具有高隔离度和低剖面的毫米波双频双极化共口径天线
阅读说明：本技术 具有高隔离度和低剖面的毫米波双频双极化共口径天线 (Millimeter wave dual-frequency dual-polarization common-aperture antenna with high isolation and low profile ) 是由 郝张成 郭子均 于 2020-12-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种具有高隔离度和低剖面的毫米波双频双极化共口径天线,依次包括基片集成波导馈电网络、层间缝隙、基片集成同轴线馈电网络和辐射结构层；低频段电磁波经过基片集成同轴线馈电网络,将能量耦合至蝴蝶结形横向缝隙,再由蝴蝶结形横向缝隙辐射水平极化波；高频段电磁波经过基片集成波导馈电网络,通过层间缝隙差分激励纵向缝隙对,从而辐射垂直极化波；本发明的结构使得天线不仅在两个频段内具有较宽的带宽和较高的隔离度,还具有较低的剖面高度和易于与平面电路集成的优点。(The invention discloses a millimeter wave dual-frequency dual-polarization common-aperture antenna with high isolation and low profile, which sequentially comprises a substrate integrated waveguide feed network, an interlayer gap, a substrate integrated coaxial feed network and a radiation structure layer; the low-frequency-band electromagnetic waves pass through the substrate integrated coaxial line feed network, couple energy to the bowtie-shaped transverse gap, and then radiate horizontal polarized waves through the bowtie-shaped transverse gap; high-frequency-band electromagnetic waves pass through the substrate integrated waveguide feed network, and the longitudinal slot pairs are excited through the interlayer slot difference, so that vertical polarized waves are radiated; the structure of the invention ensures that the antenna not only has wider bandwidth and higher isolation in two frequency bands, but also has the advantages of lower section height and easy integration with a planar circuit.)
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种具有高隔离度和低剖面的毫米波双频双极化共口径天线。
背景技术
目前，卫星通信频段主要集中在C和Ku波段，随着卫星通信的发展，微波频段的频谱日渐紧张，且频率协调难度大，迫使人们寻找并开发毫米波频段来满足新的卫星通信需求。不仅如此，现有的卫星通信系统很难满足当今社会多媒体等宽带内容的传输需求，因此毫米波宽带化的发展方向将成为必然趋势。当前，国内外的卫星按照功能划分，可分为通信、导航、遥感以及侦察等。相比单一功能的天线，多频多功能天线可以在多个频段独立工作，不仅实现多功能一体化需求，而且降低了系统的体积和成本。因此，作为卫星通信系统中最重要的组成部分，低成本的毫米波多频宽带共口径天线的研发已经成为迫切需求。
