圆极化差分介质谐振器阵列天线的制作方法

本发明属于光学/微波、无线通信与测试仿真技术领域，具体涉及一种圆极化差分介质谐振器阵列天线。

背景技术：

近些年来，差分微波电路因为其在谐波抑制、共模噪声抑制和模态电流消除等方面的优势而被广泛应用于射频电路前端。然而传统的单端口天线不能直接与差分电路相接，必须依靠巴伦或者180°混合耦合器才能与差分电路集成在一起。巴伦或者180°混合耦合器都会使得损耗和成本增大，因此越来越多的差分馈电天线被关注和研究。由于介质谐振器天线具有损耗低、尺寸小、效率高、易于激励和带宽可控等优点，差分介质谐振器天线在最近几年逐渐成为国内外的研究热点。圆极化天线比起线极化来说具有很大的优势，例如能够有效地缓解极化失配和多径衰落问题，差分圆极化介质谐振器天线的研究在毫米波通信系统中具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术存在的不足而提出的一种圆极化差分介质谐振器阵列天线，它的中心频率是27.5ghz，阻抗带宽是12.1%，轴比带宽为11.1%，有效轴比带宽为10.6%。能够实现与射频前端差分电路的直接集成而不需要额外的巴伦转换，不仅减小了损耗，也减小了电路尺寸。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种圆极化差分介质谐振器阵列天线，包括一个馈电结构和四个辐射单元，特点是：

所述馈电结构包括一介质基板、一接地面和一并联旋转馈电网络，所述接地面设于所述介质基板的上表面，所述馈电网络设于基板的下表面；所述接地面为刻蚀于介质基板上的金属层，接地面上刻蚀有四个十字槽缝，其相邻的十字槽缝呈旋转90°设置；所述四个辐射单元分别设于四个十字槽缝上，分别为：第一辐射单元，第二辐射单元，第三辐射单元和第四辐射单元；第一辐射单元与第二辐射单元、第三辐射单元与第四辐射单元、第二辐射单元与第三辐射单元、第一辐射与第四辐射单元之间的间距均为天线工作频率波在自由空间中波长的0.6倍；四个辐射单元的物理尺寸相同；

所述馈电网络由第一功分器、第二功分器、第三功分器、第四功分器、第五功分器、第六功分器、第七功分器、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器及第四耦合器电性连接而成；其中：

第一功分器包括一输入线、一第一阻抗变换器、一第一输出线和一第二输出线，所述输入线一端接sma接头，用于对圆极化阵列天线进行馈电，另一端与第一阻抗变换器连接；第一阻抗变换器的另一端与第一输出线和第二输出线相连接；

第二功分器包括一第三输出线、一第四输出线和一第二阻抗变换器，所述第二阻抗变换器的一端与第一输出线相连，另一端与第三输出线和第四输出线相连接；所述第三输出线和第四输出线电尺寸的差为天线工作频率在介质基板中的四分之一波长；

第三功分器包括一第五输出线、一第六输出线和一第三阻抗变换器，所述第三阻抗变换器的一端与第二输出线相连接，另一端与第五输出线和第六输出线相连接；所述第五输出线和第六输出线电尺寸的差为天线工作频率在介质基板中的四分之一波长；

第四功分器包括一第七输出线、一第八输出线和一第五阻抗变换器，所述第五阻抗变换器的一端与第四输出线相连接，另一端与第七输出线和第八输出线相连接；所述第七输出线和第八输出线电尺寸的差为天线工作频率在介质基板中的二分之一波长；

第五功分器包括一第九输出线、一第十输出线和一第四阻抗变换器，所述第四阻抗变换器的一端与第三输出线相连接，另一端与第九输出线和第十输出线相连接；所述第九输出线和第十输出线电尺寸的差为天线工作频率在介质基板中的二分之一波长；

第六功分器包括一第十一输出线、一第十二输出线和一第七阻抗变换器，所述第七阻抗变换器的一端与第六输出线相连接，另一端与十一输出线和第十二输出线相连接；所述第十一输出线和第十二输出线电尺寸的差为天线工作频率在介质基板中的二分之一波长；

