一种单馈圆极化微带天线

1.本发明涉及一种单馈圆极化微带天线，主要应用在ka频段的卫星通信等领域，属于射频前端器件领域。


背景技术：

2.单馈毫米波圆极化微带天线，在工作频率方面，由于毫米波频段可用带宽较宽，可以承载高达几千兆每秒的数据速率进行数据传输等优势，其在卫星通信、工业自动化、军用雷达等领域具有重要的研究价值。在极化方式方面，线极化一般存在极化适配问题、多径干扰问题，同时，还会收到法拉第旋转效应的影响，所以，线极化天线在传输信号的过程中容易造成信号的丢失；而圆极化天线没有上述问题，同时圆极化天线能够兼容接受线极化波，所以圆极化天线在通信领域备受欢迎。相比于螺旋天线、喇叭天线、透镜天线等其他天线类型，微带天线有着小尺寸、易集成等优势。微带天线实现圆极化的方式由许多种，单馈法、多馈法、多元法等，其中单馈法馈电结构简单，天线整体尺寸小，更易于设计和集成，但是，单馈方式下的圆极化微带天线的带宽相对较窄，且波束宽度较低。
3.为了进一步拓宽单馈方式下的微带天线的带宽，提高天线的综合性能，有许多新方法被研究者提出，如微带介质天线、高介电常数天线、基于寄生加载结构的微带天线等，但这些天线大都数工作在较低频段，在ka波段的微带圆极化天线目前还难以达到各种无线通信系统中的要求。


