CN107732445B - 一种毫米波圆极化阵列天线及其辐射体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种毫米波圆极化阵列天线及其辐射体，所述天线包括第一介质基板、第二介质基板、第一地板、馈电网络以及辐射体，所述辐射体、第一介质基板、第一地板、第二介质基板和馈电网络从上到下依次设置，所述辐射体包括辐射板以及设置在辐射板上的多个辐射单元，每个辐射单元包括四个短路贴片，其中两个短路贴片对角设置且加载有L形枝节，另外两个短路贴片对角设置且具有切角部；每个辐射单元均通过贯穿第一介质基板的通孔与第一地板连接。本发明的毫米波圆极化阵列天线具有较长的带宽，较大的增益，较宽的圆极化轴比，并且结构简单，能够满足工信部规划用于毫米波频段移动业务中宽带无线接入***(42.3‑48.4GHz)的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种阵列天线，尤其是一种毫米波圆极化阵列天线及其辐射体，属于无线通讯领域。
背景技术
随着无线通讯技术的蓬勃发展，低频电磁波频谱资源日益趋于枯竭。为了迎接5G(the 5th Generation)高速通信的挑战，势必开发毫米波频段的频谱资源。相较于线极化天线圆极化天线具有许多明显的优势，如抗多径反射、避免极化失配和接收与发射天线的柔性对准等。毫米波频段的通讯受到了高的自由空间传输损耗、大气吸收等因素的影响，因此毫米波天线***通常要求高增益来补偿电磁波能量的衰减。通过将毫米波天线组成阵列，可以实现天线***的高增益输出。就目前国内已有的报道来看，工作于42.3-48.4GHz频段范围内的毫米波16元阵列天线只有少数的几款，其中极化方式采取圆极化的就更少了。现有的毫米波圆极化天线大多要么轴比带宽较窄，要么结构过于复杂不适合大规模阵列的应用。因此，设计出一款结构简单、增益高、阻抗带宽和轴比带宽均很宽的毫米波圆极化阵列天线是十分的必要的。
据调查与了解，已经公开的现有技术如下：
2016年，Yujian Li,Kwai-Man Luk等人在“IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS ANDPROPAGATION”发表题为“A 60-GHz Wideband Circularly Polarized Aperture-CoupledMagneto-Electric Dipole Antenna Array”的文章中，采用SIW缝隙馈电的方式，对一种圆极化电磁偶极子天线阵列进行馈电。整个天线用到三层介质基板，各个介质板间通过缝隙进行耦合，实现了很宽的轴比带宽和阻抗带宽，在工作频段内的增益均超过了24dBi。但是由于采用了SIW馈电结构，整个馈电网络的结构十分的复杂以及体积也很庞大，为了实现阵列的设计，整个天线必须构建在三层介质基板。
2016年，Q.Zhu,K.B.Ng,C.H.Chan,等人在“IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS ANDPROPAGATION”发表题为“Printed Circularly Polarized Spiral Antenna Array forMillimeter-Wave Application”的文章中，天线采用SIW缝隙馈电，采用三层介质板构成了一个4*4元圆极化阵列天线，天线辐射体由平面双螺旋构成，具有很宽的轴比带宽和阻抗带宽。但是由于采用了三层介质板，天线的结构变得十分的复杂。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种辐射体，该辐射体通过在每个辐射单元的其中两个对角设置的短路贴片加载L形枝节，另外两个对角设置的短路贴片进行切角处理，以实现圆极化辐射特性，并且实现了很宽的阻抗带宽和轴比带宽。
本发明的另一目的在于提供一种毫米波圆极化阵列天线，该天线具有易加工、增益高、体积小、成本低、频带宽、轴比宽的特点，可以应用于国内毫米波频段移动业务中宽带无线接入***。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种辐射体，包括辐射板以及设置在辐射板上的多个辐射单元，每个辐射单元包括四个短路贴片，其中两个短路贴片对角设置且加载有L形枝节，另外两个短路贴片对角设置且具有切角部。
进一步的，所述辐射单元为十六个，十六个辐射单元按照四行四列的方式排列在辐射板上。