第七功分器包括一第十三输出线、一第十四输出线和一第六阻抗变换器，所述第六阻抗变换器的一端与第五输出线相连接，另一端与第十三输出线和第十四输出线相连接；所述第十三输出线和第十四输出线电尺寸的差为天线工作频率在介质基板中的二分之一波长；

第一耦合器的一端与第七输出线相连接，另一端与第八输出线相连接；

第二耦合器的一端与第九输出线相连接，另一端与第十输出线相连接；

第三耦合器的一端与第十一输出线相连接，另一端与第十二输出线相连接；

第四耦合器的一端与第十三输出线相连接，另一端与第十四输出线相连接；

所述第二功分器和第三功分器具有相同的物理尺寸，沿四个辐射单元的中心呈中心对称；

所述第四功分器、第五功分器、第六功分器和第七功分器具有相同的物理尺寸，且沿四个辐射单元的中心依次呈90°旋转设置。

所述第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器和第四耦合器的两端输入的信号是一对幅度相等、相位相差180°的差分信号。

本发明四个耦合器通过四个十字槽缝分别给四个辐射单元进行差分馈电，能量通过十字槽缝耦合到辐射单元，并且通过十字槽缝的垂直放置和长度差在每一个辐射单元内产生圆极化，接着利用并联的旋转馈电网络展宽了圆极化轴比带宽，降低了天线交叉极化电平。

本发明的有益效果是，圆极化天线有两个馈电端口，且在这两个端口馈入一对差分信号，这样能够实现该圆极化阵列天线与射频前端差分电路的直接集成而不需要额外的巴伦转换，不仅减小了损耗，也减小了电路尺寸。且因为采用了顺序旋转的馈电网络，该阵列天线的轴比带宽得到了拓宽，交叉极化电平也相应比较低。

附图说明

图1为本发明的正面俯视图；

图2为本发明的反面俯视图；

图3为本发明的三维结构示意图；

图4为本发明实施例的反射系数结果图；

图5为本发明实施例的轴比和增益结果图；

图6为本发明实施例在27.5ghz下的xoz面的辐射方向图；

图7为本发明实施例在27.5ghz下的yoz面的辐射方向图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例

参阅图1-3，本实施例的差分圆极化阵列天线应用在ka波段。其包括一个馈电结构和四个辐射单元201-204；所述馈电结构包括一介质基板1、设于介质基板1上表面的接地面3和设于介质基板1下表面的并联旋转馈电网络5，所述接地面3为刻蚀于介质基板1上的金属层，其上刻蚀有四个十字槽缝4，四个十字槽缝4相邻呈旋转90°设置；所述四个辐射单元201-204分别设于四个十字槽缝4上，分别为：第一辐射单元，第二辐射单元，第三辐射单元和第四辐射单元；第一辐射单元与第二辐射单元、第三辐射单元与第四辐射单元、第二辐射单元与第三辐射单元、第一辐射与第四辐射单元之间的间距均为天线工作频率波在自由空间中波长的0.6倍；四个辐射单元的物理尺寸相同；且均采用介电常数为11.2的rogersrt6010介质材料。

所述介质基板1为厚度0.3mm，介电常数为3.55的rogersro4003c材料。

所述馈电网络5由第一功分器、第二功分器、第三功分器、第四功分器、第五功分器、第六功分器、第七功分器、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器及第四耦合器电性连接而成；其中：

第一功分器包括一输入线51、一第一阻抗变换器52、一第一输出线54和一第二输出线53，所述输入线51一端接sma接头，用于对圆极化阵列天线进行馈电，另一端与第一阻抗变换器52连接；第一阻抗变换器52的另一端与第一输出线54和第二输出线53相连接；

第二功分器包括一第三输出线81、一第四输出线82和一第二阻抗变换器6，所述第二阻抗变换器6的一端与第一输出线54相连，另一端与第三输出线81和第四输出线82相连接；所述第三输出线81和第四输出线82电尺寸的差为天线工作频率在介质基板中的四分之一波长，以此实现第三输出线和第四输出线输出的信号具有90°相位差；

第三功分器包括一第五输出线91、一第六输出线92和一第三阻抗变换器7，所述第三阻抗变换器7的一端与第二输出线53相连接，另一端与第五输出线91和第六输出线92相连接；所述第五输出线91和第六输出线92电尺寸的差为天线工作频率在介质基板中的四分之一波长，以此实现第五输出线和第六输出线输出的信号具有90°相位差；

