CN109638427A - 宽带低轴比圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带低轴比圆极化天线，包括从上到下依次设置的：第一层结构，包括一对介质带条(1)以及矩形金属框(2)，一对介质带条(1)的摆放方向一致且相互隔开；第二层结构，包括开设有第一金属化通孔阵列(7)的第一介质基板(3)；第三层结构，包括开设有耦合缝隙(9)的第一金属地(4)，耦合缝隙(9)的延伸方向与介质带条(1)的摆放方向形成一预设夹角；第四层结构，包括开设有第二金属化通孔阵列(8)的第二介质基板(3)；第五层结构，包括第二金属地(6)，本发明解决了在高频段传统的金属天线面临的辐射效率低的问题，解决了现有的宽带圆极化介质谐振器天线设计技术难以同时获得宽带及低轴比的圆极化性能的问题。

Description

宽带低轴比圆极化天线
技术领域
本发明涉及微波通信领域，尤其涉及一种宽带低轴比圆极化天线。
背景技术
在过去50年里，卫星通信已发展至一个较为成熟的阶段，超过400颗地球同步轨道卫星可以提供军事通信、数字广播、移动电话以及数据网络以及深空遥感等多种服务。而如今，新一代的卫星通信***即将来临，这将毫无疑问地对人类社会产生深远的影响。
为了获得更高的数据传输速率以满足多媒体等各种大数据吞吐量的业务需求，新一代的卫星通信***对天线的设计提出了更高的要求。一方面，天线***需要宽带化并且将采用更高的频段以获取更大的绝对带宽，例如Ka频段甚至到Q/V频段，但在Ka及以上的毫米波频段，传统的微带类天线由于金属欧姆损耗显著增加，辐射效率迅速降低。介质谐振器天线没有金属欧姆损耗，具有较高的辐射效率，利于提升***性能。另一方面，在宽频带范围内具有高圆极化纯度(轴比小于1dB)的天线可有效提升数据传输速率，因而将大受青睐。在此背景下，设计一款宽带低轴比的圆极化介质谐振器天线，例如，1dB圆极化轴比带宽15％以上，能完全覆盖亚太地区卫星业务的下行频段，具有非常重要的研究与应用价值。
对于宽带圆极化介质谐振器天线来说，目前报道了诸多技术方案。有采用诸如阶梯形等特殊形状介质谐振器的方式，有将两个或多个介质谐振器层叠在一起构成多模谐振器的方式，也有利用特殊馈电技术诸如行波馈电或交叉缝馈电等来实现宽带圆极化的形式。但这些高效率的介质谐振器天线难以同时获得宽带及低轴比(例如实现15％以上的1dB轴比带宽)的圆极化性能，往往只能获得较宽的3dB轴比带宽，难以满足新一代卫星通信***对于高圆极化纯度的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种宽带低轴比圆极化天线。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种宽带低轴比圆极化天线，包括从上到下依次设置的：
第一层结构，包括一对介质带条以及环绕所述一对介质带条设置的矩形金属框，所述一对介质带条的摆放方向一致且相互隔开；
第二层结构，包括开设有第一金属化通孔阵列的第一介质基板；
第三层结构，包括开设有耦合缝隙的第一金属地，所述耦合缝隙的延伸方向与所述介质带条的摆放方向形成一预设夹角；
第四层结构，包括开设有第二金属化通孔阵列的第二介质基板；
第五层结构，包括第二金属地；
其中，所述一对介质带条及第一介质基板构成介质谐振器天线，第三至第五层结构构成了一个基片集成波导缝隙耦合馈电结构，能量从其一端进入后通过耦合缝隙将微波信号耦合给所述介质谐振器天线，所述第一金属化通孔阵列及金属框构成背腔结构以提高天线的辐射增益。
在本发明实施例所述的宽带低轴比圆极化天线中，第一至第五层结构的投影的外部轮廓重合且均为矩形，所述耦合缝隙设置于第一金属地的中心且延伸方向与所述第一金属地的一对侧边平行，所述一对介质带条的一对中心点位于所述第一金属地的所述一对侧边的对称面上，所述一对介质带条的一对中心点还关于所述第一金属地的另一对侧边的对称面对称。
在本发明实施例所述的宽带低轴比圆极化天线中，所述第一金属化通孔阵列包括沿所述矩形金属框的投影呈矩形均匀排布的多个金属化通孔。
在本发明实施例所述的宽带低轴比圆极化天线中，所述第二金属化通孔阵列包括：沿平行于所述耦合缝隙的方向排布的一排金属化通孔、自所述一排金属化通孔的两端沿垂直于所述耦合缝隙的方向排布直至到达第一金属地的侧边的两排金属化通孔。
在本发明实施例所述的宽带低轴比圆极化天线中，所述两排金属化通孔还同时向对侧开设了两列金属化通孔以实现阻抗匹配。
