CN114614249A - 一种宽带圆极化磁电偶极子透射阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带圆极化磁电偶极子透射阵天线，该透射阵天线由多个透射阵天线基本单元构成的N×N的阵列，N≥2，所述的基本单元包括接收天线(1)和发射天线(2)，通过在该磁电偶极子透射单元的其中一对对角贴片上添加一条连接线，由此引入了一个非对称的对角干扰，从而对该磁电偶极子沿正交方向的谐振进行了适度地调谐，使其在宽频带内产生稳定的180°相位差，由此实现了对左旋圆极化入射波到右旋圆极化发射波的转化，且具有较宽的3‑dB增益和轴比重叠带宽(32％),带内增益最高可达25.5dBic，口径效率最高可达49％，同时具备了稳定的方向图和较好的法向辐射性能，可广泛应用于宽带卫星通信。

Description

一种宽带圆极化磁电偶极子透射阵天线

技术领域

本发明涉及无线通信***天线技术领域，特别是涉及一种宽带圆极化磁电偶极子透射阵天线。

背景技术

透射阵天线作为一种具有平面波前、无馈源遮挡、易加工等优点的高增益天线，被广泛应用于点对点远距离通信、卫星通信、雷达***和遥感探测等通信领域。同时，相比线极化天线，圆极化天线由于具有抗多路径衰减、法拉第旋转效应和极化失配损耗等优点，在许多这些应用中都是必需的。同时透射阵列天线具有平面、轻量化、易制作等优点，是实现定向圆极化波束的一种更佳选择。

目前透射阵天线的单元大多采用微带天线或周期性超表面天线的形式，使得最终形成的透射阵增益受制于单元较窄的工作带宽，3-dB增益和轴比重叠带宽一般小于20％,仍然有提高的空间。本方案则是引入新的天线单元的形式，采用磁电偶极子天线作为阵列单元，从而有效地扩大了透射阵天线的带宽，并且利用L型探针馈电的结构保证了天线在工作频带内的匹配。

本发明所涉及的透射阵天线工作于X波段，具有较宽的工作带宽，并且实现了对左旋圆极化入射波到右旋圆极化发射波的转化，同时具备了稳定的方向图和较好的法向辐射性能，可广泛应用于宽带卫星通信。

发明内容

技术问题：本发明旨在提供一种宽带圆极化磁电偶极子透射阵天线，用于解决背景技术中提及的技术问题。其天线单元利用了金属贴片与金属化过孔构成的磁电偶极子天线结构，扩大了天线的工作带宽，使用L型探针馈电结构保证天线在工作频带内具有较好的匹配。通过在该磁电偶极子透射单元的其中一对对角贴片上添加一条连接线，由此引入了一个非对称的对角干扰，从而对该磁电偶极子沿正交方向的谐振进行了适度地调谐，使其在宽频带内产生稳定的180°相位差，由此实现了对左旋圆极化入射波到右旋圆极化发射波的转化，且具有较宽的3-dB增益和轴比重叠带宽(32％),带内增益最高可达25.5dBic，口径效率最高可达49％。

技术方案：本发明的一种宽带圆极化磁电偶极子透射阵天线由多个透射阵天线基本单元构成的N×N的阵列，N≥2，所述的基本单元包括接收天线和发射天线，

所述接收天线的结构，从底部至顶部依次为：底部金属层、第一介质层、第二金属层、第一粘接层、第二介质层以及接收端金属地板，其中包括设置在所述底部金属层的电偶极子，以及设置在所述接收天线内部的磁偶极子；

所述发射天线的结构，从顶部至底部依次为：顶部金属层、第三介质层、第四金属层、第二粘接层、第四介质层以及发射端金属地板，其中包括设置在所述顶部金属层的电偶极子，以及设置在所述发射天线内部的磁偶极子；

