[發明專利]一種基于低剖面饋電結構的寬帶端射圓極化天線及陣列

在審

• 申請號: 202111674851.0
• 申請日: 2021-12-31
• 公開（公告）號: CN116417783A
• 公開（公告）日: 2023-07-11
• 發明（設計）人: 余英瑞;吳文;張金棟;陳嶠羽
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: H01Q1/38
• 分類號: H01Q1/38;H01Q1/50;H01Q3/28;H01Q3/30;H01Q9/18;H01Q21/00;H01Q21/24
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 朱炳斐

本發明公開了一種基于低剖面饋電結構的寬帶端射圓極化天線及陣列，天線包括由上到下設置的頂部金屬輻射塊、頂部金屬層、介質層、底部金屬層和底部金屬輻射塊；金屬層上設有水平極化偶極子輻射單元，兩個金屬輻射塊共同構成垂直極化的漸變槽輻射單元。通過調節兩單元間幅度、相位關系，實現寬帶圓極化天線。天線引入寄生引向振子，能夠有效補償偶極子輻射單元在高頻段的增益衰減，從而大大展寬天線單元的軸比帶寬。該天線通過低剖面基片集成波導進行饋電，能方便地擴展成天線陣列，且易于與前端有源電路相集成。本發明提出的天線陣列在保證寬帶端射圓極化特性的同時，還具有低剖面的饋電結構，能方便地與前端有源電路平面集成，是毫米波通信的優良選擇。

技術領域

本發明屬于微波毫米波領域，特別是一種基于低剖面結構的寬帶端射圓極化天線及陣列。

背景技術

由于具有大帶寬、高數據傳輸速率的優勢，毫米波技術相關應用近年來成為通信、雷達技術的研究熱點，例如第五代移動通信、汽車雷達、衛星通信等等。在這些應用中，毫米波接收機與發射機之間的對準誤差難以避免。若采用線極化天線作為收發天線，將導致收發天線間的極化失配以及接收信號信噪比的惡化。圓極化天線由于其抗多徑衰落、對天線方位姿態敏感性低等優點被廣泛來解決上述問題。根據天線的最大輻射方向，可以將圓極化天線分為邊射和端射兩類。由于端射圓極化天線的最大輻射方向平行于陣軸線，更加適合某些手持式、低剖面毫米波設備應用場景。

近年來，寬帶毫米波端射圓極化天線相關研究受到國內外學者的廣泛關注，也有相關的研究報道。然而，目前已報道的端射圓極化天線難以兼顧寬帶和易于平面集成兩大特性。目前實現寬帶端射圓極化天線方案主要有兩種，第一種方案是采用金屬波導工藝實現寬帶端射圓極化，然而其結構笨重、天線剖面高、加工成本高，且難以與平面電路相集成。第二種方案是采用互補源結構，在平面電路板上分別設有兩種正交極化的輻射單元，通過調節兩種正交極化電場分量之間的幅度、相位關系，實現寬帶端射圓極化。該方案通常將開口SIW作為垂直極化輻射單元，為了產生兩種幅度相近的正交極化分量，天線饋電結構剖面很高。如果采用如此厚的介質，對應的50Ω微帶線寬將超過4mm。然而，前端有源電路芯片管腳間距較小(～0.5mm)，這使得芯片管腳與50Ω微帶線二者之間阻抗匹配過渡結構設計困難且插入損耗較大，導致天線與射頻前端有源電路難以平面集成。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于低剖面饋電結構的寬帶端射圓極化天線及陣列。在能夠實現寬帶端射圓極化輻射的同時，降低天線饋電結構的剖面，使得整體天線陣列易于與前端有源電路平面集成。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種基于低剖面饋電結構的寬帶端射圓極化天線，包括由上至下依次設置的頂部金屬輻射塊、頂部金屬層、介質層、底部金屬層和底部金屬輻射塊；所述頂部金屬層、底部金屬層上設有帶引向振子的偶極子輻射單元；所述頂部金屬輻射塊、底部金屬輻射塊共同構成線性漸變槽輻射單元；所述偶極子輻射單元產生水平極化電場分量，線性漸變槽輻射單元產生垂直極化電場分量，通過調節兩個正交極化電場分量間幅相關系，實現寬帶圓極化輻射。

進一步地，所述頂部金屬層、底部金屬層平行于介質層對稱設置；

所述頂部金屬層包括第一矩形金屬片、第一L型金屬片和用于補償高頻處偶極子單元增益損失的第一引向振子，所述第一L型金屬片設置于第一矩形金屬片的長邊處，包括第一金屬臂和第二金屬臂，其中第一金屬臂與第一矩形金屬片的長邊相接且兩者相互垂直，第二金屬臂作為輻射邊，所述第一引向振子相對于第一矩形金屬片設置在第一L型金屬片的另一側，與第二金屬臂平行且之間有一定距離；

所述底部金屬層包括第二矩形金屬片、第二L型金屬片和用于補償高頻處偶極子單元增益損失的第二引向振子，所述第二L型金屬片設置于第二矩形金屬片的長邊處，包括第三金屬臂和第四金屬臂，其中第三金屬臂與第二矩形金屬片的長邊相接且兩者相互垂直，第四金屬臂作為輻射邊，所述第二引向振子相對于第二矩形金屬片設置在第二L型金屬片的另一側，與第四金屬臂平行且之間有一定距離；

兩個所述輻射邊構成偶極子輻射單元；