CN219476997U - 一种宽带广角扫描的双圆极化天线阵列 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种宽带广角扫描的双圆极化天线阵列，由收发芯片、宽带馈电网络和若干个天线单元组成；每个天线单元包括两个正交放置的子天线单元；在每个天线单元中，其中一个子天线单元与宽带馈电网络的一个输出端口连接，另一个子天线单元与宽带馈电网络的另一个输出端口连接；子天线单元至少包括左右对称的天线辐射臂，以及宽角度匹配层；宽角度匹配层用于使子天线单元实现大角度扫描。天线单元中采用两个正交放置的子天线单元的方式，避免天线扫描时出现相位中心不一致引起的轴化恶化现象。子天线单元上设有宽角度匹配层，通过重新匹配天线大角度扫描时的阻抗，从而有效降低输入阻抗，使天线的辐射电磁波产生折射效应，扩大天线的扫描角度。

Description

一种宽带广角扫描的双圆极化天线阵列

技术领域

本实用新型涉及微波天线领域，更具体地，涉及一种宽带广角扫描的双圆极化天线阵列。

背景技术

天线作为接收和发送无线电波的基本装置，是无线通信***必不可少的组成部分，其中圆极化天线通常应用于车载通信***、机载以及卫星通信中。相对于线极化天线，圆极化天线具有良好的抗多径效应及抗雨雾等天气因素的干扰能力，且由于圆极化天线电磁波电场的特性，对收发天线位置不敏感，使得天线的安装和应用更加便捷，更适用于移动通信场景。

常见的圆极化阵列天线形式通常基于微带线结构实现，其结构简单、易于加工、剖面较低，然而这种结构的天线阻抗带宽较窄，通常只有5％-10％，且轴比带宽会更窄，通常只有3％-7％，扫描角度较小，通常只有30°。另外一种则是基于波导结构的圆极化天线，这类结构的天线虽然损耗较低，但也存在工作带宽较窄、结构复杂、重量较大，且在尺寸缩放后存在高频段难以加工的问题。

实用新型内容

本实用新型旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种宽带广角扫描的双圆极化天线阵列，用于解决现有技术中天线阻抗带宽较窄、扫描角度小的问题。

本实用新型采用的技术方案包括：

第一方面，本实用新型提供一种宽带广角扫描的双圆极化天线阵列，由收发芯片、宽带馈电网络和若干个天线单元组成；收发芯片用于与宽带馈电网络之间传输信号；宽带馈电网络用于与天线单元之间传输信号；每个天线单元包括两个正交放置的子天线单元；在每个天线单元中，其中一个子天线单元与宽带馈电网络的一个输出端口连接，另一个子天线单元与宽带馈电网络的另一个输出端口连接；子天线单元至少包括左右对称的天线辐射臂，以及宽角度匹配层；宽角度匹配层用于使子天线单元实现大角度扫描。

本实用新型提供的宽带广角扫描的双圆极化天线阵列，天线单元中采用两个正交放置的子天线单元的方式，避免天线扫描时出现相位中心不一致引起的轴化恶化现象。其次，子天线单元上设有宽角度匹配层，通过重新匹配天线大角度扫描时的阻抗，从而有效降低输入阻抗，使天线的辐射电磁波产生折射效应，扩大天线的扫描角度，则本实用新型提供的圆极化天线阵列能够实现超过较大程度的阻抗带宽和轴比带宽，且离轴扫描角度能够拓展到较大角度的范围，在大角度范围内均能保持良好的电性能，覆盖更宽的频段。

进一步，宽角度匹配层位于天线辐射臂的上方，由左右对称的若干个圆形导电贴片以及若干个方形导电贴片组成。

宽角度匹配层具体由对称的圆形导电贴片和方形导电贴片组成，使宽角度匹配层等效于一定介电常数的介质基板，其作用包括可以在天线离轴扫描时产生折射，从而使天线辐射至更大角度，其次用于降低天线阵列的输入阻抗。

进一步，子天线单元还包括与天线辐射臂连接的宽带巴伦；宽带巴伦包括用于接地的左右对称的导电贴片，以及用于匹配多节阻抗的微带线。

宽带巴伦用于将输入阻抗进行转化，更容易与天线进行匹配，将子天线单元壁上的不平衡电流转化为平衡电流，避免了在离轴扫描时不平衡电流引起的共模谐振所导致的有源驻波、方向图性能恶化，保持天线在全方位角的轴比性能。