所述接收天线和发射天线通过第三粘接层相连接，并且关于该第三粘接层上下对称；

其中，在所述接收天线和发射天线的内部均设置有L型馈电结构，所述的L型馈电结构的接收端馈电贴片即第二金属层、发射端馈电贴片即第四金属层分别与馈电探针连接。

所述接收天线和发射天线内部的L型馈电结构，其包括印制于所述第二金属层上的接收端馈电贴片、印制于所述第四金属层上的发射端馈电贴片、印制于所述底部金属层上的接收端馈电焊盘和印制于所述顶部金属层上的发射端馈电焊盘，并且在所述接收端馈电贴片和所述发射端馈电贴片分别连接金属化通孔，该金属化通孔贯穿第一介质层、第一粘接层、第二介质层、接收端金属地板、第三介质层、第二粘接层、第四介质层以及发射端金属地板。

接收天线发射天线中的圆弧形金属贴片和金属化通孔组成了一个宽带磁电偶极子天线的结构，其中，第一圆弧形贴片上设有第一金属化通孔，第二圆弧形贴片上设有第二金属化通孔，第三圆弧形贴片上设有第三金属化通孔，第四圆弧形贴片上设有第四金属化通孔，在第二圆弧形贴片和第四圆弧形贴片之间连有一条连接线。

所述接收天线中的电偶极子和所述发射天线中的电偶极子具有相同的结构且位置镜像对称，其中所述接收天线的电偶极子包括顶部金属层即围绕中心旋转依次设置的第一圆弧形贴片、第二圆弧形贴片、第三圆弧形贴片和第四圆弧形贴片；在第二圆弧形贴片和第四圆弧形贴片之间连有一条连接线，且四个圆弧形贴片的大小各不相同，四个贴片彼此之间的间距也不相同，由此来实现圆极化所需的相位差。

位于底部金属层和顶部金属层上关于第三粘接层镜像对称的金属贴片之间通过金属化通孔相连，金属化通孔从顶部金属层到底部金属层贯穿整个天线；围绕L型馈电结构的若干个所述金属化通孔构成天线的磁偶极子部分。

接收天线中第一介质层、第一粘接层以及第二介质层的厚度之和为四分之一波导谐振波长；与之相应的发射天线中第三介质层、第二粘接层以及第四介质层的厚度之和为四分之一波导谐振波长。

有益效果：本发明公开了一种基于磁电偶极子结构的宽带圆极化透射天线及其阵列，可达到一个较宽的3-dB增益和AR重叠带宽(32％),带内增益最高可达25.5dBic，口径效率最高可达49％，同时具备了稳定的方向图和较好的法向辐射性能，实现了对左旋圆极化入射波到右旋圆极化发射波的转化，带宽远超过现今同使用圆极化馈源激励的圆极化透射阵天线，且剖面相对较低。本发明所提出天线是基于标准的PCB工艺，加工简单，成本较低，利于扩展成阵列和大量生产，可广泛应用于宽带卫星通信。

