CN114156652A - 一种低副瓣宽带低交叉极化平面偶极子天线阵列 - Google Patents

一种低副瓣宽带低交叉极化平面偶极子天线阵列 Download PDF

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范潇飞
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Abstract

本发明公开一种低副瓣宽带低交叉极化平面偶极子天线阵列，包括多层介质基板；第一金属面；第二金属面；馈电网络；偶极子天线阵列；每个偶极子天线单元包括顶层偶极子臂、中间层偶极子臂、底层偶极子臂；第一金属面与顶层偶极子臂的一端连接；第二金属面与底层偶极子臂的一端相连；所述的馈电网络包括信号导带，金属化通孔；馈电网络输出端处信号导带直接与各偶极子天线单元的信号输入端连接；该天线阵列在恰当位置刻蚀一对缝隙，使得偶极子同时工作在半波长模式和1.5倍波长模式，大幅提高偶极子天线的阻抗带宽。该天线阵列采用SICL结构馈电，可以有效抑制偶极子天线的交叉极化，而且SICL结构工作在准TEM模式，无截止频率。

Description

一种低副瓣宽带低交叉极化平面偶极子天线阵列
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种低副瓣天线阵列，尤其涉及一种低副瓣宽带低交叉极化平面偶极子天线阵列。
背景技术
近年来，随着毫米波***的发展，人们对高效率毫米波天线阵的研究越来越感兴趣，许多毫米波段的应用需要将平面天线与后端链路集成在一起，以减少整个***的外形并提高***的集成度。平面偶极子天线因其结构紧凑、制造成本低、辐射性能稳定和易于与有源电路集成而被认为是一种有前途的天线。然而，毫米波波段的宽带偶极子天线的设计面临着如何拓宽带宽和如何改善交叉极化的难题。
几十年来，人们研究了许多方法来拓宽偶极子的工作带宽。主要方法包括使用蝶形偶极子，使用对数周期结构，增加引向阵子，或使用宽带巴伦。作为另一种平面天线，由集成巴伦馈电的蝶型偶极子天线已被广泛开发用于微波频率的无线通信。这些天线可以实现宽带或多频段工作，但它们的缺点是体积大，巴伦结构不仅增加了天线的尺寸，也增加了设计难度。
在毫米波频段，无论采用微带巴伦馈电还是基片集成波导(SIW)馈电，介质基底的相对厚度变厚，馈电部分较强的交叉极化分量使得天线的交叉极化较差。此外，由于SIW需要满足一定的横向尺寸以支持波导模式的传播，因此在较低的微波波段，元件尺寸相对较大。然而，也有人使用由微带巴伦馈电的双面偶极子来减少交叉极化，但这往往需要更复杂的结构。也有人使用差分馈电来减少交叉极化，但这种结构馈电结构更加复杂，不便于阵列的集成。
发明内容
本发明的目的是针对现有的偶极子天线馈电方式和带宽窄的缺点，通过使用基片集成同轴线(SICL)馈电方式，可以有效抑制交叉极化，平面阵列单元采用带有缝隙的弯折长臂偶极子，提出一种具有交叉极化抑制功能的宽带低副瓣天线阵列，能够解决现有偶极子馈电技术中存在的交叉极化和带宽较窄等缺陷。该天线采用SICL的馈电方式，实现了对馈电网络产生的交叉极化的抑制，通过使用T形节不等分功分器馈电网络，天线阵列方向图的副瓣电平有了极大的改善。这种方式不仅结构简单，原理清晰，且易于加工，设计成本低，具有非常大的应用潜力。
本发明的低副瓣宽带低交叉极化平面偶极子天线阵列为多层垂直排布结构，包括：
多层介质基板，其从上至下依次包括第一介质基板、第三介质基板、第二介质基板；
第一金属面，其位于第一介质基板的上表面；
第二金属面，其位于第二介质基板的下表面；
馈电网络；
偶极子天线阵列，其由2n个偶极子天线单元组成，n为大于等于2的自然数；
其中，每个偶极子天线单元包括顶层偶极子臂、中间层偶极子臂、底层偶极子臂；所述的第一金属面的一侧面与各偶极子天线单元的顶层偶极子臂的一端连接，第一金属面用作偶极子的反射板；各偶极子天线单元的顶层偶极子臂的另一端悬空；