进一步，宽带巴伦的微带线由两节的阻抗变换传输线和开路传输线组成。

在宽带巴伦中，通过两节阻抗变换传输线与开路传输线的互相作用，能将天线输入阻抗转化为更容易进行匹配的阻抗。

进一步，宽带馈电网络包括顺序连接的第一金属地、第一介质基板、第二介质基板和第二金属地；第一介质基板上印刷有上层传输线；第二介质基板上印刷有下层传输线；上层传输线和下层传输线均包括一个电流输入端口和一个电流输出端口；两个电流输出端口分别输出等幅且具有90°相位差的信号，分别与每个天线单元的一个子天线单元连接。

在宽带馈电网络中，利用上下层传输线的耦合走线形式，可以有效降低馈电网络的***损耗，拓展馈电网络的带宽，且馈电网络的电流输出端口分别输出等幅且有90°相位差的信号，分别馈入天线单元中的两个正交的子天线单元，从而实现辐射左/右旋圆极化波。

进一步，上层传输线由至少六节耦合线组成，印刷于第一介质基板的底层；下层传输线由至少六节耦合线组成，印刷于第二介质基板的顶层。

进一步，在每个天线单元中，其中一个子天线单元的中心以上部分设有镂空，另一个子天线单元的中心一下部分设有镂空，两个子天线单元通过镂空实现十字对插，从而实现正交放置。

两个子天线单元之间通过相同的镂空设计，可实现十字对插，避免引起轴化恶化现象。

进一步，每个天线单元的四周设有隔离墙。隔离墙有利于抑制天线单元之间的互相耦合。

进一步，收发芯片与宽带馈电网络印刷于不同层的电路板；宽带馈电网络的电流输出端口通过SMP-K接头与子天线单元连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型提供的宽带广角扫描的双圆极化天线阵列，采用了宽带馈电网络+宽带巴伦+正交十字交叉天线的结构。在天线单元中采用两个十字对插的子天线单元的方式。子天线单元上设有宽角度匹配层，用于匹配天线大角度扫描时的阻抗，并扩大天线的扫描角度。在子天线单元上设有的宽带巴伦能够将不平衡电流进行转化，避免在天线辐射臂上产生共模谐振。最后，本实用新型提供的宽带馈电网络利用上下层传输线耦合的走线形式，有效降低馈电网络的***损耗并起到了拓展带宽的作用。

附图说明

图1为本实用新型实施例1中收发芯片100、宽带馈电网络200、天线单元300的连接示意图。

图2为本实用新型实施例1中天线单元300的整体结构示意图。

图3为本实用新型实施例1中其中一个子天线单元的结构示意图。

图4为本实用新型实施例1中另一个子天线单元的结构示意图。

图5为本实用新型实施例1中两个子天线单元正交放置后的俯视结构示意图。

图6为本实用新型实施例1中子天线单元的PCB结构示意图。

图7为本实用新型实施例1中宽带馈电网络200的剖视示意图。

图8为本实用新型实施例1中宽带馈电网络200的结构示意图。

图9为本实用新型实施例1中宽带馈电网络200的仿真S参数。

图10为本实用新型实施例1中宽带馈电网络200两输出端的相位差。

图11为本实用新型实施例1中天线单元300在周期边界下法向辐射时的有源驻波。

图12为本实用新型实施例1中天线单元300在周期边界下离轴51°扫描时的有源驻波。

图13为本实用新型实施例1中天线单元300在周期边界下法向辐射时的轴比带宽。

图14为本实用新型实施例1中天线单元300在周期边界下离轴51°扫描时的轴比带宽。

具体实施方式

本实用新型附图仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

本实施例提供一种宽带广角扫描的双圆极化天线阵列，天线阵列由收发芯片、宽带馈电网络和若干个天线单元组成。

具体地，如图1所示，收发芯片100用于与宽带馈电网络200之间传输信号。宽带馈电网络200用于与天线单元300之间传输信号。在具体的实施方式中，收发芯片100与宽带馈电网络200印刷在同一个PCB电路板的不同层，宽带馈电网络200通过SMP-K接头与天线单元300进行盲插。

如图2所示，每个天线单元300包括两个正交放置的子天线单元301和子天线单元302。正交放置的子天线单元301和子天线单元302用于辐射圆极化电磁波。优选地，在每个天线单元300的四周设有金属隔离墙300，用于抑制天线单元300之间的互耦。