技术实现要素：

4.为了解决背景技术中的问题，本发明设计是基于缝隙耦合的单馈圆极化微带天线，采用了基片集成波导作为背射板，进一步拓宽了圆极化微带天线的带宽；同时，采用组合形式的辐射贴片，波束宽度也得到了拓宽。所设计的天线实现了设计方便、宽带宽、宽波束宽度等特点。
5.为了解决上述问题，本发明是通过一下技术方案实现的：
6.一种单馈圆极化微带天线，包括从上至下顺次层叠的第五介质板、第四介质板、第三介质板、第二介质板和第一介质板；所述第五介质板的上表面设有辐射贴片，辐射贴片主要由方环状结构和片状结构组成，且方环状结构围绕在片状结构的外侧；所述方环状结构的外侧连接有方形贴片，方形贴片的内端角与方环结构其中一角连接，方形贴片的外端角为弧形切角；所述片状结构为切除对角的方贴片，且该切除的对角为直角三角形；
7.所述第四介质板和第三介质板之间还设有金属地，所述金属地上设有u型缝隙；其中第四介质板上设有通腔孔，所述通腔孔和u型缝隙均位于辐射贴片的正下方；
8.所述第二介质板的上表面设有微带馈电线，所述微带馈电线主要由顺次连接的枝节i、枝节ii和枝节iii构成，枝节i、枝节ii和枝节iii的长度渐小，宽度减宽；其中枝节iii位于u型缝隙的正下方，枝节i朝外延伸；
9.所述第二介质板的下表面设有阵列的金属圆片，第一介质板上设有垂直贯穿的金
属柱，且金属柱和金属圆片一一对应；金属圆片的中心位于金属柱的中轴线上，两者相互接触。
10.进一步的，所述方形贴片的内端角和外端角位于同一斜对角线上；方形贴片的中心位于方环状结构的斜对角线上。
11.进一步的，所述方形贴片包括第一方形贴片和第二方形贴片，其中第一方形贴片的边长大于第二方形贴片的边长；两个第一方形贴片位于方环状结构的其中一对角线上，且切除的对角和两个第二方形贴片均位于方环状结构的另一对角线上；
12.进一步的，所述辐射贴片为旋转对称结构。
13.进一步的，所述u型缝隙的开口背离枝节i的延伸方向。
14.本发明利用辐射贴片中的微扰结构实现了圆极化，并通过组合两种贴片结构拓宽了圆极化微带天线的波束宽度，底部使用基片集成波导而不是传统的金属板，进一步拓宽了微带天线的阻抗带宽。
附图说明
15.图1是天线整体结构示意图；
16.图2是天线侧视图；
17.图3是天线辐射贴片结构示意图；
18.图4是天线微带馈线示意图；
19.图5是天线的反射曲线示意图；
20.图6是天线的远场增益辐射示意图；
21.图7是工作频率28ghz时的轴比示意图。
具体实施方式
22.下面结合图1至图4和实例对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
23.一种单馈圆极化微带天线，包括从上至下顺次层叠的第五介质板、第四介质板、第三介质板、第二介质板和第一介质板；所述第五介质板的上表面设有辐射贴片，辐射贴片主要由方环状结构和片状结构组成，且方环状结构围绕在片状结构的外侧；所述方环状结构的外侧连接有方形贴片，方形贴片的内端角与方环结构其中一角连接，方形贴片的外端角为弧形切角；所述片状结构为切除对角的方贴片，且该切除的对角为直角三角形；
24.所述第四介质板和第三介质板之间还设有金属地，所述金属地上设有u型缝隙；其中第四介质板上设有通腔孔，所述通腔孔和u型缝隙均位于辐射贴片的正下方；
25.所述第二介质板的上表面设有微带馈电线，所述微带馈电线主要由顺次连接的枝节i、枝节ii和枝节iii构成，枝节i、枝节ii和枝节iii的长度渐小，宽度减宽；其中枝节iii位于u型缝隙的正下方，枝节i朝外延伸；
26.所述第二介质板的下表面设有阵列的金属圆片，第一介质板上设有垂直贯穿的金属柱，且金属柱和金属圆片一一对应；金属圆片的中心位于金属柱的中轴线上，两者相互接触。
27.进一步的，所述方形贴片的内端角和外端角位于同一斜对角线上；方形贴片的中心位于方环状结构的斜对角线上。
28.进一步的，所述方形贴片包括第一方形贴片和第二方形贴片，其中第一方形贴片的边长大于第二方形贴片的边长；两个第一方形贴片位于方环状结构的其中一对角线上，且切除的对角和两个第二方形贴片均位于方环状结构的另一对角线上；
29.进一步的，所述辐射贴片为旋转对称结构。
30.进一步的，所述u型缝隙的开口背离枝节i的延伸方向。
31.下面为一更具体的实施例：
32.参考图1至图4，图1是圆极化微带天线的整体结构示意图，图2是圆极化微带天线的侧视图，图3是圆极化微带天线的辐射贴片结构示意图，图4是圆极化贴片天线的微带馈电示意图。如图1所示，圆极化微带天线是由介质层1、2、3、4、5，金属地9，辐射贴片6，微带馈电线11和底部的基片集成波导组成。辐射贴片是方形环内部嵌入了一个切了一对角的方形贴片，同时，方形环的对角处有了两对带有弧形切角的大小不等的方形贴片；辐射贴片利用添加寄生方形结构和切角的贴片组合的方式实现了天线的圆极化，并拓宽了圆极化天线的波束宽度。微带馈电线11的较窄枝节端为天线的馈电口，射频信号通过馈电微带线依次经过枝节12，枝节13，枝节14；在枝节14末端向外辐射出去，微带馈电线11底部设有电磁带隙结构(蘑菇状结构10),电磁带隙结构会将本应向下辐射的能量反射回来，射频信号通过u型缝隙8辐射出去，并通过介质层4、5耦合到辐射贴片6上，通过辐射贴片6完成圆极化微带天线的辐射。其中u型缝隙8，辐射贴片6，微带馈电线11的末端枝节14都处于天线的中心位置。为保证阻抗匹配，微带馈电线的宽度需要调节满足50欧姆标准阻抗。u型缝隙尺寸和位置用于调节微带天线的阻抗匹配；辐射贴片6的尺寸影响天线的中心频率，当其尺寸减小时候，工作中心频率升高；当其尺寸增大的时候，工作中心频率降低。，基片集成波导中的蘑菇状结构10之间的间距和介质层1、2的厚度影响微带天线的带宽，其中7为通腔孔。
33.为了减小损耗，天线中的金属材料采用电阻率较小的金属，如铜、铝、金等；为了符合制作工艺，介质基地1、2、3、5采用rogers rogersro4350，介质4采用rogersro4003，损耗较小，同时增大天线整体的硬度。
34.u型缝隙8的尺寸和位置、辐射贴片中外部环的大小、外部环的厚度，以及对角线处两对带有弧形切角的方形贴片的尺寸、弧形切角的大小对微带圆极化天线的阻抗匹配和远场性能有重要的影响，具体表现为：
35.a)改变u型缝隙的位置，使其偏离辐射贴片中心和馈电线末端的时候，天线的阻抗匹配会变差，同时，天线最大辐射方向偏离法向。
36.b)改变u型缝隙的尺寸，当尺寸过大或者过小的时候，天线的阻抗匹配性能都会变差。
37.c)当辐射贴片6外部环的厚度24影响天线的半功率波束宽度，当结构24过大或者过小的时候，半功率波束宽度都会较小，当结构24的尺寸恰当时，会增大微带天线的半功率波束宽度
38.d)辐射贴片6中的外部环的对角处的两对方形贴片28尺寸(较大)、27(较小)影响天线的圆极化性能，当两者的比例在一定的时候(根据工作频率会变化)，才能正常地激发处两个正交的简并模式，幅度相等，相位差为90
°
，从而产生圆极化波。
39.e)辐射贴片外部环对角处的两队方形贴片的弧形切角可以改善微带天线的圆极化性能和阻抗匹配效果，适当的弧形尺寸会使得此处的电流变换较平缓，增大了微带天线
的轴比波束宽度和阻抗带宽。
40.因此选择合适的u型缝隙8尺寸和位置、辐射贴片6的外部环厚度24、外部环对角处的方形贴片27、28的尺寸，以及对应的切角弧度对圆极化微带天线的性能有着重要意义。
41.该单馈圆极化微带天线结构选择一组合适的尺寸参数进行实例说明，下面的数据单位为毫米：
42.图2中的结构尺寸为：结构1的厚度为0.508，结构2的厚度为0.254，结构3的厚度为0.762，结构4的厚度为0.813，结构5的厚度为0.254，结构9的厚度为0.018，结构8的宽度为0.5，结构6的厚度为0.018，结构10之间的间距s的尺寸为2。
43.图3中的结构尺寸为：结构23的尺寸为1.5，结构24的尺寸为0.1，结构25的尺寸为0.5，结构26的尺寸为1，结构27的尺寸为0.5，结构28的尺寸为0.3，切掉的弧形切角尺寸21为0.3，22为0.1。
44.图4中的结构尺寸为：结构15的尺寸为0.8，结构16的尺寸为4.6；结构16的尺寸为1.4，结构18的尺寸为1.1；结构19的尺寸为2.8，结构20的尺寸为0.4；
45.此时，单馈圆极化微带天线的仿真结果如图所示。
46.图5是天线的反射系数曲线图，该天线在26.37ghz-31ghz的频率范围内s11显著小于-10db，完整地覆盖了ka波段。
47.图6和图7反映了单馈圆极化微带天线的远场性能。
48.图6中显示的是该天线在28ghz处的远场波瓣图，其半功率波束宽度可以达到
±
50
°
。
49.图7中显示的是该天线在28ghz处的轴比曲线图，轴比波束宽度可以达到150
°
。
50.上述实例仅为一个参考，若想得到不同中心频率下的圆极化微带天线，可以根据具体要求按照实施方式调整不同参数，如可以通过调节u型缝隙的尺寸和辐射贴片中尺寸的相关参数调整天线工作的中心频率，调整微带馈电线中枝节的宽度来调整阻抗匹配等。

