本發(fā)明屬于無線通信，特別涉及一種應(yīng)用于毫米波無線通信(5g)和毫米波衛(wèi)星通信的寬帶雙圓極化天線及陣列。

背景技術(shù)：

1、由于高數(shù)據(jù)傳輸率和低延遲特性，毫米波技術(shù)已成為第五代(the?5thgeneration，5g)甚至未來第六代(the?6th?generation,6g)無線通信最有前途的候選技術(shù)之一。雙極化天線可以同時、同一頻率進(jìn)行發(fā)射或接收兩個正交的線極化或圓極化電磁波，且正交信道之間幾乎沒有干擾。這使得雙極化系統(tǒng)在相同時間、頻率和空間資源下可以較單極化系統(tǒng)的容量提升一倍。此外，極化分集是克服無線傳輸多徑衰落現(xiàn)象、提供良好的目標(biāo)識別、分類和抗干擾性能的有效途徑。因此，雙極化天線作為分集技術(shù)的一種，在無線通信領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用價值。同時，隨著在6g以及未來通信的預(yù)期中，衛(wèi)星通信作為空間組網(wǎng)的重要組成部分，對于具有優(yōu)越性能的衛(wèi)星通信天線也有越來越大的需求。圓極化天線由于其發(fā)生與接收圓極化電磁波擁有更好的克服法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)和抗雨衰的能力，在衛(wèi)星天線中具有廣泛的應(yīng)用。因此，面向毫米波應(yīng)用的寬帶雙圓極化天線對于無線通信系統(tǒng)的高速率、高吞吐傳輸具有重要意義，是未來6g衛(wèi)星通信系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一。

2、雙圓極化天線的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方式有很多，但隨著工作頻率的不斷提高，仍然存在著大量設(shè)計(jì)難點(diǎn)，例如：(1)通過單層的介質(zhì)基片來實(shí)現(xiàn)雙極化天線的寬帶特性存在一定的難度，在以往的研究中，通常通過加載寄生單元、改善匹配網(wǎng)絡(luò)、增加介質(zhì)層數(shù)等方法來拓寬微帶貼片天線的帶寬，這樣不可避免的帶來了設(shè)計(jì)和加工的復(fù)雜化，也使天線失去了小型化和可共形的一些優(yōu)勢。(2)常規(guī)天線的設(shè)計(jì)需要同時考慮阻抗匹配、天線的軸比以及輻射增益等指標(biāo)，而雙極化天線作為雙端口天線，需要額外考慮雙端口之間的隔離特性。在單層微波介質(zhì)基片中，雙極化兩個端口之間很容易存在端口的串?dāng)_，從而獲得良好的端口隔離度存在一定的難度。(3)雙圓極化天線用于衛(wèi)星通信或復(fù)雜通信時，對其輻射波束有特殊要求，通常要求輻射波束具有空間對稱性或旋轉(zhuǎn)對稱性以保證在輻射區(qū)域內(nèi)保持良好的極化特性，這也就對圓極化天線設(shè)計(jì)提出了更嚴(yán)格的要求。(4)寬帶雙圓極化天線的設(shè)計(jì)不僅需要考慮輻射體(縫隙、金屬貼片)存在90度的相位差，還格外要求饋電端口也需要存在90度的相位差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于提供一種工作于毫米波頻段上，具有寬波束寬度、寬阻抗帶寬、寬軸比帶寬、雙極化特性的圓極化天線及陣列，具有加工簡單、易于與曲面載體平臺共形、適合批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

2、技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種毫米波寬帶雙圓極化天線，包括上層微波介質(zhì)基片、下層微波介質(zhì)基片、金屬接地板和兩個同軸饋電探針；所述上層微波介質(zhì)基片上表面印刷有兩個形狀相同的e形貼片天線和四個同等大小的小正方形貼片；

4、所述四個同等大小的小正方形貼片圍合成大正方形；兩個e形貼片天線排布在大正方形兩個相鄰側(cè)邊外側(cè)，且兩者具有90度結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，長邊與大正方形貼片平行耦合，三個分支指向遠(yuǎn)離大正方形的方向；兩個e形貼片天線的中間分支與同軸饋電探針相連接，兩側(cè)分支分別通過短路金屬通孔連至金屬接地板；每個小正方形貼片上分別開有沿正方形對角線分布的縫隙，同一對角線上的兩條縫隙平行，四條縫隙呈現(xiàn)沿大正方形中心的旋轉(zhuǎn)對稱；

5、所述上層微波介質(zhì)基片上表面印刷有l(wèi)形金屬條帶，位于所述大正方形的一對無e型貼片耦合的側(cè)邊，關(guān)于大正方形的對角線對稱分布；

