一种双极化共口径阵列天线
阅读说明：本技术 一种双极化共口径阵列天线 (Dual-polarized common-aperture array antenna ) 是由 杨清凌 高式昌 文乐虎 任晓飞 于 2020-11-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种双极化共口径阵列天线,包括从上到下依次层叠设置的第一金属层、第一介质层,第二金属层,第二介质层,第三金属层,第三介质层,第四金属层,第四介质层,第五金属层,第五介质层和第六金属层。本发明所公开的双极化共口径阵列天线,采用串馈和并馈并用的方式,其中串馈网络已集成于天线单元的设计中,因此阵列天线的馈电网络将大大简化,这使得天线的整体损耗和性能得到了较大提升。(The invention discloses a dual-polarized common-aperture array antenna which comprises a first metal layer, a first dielectric layer, a second metal layer, a second dielectric layer, a third metal layer, a third dielectric layer, a fourth metal layer, a fourth dielectric layer, a fifth metal layer, a fifth dielectric layer and a sixth metal layer which are sequentially stacked from top to bottom. The dual-polarization common-aperture array antenna disclosed by the invention adopts a mode of combining series feed and parallel feed, wherein a series feed network is integrated in the design of the antenna unit, so that the feed network of the array antenna is greatly simplified, and the integral loss and the performance of the antenna are greatly improved.)
技术领域
本发明属于微波毫米波天线技术领域，特别涉及该领域中的一种双极化共口径微波毫米波阵列天线。
背景技术
在无线通信系统中，天线是信号接收和发射的关键部件。随着移动通信技术的迅猛发展，天线系统要求能在工作频带内实现双极化和稳定的辐射增益，且具有小型化、低剖面和低成本的特性。
在微波毫米波频段，有很多实现双极化阵列天线的方式。方法主要可分为两类：1)非共口径双极化天线阵，即将不同极化的线阵交错排布，其优点是设计简单，缺点是交叉极化电平高、尺寸大和口径效率低。2)共口径双极化天线阵，即每个天线单元可同时工作于双极化状态，因此其优点有很多，如结构紧凑、口径效率高、交叉极化电平低等等，在很多移动通信设备中，基于小型化和低交叉极化的考虑，一般会采用共口径方案来设计和实现双极化天线阵。