技术特征：
1.一种单馈圆极化微带天线，包括从上至下顺次层叠的第五介质板、第四介质板、第三介质板、第二介质板和第一介质板；其特征在于，所述第五介质板的上表面设有辐射贴片，辐射贴片主要由方环状结构和片状结构组成，且方环状结构围绕在片状结构的外侧；所述方环状结构的外侧连接有方形贴片，方形贴片的内端角与方环结构其中一角连接，方形贴片的外端角为弧形切角；所述片状结构为切除对角的方贴片，且该切除的对角为直角三角形；所述第四介质板和第三介质板之间还设有金属地，所述金属地上设有u型缝隙；其中第四介质板上设有通腔孔，所述通腔孔和u型缝隙均位于辐射贴片的正下方；所述第二介质板的上表面设有微带馈电线，所述微带馈电线主要由顺次连接的枝节i、枝节ii和枝节iii构成，枝节i、枝节ii和枝节iii的长度渐小，宽度减宽；其中枝节iii位于u型缝隙的正下方，枝节i朝外延伸；所述第二介质板的下表面设有阵列的金属圆片，第一介质板上设有垂直贯穿的金属柱，且金属柱和金属圆片一一对应；金属圆片的中心位于金属柱的中轴线上，两者相互接触。2.根据权利要求1所述的一种单馈圆极化微带天线，其特征在于，所述方形贴片的内端角和外端角位于同一斜对角线上；方形贴片的中心位于方环状结构的斜对角线上。3.根据权利要求1所述的一种单馈圆极化微带天线，其特征在于，所述方形贴片包括第一方形贴片和第二方形贴片，其中第一方形贴片的边长大于第二方形贴片的边长；两个第一方形贴片位于方环状结构的其中一对角线上，且切除的对角和两个第二方形贴片均位于方环状结构的另一对角线上。4.根据权利要求1所述的一种单馈圆极化微带天线，其特征在于，所述辐射贴片为旋转对称结构。5.根据权利要求1所述的一种单馈圆极化微带天线，其特征在于，所述u型缝隙的开口背离枝节i的延伸方向。

技术总结
本发明公开了一种单馈圆极化微带天线，属于射频前端器件领域；其基于缝隙耦合的单馈圆极化微带天线，采用了基片集成波导作为背射板，进一步拓宽了圆极化微带天线的带宽；同时，采用组合形式的辐射贴片，波束宽度也得到了拓宽。本发明实现了设计方便、宽带宽、宽波束宽度等特点。等特点。等特点。


技术研发人员：张乃柏 张帅 黄建明 崔岩松 刘宁 杨光耀
受保护的技术使用者：北京邮电大学 喀什地区电子信息产业技术研究院
技术研发日：2023.07.10
技术公布日：2023/9/23