CN110854525A - 基于谐振模腔辐射的Ka波段双极化天线单元结构 - Google Patents

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刘锦霖
陈国胜
程文婷
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Abstract

本发明提供一种基于谐振模腔辐射的Ka波段双极化天线单元结构，包括：垂直极化馈电波导，水平极化馈电波导，耦合缝隙，谐振模腔及辐射缝隙，所述的垂直馈电波导和水平馈电波导使电磁波形成受约束的电磁波，并在耦合缝隙处耦合，进一步通过耦合缝隙耦合至辐射缝隙，谐振模腔与垂直极化馈电波导和水平极化馈电波导通过正交馈电实现双极化天线。本发明在双极化天线结构中引入谐振模腔辐射，可以降低天线的结构复杂程度，提高天线的性能，谐振模腔的引入同时减少了一级馈电网络，降低了馈线的整体损耗，同时保证了阵列的整体带宽。实现双极化，具有传输损耗小、回波损耗高、工作带宽宽、装卸容易、一致性好、便于加工的优点。

Description

基于谐振模腔辐射的Ka波段双极化天线单元结构
技术领域
本发明属于天线领域，特别是涉及一种双极化天线的改进结构。
背景技术
在通信领域，Ka波段是电磁频谱的微波波段的一部分，Ka波段的频率范围为26.5-40GHz，20GHz以上的毫米波波段应用中，由于天线单元的増益有限，为了获得更高的增益或者满足特定方向图的需求，经常采用对天线单元进行组阵的形式。但天线单元数目的增加，天线的馈电网络也相应增加，导致天线结构复杂，性能下降。
中国专利申请号2019104472409揭示了一种Ka波段驻波式串馈微带线阵天线、面阵天线及制作方法，微带线阵天线包括介质基板、接地层、主馈线、馈线以及串馈微带线阵，主馈线和串馈微带线阵均与介质基板上表面连接，接地层与介质基板下表面连接；串馈微带线阵包括第一阻抗变换匹配器以及若干阵元。微带面阵天线包括介质基板、接地层、主馈线、若干第二阻抗变换匹配器以及若干串馈微带线阵。主馈线、若干第二阻抗变换匹配器以及若干串馈微带线阵均与介质基板上表面连接，接地层与介质基板下表面连接；串馈微带线阵一端均开路，另一端均通过第二阻抗变换匹配器连接主馈线。主馈线上入射波和反射波叠加，实现驻波传输。该结构的结构复杂，并且不能实现双极化天线的某些特殊功能。
中国专利申请号2016102443605揭示了一种 Ka波段单圆极化天线，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。该技术方案只是实现单极化天线，但是不能实现双极化天线。
因此，有必要开发一种双极化天线单元结构，特别是一种基于谐振模腔辐射的Ka波段双极化天线单元。
发明内容
为了解决上述的双极化天线单元问题，本发明提供了一种基于谐振模腔辐射的Ka波段双极化天线单元，技术方案如下：
一种基于谐振模腔辐射的Ka波段双极化天线单元结构，包括：垂直极化馈电波导，水平极化馈电波导，耦合缝隙，谐振模腔及辐射缝隙，所述的垂直馈电波导和水平馈电波导使电磁波形成受约束的电磁波，并在耦合缝隙处耦合，进一步通过耦合缝隙耦合至辐射缝隙，谐振模腔与垂直极化馈电波导和水平极化馈电波导通过正交馈电实现双极化天线。
进一步的，所述的谐振模腔还可以是空气背腔。
进一步的，所述的辐射缝隙可以为矩形，椭圆形，T型，十字型，哑铃型的任一种。
进一步的，所述的耦合缝隙可以为矩形，椭圆形，十字型，哑铃型的任一种。
进一步的，所述的馈电波导可以为四周封闭的模腔，也可以周期性开缝。
进一步的，所述的谐振模腔可为四周封闭的模腔，也可以周期性开缝。
本发明在双极化天线结构中引入谐振模腔辐射，可以降低天线的结构复杂程度，提高天线的性能，谐振模腔的引入同时减少了一级馈电网络，降低了馈线的整体损耗，同时保证了阵列的整体带宽。实现双极化，具有传输损耗小、回波损耗高、较宽的工作带宽、装卸容易、一致性好、便于加工的优点。
附图说明
图1：本发明双极化天线单元结构的***图。
图2：双极化天线单元腔体内磁场分布图。
图3：双极化天线单元辐射缝隙的电场分布图。
图4A：中心频率 35GHz 时天线水平极化方向图。
图4B：中心频率 35GHz 时天线垂直极化方向图。
图5：经仿真优化后双极化天线单元的端口回波损耗。
图6：本发明的双极化天线单元结构的第二实施例示意图。
图7：图1所示的双极化天线单元结构剖面图。
具体实施方式
附图标号说明：101：垂直馈电波导。
102：耦合缝隙。
103：水平极化馈电波导入口。
104：水平极化馈电波导腔体。
105：第一谐振模腔。
106：第一辐射缝隙。
107：第二辐射缝隙。
108：第二谐振模腔。
下面将详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出，虽然将结合优选实施例描述本发明，但是本领域技术人员应该理解，这些实施例并不是将本发明限制于这些实施例，相反，本发明旨在覆盖可包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的替代、修改和等同物。此外，在本发明的以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解，然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明。
在大规模天线阵列中，天线的不同单元之间的耦合的对天线性能影响极为重要，临近单元的相互耦合会直接影响单元的匹配带宽和辐射特性。请参考图1本发明的双极化天线单元结构***图，该双极化天线单元为２*２天线阵结构，从上至下依次为第一辐射缝隙106，第一谐振模腔105，水平极化馈电波导腔体104，水平极化馈电波导入口103，耦合缝隙102和垂直极化馈电波导101。
第一谐振模腔105还可以是空气背腔，导体采用金属结构件，以便实现更好的天线增益，特别的，图1所示的各个部件的形状仅供参考，本领域技术人员可以在不需要付出创造性劳动的情况下对腔体的形状作出各种改变，例如，第一辐射缝隙106的形状还可以为圆形、菱形等各种变形，只要能实现发明目的即可,辐射缝隙可以为矩形，椭圆形，T型，十字型，哑铃型的任一种；耦合缝隙可以为矩形，椭圆形，十字型，哑铃型的任一种；馈电波导可以为四周封闭的模腔，也可以周期性开缝；谐振模腔可以为四周封闭的模腔，也可以周期性开缝。
本发明的双极化天线工作过程如下：当水平极化传输的电磁能量向末端圆腔内馈入信号时，通过金属阶梯引起电磁场微扰，传输的能量耦合至第一谐振模腔105中。耦合的能量在第一谐振模腔105内激发沿水平方向分布的电磁波，使得四个“十字形”辐射缝隙中辐射缝隙激发水平的电场，从而形成水平极化波。
请参考图2双极化天线单元腔体内磁场分布图及图3双极化天线单元辐射缝隙的电场分布图，可以明显看出，应用本发明的基于谐振模腔辐射的Ka波段双极化天线单元后，磁场分布及电场分布均达到设计目标，磁场分布均匀、紧密，电场分布均处于辐射缝隙的范围内，取得良好的效果。
请参考图4A中心频率 35GHz 时天线水平极化方向图，图4B中心频率 35GHz 时天线垂直极化方向图，在应用本发明的2*2天线阵单元结构中，天线阵单元的中心频率设置为35GHz，经过垂直极化传输的电磁能量通过“一字形”耦合缝隙，并与经过水平极化馈电波导末端圆腔耦合至第一谐振模腔105中，耦合至第一谐振模腔105的能量可在谐振模腔体内激发沿水平方向分布的 TM210 模式的电磁波，进而使得四个“十字形”辐射缝隙中辐射纵缝激发垂直方向的电场，形成垂直极化波，可以看出，本发明的双极化天线的 E 面和 H 面方向图主瓣重合较好，水平极化的增益为 14.4dBi, 垂直极化的增益为 14.2dBi，在 3dB 波束宽度内天线单元的交叉极化均优于 25 dB，均处于良好状态。
请参考图5：经仿真优化后双极化天线单元的端口回波损耗图，可以看出，水平极化后和垂直极化后的天线单元的回波损耗处于可控范围内，两个输入端的匹配情况较为一致，在 27GHz~40GHz 范围内天线垂直极化和水平极化馈电端口的回波损耗优于-15dB，达到设计目的。
请参考图6本发明的双极化天线单元结构的第二实施例示意图，在该实施例中，第二辐射缝隙107设计为4个十字形缝隙，第二谐振模腔108设计为四个角落有凹陷部位的谐振模腔形状，该天线单元的实验数据同样可以实现本发明的目的，达到水平极化和垂直极化的设计目标。
本发明通过合理地选择四个辐射缝隙的位置，使得辐射缝隙的宽边与 TM210 模电磁波的磁场切线近似平行且对称分布，促使四个缝隙可切割同相电流，从而激发辐射场，进一步参考图 7为图1所示的双极化天线单元结构剖面图，其中第一辐射缝隙106的长度sa约中心频率处1个自由空间波长，第一谐振模腔105的长度ca约为0.8个中心频率处的自由空间波长，耦合缝隙102的长度约为0.5个波导波长。
本发明在双极化天线结构中引入谐振模腔辐射，可以降低天线的结构复杂程度，提高天线的性能，谐振模腔的引入同时减少了一级馈电网络，降低了馈线的整体损耗，同时保证了阵列的整体带宽。实现双极化，具有传输损耗小、回波损耗高、较宽的工作带宽、装卸容易、一致性好、便于加工的优点。