共口径双极化天线大致可分为如下几类：a)基于探针馈电的微带贴片天线和Vivaldi天线；b)基于中馈和角馈的微带天线；c)基于金属波导结构的缝隙和背腔天线；d)基于基片集成波导结构的缝隙和背腔天线。a)类天线的优点是容易实现很宽的带宽且结构简单，但缺点是剖面高，不易集成化设计。b)类天线的优点是可采用一层或较少层结构实现，因此成本低、剖面低和结构简单，缺点是来自于微带线的杂散辐射不易抑制。c)类天线的优点是功率容量高，但缺点是不易加工和不易集成。d)类天线既有二维天线易加工易集成的优点，也有三维金属波导结构功率容量高的优点。但是，对于c)类和d)天线，一般馈电网络都需设计在不同层以防止馈电网络相互间交叉。这导致天线的整体结构会极其复杂，剖面也会随着层数的增加而升高。从现有的报道来看，虽然金属波导结构和基片集成波导在天线设计中各具优势，但并没有很好地解决双极化阵列天线馈电网络复杂的难题。要同时满足低损耗、简单的馈电网络、低交叉极化电平、低剖面、高增益、小型化等要求困难较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种具有低交叉极化电平、高口径效率、低剖面、馈电网络简单的双极化共口径微波毫米波平面阵列天线。
本发明采用如下技术方案：
一种双极化共口径阵列天线，其改进之处在于：包括从上到下依次层叠设置的第一金属层、第一介质层，第二金属层，第二介质层，第三金属层，第三介质层，第四金属层，第四介质层，第五金属层，第五介质层和第六金属层；在第一金属层上蚀刻天线辐射口径，在第一介质层内部设置与第一金属层上的天线辐射口径相对应的金属化通孔结构，在第二金属层上蚀刻激励第一金属层天线辐射口径内各天线单元的十字缝隙阵，在第二介质层内部设置与第二金属层上的十字缝隙阵相对应的金属化通孔结构，在第三金属层上蚀刻激励第二介质层内金属化通孔结构的十字耦合缝隙阵，在第三介质层内部设置与第三金属层上的十字耦合缝隙阵相对应的金属化通孔结构，在第四金属层上蚀刻横缝隙结构阵列，作为信号从第四介质层到第三介质层的耦合通道，在第四介质层的横向和纵向分别设置两个反向排列的一分四功分器，中心位置是正交模式变换器的上层结构，该上层结构的四个输出端口分别与上述四个功分器的输入端口相连接，在第五金属层上蚀刻有十字缝隙和基片集成波导转微带结构，第五介质层设置基片集成波导和正交模式变换器的下层结构，该下层结构有两个输入端口，正交模式变换器上、下层结构之间的信号传输通过上述第五金属层上的十字缝隙实现，第六金属层为地板层。
进一步的，第一金属层上的天线辐射口径由天线子阵阵列构成，每个天线子阵由四个天线单元构成，每个天线单元由位于第一介质层的圆柱形金属化腔体和贴片单元构成，每个天线单元有上下左右四个端口，并通过端口与其上下左右相邻的天线单元相连接。
进一步的，在每个天线单元四周都切出一个小的短缝隙。
进一步的，第二金属层上的十字缝隙阵内的各十字缝隙与其所激励的天线单元数量相同、位置相对，第二介质层内的金属化通孔由与第一金属层上的天线子阵数量相同、位置相对的方形腔体阵列构成，第二金属层上每四个十字缝隙共享一个方形腔体。
进一步的，第二介质层内的各方形腔体尺寸相同，模式为TE410和TE140，方形腔体间距是第二金属层上十字缝隙间距的两倍。
进一步的，第三介质层内的金属化通孔结构包含多条横向基片集成波导和纵向基片集成波导，第三金属层上的各十字耦合缝隙分别位于横向基片集成波导和纵向基片集成波导各相交处的中心位置，此外还在横向基片集成波导和纵向基片集成波导各相交处四周各设置一个金属化通孔，使相交处形成TE210和TE120模式金属腔。
进一步的，在第四金属层上的横缝隙结构阵列中，每两个横缝隙为一组。
进一步的，在第五金属层上蚀刻的十字缝隙位于正交模式变换器下层TE120和TE210模式腔的中心，正交模式变换器下层TE120和TE210模式腔的中心为半开放腔体，在两个相邻边设置有激励窗口，两个激励窗口分别与一个输入端口相连。
进一步的，所有介质层的介质板为Rogers RO4003C，介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027，厚度为0.813mm；所有金属层的厚度均为1盎司，整个天线的剖面高度为0.27个自由空间波长。