具体地，在每个天线单元300中，其中一个子天线单元的中心以上部分设有镂空，如图3所示，为了能够最大化利用子天线单元的其他部分，该镂空部分优选为细长型的镂空。如图4所示，另一个子天线单元的中心一下部分设有镂空，两个子天线单元的镂空部分优选为相同尺寸和形状的镂空。结合图1、5所示，子天线单元301和子天线单元302可通过自身的镂空部分实现十字对插，从而实现正交放置。子天线单元301和子天线单元302合成圆极化进行扫描时，天线的相位中心一致，从而避免了轴比的恶化现象。

如图6所示，每个子天线单元上至少包括左右对称的天线辐射臂5和天线辐射臂7，以及宽角度匹配层。

在具体的实施方式中，天线辐射臂5和天线辐射臂7呈折弯的L形，可以缩小天线的尺寸，实现天线的小型化。

宽角度匹配层用于使子天线单元实现大角度扫描，具***置设于天线辐射臂5和天线辐射臂7的上方，由左右对称的圆形导电贴片1和圆形导电贴片2，以及左右对称的方形导电贴片3和方形导电贴片4组成。宽角度匹配层等效于一定介电常数的介质基板，其起到的作用包括匹配天线大角度扫描时天线的输入阻抗，从而降低输入阻抗，其次是可以使得天线的辐射电磁波产生折射效应，从而扩大天线的扫描角度。在具体的实施方式中，宽角度匹配层降低天线大角度扫描的输入阻抗，便于与50Ω匹配。

如图6所示，子天线单元上还包括有宽带巴伦，宽带巴伦由用于接地的左右对称的导电贴片8和导电贴片9，以及用于匹配多节阻抗的微带线6组成。导电贴片8和导电贴片9直接与天线辐射臂8和天线辐射臂9连接，并延伸至子天线单元的底部。微带线6与导电贴片8、9分别已印刷在同一介质基板的上下两层。具体地，多节阻抗的微带线6具体由一两节的阻抗变换传输线和一开路传输线组成，微带线6中左边传输线为一两节的阻抗变换传输线，微带线6中右边(即与微带线6连接的对称白线)为一开路传输线。通过两节阻抗变换传输线与开路传输线的互相作用，能将天线输入阻抗转化为更容易进行匹配的阻抗，例如在具体的实施方式中，可将50Ω的输入阻抗转化为100-200Ω，而天线的输入阻抗通常为100-200Ω。

宽带巴伦在子天线单元中起到的作用包括能够将天线输入阻抗转化为更容易进行匹配的阻抗，并将原本输入的不平衡电流转化为平衡电流，避免了天线辐射臂上不平衡电流产生的共模谐振，该谐振会使得天线单元的输入阻抗接近为0，恶化天线性能。

如图7所示，宽带馈电网络200包括顺序连接的第一金属地201、第一介质基板203、第二介质基板204和第二金属地202。

第一介质基板203与第二介质基板204之间通过粘合剂205粘合固定。

第一介质基板203的底层印刷有上层传输线206。第二介质基板204的顶层印刷有下层传输线207。在宽带馈电网络中，利用上下层传输线的耦合走线形式，可以有效降低馈电网络的***损耗，拓展馈电网络的带宽。传统的馈电网络相对带宽只有～10％，本实施例提供的宽带馈电网络相对带宽可以达到90％以上。

如图8所示，上层传输线206包括电流输入端口1和电流输出端口3。下层传输线207包括电流输入端口2电流输出端口4。

电流输出端口3和电流输出端口4分别输出等幅且具有90°相位差的信号，分别与每个天线单元的一个子天线单元连接，使每个天线单元中，两个正交放置的子天线单元301和子天线单元302辐射左/右旋圆极化波。

具体地，如图8所示，上层传输线206由至少六节耦合线组成，包括第一节耦合线13、第二节耦合线15、第三节耦合线16、第四节耦合线19、第五节耦合线20和第六节耦合线22。

