CN117199839B - 一种圆极化频分天线装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种圆极化频分天线装置,涉及毫米波成像技术领域,包括差分线转矩形波导结构、圆极化频分天线阵列和波导负载,差分线转矩形波导结构、圆极化频分天线阵列和波导负载沿毫米波传播方向依次排列;其中,圆极化频分天线阵列包括矩形波导馈入接口、矩形缝隙和圆极化辐射器,差分线转矩形波导结构伸入矩形波导馈入接口,矩形缝隙连通圆极化辐射器的一端与矩形波导馈入接口,任意一个圆极化辐射器至少对应一个矩形缝隙。本申请的有益之处在于提供了一种单端口差分馈电的毫米波圆极化频分天线阵列,解决差分馈电圆极化天线实现困难的问题,满足性能要求的前提下,减少天线阵列馈入信号数量,同时降低***复杂度和成本。

Description

一种圆极化频分天线装置
技术领域
本申请涉及毫米波成像技术领域,具体而言,涉及一种圆极化频分天线装置。
背景技术
随着科学技术的发展,毫米波频段受到了越来越多的关注,较宽的绝对带宽和特殊的大气传播特性等优点,使得毫米波在通信、雷达等***应用中存在巨大潜力。差分信号传输方式使得***具有更强的抗干扰能力,提高***的动态范围,因而得到了越来越多的重视。如车载雷达成像、人体安检等行业,均开始使用差分信号的传输方式,为了便于***互联,去除有损巴伦引入的影响,天线也同样使用差分馈电。另一方面,现代社会的电磁环境越来越复杂,为了减小电磁信号的干扰,提升雨雾天气等信道的传输能力,圆极化天线也越来越被广泛应用。
现阶段差分馈电的毫米波圆极化天线体制比较少,而且由于毫米波天线的物理尺寸比较小,在设计、加工等方面严重限制了圆极化天线的实现途径。再者,现阶段天线阵列均使用多个收发通道馈入信号的方式工作,***架构复杂。
如中国专利CN111175748A公开了一种毫米波天线阵列,其包括发射/接收天线阵列,发射/接收天线阵列包括发射天线模块、接收天线模块和馈电网络模块;发射天线模块用于向待扫描对象发射毫米波信号,接收天线模块用于接收从待扫描对象反射回的毫米波信号,馈电网络模块将待发射的毫米波信号传送至发射天线模块,并且回传接收天线模块接收的反射回的毫米波信号,其中,发射天线模块包括多个发射信号通道和发射切换部,该发射切换部切换馈电网络模块的一个输出端口与多个发射信号通道之间的连接,并且接收天线模块包括多个接收信号通道和接收切换部,该接收切换部切换馈电网络模块的一个输入端口与多个接收信号通道之间的连接。该申请的天线阵列使用多个收发通道馈入信号,结构复杂,成本较高。
发明内容
本申请的内容部分用于以简要的形式介绍构思,这些构思将在后面的具体实施方式部分被详细描述。本申请的内容部分并不旨在标识要求保护的技术方案的关键特征或必要特征,也不旨在用于限制所要求的保护的技术方案的范围。
为解决以上背景技术部分提到的技术问题,本申请的一些实施例提供了一种圆极化频分天线装置,包括差分线转矩形波导结构、圆极化频分天线阵列和波导负载,差分线转矩形波导结构、圆极化频分天线阵列和波导负载沿毫米波传播方向依次排列;其中,圆极化频分天线阵列包括矩形波导馈入接口、矩形缝隙和圆极化辐射器,差分线转矩形波导结构伸入矩形波导馈入接口,矩形缝隙连通圆极化辐射器的一端与矩形波导馈入接口,任意一个圆极化辐射器至少对应一个矩形缝隙。
进一步的,差分线转矩形波导结构包括差分馈线、双鳍线转换结构和矩形波导口,差分馈线、双鳍线转换结构和矩形波导口沿毫米波传播方向依次排列。
进一步的,差分馈线的馈入端口为差分端口或者共面耦合微带线端口。
进一步的,差分馈线包含表层金属层、介质基板层和底层金属层,表层金属层的两条差分馈线对相互平行,介质基板位于表层金属层与底层金属层之间。
进一步的,双鳍线转换结构的变换部分是渐变弧线或折线。
进一步的,矩形波导馈入接口的长边与矩形波导口的长边的长度一致,矩形波导馈入接口的短边与矩形波导口的短边的长度一致。
进一步的,矩形缝隙的长边所在的直线与毫米波传播方向的夹角取值是45°或90°。
进一步的,若干矩形缝隙上相同点位于同一直线上。
进一步的,圆极化频分天线阵列中相邻两个阵列其中一个作为发射阵列,另外一个作为接收阵列。
进一步的,圆极化辐射器具有两条切边,两条切边上任意一条直线与毫米波传输方向的夹角范围为45°至90°。
进一步的,还包括透镜装置,透镜装置位于圆极化频分天线阵列的上方,透镜装置远离圆极化频分天线阵列的一面为圆弧形。