附图说明

图1为实施例1中提供的一种宽带圆极化磁电偶极子透射阵天线单元的结构示意图；

图2为实施例1中提供的一种宽带圆极化磁电偶极子透射阵天线单元的结构侧视图；

图3为实施例1中提供的一种宽带圆极化磁电偶极子透射阵天线单元的结构俯视图；

图4为实施例1中提供的一种宽带圆极化磁电偶极子透射阵天线单元的馈电结构示意图；

图5为实施例1中提供的一种宽带圆极化磁电偶极子透射阵天线单元在不同频率下其主极化透射相位随旋转角度变化的仿真结果曲线；

图6为实施例1中提供的一种宽带圆极化磁电偶极子透射阵天线单元在不同旋转角度下其主极化和交叉极化分量的透射幅值的仿真结果曲线；

图7为实施例1中提供的一种宽带圆极化磁电偶极子透射阵天线单元在不同旋转角度和入射角度下其主极化和交叉极化分量的透射幅值的仿真结果曲线；

图8为实施例2中提供的一种宽带圆极化磁电偶极子透射阵列天线相位补偿方案的相位分布示意图；

图9为实施例2中提供的一种宽带圆极化磁电偶极子透射阵列天线仿真模型示意图；

图10为实施例2中提供的一种宽带圆极化磁电偶极子透射阵列天线仿真的轴比结果图；

图11为实施例2中提供的一种宽带圆极化磁电偶极子透射阵列天线仿真的增益和口径效率曲线结果图；

图12为实施例2中提供的一种宽带圆极化磁电偶极子透射阵列天线在11GHz处仿真的辐射方向图；

图13为实施例2中提供的一种宽带圆极化磁电偶极子透射阵列天线在13GHz处仿真的辐射方向图；

附图中有：

1-接收天线、2-发射天线、3-底部金属层、4-第一介质层、5-第二金属层、6-第一粘接层、7-第二介质层、8-接收端金属地板、9-顶部金属层、10-第三介质层、11-第四金属层、12-第二粘接层、13-第四介质层、14-发射端金属地板、15-第三粘接层、16-金属化通孔、17-发射端焊盘、18-接收端焊盘、19-馈电探针。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

参见图1-图4，本实施例提供一种宽带圆极化磁电偶极子透射阵天线单元，其中每个天线单元包括由下至上依次设置有接收天线1、发射天线2、底部金属层3、第一介质层4、第二金属层5、第一粘接层6、第二介质层7、接收端金属地板8、顶部金属层9、第三介质层10、第四金属层11、第二粘接层12、第四介质层13、发射端金属地板14、第三粘接层15、金属化通孔16、发射端焊盘17、接收端焊盘18、馈电探针19。

底部金属层3、第一介质层4、第二金属层5、第一粘接层6、第二介质层7、接收端金属地板8以及金属化通孔16构成该透镜天线单元的接收天线1。

顶部金属层9、第三介质层10、第四金属层11、第二粘接层12、第四介质层13、发射端金属地板14以及金属化通孔16构成该透镜天线单元的发射天线2。

接收天线1和发射天线2通过第三粘接层15相连接，并且关于该第三粘接层15上下镜像对称，在本实施例中，接收天线1和发射天线2具有相同的结构。

需要说明的是，在本实施例中，对于位于所述接收天线1和发射天线2内部的L型馈电结构，其包括印制于所述第二金属层上的接收端馈电贴片5、印制于所述第四金属层上的发射端馈电贴片11、印制于所述底部金属层上的接收端馈电焊盘17和印制于所述顶部金属层上的发射端馈电焊盘18，并且在所述接收端馈电贴片5和所述发射端馈电贴片11之间还连接有贯穿第一介质层4、第一粘接层6、第二介质层7、接收端金属地板8、第三介质层10、第二粘接层12、第四介质层13以及发射端金属地板14的金属化通孔19。

具体的说，在本实施例中，接收天线1或发射天线2中的圆弧形金属贴片9和金属化通孔16组成了一个宽带磁电偶极子天线的结构。

具体的说，在本实施例中，接收天线1中的电偶极子和所述发射天线2中的电偶极子具有相同的结构且位置镜像对称，其中所述接收天线1的电偶极子包括第一圆弧形贴片9-1、第二圆弧形贴片9-2、第三圆弧形贴片9-3和第四圆弧形贴片9-4；

具体的说，在本实施例中，在第二圆弧形贴片9-2和第四圆弧形贴片9-4之间连有一条连接线9-5，且四个圆弧形贴片的大小各不相同，四个贴片彼此之间的间距也不相同，由此来实现圆极化所需的相位差和具有更好的宽带匹配效果。

更具体的说，在本实施例中，使用圆弧形贴片而不是方形贴片，是为了减弱相邻单元间的互耦效应，由此保持天线单元在周期性边界条件下旋转调相时的稳定性能。

具体的说，在本实施例中，位于底部金属层3和顶部金属层9上关于第三粘接层15镜像对称的金属贴片之间通过金属化通孔相连，金属化通孔16从顶部金属层到底部金属层贯穿整个天线。围绕馈电结构的若干个所述金属化通孔构成天线的磁偶极子部分，且各个金属化通孔的大小和位置均不相同，由此来实现圆极化所需的相位差和具有更好的宽带匹配效果。