6、所述上層微波介質(zhì)基片中開有長條形金屬導(dǎo)孔與所述金屬接地板相接，四個長條形金屬導(dǎo)孔合圍成一個更大的正方形邊框，將所述e形貼片天線、四個小正方形貼片與l型金屬條帶合圍；

7、所述下層微波介質(zhì)基片下表面印刷有微帶線結(jié)構(gòu)的3db定向耦合器，兩個相位差90度的輸出端口連接兩個同軸饋電探針。

8、作為優(yōu)選，所述e形貼片天線中間分支長于兩側(cè)分支，中間分支中段與同軸饋電探針相連接，兩側(cè)分支末端與短路金屬通孔相連。

9、作為優(yōu)選，通過調(diào)整e形貼片天線主干的長度，實(shí)現(xiàn)對天線單元的阻抗帶寬的調(diào)節(jié)；通過對e形貼片天線分支的長度和距離的調(diào)節(jié)，改變反射系數(shù)中低頻諧振點(diǎn)和高頻諧振點(diǎn)的諧振頻率；通過調(diào)整e形貼片天線與大正方形側(cè)邊和頂點(diǎn)的距離，調(diào)節(jié)e形貼片天線和四個小正方形貼片之間耦合的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對兩諧振點(diǎn)之間的中間頻段反射系數(shù)和兩端口隔離度的調(diào)節(jié)。

10、作為優(yōu)選，兩層微波介質(zhì)基片之間通過粘結(jié)介質(zhì)粘結(jié)，共用中間金屬接地板。

11、作為優(yōu)選，所述金屬接地板位于上層微波介質(zhì)基片和粘結(jié)介質(zhì)之間，同軸饋電探針依次穿過上層微波介質(zhì)基片、金屬接地板、粘結(jié)介質(zhì)和下層微波介質(zhì)基片，與3db定向耦合器的輸出端口形成電連接。

12、作為優(yōu)選，所述的3db定向耦合器，包括輸入端口、直通端口、耦合端口和隔離端口；其中，直通端口和耦合端口作為饋電輸出端口，輸出幅度相等，相位差相差90度的兩路饋電信號；對調(diào)輸入端口和隔離端口后，直通端口和耦合端口仍為輸出端口，則可以構(gòu)成不同旋轉(zhuǎn)方向的極化天線。

13、作為優(yōu)選，所述四個同等大小的小正方形貼片之間縫隙的寬度相等，兩個e形貼片天線與大正方形側(cè)邊之間的縫隙寬度相等，大于小正方形貼片之間縫隙的寬度。

14、作為優(yōu)選，去除底部3db定向耦合器饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及對應(yīng)的粘結(jié)介質(zhì)、下層微波介質(zhì)基片后，對兩個同軸探針施加幅度、相位均相同的饋電激勵，天線的輻射體可實(shí)現(xiàn)兩個相互正交的線極化的遠(yuǎn)場輻射。

15、一種毫米波寬帶雙圓極化天線陣列，包括所述的一種毫米波寬帶雙圓極化天線。

16、作為優(yōu)選，基于順序旋轉(zhuǎn)90度相位饋電組成2×2的天線陣列，每個雙圓極化天線單元饋電端口幅度相等，依次產(chǎn)生90度相位差。

17、工作原理：本發(fā)明提出的天線結(jié)構(gòu)具有寬帶雙圓極化輻射特性，其工作原理主要分為三個部分：(1)本發(fā)明通過同軸探針饋電，激勵起e形貼片天線，通過e形貼片天線激勵起四個小正方形貼片的高次模輻射模式，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)帶寬的拓寬。(2)本發(fā)明利用3db定向耦合器實(shí)現(xiàn)了寬頻帶的90度相位差，在工作頻帶內(nèi)，相位差的波動范圍為±4°，因此雙圓極化天線也具有較寬的軸比帶寬。將3db定向耦合器的隔離端與輸入端調(diào)換，可得到旋向不同的圓極化天線。(3)本發(fā)明通過在兩端口之間合理放置l形金屬條帶，一定程度上阻隔了兩端口之間的串?dāng)_電流，有效的提高了雙端口之間的隔離度。

18、有益效果：本發(fā)明的天線整體可由pcb板和金屬導(dǎo)體組合而成，且天線輻射部分僅設(shè)計(jì)在一層微波介質(zhì)基片上，利于天線共形到曲面載體平臺，結(jié)構(gòu)簡單，精度高，易于加工和批量生產(chǎn)。實(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明有效拓寬了天線帶寬和軸比帶寬，3db軸比帶寬可達(dá)30％，完全覆蓋了該天線的阻抗帶寬和n260(37ghz-40ghz)頻段，適用于5g、6g的毫米波無線通信系統(tǒng)。

