[发明专利]一种基于低剖面馈电结构的宽带端射圆极化天线及阵列

说明书

本发明公开了一种基于低剖面馈电结构的宽带端射圆极化天线及阵列，天线包括由上到下设置的顶部金属辐射块、顶部金属层、介质层、底部金属层和底部金属辐射块；金属层上设有水平极化偶极子辐射单元，两个金属辐射块共同构成垂直极化的渐变槽辐射单元。通过调节两单元间幅度、相位关系，实现宽带圆极化天线。天线引入寄生引向振子，能够有效补偿偶极子辐射单元在高频段的增益衰减，从而大大展宽天线单元的轴比带宽。该天线通过低剖面基片集成波导进行馈电，能方便地扩展成天线阵列，且易于与前端有源电路相集成。本发明提出的天线阵列在保证宽带端射圆极化特性的同时，还具有低剖面的馈电结构，能方便地与前端有源电路平面集成，是毫米波通信的优良选择。

技术领域

本发明属于微波毫米波领域，特别是一种基于低剖面结构的宽带端射圆极化天线及阵列。

背景技术

由于具有大带宽、高数据传输速率的优势，毫米波技术相关应用近年来成为通信、雷达技术的研究热点，例如第五代移动通信、汽车雷达、卫星通信等等。在这些应用中，毫米波接收机与发射机之间的对准误差难以避免。若采用线极化天线作为收发天线，将导致收发天线间的极化失配以及接收信号信噪比的恶化。圆极化天线由于其抗多径衰落、对天线方位姿态敏感性低等优点被广泛来解决上述问题。根据天线的最大辐射方向，可以将圆极化天线分为边射和端射两类。由于端射圆极化天线的最大辐射方向平行于阵轴线，更加适合某些手持式、低剖面毫米波设备应用场景。

近年来，宽带毫米波端射圆极化天线相关研究受到国内外学者的广泛关注，也有相关的研究报道。然而，目前已报道的端射圆极化天线难以兼顾宽带和易于平面集成两大特性。目前实现宽带端射圆极化天线方案主要有两种，第一种方案是采用金属波导工艺实现宽带端射圆极化，然而其结构笨重、天线剖面高、加工成本高，且难以与平面电路相集成。第二种方案是采用互补源结构，在平面电路板上分别设有两种正交极化的辐射单元，通过调节两种正交极化电场分量之间的幅度、相位关系，实现宽带端射圆极化。该方案通常将开口SIW作为垂直极化辐射单元，为了产生两种幅度相近的正交极化分量，天线馈电结构剖面很高。如果采用如此厚的介质，对应的50Ω微带线宽将超过4mm。然而，前端有源电路芯片管脚间距较小(～0.5mm)，这使得芯片管脚与50Ω微带线二者之间阻抗匹配过渡结构设计困难且插入损耗较大，导致天线与射频前端有源电路难以平面集成。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于低剖面馈电结构的宽带端射圆极化天线及阵列。在能够实现宽带端射圆极化辐射的同时，降低天线馈电结构的剖面，使得整体天线阵列易于与前端有源电路平面集成。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于低剖面馈电结构的宽带端射圆极化天线，包括由上至下依次设置的顶部金属辐射块、顶部金属层、介质层、底部金属层和底部金属辐射块；所述顶部金属层、底部金属层上设有带引向振子的偶极子辐射单元；所述顶部金属辐射块、底部金属辐射块共同构成线性渐变槽辐射单元；所述偶极子辐射单元产生水平极化电场分量，线性渐变槽辐射单元产生垂直极化电场分量，通过调节两个正交极化电场分量间幅相关系，实现宽带圆极化辐射。

进一步地，所述顶部金属层、底部金属层平行于介质层对称设置；

所述顶部金属层包括第一矩形金属片、第一L型金属片和用于补偿高频处偶极子单元增益损失的第一引向振子，所述第一L型金属片设置于第一矩形金属片的长边处，包括第一金属臂和第二金属臂，其中第一金属臂与第一矩形金属片的长边相接且两者相互垂直，第二金属臂作为辐射边，所述第一引向振子相对于第一矩形金属片设置在第一L型金属片的另一侧，与第二金属臂平行且之间有一定距离；

所述底部金属层包括第二矩形金属片、第二L型金属片和用于补偿高频处偶极子单元增益损失的第二引向振子，所述第二L型金属片设置于第二矩形金属片的长边处，包括第三金属臂和第四金属臂，其中第三金属臂与第二矩形金属片的长边相接且两者相互垂直，第四金属臂作为辐射边，所述第二引向振子相对于第二矩形金属片设置在第二L型金属片的另一侧，与第四金属臂平行且之间有一定距离；

两个所述辐射边构成偶极子辐射单元；