本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种毫米波圆极化阵列天线，包括第一介质基板、第二介质基板、第一地板、馈电网络以及上述的辐射体，所述辐射体、第一介质基板、第一地板、第二介质基板和馈电网络从上到下依次设置，所述辐射体中的每个辐射单元均通过贯穿第一介质基板的通孔与第一地板连接。
进一步的，所述第一地板上刻蚀有多个缝隙，所述缝隙的数量与辐射体中的辐射单元数量相对应。
进一步的，所述馈电网络包括第一功率分配器和第二功率分配器，所述第一功率分配器为多个，用于激励辐射体中的辐射单元，所述第二功率分配器分别与多个第一功率分配器连接，用于将从微波接头馈入的电磁能量均等地分配到多个第一功率分配器。
进一步的，每个第一功率分配器包括多条L形弯折微带馈线。
进一步的，所述第二功率分配器与每个第一功率分配器的连接处设有Z形弯折微带馈线。
进一步的，所述天线还包括第二地板，所述第二地板与馈电网络位于同一平面，所述第二地板通过贯穿第二介质基板的通孔与第一地板连接。
进一步的，所述第二地板包括两个覆铜片，两个覆铜片设置在微波接头和与馈电网络的连接处。
进一步的，所述两个覆铜片分别通过十个贯穿第二介质基板的通孔与第一地板连接。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明的辐射体设置了四个辐射单元，通过在每个辐射单元的其中两个对角设置的短路贴片加载L形枝节，另外两个对角设置的短路贴片进行切角处理，以实现圆极化辐射特性，并且经过切角处理实现了很宽的阻抗带宽和轴比带宽。
2、本发明的毫米波圆极化阵列天线与现有技术的设计相比，只采用了两层介质基板，在简化天线的结构的基础上，能够维持天线阵列的宽带宽轴比高增益的特性，并且包含的辐射体中的各个辐射单元通过加载L形枝节和切角，能够在原有的线极化天线的基础上改进得到宽轴比的圆极化阵列。
3、本发明的毫米波圆极化阵列天线中的馈电网络设置了多个第一功率分配器和第二功率分配器，每个第一功率分配器用于激励辐射体中的辐射单元，其引入了L形弯折微带馈线，可以对辐射单元进行等幅同相馈电；第二功率分配器用于将从微波接头馈入的电磁能量均等地分配到各个第一功率分配器，在第二功率分配器与第一功率分配器的连接处引入Z形弯折微带馈线，有助于提高馈电网络的紧凑性，同时增大了相邻微带馈线的间距降低了耦合。
4、本发明的毫米波圆极化阵列天线采用同相馈电的方式对阵列进行馈电，不需要对馈电网络进行连续旋转，不仅增加了馈电网络的紧凑性，而且大大降低了馈电网络的设计难度。
5、本发明的毫米波圆极化阵列天线中，还可以设置与馈电网络同一平面的地板，该地板与两层介质基板之间的地板连接，可以减小损耗增强匹配。
6、本发明的毫米波圆极化阵列天线中，与馈电网络同一平面的地板包括设置在微波接头和与馈电网络连接处的两个覆铜片，两个覆铜片通过通孔与两层介质基板之间的地板连接，能够调节微波接头与馈电网络之间的匹配，并且有效的降低了损耗。
7、本发明的毫米波圆极化阵列天线的仿真结果表明，在41GHz～49.7GHz频段范围内，增益曲线的值都大于18dB，具有较高的增益。
8、本发明的毫米波圆极化阵列天线可采用标准的PCB板加工工艺进行加工，成本低，成品率高，制作过程简单，可以满足毫米波天线对低造价的要求。
9、本发明的毫米波圆极化阵列天线具有结构简单、低剖面和尺寸小的优点，需要调整的参数较少，容易加工设计，适合工程应用。
附图说明
图1为本发明实施例1的毫米波圆极化阵列天线的立体图。
图2为本发明实施例1的毫米波圆极化阵列天线的结构分层图。
图3为本发明实施例1的辐射体所在层的结构图。
图4为图3中A处的放大图。
图5为本发明实施例1的地板所在层的结构图。
图6为图5中B处的放大图。
图7为本发明实施例1的馈电网络所在层的结构图。
图8为图7中C处的放大图。
图9为图7中D处的当大图。
图10为本发明实施例1的毫米波圆极化阵列天线的回波损耗曲线。
图11为本发明实施例1的毫米波圆极化阵列天线的轴比随频率变化的曲线。
图12为本发明实施例1的毫米波圆极化阵列天线的增益随频率变化的曲线图。
图13为本发明实施例1的毫米波圆极化阵列天线的45GHz E面方向图。
图14为本发明实施例1的毫米波圆极化阵列天线的45GHz H面方向图。