具体的说，在本实施例中，接收天线1中第一介质层4、第一粘接层6以及第二介质层7的厚度之和约为四分之一波导谐振波长；与之相应的发射天线2中第三介质层10、第二粘接层12以及第四介质层13的厚度之和约为四分之一波导谐振波长。

更具体的说，在本实施例中，上述L型馈电结构用来激励磁电偶极子天线，实现更好的宽带匹配效果。

更具体的说，在本实施例中，所需的第一介质层4、第二介质层7、第三介质层10和第四介质层13可以采用材质为Rogers 4350B的介质基板(介电常数为3.66，损耗正切值为0.0037)，且第一介质层4和第三介质层10的厚度为0.762mm,第二介质层7和第四介质层13的厚度为1.524mm；第一粘接层6、第二粘接层12和第三粘接层15可以采用厚度为0.101mm的两张粘贴片Rogers 4450F(介电常数为3.52，损耗正切值为0.004)粘接而成。相邻天线单元的间隔为11.5mm,约为中心谐振频率(12GHz)对应的0.45倍空气波长，可以避免副瓣的产生。

图5给出了该宽带圆极化磁电偶极子透射阵天线单元在不同频率下其主极化透射相位随旋转角度变化的仿真结果曲线，如图所示，其主极化透射相位随旋转角度成比例变化，不同频率之间的相位曲线也相互平行，说明此单元具有宽带相位调节的能力。

图6给出了该宽带圆极化磁电偶极子透射阵天线单元在不同旋转角度下其主极化和交叉极化分量的透射幅值的仿真结果曲线，如图所示，在三种典型的单元旋转角度下，主极化幅度基本保持不变，传输损耗值基本小于-1dB，交叉极化分量均在-15dB以下。由此可以看出，单元旋转主要引起的是主极化透射相位的变化，但对其透射波的主极化幅值和轴比的影响较小。

图7给出了该宽带圆极化磁电偶极子透射阵天线单元在不同旋转角度和入射角度下其主极化和交叉极化分量的透射幅值的仿真结果曲线，研究了斜入射对单元性能的影响。如图所示，验证在不同的入射角下，单元进行0°和45°旋转时的性能。对于入射角高达30°的平面波斜入射情况，良好的交叉极化抑制效果被很好地保存下来，同时主极化传输幅值损耗基本小于-1dB。因此，该透射单元可以实现较高的传输效率和圆极化性能。

实施例2

根据图8所提供的阵列相位补偿方案对实施例1中的天线单元进行组阵，如图9所示为该宽带圆极化磁电偶极子透射阵列天线仿真模型示意图，该阵列规模为16×16，采用圆极化喇叭作为馈源，放置在天线的接收侧，喇叭在工作频带提供大约10dBic的增益。焦距直径比约为0.6，以保持-10dB的边缘照射。

图10给出了该实施例2中提供的一种宽带圆极化磁电偶极子透射阵列天线仿真的轴比结果图，可以看到在整个工作频段轴比均小于3dB,且基本在1.5dB以下，具有较高的圆极化透射纯度。

图11给出了该实施例2中提供的一种宽带圆极化磁电偶极子透射阵列天线仿真的增益和口径效率曲线结果图，如图所示，3-dB增益带宽达到32％(10-13.8GHz),带内增益最高可达25.5dBic，口径效率最高可达49％,具有较宽的圆极化带宽。

图12给出了该实施例2中提供的一种宽带圆极化磁电偶极子透射阵列天线在11GHz处E面和H面的仿真辐射方向图，交叉极化分量均低于-20dB，具备了稳定的方向图和较好的法向辐射性能。

图13给出了该实施例2中提供的一种宽带圆极化磁电偶极子透射阵列天线在13GHz处E面和H面的仿真的辐射方向图，交叉极化分量均低于-20dB，具备了稳定的方向图和较好的法向辐射性能。

本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种宽带圆极化磁电偶极子透射阵天线，其特征在于：该透射阵天线由多个透射阵天线基本单元构成的N×N的阵列，N≥2，所述的基本单元包括接收天线(1)和发射天线(2)，