进一步的，第一介质层上圆柱形金属化腔体的直径为6mm；第二金属层上十字缝隙的长度为2.7mm，宽度为0.3mm；第二介质层内的方形腔体是尺寸为16mm×16mm的基片集成波导方形腔体；第三金属层上的十字耦合缝隙长度为2.3mm，宽度为0.3mm；第三介质层内的横向基片集成波导和纵向基片集成波导的宽度为6.4mm，第三介质层内横向基片集成波导和纵向基片集成波导各相交处四周的金属化通孔的直径均为0.3mm，相对于相交处中心3.5mm；第四金属层上的横缝隙长度为3.3mm，宽度为0.3mm，同组内两个横缝隙的间距为2.2mm。
本发明的有益效果是：
本发明所公开的双极化共口径阵列天线，采用串馈和并馈并用的方式，其中串馈网络已集成于天线单元的设计中，因此阵列天线的馈电网络将大大简化，这使得天线的整体损耗和性能得到了较大提升。同时由于正交模式变换器的引入，使得天线阵列受差分激励而获得了很低的交叉极化电平。天线单元采用微带天线加缝隙耦合激励加背腔结构，改善了天线工作带宽。
本发明所公开的双极化共口径阵列天线，相对阻抗带宽可达5.7％，峰值增益为22.8dBi，端口隔离度在整个阻抗带宽都大于20dB，交叉极化鉴别率为43dB。相比报道的双极化微波毫米波平面阵列，本发明的阵列天线能在拥有低剖面和高集成度的前提下，同时简化馈电网络的设计，获得极低的交叉极化电平和高增益，具有结构简单、尺寸小、口径效率高、交叉极化鉴别率高等优势。
附图说明
图1是本发明实施例1所公开双极化共口径阵列天线的外观示意图；
图2是本发明实施例1所公开双极化共口径阵列天线的层叠图；
图3是本发明实施例1所公开双极化共口径阵列天线的整体结构示意图；
图4是本发明实施例1所公开双极化共口径阵列天线的阵列口面示意图；
图5是本发明实施例1所公开双极化共口径阵列天线中天线单元的端口位置图；
图6是本发明实施例1所公开双极化共口径阵列天线中TE410和TE140模式腔及十字缝隙示意图；
图7是本发明实施例1所公开双极化共口径阵列天线中横、纵向基片集成波导及十字耦合缝隙示意图；
图8是本发明实施例1所公开双极化共口径阵列天线中一分四功分器、横缝隙结构及正交模式变换器上层结构的示意图；
图9是本发明实施例1所公开双极化共口径阵列天线中正交模式变换器下层结构及馈电结构示意图；
图10是本发明实施例1所公开双极化共口径阵列天线中正交模式变换器整体结构示意图；
图11a是本发明实施例1所公开双极化共口径阵列天线中正交模式变换器上层结构的俯视示意图
图11b是本发明实施例1所公开双极化共口径阵列天线中正交模式变换器下层结构的俯视示意图；
图12是本发明实施例1所公开双极化共口径阵列天线的180°基片集成波导弯头结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，如图1-3所示，本实施例公开了一种双极化共口径阵列天线，包括从上到下依次层叠设置的第一金属层11、第一介质层17，第二金属层12，第二介质层18，第三金属层13，第三介质层19，第四金属层14，第四介质层110，第五金属层15，第五介质层111和第六金属层16；在第一金属层上蚀刻天线辐射口径21，在第一介质层内部设置与第一金属层上的天线辐射口径相对应的金属化通孔结构，在第二金属层上蚀刻激励第一金属层天线辐射口径内各天线单元的十字缝隙阵，在第二介质层内部设置与第二金属层上的十字缝隙阵相对应的金属化通孔结构，在第三金属层上蚀刻激励第二介质层内金属化通孔结构的十字耦合缝隙阵，在第三介质层内部设置与第三金属层上的十字耦合缝隙阵相对应的金属化通孔结构，如图8-11b所示，在第四金属层上蚀刻横缝隙结构阵列，作为信号从第四介质层到第三介质层的耦合通道，在第四介质层的横向和纵向分别设置两个反向排列的一分四功分器61，中心位置是正交模式变换器的上层结构81该上层结构的四个输出端口分别与上述四个功分器的输入端口相连接，在第五金属层上蚀刻有十字缝隙71和基片集成波导转微带结构73，第五介质层设置基片集成波导72和正交模式变换器的下层结构82，该下层结构有两个输入端口，正交模式变换器上、下层结构之间的信号传输通过上述第五金属层上的十字缝隙71实现，第六金属层为地板层。