本申请的有益效果在于:提供了一种单端口差分馈电的毫米波圆极化频分天线阵列,解决差分馈电圆极化天线实现困难的问题,满足性能要求的前提下,减少天线阵列馈入信号数量,同时降低***复杂度和成本。
具体而言,本申请具有以下优点:
1、采用差分馈电方式,可以降低巴伦等有损链路的影响,提高***抗共模干扰性能,并易于进行***集成;
2、采用圆极化天线工作体制,有效减小电磁信号的干扰,提升复杂信道的传输能力;
3、采用单端口馈电,***架构简单,极大地降低成本;
4、配合超材料透镜,天线性能更优良。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解,使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请,并不构成对本申请的不当限定。
另外,贯穿附图中,相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素。应当理解附图是示意性的,元件和元素不一定按照比例绘制。
在附图中:
图1是根据本申请一种实施例的圆极化频分天线装置的***示意图;
图2是根据本申请一种实施例的差分线转矩形波导结构示意图;
图3是根据本申请一种实施例的圆极化频分天线阵列示意图;
图4是根据本申请一种实施例的一维圆极化频分收发天线阵列示意图;
图5是根据本申请一种实施例的透镜装置的结构示意图;
图6是根据本申请一种实施例的电磁波在透镜装置中的传播路径示意图;
图中具体附图标记含义:
100、差分线转矩形波导结构;110、差分馈线;111、表层金属层;112、介质基板层;113、底层金属层;120、双鳍线转换结构;130、矩形波导口;
200、圆极化频分天线阵列;210、矩形波导馈入接口;220、矩形缝隙;230、圆极化辐射器;
300、波导负载;
400、透镜装置。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的某些实施例,然而应当理解的是,本公开可以通过各种形式来实现,而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例。相反,提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是,本公开的附图及实施例仅用于示例性作用,并非用于限制本公开的保护范围。
另外还需要说明的是,为了便于描述,附图中仅示出了与有关本申请相关的部分。在不冲突的情况下,本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本申请的描述中,需要说明的是,若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系,仅是为了便于描述本申请和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本申请的限制。此外,本申请的描述中若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外,本申请的描述中若出现术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂,而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平,并不是表示该结构一定要完全水平,而是可以稍微倾斜。
在本申请的描述中,还需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义
需要注意,本申请中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的,本领域技术人员应当理解,除非在上下文另有明确指出,否则应该理解为“一个或多个”。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。
如图1至图6所示,本申请的一种圆极化频分天线装置,其包括差分线转矩形波导结构100、圆极化频分天线阵列200和波导负载300,差分线转矩形波导结构100、圆极化频分天线阵列200和波导负载300沿毫米波传播方向依次排列。其中,圆极化频分天线阵列200包括矩形波导馈入接口210、矩形缝隙220和圆极化辐射器230,差分线转矩形波导结构100伸入矩形波导馈入接口210,矩形缝隙220连通圆极化辐射器230的一端与矩形波导馈入接口210,任意一个圆极化辐射器230至少对应一个矩形缝隙220。