其中，1-辐射体，11-辐射板，12-辐射单元，121-第一短路贴片，122-第二短路贴片，123-第三短路贴片，124-第四短路贴片，125-L形枝节，126-切角部，2-第一介质基板，3-第一地板，31-缝隙，4-第二介质基板，5-馈电网络，51-馈电板，52-第一功率分配器，521-L形弯折微带馈线，522-T形结构，53-第二功率分配器，54-Z形弯折微带馈线，6-第一通孔，7-第二通孔，8-第三通孔，9-第四通孔，10-第二地板，101-第一覆铜片，102-第二覆铜片，11-第五通孔。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
如图1和图2所示，本实施例提供了一种毫米波圆极化阵列天线，该天线为4*4阵列天线，其包括从上到下依次设置的辐射体1、第一介质基板2、第一地板3、第二介质基板4以及馈电网络5，可见构成了五层结构，其中辐射体1位于第一层，第一介质基板2位于第一层，第一地板3位于第三层，第二介质基板4位于第四层，馈电网络5位于第五层。
所述第一介质基板2和第二介质基板4均采用PCB板，但采用了不同介电常数和不同损耗角正切的材料，材料可以为FR-4、聚酰亚胺、聚四氟乙烯玻璃布和共烧陶瓷中任意两种。
如图1～图4所示，所述辐射体1包括辐射板11和十六个辐射单元12，辐射板11贴在第一介质基板2的上层，十六个辐射单元12结构相同，且按照四行四列的方式排列在辐射板11上，每个辐射单元12包括第一短路贴片121、第二短路贴片122、第三短路贴片123和第四短路贴片124，第一短路贴片121与第三短路贴片123之间镜像对称，并且对角设置，构成一对偶极子天线单元，第二短路贴片122与第四短路贴片124之间镜像对称，并且对角设置，构成另一对偶极子天线单元；为了实现圆极化辐射特性，通过在第一短路贴片121和第三短路贴片123加载L形枝节125，以及对第二短路贴片122和第四短路贴片124进行切角处理，各形成一个切角部126，从图4中可以看到，经过切角处理后，第二短路贴片122和第四短路贴片124呈五边形结构，通过切角处理还可以实现很宽的阻抗带宽和轴比带宽；为了实现第一短路贴片121、第二短路贴片122、第三短路贴片123和第四短路贴片124的短路，第一短路贴片121通过贯穿第一介质基板2的第一通孔6与第一地板3连接，第二短路贴片122通过贯穿第一介质基板2的第二通孔7与第一地板3连接，第三短路贴片123通过贯穿第一介质基板2的第三通孔8与第一地板3连接，第四短路贴片124通过贯穿第一介质基板2的第四通孔9与第一地板3连接。
如图1、图2、图5和图6所示，为了与十六个辐射单元12相对应，所述第一地板3上刻蚀有十六个缝隙31，十六个缝隙31结构相同，且呈矩形结构，与辐射单元12同样按照四行四列的方式排列在第一地板3上，行距为X，列距为Y，十六个辐射单元12也具有一样的行距为和列距。
如图1、图2、图7～图9所示，所述馈电网络5包括馈电板51、第一功率分配器52和第二功率分配器53，馈电板51贴在第二介质基板4的下层，第一功率分配器52和第二功率分配器53设置在馈电板51上，第一功率分配器52为四个，四个第一功率分配器52均采用大的一分四微带功率分配器，每个第一功率分配器52用于激励辐射体1中的四个辐射单元12，包括四条L形弯折微带馈线521和三个T形结构522，引入L形弯折微带馈线521是为了对辐射单元进行等幅同相馈电，每个T形结构为一分二T形结构，三个T形结构522分别记为第一T形结构、第二T形结构和第三T形结构，第一T形结构的两路分别与两条微带馈线521连接，第二T形结构的两路与另外两条微带馈线521连接，第三T形结构与第二功率分配器53连接；第二功率分配器53采用小的一分四微带功率分配器，用于将从微波接头馈入的电磁能量均等地分配到四个第一功率分配器52，在第二功率分配器53与每个第一功率分配器52的连接处，即在第二功率分配器53第三T形结构的连接处设有Z形弯折微带馈线54，引入Z形弯折微带馈线54，有助于提高馈电网络5的紧凑性，同时增大了相邻微带馈线的间距降低了耦合。
如图1、图2、图5和图7所示，为了减小损耗增强匹配，本实施例的毫米波圆极化阵列天线还包括第二地板10，第二地板10与馈电网络5位于同一平面，即第二地板10也位于第五层，第二地板10包括第一覆铜片101和第二覆铜片102，第一覆铜片101和第二覆铜片102均为矩形结构，设置在微波接头和与馈电网络5的连接处，具体为在微波接头与第二功率分配器53连接处，第一覆铜片101和第二覆铜片102分别通过十个贯穿第二介质基板4的第五通孔11(即第五通孔11共有二十个)与第一地板3连接，能够调节微波接头与馈电网络5之间的匹配，并且有效的降低了损耗。