所述的第二金属面的一侧面与各偶极子天线单元的底层偶极子臂的一端相连，第二金属面用作偶极子的反射板；各偶极子天线单元的底层偶极子臂的另一端悬空；
所述的第三介质基板位于第一介质基板下表面，用来粘合第一介质基板和第二介质基板；
所述的馈电网络采用SICL馈电，所述SICL包括位于第三介质基板、第二介质基板间的信号导带，周期性分布在信号导带两侧以及馈电网络输出端侧的多个金属化通孔；
所述的馈电网络拥有一个信号输入端，2n个信号输出端；上述2n个信号输出端处信号导带直接与各偶极子天线单元的信号输入端连接；各偶极子天线单元的信号输入端为中间层偶极子臂的一端；各偶极子天线单元的中间层偶极子臂的另一端悬空；
作为优选，所述的第二金属面与第一金属面形状尺寸相同。
作为优选，所述的偶极子天线阵列中各偶极子天线单元等间距设置。
作为优选，所述的顶层偶极子臂与第一金属面位于同一平面，中间层偶极子臂与SICL的信号导带位于同一平面，底层偶极子臂与第二金属面位于同一平面。
作为优选，偶极子天线阵列顶部离介质基板边界存在一定的距离。
作为优选，顶层偶极子臂、底层偶极子臂的朝向相同，中间偶极子臂与层偶极子臂、底层偶极子臂的朝向相反。
更为优选，顶层偶极子臂、中间偶极子臂、底层偶极子臂结构尺寸相同，顶层偶极子臂与第一金属面的连接臂、中间偶极子臂与SICL的信号导带连接臂、底层偶极子臂与第二金属面的连接臂相对重叠。
作为优选，顶层偶极子臂、中间偶极子臂、底层偶极子臂均包括连接臂、横向臂；其中连接臂的一端与横向臂的一端连接，连接臂与横向臂垂直设置，横向臂的另一端向内弯折；
作为优选，顶层偶极子臂、中间偶极子臂、底层偶极子臂的连接臂与横向臂交界处设有切角，且其横向臂刻蚀有一缝隙；
更为优选，缝隙与偶极子臂的连接臂平行。
作为优选，偶极子天线单元中中间偶极子臂的缝隙与上层偶极子臂的缝隙距离Ld1满足Ld1＝λ0/2；λ0为偶极子天线的中心工作频率所对应的波长。
作为优选，偶极子天线单元的长度Ld2满足Ld2≥2*Ld1。
作为优选，偶极子天线单元中各偶极子臂中横向臂到反射板的距离Lst满足Lst<λ0/4。
作为优选，馈电网络为T形节功分器馈网，根据泰勒分布确定每个端口的激励幅度后，采用并馈的方式，实现对阵列各个端口等相不等幅的激励，采用微带线形式实现T形节馈网。
作为优选，SICL结构的两排金属通孔间距Wout应满足
Figure BDA0003381330810000031
fm为毫米波频段内最大的频率，c表示真空中的光速，εr表示介质基板的相对介电常数；
具体工作原理：当天线工作时，由于在偶极子臂上恰当位置刻蚀缝隙，使偶极子天线同时工作在半波长模式和1.5倍波长模式，引入了新的谐振点，低频部分阻抗匹配得到明显改善，从而使工作带宽明显加宽。在第一金属面和第二金属面放置一对面对面的偶极子，SICL的信号导带作为偶极子的一部分放置在中间，在这种情况下，垂直于偶极子臂的横向电场分量有望被抵消，从而可以有效的抑制交叉极化。采用T形节功分器馈网实现泰勒分布实现低副瓣所需的端口激励，从而实现低副瓣。
本发明具有以下优点：
(1)该天线阵列在恰当位置刻蚀一对缝隙，使得偶极子同时工作在半波长模式和1.5倍波长模式，大幅提高偶极子天线的阻抗带宽。
(2)该天线阵列采用SICL结构馈电，可以有效抑制偶极子天线的交叉极化，而且SICL结构工作在准TEM模式，无截止频率。
(3)该天线阵列与普通偶极子天线阵列相比，该阵列有更低的旁瓣电平，而且实现结构简单，易于设计和加工。
附图说明
图1是本发明的三维结构示意图；
图2是本发明的侧视图；
图3是本发明的俯视图；
图4是本发明的中间馈电网络层示意图；
图5是本发明的T形节功分器馈电网络示意图；
图6是本发明的反射系数仿真图；
图7是本发明的增益仿真图；
图8是本发明在24GHz的归一化E面和H面的主极化与交叉极化仿真结果对比；
图9是本发明在35GHz的归一化E面和H面的主极化与交叉极化仿真结果对比；