下层传输线207由至少六节耦合线组成，包括第一节耦合线12、第二节耦合线14、第三节耦合线17、第四节耦合线18、第五节耦合线21和第六节耦合线23。

如图9所示为本实施例提供的宽带馈电网络的仿真S参数，在工作频带内回波损耗、隔离度均小于-17.5dB。

如图10所示为宽带馈电网络两输出端的相位差，相位误差＜±1.5°。

如图11所示为天线在周期边界下法向辐射时的有源驻波。

如图12所示为天线在周期边界下离轴51°扫描时的有源驻波。

如图13所示为天线在周期边界下法向辐射时的轴比带宽。

如图14所示为天线在周期边界下离轴51°扫描时的轴比带宽。

本实施例提供的宽带广角扫描的双圆极化天线阵列，采用两正交子天线单元呈“十字交叉”排布，避免了在扫描时相位中心不一致引起的轴比恶化。而子天线单元上的宽角匹配层可用于增加天天线的辐射角度，优化天线大角度扫描时天线的有源驻波。子天线单元的宽带巴伦将天线壁上不平衡的电流转化为平衡电流，避免了在离轴扫描时不平衡电流引起的共模谐振所导致的有源驻波、方向图性能恶化，保持天线在全方位角的轴比性能。最后，通过宽带圆极化馈电网络产生覆盖多个波段的等幅、90°相位差的信号，分别馈入两正交天线单元，辐射左/右旋圆极化波。本实施例提供的宽带广角扫描的双圆极化天线阵列，能够实现超过20％的阻抗带宽和轴比带宽，且离轴扫描角度拓展到51°，在离轴角-51°～51°、0～360°的方位角范围内均能保持良好的电性能，天线在工作频段3-3.9GHz内有源回波损耗<-6.5dB，轴比＜5dB，宽带圆极化馈电网络能够覆盖更宽的频段：1-5-4.5GHz。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型技术方案所作的举例，而并非是对本实用新型的具体实施方式的限定。凡在本实用新型权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种宽带广角扫描的双圆极化天线阵列，由收发芯片、宽带馈电网络和若干个天线单元组成；

收发芯片用于与宽带馈电网络之间传输信号；

宽带馈电网络用于与天线单元之间传输信号；

其特征在于，

每个天线单元包括两个正交放置的子天线单元；

在每个天线单元中，其中一个子天线单元与宽带馈电网络的一个输出端口连接，另一个子天线单元与宽带馈电网络的另一个输出端口连接；

子天线单元至少包括左右对称的天线辐射臂，以及宽角度匹配层；

宽角度匹配层用于使子天线单元实现大角度扫描。

2.根据权利要求1所述的宽带广角扫描的双圆极化天线阵列，其特征在于，宽角度匹配层位于天线辐射臂的上方，由左右对称的若干个圆形导电贴片以及若干个方形导电贴片组成。

3.根据权利要求1所述的宽带广角扫描的双圆极化天线阵列，其特征在于，子天线单元还包括与天线辐射臂连接的宽带巴伦；

宽带巴伦包括用于接地的左右对称的导电贴片，以及用于匹配多节阻抗的微带线。

4.根据权利要求3所述的宽带广角扫描的双圆极化天线阵列，其特征在于，宽带巴伦的微带线由两节的阻抗变换传输线和开路传输线组成。

5.根据权利要求1所述的宽带广角扫描的双圆极化天线阵列，其特征在于，宽带馈电网络包括顺序连接的第一金属地、第一介质基板、第二介质基板和第二金属地；

第一介质基板上印刷有上层传输线；第二介质基板上印刷有下层传输线；

上层传输线和下层传输线均包括一个电流输入端口和一个电流输出端口；

两个电流输出端口分别输出等幅且具有90°相位差的信号，分别与每个天线单元的一个子天线单元连接。

6.根据权利要求5所述的宽带广角扫描的双圆极化天线阵列，其特征在于，

上层传输线由至少六节耦合线组成，印刷于第一介质基板的底层；

下层传输线由至少六节耦合线组成，印刷于第二介质基板的顶层。

7.根据权利要求1所述的宽带广角扫描的双圆极化天线阵列，其特征在于，

在每个天线单元中，其中一个子天线单元的中心以上部分设有镂空，另一个子天线单元的中心一下部分设有镂空，两个子天线单元通过镂空实现十字对插，从而实现正交放置。

8.根据权利要求1～7任一项所述的宽带广角扫描的双圆极化天线阵列，其特征在于，每个天线单元的四周设有隔离墙。

9.根据权利要求1～7任一项所述的宽带广角扫描的双圆极化天线阵列，其特征在于，收发芯片与宽带馈电网络印刷于不同层的电路板；

宽带馈电网络的电流输出端口通过SMP-K接头与子天线单元连接。