在本实施例中，如图4所示，第一金属层上的天线辐射口径由天线子阵阵列构成，每个天线子阵32由四个天线单元33构成，每个天线单元由位于第一介质层的圆柱形金属化腔体332和贴片单元331构成，圆柱形金属化腔体可抑制表面波及产生新的谐振频率，如图5所示，每个天线单元有上下左右四个端口，并通过端口与其上下左右相邻的天线单元相连接。天线单元为微带天线单元。在每个天线单元四周都切出一个小的短缝隙来调节天线工作频率。
如图6所示，第二金属层上的十字缝隙阵内的各十字缝隙42与其所激励的天线单元数量相同、位置相对，第二介质层内的金属化通孔由与第一金属层上的天线子阵数量相同、位置相对的方形腔体41阵列构成，第二金属层上每四个十字缝隙共享一个方形腔体。
第二介质层内的各方形腔体尺寸相同，模式为TE410和TE140，方形腔体间距是第二金属层上十字缝隙间距的两倍。
如图7所示，第三介质层内的金属化通孔结构包含多条横向基片集成波导51和纵向基片集成波导52，第三金属层上的各十字耦合缝隙54分别位于横向基片集成波导和纵向基片集成波导各相交处的中心位置，此外还在横向基片集成波导和纵向基片集成波导各相交处四周各设置一个金属化通孔53，使相交处形成TE210和TE120模式金属腔，从而改善端口隔离度。
如图8，12所示，在第四金属层上的横缝隙结构阵列中，每两个横缝隙63，64为一组。双缝隙结构有利于阻抗匹配调节和实现宽的工作带宽。
在第五金属层上蚀刻的十字缝隙位于正交模式变换器下层TE120和TE210模式腔的中心，正交模式变换器下层TE120和TE210模式腔的中心为半开放腔体，在两个相邻边设置有激励窗口，两个激励窗口分别与一个输入端口相连。正交模式变换器差分激励双极化天线使之获得高的交叉极化鉴别率。
所有介质层的介质板为Rogers RO4003C，介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027，厚度为0.813mm；所有金属层的厚度均为1盎司，整个天线的剖面高度为0.27个自由空间波长。
第一介质层上圆柱形金属化腔体的直径为6mm；第二金属层上十字缝隙的长度为2.7mm，宽度为0.3mm；第二介质层内的方形腔体是尺寸为16mm×16mm的基片集成波导方形腔体；第三金属层上的十字耦合缝隙长度为2.3mm，宽度为0.3mm；第三介质层内的横向基片集成波导和纵向基片集成波导的宽度为6.4mm，第三介质层内横向基片集成波导和纵向基片集成波导各相交处四周的金属化通孔的直径均为0.3mm，相对于相交处中心3.5mm；第四金属层上的横缝隙长度为3.3mm，宽度为0.3mm，同组内两个横缝隙的间距为2.2mm。
以阵列天线含有8×8个天线单元为例，其中心频率设计为20GHz，对其在HFSS中进行全波电磁仿真，仿真结果表明，两个端口之间的隔离度在整体频率带宽范围内大于30dB，交叉极化鉴别率为58dB，工作带宽为19.2-20.5GHz，在此范围内增益值为10.8-12.2dBi。加上馈电网络之后的仿真结果表明，该天线阵的阻抗带宽为19.2–20.7GHz，峰值增益为22.8dBi，在整个工作带宽增益大于22.2dBi，交叉极化鉴别率大于43dB。
综上所述，本发明公开了一种结构简单，具有高交叉极化鉴别率、高口径效率、低剖面、易加工、低成本的微波毫米波双极化平面阵列天线。该双极化阵列天线采用新型的基片集成波导交叉耦合天线单元，整个天线阵可从四周差分激励以获得高交叉极化鉴别率。由于交叉耦合结构的存在，水平和垂直馈电网络中的信号可独立传输而不串扰。天线单元采用2×2子阵设计。为了拓展工作带宽，每个子阵有三个谐振被激励。本发明适合用于微波毫米波领域，来解决高频天线设计中双极化阵列馈电网络复杂和交叉极化电平高等技术难点。