图10是本发明在46GHz的归一化E面和H面的主极化与交叉极化仿真结果对比；
图中标记：第一金属面M1、第一介质基板S1、第三介质基板S3、第二介质基板S2、第二金属面M2、上层偶极子臂D1、中间层偶极子臂D2、底层偶极子臂D3、馈电网络1、SICL两侧的金属化通孔2、偶极子刻蚀缝隙3、SICL之间的金属化通孔4、T形节等分功分器5、T形节不等分功分器6、T形节功分器馈电网络功分节点的功分比7。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的分析。
如图1所示，低副瓣宽带低交叉极化平面偶极子阵列天线为多层垂直排布结构，包括第一金属面M1、第一介质基板S1、第三介质基板S3、馈电网络1、第二介质基板S2、第二金属面M2；其中第一介质基板S1和第二介质基板S2采用Taconic TLY-5，介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度均为0.254mm，第三介质基板S3采用Rogers4450F，介电常数为3.52，损耗角正切为0.004，厚度为0.1mm；
如图2、3所示，每个偶极子天线单元包括顶层偶极子臂D1、中间层偶极子臂D2、底层偶极子臂D3；其中顶层偶极子臂D1、底层偶极子臂D3为右金属臂，中间层偶极子臂D2为左金属臂；所述的顶层偶极子臂D1、中间层偶极子臂D2、底层偶极子臂D3都是弯折长臂，每个臂上都有刻蚀缝隙3；其中缝隙宽度为0.3mm，偶极子臂长Ld1为2.6mm，Ld2为5.2mm，偶极子臂距离反射板间距Lst为1.85mm；
所述的第一金属面M1的一侧面与各偶极子天线单元的顶层偶极子臂D1的一端连接，第一金属面用作偶极子的反射板；各偶极子天线单元的顶层偶极子臂D1的另一端悬空；
所述的第二金属面的一侧面与各偶极子天线单元的底层偶极子臂的一端相连，第二金属面用作偶极子的反射板；各偶极子天线单元的底层偶极子臂D3的另一端悬空；
所述的第三介质基板S3位于第一介质基板S1下表面，用来粘合第一介质基板S1和第二介质基板S2；
如图4所示，所述馈电网络的每个信号输出端处信号导带直接与中间层偶极子臂的一端连接；
所述的馈电网络位于第三介质基板S3下表面和第二介质基板S2上表面，馈电网络1直接连接偶极子阵列左金属臂部分，与第一金属面M1和第二金属面M2的金属臂构成完整的偶极子阵列；馈电网络1两侧部分设有构成SICL结构周期性分布的金属化通孔2；SICL两侧的金属化通孔2间距Wout为2.1mm；
如图5所示，所述的天线阵列馈电网络1采用1分8的并馈的T形节功分器馈电网络，其中标号P1、P2、P3…P7、P8是阵列天线与馈网相连接的端口。此1分8路T形节功分器馈电网络通过用微带线设计，该馈电网络直接与中间层偶极子臂D2相连，用于实现此阵列所需的赋形效果提供相应的激励幅度。本实施例先通过MATLAB使用泰勒综合分析法得到一组所需要副瓣水平的幅度激励，该阵列所需幅度比为0.306:0.462:0.747:1:1:0.747:0.462:0.306，然后将幅度比换算成dB值，根据换算出来的dB值设计相应的不等功分器；
所述的第二金属面M2位于第二介质基板S2的下表面，且与第一金属面M1形状尺寸相同。
图6为仿真的本发明设计阵列的反射系数图，-10dB频带在22.5-46.2GHz左右。图7为仿真的本发明阵列的增益图，频带内增益都在10.3dBi以上，最高增益达13.2dBi。图8，图9，图10分别为仿真的本发明设计阵列在中心频点(35GHz),低频(24GHz),高频(46GHz)的E面和H面归一化的主极化与交叉极化仿真结果对比，可以看出，本发明设计的天线在E面和H面方向图副瓣都在-18dB左右，本发明设计的阵列方向图交叉极化从中可以明显看出有很大的抑制功能，尤其是E面交叉极化，都处于-28dB以下。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，而并非对本发明的实施方式做出限定。应当指出对于本技术领域的术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低副瓣宽带低交叉极化平面偶极子天线阵列，为多层垂直排布结构，其特征在于包括：
