旋圆极化天线，包括上层辐射贴片，下层辐射贴片，开有耦合缝隙的地板，馈电网络，介质基板等。该天线通过H形缝隙介质耦合馈电，形成双调谐特性。
申请号为201510212881.8，名称为“圆极化天线及其制作方法”的专利文件公开了一种圆极化天线，包括至少两个用于产生圆极化辐射的天线单元，各天线单元设于安装底板上，并以安装底板的中心为中心均匀分布，天线单元为微带天线，包括依次层叠的辐射贴片、介质基板和地板；安装底板用于反射电磁波；天线单元以所述安装底板的中心作为圆极化中心、依各天线单元相对于所述中心所在位置具有相应的非对称结构。
申请号为200920133474.8的专利文件涉及了一种圆极化天线，该天线的基板包括介电质板和辐射面，辐射面设置在介电质板的板面上，辐射面的中心部位设有两条交叉的缝隙，该缝隙可改变电场相位的关系，实现圆极化。
在检索到的上述文献中，圆极化天线主要有三种实现方式：(1)圆极化喇叭天线。该形式天线具有阻抗、轴比带宽很宽，馈电网络插损低，辐射效率高，但其体积相对较大，难以小型化。(2)外接圆极化电桥的圆极化微带天线。该形式天线3dB轴比带宽大于15％，小于2的驻波带宽可大于20％，但是，外接圆极化电桥占用空间大，馈线长，插损大，不利于天线和馈电网络的集成设计。(3)切角圆极化微带天线。该形式天线结构简单，剖面低，但是天线的轴比和驻波带宽较小，一般在3％～4％，而且其辐射效率也较低。圆极化天线这三种实现方式各有优缺点，而业界亟待解决的问题是要实现馈电网络与天线的一体化、小型化，同时还能保证较宽的工作带宽。
现有Ka波段圆极化天线与馈电网络的集成度较低，尤其在构建天线阵列时，其馈电网络复杂、插损高。而用单层微带天线实现的圆极化天线，其轴比和驻波带宽相对较窄，一般在3％～4％左右。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的是：将微带天线与馈电波导进行集成设计，实现轴比和驻波带宽更宽(>12％)，而馈电网络更为简单、插损更小的Ka波段单圆极化天线，同时该天线易于实现，加工成本低。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种Ka波段的单圆极化天线，包括：
圆极化器、介质基板、耦合腔和功分馈电网络。
圆极化器包括三层，上两层为印制在介质基板上的微带贴片，第三层为低频圆极化背腔；圆极化器由在其下方的耦合腔进行耦合馈电，耦合腔下方为功分馈电网络。
圆极化器的最上层印制在介质基板上表面，为小尺寸的“十”字形微带贴片；第二层印制在介质基板背面，为大尺寸的“十”字形微带贴片。微带贴片的尺寸是由工作频率和介质基板的电参数决定的。小尺寸与大尺寸的微带贴片的尺寸比例在工作频带范围内可以有小范围的变化，作为优选，该比例为1:2或1:2左右。
圆极化器的“十”字形微带贴片采用印刷电路板工艺制造。
圆极化器的“十”字形微带贴片优选为16×16结构；耦合腔优选为16×16结构。
功分馈电网络为一分四公分馈电网络。
单圆极化天线由子阵天线组合而成，子阵天线的口径尺寸为32×32mm。
天线阵面法线方向增益最大，在频带27.3～30.5GHz范围内的增益都大于20dB；驻波比在频带27.3～30.15GHz范围内都小于-20dB；轴比在频带27.3～30.5GHz范围内都小于2.2dB。
本发明具有以下有益效果：
1)本发明所设计的Ka波段极化器通过过层叠不同尺寸的“十”字形微带贴片单元和一层圆极化背腔实现了工作带宽的扩展，大于12％。
2)本发明的一分四的馈电波导网络更为简单。
3)基于微带天线的传统Ka波段圆极化天线对天线结构及印制电路板的加工误差很敏感，加工成本高。