随着卫星天线朝着毫米波、宽带、多功能一体化和低成本方向发展，也不可避免的带来了一些挑战: 1.工作在低频段的双频共口径天线常常具有良好的隔离度（一般低于-20 dB）。随着频段向毫米波迁移，单元之间的互耦、表面波以及传统微带馈电网络的采用会导致隔离度变差，从而恶化天线的辐射性能。2.由于馈电网络的复杂性，共口径天线常常具有很高的剖面，在毫米波频段高剖面会引起表面波效应。除此之外，现有的毫米波双频共口径天线在两个频带内很难同时实现宽带特性。因此，具有高隔离度和低剖面的宽带双频双极化共口径天线的研发具有重要意义。
发明内容
技术问题：鉴于上述现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种毫米波双频双极化共口径天线，以实现高隔离度和低剖面特性，同时在两个频带内实现宽带特性。
技术方案：为了达到这一目的，本发明公开了一种具有高隔离度和低剖面的毫米波双频双极化共口径天线，该天线依次包括基片集成波导馈电网络、层间缝隙、基片集成同轴线馈电网络和辐射结构层；辐射缝隙层与基片集成同轴线馈电网络之间设有第一介质基板，基片集成同轴线馈电网络与层间缝隙之间设有第二介质基板，基片集成波导馈电网络集成在第三介质基板中；所述基片集成同轴线馈电网络的一边设有接地共面波导转基片集成同轴线结构，基片集成同轴线馈电网络中设有弯折线；所述辐射结构层上分别设有多排蝴蝶结形横向缝隙和纵向缝隙对，每一排蝴蝶结形横向缝隙和纵向缝隙对二者采用交替形式布局；纵向缝隙对由四列金属化孔阵列形成的所述基片集成波导屏蔽腔包围；蝴蝶结形横向缝隙位于两列金属化孔阵列中心；蝴蝶结形横向缝隙与纵向缝隙对共享由金属化孔阵列组成的所述基片集成波导屏蔽腔；所述基片集成同轴线馈电网络的一边设有接地共面波导转基片集成同轴线结构，且基片集成同轴线馈电网络中设有弯折线；在基片集成波导馈电网络的一侧设有微带线转基片集成波导结构，在基片集成波导馈电网络中设有金属化匹配孔；所述每个层间缝隙均被金属化孔阵列所组成的所述基片集成波导屏蔽腔包围，且位于所述纵向缝隙对的下方；纵向缝隙对和蝴蝶结形横向缝隙位于第一介质基板的上表面，基片集成同轴线馈电网络位于第二介质基板的上表面，接地共面波导转基片集成同轴线结构位于第二介质基板的上表面，层间缝隙位于第二介质基板的下表面和第三介质基板的上表面，基片集成波导馈电网络位于第三介质基板中，微带线转基片集成波导结构位于第三介质基板的下表面；低频段电磁波经过接地共面波导转基片集成同轴线结构和基片集成同轴线馈电网络，将能量耦合至蝴蝶结形横向缝隙，再由蝴蝶结形横向缝隙辐射水平极化波；高频段电磁波经过微带线转基片集成波导结构和基片集成波导馈电网络，通过层间缝隙差分激励纵向缝隙对，从而辐射垂直极化波。
所述基片集成同轴线馈电网络为并串馈形式，即低频段电磁波先被并联等分为十六路信号，再对四个蝴蝶结形横向缝隙进行串行馈电。
所述接地共面波导转基片集成同轴线结构为平面转接结构。
所述纵向缝隙对关于所述层间缝隙对称，并偏移层间缝隙一定的距离；
所述基片集成同轴线馈电网络位于所述基片集成波导馈电网络的上方，且所述基片集成同轴线馈电网络位于相邻的基片集成波导屏蔽腔之间。
所述蝴蝶结形横向缝隙位于所述基片集成同轴线馈电网络上方，并与所述基片集成同轴线馈电网络保持一定的偏移距离。
所述蝴蝶结形横向缝隙天线阵中相邻阵元间采用所述弯折线以保证蝴蝶结形横向缝隙阵的同相辐射。
所述基片集成波导屏蔽腔为正方形，且所述金属化孔阵列从辐射结构层经过第一介质基板、粘合层及第二介质基板贯穿至层间缝隙。
所述第一介质基板与第二介质基板均为Taconic TLY-5，厚度为0.51mm；第三介质基板为Rogers RO4003C，厚度为0.508mm，相邻通孔的间距为0.6mm，通孔直径为0.4mm。
有益效果：本发明公开了一种具有高隔离度和低剖面的毫米波双频双极化共口径天线，相比现有技术，具有以下有益效果：
1、本发明中，基片集成同轴线馈电网络位于相邻的基片集成波导屏蔽腔之间，有效地降低了天线的剖面高度，并提高了口径利用效率。
2、蝴蝶结形横向缝隙与纵向缝隙对共享的金属化屏蔽孔阵列、基片集成波导的高通特性以及蝴蝶结形横向缝隙的偏移有效地抑制了两个天线之间的互耦，从而提高了隔离度。