所述接收天线(1)的结构，从底部至顶部依次为：底部金属层(3)、第一介质层(4)、第二金属层(5)、第一粘接层(6)、第二介质层(7)以及接收端金属地板(8)，其中包括设置在所述底部金属层(3)的电偶极子，以及设置在所述接收天线(1)内部的磁偶极子(16)；

所述发射天线(2)的结构，从顶部至底部依次为：顶部金属层(9)、第三介质层(10)、第四金属层(11)、第二粘接层(12)、第四介质层(13)以及发射端金属地板(14)，其中包括设置在所述顶部金属层(9)的电偶极子，以及设置在所述发射天线(1)内部的磁偶极子(16)；

所述接收天线(1)和发射天线(2)通过第三粘接层(15)相连接，并且关于该第三粘接层(15)上下对称；

其中，在所述接收天线(1)和发射天线(2)的内部均设置有L型馈电结构，所述的L型馈电结构的接收端馈电贴片即第二金属层(5)、发射端馈电贴片即第四金属层(11)分别与馈电探针(19)连接。

2.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化磁电偶极子透射阵天线，其特征在于：所述接收天线(1)和发射天线(2)内部的L型馈电结构，其包括印制于所述第二金属层(5)上的接收端馈电贴片、印制于所述第四金属层(11)上的发射端馈电贴片、印制于所述底部金属层(3)上的接收端馈电焊盘(17)和印制于所述顶部金属层(9)上的发射端馈电焊盘(18)，并且在所述接收端馈电贴片和所述发射端馈电贴片分别连接金属化通孔(19)，该金属化通孔(19)贯穿第一介质层(4)、第一粘接层(6)、第二介质层(7)、接收端金属地板(8)、第三介质层(10)、第二粘接层(12)、第四介质层(13)以及发射端金属地板(14)。

3.根据权利要求1所述的宽带圆极化磁电偶极子透射阵天线，其特征在于：接收天线(1)或发射天线(2)中的圆弧形金属贴片(9)和金属化通孔(16)组成了一个宽带磁电偶极子天线的结构，其中，第一圆弧形贴片(9-1)上设有第一金属化通孔(16-1)，第二圆弧形贴片(9-2)上设有第二金属化通孔(16-2)，第三圆弧形贴片(9-3)上设有第三金属化通孔(16-3)，第四圆弧形贴片(9-4)上设有第四金属化通孔(16-4)，在第二圆弧形贴片(9-2)和第四圆弧形贴片(9-4)之间连有一条连接线(9-5)。

4.根据权利要求1所述的宽带圆极化磁电偶极子透射阵天线，其特征在于：所述接收天线(1)中的电偶极子和所述发射天线(2)中的电偶极子具有相同的结构且位置镜像对称，其中所述接收天线(1)的电偶极子包括顶部金属层(9)即围绕中心旋转依次设置的第一圆弧形贴片(9-1)、第二圆弧形贴片(9-2)、第三圆弧形贴片(9-3)和第四圆弧形贴片(9-4)；在第二圆弧形贴片(9-2)和第四圆弧形贴片(9-4)之间连有一条连接线(9-5)，且四个圆弧形贴片的大小各不相同，四个贴片彼此之间的间距也不相同，由此来实现圆极化所需的相位差。

5.根据权利要求1所述的宽带圆极化磁电偶极子透射阵天线，其特征在于：位于底部金属层(3)和顶部金属层(9)上关于第三粘接层(15)镜像对称的金属贴片之间通过金属化通孔(16)相连，金属化通孔(16)从顶部金属层到底部金属层贯穿整个天线；围绕L型馈电结构的若干个所述金属化通孔构成天线的磁偶极子部分。

6.根据权利要求1所述的宽带圆极化磁电偶极子透射阵天线，其特征在于：接收天线(1)中第一介质层(4)、第一粘接层(6)以及第二介质层(7)的厚度之和为四分之一波导谐振波长；与之相应的发射天线(2)中第三介质层(10)、第二粘接层(12)以及第四介质层(13)的厚度之和为四分之一波导谐振波长。

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