具体而言,差分线转矩形波导结构100、圆极化频分天线阵列200和波导负载300沿毫米波传播方向依次排列,即差分线转矩形波导结构100位于圆极化频分天线阵列200的一侧,波导负载300位于圆极化频分天线阵列200的另一侧,毫米波从差分线转矩形波导结构100传输圆极化频分天线阵列200,再由圆极化频分天线阵列200传递至波导负载300。
更具体而言,圆极化频分天线阵列200包含了矩形波导馈入接口210,用于连接差分线转波导结构100和圆极化频分天线阵列200,差分线转矩形波导结构100通过矩形波导口210和矩形缝隙220将毫米波信号馈入圆极化辐射器230中。更具体而言,矩形波导馈入口210是整个差分线转矩形波导结构100的馈入口,差分线转矩形波导结构100贯穿整个圆极化频分天线阵列200,即差分线转矩形波导结构100位于圆极化辐射器230的正下方,在差分线转矩形波导结构100与圆极化辐射器230之间设有矩形缝隙220。本实施方式中圆极化频分天线阵列200采用了单个端口馈电,***架构简单,有效的降低成本。
在一个具体的实施方式中,差分线转矩形波导结构100包括差分馈线110、双鳍线转换结构120和矩形波导口130,差分馈线110、双鳍线转换结构120和矩形波导口130沿毫米波传播方向依次排列。其中,差分馈线110馈入端口可以是差分馈线110,也可以是共面耦合微带线,在本实施例中,差分馈线110馈入端口是差分馈线110,其线宽0.24mm,线间距为0.16mm。差分馈线110为双层金属印制板结构,差分馈线110包含表层金属层111、介质基板层112和底层金属层113,表层金属层111的两条差分馈线110对相互平行,介质基板层112位于表层金属层111与底层金属层113之间,底层金属层113作为差分馈线110的参考层,所用介质基板层112为毫米波电路专用的高频基板,差分馈线的110馈入端口为差分端口或者共面耦合微带线端口。
表层金属层111和底层金属层113两层金属厚度均为1盎司,所用介质基板为毫米波电路专用的厚度为0.254mm的高频基板罗杰斯4350B,其理论介电常数为3.48。
在一个具体的实施方式中,双鳍线转换结构120的表层金属结构形状类似于两条对称的鲨鱼鳍状,由宽慢慢变窄,过渡开始段具有半圆形驻波匹配结构,底层金属层113结构在过渡段同样具有半圆形结构,该结构与表层金属层111互补成为一个完整的圆形,之后两侧逐渐向中间收拢,形成一个类锥形渐变结构。双鳍线转换结构120的变换部分是渐变弧线。双鳍线转换结构120的表层金属层111和底层金属层113的渐变宽度为毫米波段矩形波导宽度3.1mm,矩形波导宽度之外两侧分布有贯穿上下两层金属的金属化过孔,形成类波导结构,以此束缚毫米波信号向两侧扩散,保证了毫米波信号的传输质量,有效扩展工作带宽,提升驻波性能,同时降低***损耗。
在一个具体的实施方式中,矩形波导馈入接口210的长边与矩形波导口130的长边的长度一致,矩形波导馈入接口210的短边与矩形波导口130的短边的长度一致。具而言,圆矩形波导馈入接口210为矩形,其能够使得差分线转矩形波导结构100的差分馈线110、双鳍线转换结构120能够恰好的在矩形波导馈入接口210中保持相对静止,因此,矩形波导馈入接口210的截面积与矩形波导口130的截面积相等,矩形波导馈入接口210尺寸与所传输的毫米波段相对应,长度与整个圆极化频分天线阵列200长度保持一致。
具体而言,矩形缝隙220的长边所在的直线与毫米波传播方向的夹角是45°或90°。若干矩形缝隙220上相同点位于同一直线上。调整矩形缝隙220的间距即可调整各个频率分量的辐射方向,所有辐射单元的矩形缝隙220中心位于同一直线上,方位上位于矩形波导的窄边中点。
在一个具体的实施方式中,圆极化辐射器230具有两条切边,两条切边上任意一条直线与毫米波传输方向的夹角范围是45°至90°,具体而言,可以是45°,50°,55°,60°,65°,70°,75°,80°,85°以及90°,圆极化辐射器230整体为渐变的喇叭结构,设置于矩形缝隙220的正上方,与矩形缝隙220连接的部分为完整的圆形,其口径尺寸随着天线口方向逐渐增大,两个口径对称中心保持一致,与毫米波传播方向成一定角度的两侧存在两条切边,实现圆极化的天线阵列。