3、本发明的基片集成同轴线馈电的横向缝隙和基片集成波导馈电的纵向缝隙对，具有较宽的阻抗带宽。与此同时，采用基片集成同轴线并串馈功分网络和基片集成波导全并馈功分网络对两个正交极化的辐射单元分别馈电，有效地提高了毫米波双频双极化共口径天线的带宽。本发明的结构使得天线具有较高的口径复用效率，不仅在两个频段内具有较宽的带宽和较高的隔离度，还具有较低的剖面高度和易于与平面电路集成的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例毫米波双频双极化共口径天线的剖面示意图；
图2为图1实施例中辐射结构层结构图；
图3为图1实施例中基于基片集成同轴线馈电网络结构图；
图4为图1实施例中层间缝隙结构图；
图5为图1实施例中基于基片集成波导馈电网络结构图；
图6为基片集成同轴线馈电的蝴蝶结形横向缝隙示意图；
图7为基片集成波导馈电的纵向缝隙对示意图；
图8为对本发明实施例进行K波段测试的反射系数和隔离度图；
图9为对本发明实施例进行Ka波段测试的反射系数和隔离度图；
图10为对本发明实施例进行测试的增益图；
图11为对本发明实施例进行测试17.8GHz的辐射方向图；
图12为对本发明实施例进行测试19.2GHz的辐射方向图；
图13为对本发明实施例进行测试20.4GHz的辐射方向图；
图14为对本发明实施例进行测试26.6GHz的辐射方向图；
图15为对本发明实施例进行测试28.8GHz的辐射方向图；
图16为对本发明实施例进行测试31GHz的辐射方向图；
附图标记说明：
第一介质基板1、粘合层2、第二介质基板 3、第三介质基板4、基片集成同轴线馈电网络5、基片集成波导馈电网络6、层间缝隙7、基片集成波导屏蔽腔8、纵向缝隙对9、蝴蝶结形横向缝隙10、安装孔11、接地共面波导转基片集成同轴线结构12、弯折线13、金属化匹配孔16、微带线转基片集成波导结构17、辐射结构层18、金属化孔阵列19。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点及功效。
在下述描述中，参考附图，附图描述了本申请的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本发明的精神的情况下进行组成以及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本申请的实施例的范围仅由本申请的专利的权利要求书所限定。这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本申请。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于以下实施方式所公开的技术手段，还包括由以下技术特征任意组合所组成的技术方案。
再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、步骤、操作、元素、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元素、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。
如图1和图2所示，本实施例提供的具有高隔离度和低剖面的毫米波双频双极化共口径天线，从下到上依次包括基片集成波导馈电网络6、层间缝隙7、基片集成同轴线馈电网络5和辐射结构层18，其中辐射结构层18包括纵向缝隙对9和蝴蝶结形横向缝隙10。低频段电磁波先经过接地共面波导转基片集成同轴线结构12，再通过基片集成同轴线馈电网络5，最后由辐射结构层18中的蝴蝶结形横向缝隙10辐射水平极化波。高频段电磁波先经过微带线转基片集成波导结构17，再通过基片集成波导馈电网络6，最后由辐射结构层18中的纵向缝隙对9辐射垂直极化波。辐射结构层18与基片集成同轴线馈电网络5之间设有第一介质基板 1，基片集成同轴线馈电网络5与层间缝隙7之间设有第二介质基板3，基片集成波导馈电网络6集成在第三介质基板 4中。
作为优选实施例，基片集成同轴线馈电网络5为并串馈形式，且位于基片集成同轴线馈电网络的下方，如图3所示。电磁波先被并联等分为十六路信号，再对蝴蝶结形横向缝隙10进行串行馈电。相比传统的串行馈电网络，基片集成同轴线馈电网络5减小了长线效应，因此有效地拓宽了天线在低频段的带宽。