技術(shù)特征：

1.一種毫米波寬帶雙圓極化天線，其特征在于：包括上層微波介質(zhì)基片、下層微波介質(zhì)基片、金屬接地板和兩個同軸饋電探針；所述上層微波介質(zhì)基片上表面印刷有兩個形狀相同的e形貼片天線和四個同等大小的小正方形貼片；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種毫米波寬帶雙圓極化天線，其特征在于：所述e形貼片天線中間分支長于兩側(cè)分支，中間分支中段與同軸饋電探針相連接，兩側(cè)分支末端與短路金屬通孔相連。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種毫米波寬帶雙圓極化天線，其特征在于：通過調(diào)整e形貼片天線主干的長度，實(shí)現(xiàn)對天線單元的阻抗帶寬的調(diào)節(jié)；通過對e形貼片天線分支的長度和距離的調(diào)節(jié)，改變反射系數(shù)中低頻諧振點(diǎn)和高頻諧振點(diǎn)的諧振頻率；通過調(diào)整e形貼片天線與大正方形側(cè)邊和頂點(diǎn)的距離，調(diào)節(jié)e形貼片天線和四個小正方形貼片之間耦合的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對兩諧振點(diǎn)之間的中間頻段反射系數(shù)和兩端口隔離度的調(diào)節(jié)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種毫米波寬帶雙圓極化天線，其特征在于：兩層微波介質(zhì)基片之間通過粘結(jié)介質(zhì)粘結(jié)，共用中間金屬接地板。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種毫米波寬帶雙圓極化天線，其特征在于：所述金屬接地板位于上層微波介質(zhì)基片和粘結(jié)介質(zhì)之間，同軸饋電探針依次穿過上層微波介質(zhì)基片、金屬接地板、粘結(jié)介質(zhì)和下層微波介質(zhì)基片，與3db定向耦合器的輸出端口形成電連接。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種毫米波寬帶雙圓極化天線，其特征在于：所述的3db定向耦合器，包括輸入端口、直通端口、耦合端口和隔離端口；其中，直通端口和耦合端口作為饋電輸出端口，輸出幅度相等，相位差相差90度的兩路饋電信號；對調(diào)輸入端口和隔離端口后，直通端口和耦合端口仍為輸出端口，則可以構(gòu)成不同旋轉(zhuǎn)方向的極化天線。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種毫米波寬帶雙圓極化天線，其特征在于：所述四個同等大小的小正方形貼片之間縫隙的寬度相等，兩個e形貼片天線與大正方形側(cè)邊之間的縫隙寬度相等，大于小正方形貼片之間縫隙的寬度。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種毫米波寬帶雙圓極化天線，其特征在于：去除底部3db定向耦合器饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及對應(yīng)的粘結(jié)介質(zhì)、下層微波介質(zhì)基片后，對兩個同軸探針施加幅度、相位均相同的饋電激勵，天線的輻射體可實(shí)現(xiàn)兩個相互正交的線極化的遠(yuǎn)場輻射。

9.一種毫米波寬帶雙圓極化天線陣列，其特征在于：包括根據(jù)權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的一種毫米波寬帶雙圓極化天線。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種毫米波寬帶雙圓極化天線陣列，其特征在于：基于順序旋轉(zhuǎn)90度相位饋電組成2×2的天線陣列，每個雙圓極化天線單元饋電端口幅度相等，依次產(chǎn)生90度相位差。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種毫米波寬帶雙圓極化天線及陣列，包括兩層微波介質(zhì)基片、粘結(jié)介質(zhì)、接地金屬板和同軸饋電探針。在上層介質(zhì)基片上表面印有兩個E形貼片天線、四個中心斜開縫隙的小方形貼片和用來增加端口隔離度的L形金屬條帶，通過E形貼片激勵四個小方形貼片實(shí)現(xiàn)寬帶輻射特性。兩個同軸饋電探針分別連接下層微波介質(zhì)基片下表面的3dB定向耦合器的兩個相位差90度的輸出端，并依次穿過下層微波介質(zhì)基片、粘結(jié)介質(zhì)、接地金屬板、上層微波介質(zhì)基片，與兩個E形貼片天線實(shí)現(xiàn)電連接，從而實(shí)現(xiàn)圓極化輻射。本發(fā)明計(jì)實(shí)現(xiàn)了具有寬波束寬度、寬阻抗帶寬、寬軸比帶寬、雙極化特性的圓極化天線，適用于毫米波頻段無線通信和衛(wèi)星通信的潛在應(yīng)用需求。

技術(shù)研發(fā)人員：張彥,叢玉琪,譚福生,王淦,汪軼
受保護(hù)的技術(shù)使用者：東南大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23