Claims (6)

1.一种基于谐振模腔辐射的Ka波段双极化天线单元结构，其特征在于，包括：垂直极化馈电波导，水平极化馈电波导，耦合缝隙，谐振模腔及辐射缝隙，所述的垂直馈电波导和水平馈电波导使电磁波形成受约束的电磁波，并在耦合缝隙处耦合，进一步通过耦合缝隙耦合至辐射缝隙，谐振模腔与垂直极化馈电波导和水平极化馈电波导通过正交馈电实现双极化天线。
2.根据权利要求1所述的Ka波段双极化天线单元结构，其特征在于，所述的谐振模腔还可以是空气背腔。
3.根据权利要求1所述的Ka波段双极化天线单元结构，其特征在于，所述的辐射缝隙可以为矩形，椭圆形，T型，十字型，哑铃型的任一种。
4.根据权利要求1所述的Ka波段双极化天线单元结构，其特征在于，所述的耦合缝隙可以为矩形，椭圆形，十字型，哑铃型的任一种。
5.根据权利要求1所述的Ka波段双极化天线单元结构，其特征在于，所述的馈电波导可以为四周封闭的模腔，也可以周期性开缝。
6.根据权利要求1所述的Ka波段双极化天线单元结构，其特征在于，所述的谐振模腔可为四周封闭的模腔，也可以周期性开缝。
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