作为优选实施例，如图4所示，每个层间缝隙7均被金属化孔阵列19所组成的所述基片集成波导屏蔽腔8包围，且位于所述纵向缝隙对9的下方。
作为优选实施例，基片集成波导馈电网络6为全并馈形式，如图5所示。其中，金属化匹配孔16用来改善天线的反射系数。电磁波先被并联等分为六十四路信号，再对纵向缝隙对9进行并行馈电。
作为优选实施方式，辐射结构层18由蝴蝶结形横向缝隙10与纵向缝隙对9组成，采用交替式布局，并且共享由金属化孔阵列组成的基片集成波导屏蔽腔8，提高了口径利用效率与隔离度。
具体的，基片集成同轴线馈电网络5位于相邻的基片集成波导屏蔽腔8之间，蝴蝶结形横向缝隙10位于基片集成同轴线馈电网络5上方，与基片集成同轴线馈电网络5保持一定的偏移距离，并且位于两列金属化孔阵列19中心，如图6所示。通过控制偏移距离，可以使天线达到理想的阻抗匹配特性。与纵向缝隙对9共享的金属化孔阵列19有效地抑制了平行板模式。
具体的，基片集成波导馈电网络6位于第三介质基板4中，纵向缝隙对9位于层间缝隙7上方，关于层间缝隙对称，并偏移层间缝隙一定的距离，如图7所示。纵向缝隙对9由四列金属化孔阵列19形成的基片集成波导屏蔽腔8包围。其中，金属化孔阵列19从辐射结构层18经过第一介质基板1、粘合层2及第二介质基板3贯穿至层间缝隙7。层间缝隙7和纵向缝隙对9为天线贡献了两个独立的谐振点，因此拓宽了天线在高频段的带宽。
作为优选实施方式，蝴蝶结形横向缝隙10阵中的阵元与阵元间采用所述弯折线13以保证横向缝隙阵的同相辐射，如图3所示。每个线阵的最后一个单元的终端为开路，开路枝节的长度可以用来调整阻抗匹配。
作为优选实施方式，接地共面波导转基片集成同轴线结构12为平面转接结构。
在一些实施方式中，第一介质基板1和第二介质基板3通过粘合层2压合。该实施例提供的天线从上到下分别是第一介质基板 1、粘合层2、第二介质基板3以及第三介质基板4。第一介质基板 1和第二介质基板 3采用Taconic TLY-5，介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，第三介质基板 4采用Rogers RO4003C，介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027。粘合层2采用Rogers 4450F，介电常数为3.52，损耗角正切为0.004。纵向缝隙对9和蝴蝶结形横向缝隙10位于第一介质基板A1的上表面，基片集成同轴线馈电网络5位于第二介质基板3的上表面，第一介质基板1和第二介质基板3通过双层电路板工艺用粘合层2进行压合，接地共面波导转基片集成同轴线结构12位于第二介质基板3的上表面，层间缝隙7位于第二介质基板3的下表面和第三介质基板4的上表面，基片集成波导馈电网络6位于第三介质基板4中，微带线转基片集成波导结构17位于第三介质基板4的下表面。整个天线共有28个安装孔11，并采用M3尼龙柱进行固定。
用PNA-X N5247A矢量网络分析仪和微波暗室对本实施例提供的天线进行反射系数、方向图和增益的测试。天线的尺寸为116.2 mm × 99.3 mm。图8和图9为天线在K波段和Ka波段测试的反射系数和隔离度。该天线在K波段测试的-10 dB阻抗带宽为2.8 GHz（17.7GHz ~ 20.5 GHz），相对带宽为14.7 %。天线在Ka波段测试的-10 dB阻抗带宽为6 GHz（26GHz ~ 32 GHz），相对带宽为20.7 %。天线在K波段和Ka波段的测试隔离度大于60 dB和50dB。图10为天线在K波段和Ka波段仿真和测试的增益对比。天线测试的最大增益分别为21.4dBi和22 dBi，3 dB增益带宽为14.7 %和15.3 %。图11至图16为天线在K波段和Ka波段的仿真和测试的方向图。天线在两个频段内测试的交叉极化电平分别低于-25 dB和-30 dB，在较宽的带宽内具有稳定的方向图，且副瓣均低于-10 dB。测试结果表明，该天线具有较高的口径复用效率，不仅在两个频段内具有较宽的带宽和较高的隔离度，还具有较低的剖面高度和易于与平面电路集成的优点。
上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。