本发明的宽带低轴比圆极化天线，具有以下有益效果：采用一对介质带条构成介质谐振器天线，这一对介质带条不仅可以作为一个整体形成谐振，也可以各自独立谐振，所产生的多个谐振模式极化纯度高，易于控制，通过合并这些高纯度圆极化模式，可以同时获得宽带及低轴比的圆极化性能；引入由金属化通孔阵列和金属框构成的金属背腔结构，该结构不改变天线的辐射模式，但大大提高了天线的辐射增益；如此，本发明解决了在高频段传统的金属天线面临的辐射效率低的问题，重点解决了现有的宽带圆极化介质谐振器天线设计技术难以同时获得宽带及低轴比的圆极化性能的问题，本发明可满足新一代卫星通信***对于带宽及高圆极化纯度的要求，可有效覆盖亚太地区卫星业务的下行频段。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图：
图1是本发明宽带低轴比圆极化天线的剖视图；
图2是图1中的第一至第五层结构的平面示意图；
图3是具体实施例中的天线的|S11|仿真结果示意图；
图4是具体实施例中的天线的轴比及增益仿真结果示意图；
图5是具体实施例中的天线在不同频率的方向图的仿真结果示意图；
图6是2×2的天线阵列结构的示意图；
图7是图6中的天线阵列结构的|S11|仿真结果示意图；
图8是图6中的天线阵列结构的轴比及增益仿真结果示意图；
图9是图6中的天线阵列结构在不同频率的方向图的仿真结果示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
本说明书中使用的“第一”、“第二”等包含序数的术语可用于说明各种构成要素，但是这些构成要素不受这些术语的限定。使用这些术语的目的仅在于将一个构成要素区别于其他构成要素。例如，在不脱离本发明的权利范围的前提下，第一构成要素可被命名为第二构成要素，类似地，第二构成要素也可以被命名为第一构成要素。
参考图1-2，图1是本发明宽带低轴比圆极化天线的剖视图，图2是图1中的第一至第五层结构的平面示意图。本发明的宽带低轴比圆极化天线，实际上一个天线单元，其具体包括从上到下依次设置的五层结构，图2中上排的三个图从左至右依次表示第一至第三层结构，下排的两个图从左至右依次表示第四、五层结构。
第一层结构，包括一对介质带条1以及环绕所述一对介质带条1设置的矩形金属框2，所述一对介质带条1的摆放方向一致且相互隔开；
第二层结构，包括开设有第一金属化通孔阵列7的第一介质基板3；
第三层结构，包括开设有耦合缝隙9的第一金属地4，所述耦合缝隙9的延伸方向与所述介质带条1的摆放方向形成一预设夹角；
第四层结构，包括开设有第二金属化通孔阵列8的第二介质基板3；
第五层结构，包括第二金属地6；
更具体的，第一至第五层结构的投影的外部轮廓重合且均为正方形，所述耦合缝隙9设置于第一金属地4的中心且延伸方向与所述第一金属地4的一对侧边平行，比如图中关于前后侧边平行，所述一对介质带条1的一对中心点位于所述第一金属地4的所述一对侧边的对称面上，比如图中位于前后侧边的对称面上，所述一对介质带条1的一对中心点还关于所述第一金属地4的另一对侧边的对称面对称，比如图中关于左右侧边的对称面对称。
具体的，所述第一金属化通孔阵列7包括沿所述矩形金属框2的投影呈矩形均匀排布的多个金属化通孔。
具体的，所述第二金属化通孔阵列8包括：沿平行于所述耦合缝隙9的方向排布的一排金属化通孔、自所述一排金属化通孔的两端沿垂直于所述耦合缝隙9的方向排布直至到达第一金属地4的侧边(例如图中到达前侧边)的两排金属化通孔，所述两排金属化通孔还同时向对侧开设了两列金属化通孔以实现阻抗匹配，该两列金属化通孔之间间隔一定距离，形成感性窗。
可见，本实施例中第二金属化通孔阵列8大致呈∩型排布，一般是多个天线单元构成天线阵列，在其他实施例中，如果保持介质带条的方向与前述实施例一致，则第二金属化通孔阵列8的排布则相当于将前述实施例旋转180°，即第二金属化通孔阵列大致呈∪型排布，如此，可以利用“第二金属化通孔阵列8大致呈∩型排布”的天线单元与“第二金属化通孔阵列8大致呈∪型排布”的天线单元拼合，使得两个天线单元的所有第二金属化通孔阵列8大致呈矩形排布，可以参考图6。
该天线工作时，其中，所述一对介质带条1及第一介质基板3构成介质谐振器天线，这一对介质带条不仅可以作为一个整体形成谐振，也可以各自独立谐振，所产生的多个谐振模式极化纯度高，易于控制，通过调谐可以获得大于16％的1dB轴比带宽。第三至第五层结构构成了一个基片集成波导缝隙耦合馈电结构，能量从其一端进入后通过耦合缝隙9将微波信号耦合给所述介质谐振器天线，该介质谐振器天线可以提供3个高纯度圆极化模式，且易于控制，能够使天线获得宽带及低轴比的性能，所述第一金属化通孔阵列7及金属框2构成背腔结构以提高天线的辐射增益，带内最大增益大于10dBi。由于结构对称，该天线在频带内具有良好的辐射性能，方向图对称。