多层介质基板，其从上至下依次包括第一介质基板、第三介质基板、第二介质基板；
第一金属面，其位于第一介质基板的上表面；
第二金属面，其位于第二介质基板的下表面；
馈电网络；
偶极子天线阵列，其由2n个偶极子天线单元组成，n为大于等于2的自然数；
其中，每个偶极子天线单元包括顶层偶极子臂、中间层偶极子臂、底层偶极子臂；所述的第一金属面的一侧面与各偶极子天线单元的顶层偶极子臂的一端连接，第一金属面用作偶极子的反射板；各偶极子天线单元的顶层偶极子臂的另一端悬空；
所述的第二金属面的一侧面与各偶极子天线单元的底层偶极子臂的一端相连，第二金属面用作偶极子的反射板；各偶极子天线单元的底层偶极子臂的另一端悬空；
所述的第三介质基板位于第一介质基板下表面；
所述的馈电网络采用SICL馈电，所述SICL包括位于第三介质基板、第二介质基板间的信号导带，周期性分布在信号导带两侧以及馈电网络输出端侧的多个金属化通孔；
所述的馈电网络拥有一个信号输入端，2n个信号输出端；上述2n个信号输出端处信号导带直接与各偶极子天线单元的信号输入端连接；各偶极子天线单元的信号输入端为中间层偶极子臂的一端；各偶极子天线单元的中间层偶极子臂的另一端悬空。
2.如权利要求1所述的一种低副瓣宽带低交叉极化平面偶极子天线阵列，其特征在于所述的顶层偶极子臂与第一金属面位于同一平面，中间层偶极子臂与SICL的信号导带位于同一平面，底层偶极子臂与第二金属面位于同一平面。
3.如权利要求1所述的一种低副瓣宽带低交叉极化平面偶极子天线阵列，其特征在于偶极子天线阵列顶部离介质基板边界存在一定的距离。
4.如权利要求1所述的一种低副瓣宽带低交叉极化平面偶极子天线阵列，其特征在于顶层偶极子臂、底层偶极子臂的朝向相同，中间偶极子臂与层偶极子臂、底层偶极子臂的朝向相反。
5.如权利要求1所述的一种低副瓣宽带低交叉极化平面偶极子天线阵列，其特征在于顶层偶极子臂、中间偶极子臂、底层偶极子臂均包括连接臂、横向臂；其中连接臂的一端与横向臂的一端连接，连接臂与横向臂垂直设置，横向臂的另一端向内弯折；顶层偶极子臂、中间偶极子臂、底层偶极子臂的连接臂与横向臂交界处设有切角，且其横向臂刻蚀有一缝隙。
6.如权利要求1所述的一种低副瓣宽带低交叉极化平面偶极子天线阵列，其特征在于偶极子天线单元中中间偶极子臂的缝隙与上层偶极子臂的缝隙距离Ld1满足Ld1＝λ0/2；λ0为偶极子天线的中心工作频率所对应的波长。
7.如权利要求1所述的一种低副瓣宽带低交叉极化平面偶极子天线阵列，其特征在于偶极子天线单元的长度Ld2满足Ld2≥2*Ld1，各偶极子臂中横向臂到反射板的距离Lst满足Lst<λ0/4。
8.如权利要求1所述的一种低副瓣宽带低交叉极化平面偶极子天线阵列，其特征在于馈电网络为T形节功分器馈网。
9.如权利要求1所述的一种低副瓣宽带低交叉极化平面偶极子天线阵列，其特征在于SICL结构的两排金属通孔间距Wout应满足
Figure FDA0003381330800000021
fm为毫米波频段内最大的频率，c表示真空中的光速，εr表示介质基板的相对介电常数。
10.如权利要求1所述的一种低副瓣宽带低交叉极化平面偶极子天线阵列，其特征在于偶极子天线阵列中所有偶极子天线单元同时工作在半波长模式和1.5倍波长模式。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117954848A (zh) * 2024-03-26 2024-04-30 广东省计量科学研究院（华南国家计量测试中心） 微波漏能仪探头天线

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