而本发明所设计的Ka波段单圆极化天线的腔体结构采用整机加工工艺制造，工艺简单，整个结构对加工工艺的误差有较好的容错性，并且有效降低了生产成本。
附图说明
图1为本发明实施例的4×4子阵天线结构分解图。
图2为本发明实施例的30GHz 4×4阵列方向图。
图3为本发明实施例的4×4天线阵列的增益频谱图。
图4为本发明实施例的4×4天线阵列的驻波比。
图5为本发明实施例的4×4天线阵列的轴比。
其中，1为的小尺寸“十”字形微带贴片；2为介质基板；3为大尺寸的“十”字形微带贴片；4为低频圆极化背腔；5为耦合腔；6为功分馈电网络。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明。
图1所示为4×4子阵天线结构图：圆极化器、耦合腔5和功分馈电网络6；圆极化器共有三层，其中最上层是小尺寸的“十”字形微带贴片1，为高频圆极化器，印制在介质基板2最上层；第二层圆极化器是大尺寸的“十”字形微带贴片3，为中频圆极化器，印制在介质基板2背面；第三层圆极化器是低频圆极化背腔4。圆极化器下方为耦合腔5，也即开缝谐振腔，圆极化器由开缝谐振腔进行耦合馈电，耦合腔5下方是一分四的功分馈电波导6。
小尺寸微带贴片1和大尺寸微带贴片3比例为1:2或1:2左右，微带贴片的尺寸是由工作频率和介质基板的电参数决定的，小尺寸与大尺寸的微带贴片的尺寸比例在工作频带范围内可以有小范围的变化。
单圆极化天线由子阵天线组合而成，子阵天线阵列的口径尺寸为：32×32mm；
该天线阵在30GHz时的方向图如图2所示，横坐标0°对应天线阵面的法线方向，最大增益为22dB；图3所示为天线阵列在27.3～30.5GHz范围内的增益，都大于20dB。
驻波比(VSWR)如图4所示，在频带27.3～30.15GHz范围内都小于-20dB；轴比(AR)如图5所示，在频带27.5～30.5GHz范围内都小于2.2dB。
以上的实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。本发明未涉及的技术均可通过现有的技术加以实现。
Claims (8)
1.一种Ka波段单圆极化天线，其特征在于，包括：圆极化器、介质基板、耦合腔和功分馈电网络。
2.根据权利要求1所述的Ka波段单圆极化天线，其特征在于：所述圆极化器包括三层，上两层为印制在所述介质基板上的微带贴片，第三层为低频圆极化背腔；所述圆极化器由在其下方的所述耦合腔进行耦合馈电，所述耦合腔下方为所述功分馈电网络。
3.根据权利要求2所述的Ka波段单圆极化天线，其特征在于：所述圆极化器的最上层印制在所述介质基板上表面，为小尺寸的“十”字形微带贴片；第二层印制在所述介质基板背面，为大尺寸的“十”字形微带贴片。
4.根据权利要求3所述的Ka波段单圆极化天线，其特征在于：所述圆极化器的“十”字形微带贴片采用印刷电路板工艺制造。
5.根据权利要求3所述的Ka波段单圆极化天线，其特征在于：所述圆极化器的“十”字形微带贴片优选为16×16结构；所述耦合腔优选为16×16结构。
6.根据权利要求1所述的Ka波段单圆极化天线，其特征在于：所述功分馈电网络为一分四公分馈电网络。
7.根据权利要求1至6之一所述的Ka波段单圆极化天线，其特征在于：它由子阵天线组合而成，所述子阵天线的口径尺寸为32×32mm。
8.根据权利要求1所述的Ka波段单圆极化天线，其特征在于：它的天线阵面法线方向增益最大，在频带27.3～30.5GHz范围内的增益都大于20dB；
驻波比在频带27.3～30.15GHz范围内都小于-20dB；轴比在频带27.3～30.5GHz范围内都小于2.2dB。
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