上述实施例中，所述辐射体1、第一地板3和馈电网络5均采用金属材料制成，金属材料可以为铝、铁、锡、铜、银、金和铂的任意一种，或可以为铝、铁、锡、铜、银、金和铂任意一种的合金。
调整本实施例的毫米波圆极化阵列天线各部分的尺寸参数后，通过计算和电磁场仿真，对本实施例的毫米波圆极化阵列天线进行了验证仿真，如图10所示，给出了该天线在40GHz～50GHz频率范围内的|S11|参数(输入端口回波损耗)仿真结果的曲线；可以看到，在40GHz～50GHz频段范围内，|S11|曲线的值都小于-10dB，仿真结果表明本实施例的毫米波圆极化阵列天线具有较宽的阻抗带宽。如图11所示，给出了该天线在41GHz～50GHz频率范围内的轴比随频率变化的仿真结果曲线；可以看到，在41.4GHz～49.3GHz频段范围内，轴比曲线的值都小于3dB，仿真结果表明本实施例的毫米波圆极化阵列天线具有较宽的轴比带宽。如图12所示，给出了该阵列天线在41GHz～50GHz频率范围内的增益随频率变化的仿真结果曲线；可以看到，在41GHz～49.7GHz频段范围内，增益曲线的值都大于18dB，仿真结果表明本实施例的毫米波圆极化阵列天线具有较高的增益。
本实施例的毫米波圆极化阵列天线HFSS仿真的模型在45GHz时的辐射方向图如图13和图14所示，上方的曲线为左旋圆极化方向图灰线为右旋圆极化方向图，可以看出该阵列天线方向图具有较小的旁瓣和较对称的结构，并且交叉极化很低。
实施例2：
本实施例的毫米波圆极化阵列天线还可以为5*5阵列天线、6*6阵列天线等，或为行列不同的阵列天线，如4*6阵列天线、6*8阵列天线等，辐射单元12、缝隙31和第一功率分配器52的数量需要进行相应调整。其余同实施例1。
综上所述，本发明的毫米波圆极化阵列天线具有较长的带宽，较大的增益，较宽的圆极化轴比，并且结构简单，能够满足工信部规划用于毫米波频段移动业务中宽带无线接入***(42.3-48.4GHz)的要求。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。
Claims (5)
1.一种毫米波圆极化阵列天线，其特征在于：包括第一介质基板、第二介质基板、第一地板、馈电网络以及辐射体，所述辐射体、第一介质基板、第一地板、第二介质基板和馈电网络从上到下依次设置，所述辐射体中的每个辐射单元均通过贯穿第一介质基板的通孔与第一地板连接；
所述辐射体包括辐射板以及设置在辐射板上的十六个辐射单元，十六个辐射单元按照四行四列的方式排列在辐射板上，每个辐射单元包括四个短路贴片，其中两个短路贴片对角设置且加载有L形枝节，另外两个短路贴片对角设置且具有切角部；
所述馈电网络包括馈电板、第一功率分配器和第二功率分配器，馈电板贴在第二介质基板的下层，第一功率分配器和第二功率分配器设置在馈电板上，第一功率分配器为四个，四个第一功率分配器均采用一分四微带功率分配器，每个第一功率分配器用于激励辐射体中的四个辐射单元，包括四条L形弯折微带馈线和三个T形结构，每个T形结构为一分二T形结构，三个T形结构分别记为第一T形结构、第二T形结构和第三T形结构，第一T形结构的两个输出端分别与两条L形弯折微带馈线连接，第二T形结构的两个输出端分别与另外两条L形弯折微带馈线连接，第三T形结构的两个输出端分别与第一T形结构、第二T形结构的输入端连接；第二功率分配器采用一分四微带功率分配器，用于将从微波接头馈入的电磁能量均等地分配到四个第一功率分配器，第二功率分配器的每个输出端与每个第一功率分配器的第三T形结构输入端之间连接有Z形弯折微带馈线。
2.根据权利要求1所述的一种毫米波圆极化阵列天线，其特征在于：所述第一地板上刻蚀有十六个缝隙，十六个缝隙与十六个辐射单元相对应。
3.根据权利要求1-2任一项所述的一种毫米波圆极化阵列天线，其特征在于：所述天线还包括第二地板，所述第二地板与馈电网络位于同一平面，所述第二地板通过贯穿第二介质基板的通孔与第一地板连接。
4.根据权利要求3所述的一种毫米波圆极化阵列天线，其特征在于：所述第二地板包括两个覆铜片，两个覆铜片设置在微波接头和与馈电网络的连接处。
5.根据权利要求4所述的一种毫米波圆极化阵列天线，其特征在于：所述两个覆铜片分别通过十个贯穿第二介质基板的通孔与第一地板连接。
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