在一个具体的实例中，介质带条1采用的陶瓷材料的介电常数εr＝20.5，损耗角tanδ＝1.4×10-4；介质基板3和介质基板4的材料均为Rogers 4003C(εr＝3.38,tanδ＝0.0027)。天线的传输响应(增益)、辐射响应(|S11|)和轴比曲线，可以参考图3、4所示，可见其工作在卫星通信频段，10-dB匹配带宽>25％，频带内最高增益为10dBi，3dB轴比带宽为24％，1dB轴比带宽为16％。图5中从上之下的三个图依次示意的是在11GHz、11.7GHz和12.8GHz处的天线仿真方向图，可见天线的方向图在带内保持稳定对称。
上文提到，本发明的天线主要是作为天线单元使用，一般是多个天线单元构成天线阵列。比如，图6给出了2×2的天线阵列结构的示意图，在该阵列结构中，在图1中的天线的基础上，还增加了位于第五层结构下方的第六层结构，该第六层结构具体为一层基于基片集成波导的功分网络，图7是图6中的天线阵列结构的|S11|仿真结果示意图；图8是图6中的天线阵列结构的轴比及增益仿真结果示意图；图9是图6中的天线阵列结构方向图的仿真结果示意图，其中，左上图是11.3GHz、xoz平面的方向图，右上图是11.3GHz、yoz平面的方向图，左下图是12.4GHz,xoz平面的方向图，右下图是12.4GHz,yoz平面的方向图。
综上所述，本发明的宽带低轴比圆极化天线，具有以下有益效果：采用一对介质带条构成介质谐振器天线，这一对介质带条不仅可以作为一个整体形成谐振，也可以各自独立谐振，所产生的多个谐振模式极化纯度高，易于控制，通过合并这些高纯度圆极化模式，可以同时获得宽带及低轴比的圆极化性能；引入由金属化通孔阵列和金属框构成的金属背腔结构，该结构不改变天线的辐射模式，但大大提高了天线的辐射增益；如此，本发明解决了在高频段传统的金属天线面临的辐射效率低的问题，重点解决了现有的宽带圆极化介质谐振器天线设计技术难以同时获得宽带及低轴比的圆极化性能的问题，本发明可满足新一代卫星通信***对于带宽及高圆极化纯度的要求，可有效覆盖亚太地区卫星业务的下行频段。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种宽带低轴比圆极化天线，其特征在于，包括从上到下依次设置的：
第一层结构，包括一对介质带条(1)以及环绕所述一对介质带条(1)设置的矩形金属框(2)，所述一对介质带条(1)的摆放方向一致且相互隔开；
第二层结构，包括开设有第一金属化通孔阵列(7)的第一介质基板(3)；
第三层结构，包括开设有耦合缝隙(9)的第一金属地(4)，所述耦合缝隙(9)的延伸方向与所述介质带条(1)的摆放方向形成一预设夹角；
第四层结构，包括开设有第二金属化通孔阵列(8)的第二介质基板(3)；
第五层结构，包括第二金属地(6)；
其中，所述一对介质带条(1)及第一介质基板(3)构成介质谐振器天线，第三至第五层结构构成了一个基片集成波导缝隙耦合馈电结构，能量从其一端进入后通过耦合缝隙(9)将微波信号耦合给所述介质谐振器天线，所述第一金属化通孔阵列(7)及金属框(2)构成背腔结构以提高天线的辐射增益。
2.根据权利要求1所述的宽带低轴比圆极化天线，其特征在于，第一至第五层结构的投影的外部轮廓重合且均为矩形，所述耦合缝隙(9)设置于第一金属地(4)的中心且延伸方向与所述第一金属地(4)的一对侧边平行，所述一对介质带条(1)的一对中心点位于所述第一金属地(4)的所述一对侧边的对称面上，所述一对介质带条(1)的一对中心点还关于所述第一金属地(4)的另一对侧边的对称面对称。
3.根据权利要求1所述的宽带低轴比圆极化天线，其特征在于，所述第一金属化通孔阵列(7)包括：沿所述矩形金属框(2)的投影呈矩形均匀排布的多个金属化通孔。
4.根据权利要求1所述的宽带低轴比圆极化天线，其特征在于，所述第二金属化通孔阵列(8)包括：沿平行于所述耦合缝隙(9)的方向排布的一排金属化通孔、自所述一排金属化通孔的两端沿垂直于所述耦合缝隙(9)的方向排布直至到达第一金属地(4)的侧边的两排金属化通孔。
5.根据权利要求4所述的宽带低轴比圆极化天线，其特征在于，所述两排金属化通孔还同时向对侧开设了两列金属化通孔以实现阻抗匹配。
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