在一个具体的实施方式中,圆极化频分天线阵列200中相邻两个阵列其中一个作为发射阵列,另外一个作为接收阵列。即圆极化频分天线阵列200为一维线性阵列,其中一个阵列作为发射阵列,另外一个阵列为接收阵列。
波导负载300的矩形波导口130尺寸与所述圆极化频分天线阵列200的馈入接口一致,并且为吸收式负载。圆极化频分天线装置还包括透镜装置400,透镜装置400位于圆极化频分天线阵列200的上方,透镜装置400远离圆极化频分天线阵列200的一面为圆弧形。在本实施例方式中,透镜装置400为超材料透镜,超材料透镜设置于圆极化频分天线阵列200正上方,采用高透过率的渐变折射率结构,整体为圆弧外形,可将球面波束变成平面波束,以使得电磁场在天线口面上获得均匀的相位分布,同时对天线阵列起到保护作用,超材料透镜可以采用周期贴片结构、介质打孔结构或者渐变折射率结构,外形可根据产品需求进行灵活调整。
采用差分馈电的形式,通过双鳍线结构将差分结构转化为波导结构,激励波导缝隙天线,通过对缝隙的特殊设置实现不同频率对不同方向的覆盖,并结合特定圆极化辐射器230实现天线极化方向的转变,然后利用超材料透镜结构实现波束的聚焦整形,最后在传播方向利用波导负载300改善整个天线阵列的驻波。极大简化了收发通道数量,有效降低外部环境的干扰,天线阵列性能优良且稳定,值得被推广使用。
以上描述仅为本公开的一些较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解,本公开的实施例中所涉及的发明范围,并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案,同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下,由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开的实施例中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种圆极化频分天线装置,其特征在于:包括差分线转矩形波导结构、圆极化频分天线阵列和波导负载,所述差分线转矩形波导结构、圆极化频分天线阵列和波导负载沿毫米波传播方向依次排列;
其中,所述圆极化频分天线阵列包括矩形波导馈入接口、矩形缝隙和圆极化辐射器,所述差分线转矩形波导结构伸入所述矩形波导馈入接口,所述矩形缝隙连通所述圆极化辐射器的一端与所述矩形波导馈入接口,任意一个所述圆极化辐射器至少对应一个矩形缝隙;
所述差分线转矩形波导结构包括差分馈线、双鳍线转换结构和矩形波导口,所述差分馈线、双鳍线转换结构和矩形波导口沿毫米波传播方向依次排列。
2.根据权利要求1所述的圆极化频分天线装置,其特征在于:所述差分馈线的馈入端口为差分端口或者共面耦合微带线端口。
3.根据权利要求2所述的圆极化频分天线装置,其特征在于:所述差分馈线包含表层金属层、介质基板层和底层金属层,所述表层金属层的两条差分馈线对相互平行,所述介质基板位于所述表层金属层与所述底层金属层之间。
4.据权利要求3所述的圆极化频分天线装置,其特征在于:所述双鳍线转换结构的变换部分是渐变弧线或折线。
5.据权利要求4所述的圆极化频分天线装置,其特征在于:所述矩形波导馈入接口的长边与所述矩形波导口的长边的长度一致,所述矩形波导馈入接口的短边与所述矩形波导口的短边的长度一致。
6.据权利要求1至5任意一项所述的圆极化频分天线装置,其特征在于:所述矩形缝隙的长边所在的直线与毫米波传播方向的夹角是45°或90°。
7.据权利要求6所述的圆极化频分天线装置,其特征在于:若干所述矩形缝隙上相同点位于同一直线上。
8.据权利要求7所述的圆极化频分天线装置,其特征在于:所述圆极化频分天线阵列中相邻两个阵列其中一个作为发射阵列,另外一个作为接收阵列。
9.据权利要求8所述的圆极化频分天线装置,其特征在于:所述圆极化辐射器具有两条切边,两条切边上任意一条直线与毫米波传输方向的夹角范围为45°至90°。
10.据权利要求6所述的圆极化频分天线装置,其特征在于:还包括透镜装置,所述透镜装置位于所述圆极化频分天线阵列的上方,所述透镜装置远离所述圆极化频分天线阵列的一面为圆弧形。
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