第四功分器包括一第七输出线18、一第八输出线19和一第五阻抗变换器11，所述第五阻抗变换器11的一端与第四输出线82相连接，另一端与第七输出线18和第八输出线19相连接；所述第七输出线18和第八输出线19电尺寸的差为天线工作频率在介质基板中的二分之一波长，以此实现第七输出线18和第八输出线输出19的信号具有180°相位差；

第五功分器包括一第九输出线20、一第十输出线21和一第四阻抗变换器10，所述第四阻抗变换器10的一端与第三输出线81相连接，另一端与第九输出线20和第十输出线21相连接；所述第九输出线20和第十输出线21电尺寸的差为天线工作频率在介质基板中的二分之一波长，以此实现第九输出线20和第十输出线21输出的信号具有180°相位差；

第六功分器包括一第十一输出线22、一第十二输出线23和一第七阻抗变换器13，所述第七阻抗变换器13的一端与第六输出线92相连接，另一端与十一输出线22和第十二输出线23相连接；所述第十一输出线22和第十二输出线23电尺寸的差为天线工作频率在介质基板中的二分之一波长，以此实现第十一输出线22和第十二输出线23输出的信号具有180°相位差；

第七功分器包括一第十三输出线24、一第十四输出线25和一第六阻抗变换器12，所述第六阻抗变换器12的一端与第五输出线91相连接，另一端与第十三输出线24和第十四输出线25相连接；所述第十三输出线24和第十四输出线25电尺寸的差为天线工作频率在介质基板中的二分之一波长，以此实现第十三输出线24和第十四输出线25输出的信号具有180°相位差；

第一耦合器14的一端与第七输出线18相连接，另一端与第八输出线19相连接，其两端的一对差分信号分别由第七输出线18和第八输出线19提供；

第二耦合器15的一端与第九输出线20相连接，另一端与第十输出线21相连接，其两端的一对差分信号分别由第九输出线20和第十输出线21提供；

第三耦合器16的一端与第十一输出线22相连接，另一端与第十二输出线23相连接，其两端的一对差分信号分别由第十一输出线22和第十二输出线23提供；

第四耦合器17的一端与第十三输出线24相连接，另一端与第十四输出线25相连接，其两端的一对差分信号分别由第十三输出线24和第十四输出线25提供；

所述第二功分器和第三功分器具有相同的物理尺寸，且结构心对称；

所述第四功分器、第五功分器、第六功分器和第七功分器具有相同的物理尺寸，且沿四个辐射单元的中心依次呈90°旋转设置。

所述的阻抗变换器均为35欧姆特性阻抗。

所述第一功分器的输入线为50欧姆特性阻抗，以此来实现良好的阻抗匹配。

第一耦合器14、第二耦合器15、第三耦合器16和第四耦合器17分别为第一辐射单元201、第二辐射单元202、第三辐射单元203和第四辐射单元204进行差分馈电，并通过四对十字槽缝4实现能量的耦合和圆极化辐射，接着利用所述的并联旋转馈电网络展宽了圆极化轴比带宽，降低了天线交叉极化电平。

天线的回波损耗、轴比和27.5ghz下的辐射方向图由图4到图7给出。图4是天线的回波损耗的结果，该天线在25.5ghz到28.7ghz的反射系数都可以达到-10db以下，其阻抗带宽为12.2%。图5是天线的轴比和增益随频率变化的结果，该天线在25.9ghz到28.9ghz的轴比都可以达到3db以下，其轴比带宽为11.1%；天线在28ghz时候增益达到最大值9dbi。图6和图7分别是天线在27.5ghz时xoz面和yoz面的辐射方向图，该天线的主极化为左旋圆极化，交叉极化为右旋圆极化，在3db波束范围内，天线的交叉极化电平都低于-15db，表现出良好的圆极化辐射性能。该差分圆极化天线在带宽、轴比和方向图等方面都具良好的性能，且天线为差分馈电，这样能够实现该圆极化阵列天线与射频前端差分电路的直接集成而不需要额外的巴伦转换，不仅减小了损耗，也减小了电路尺寸，因此该天线适合于无线通信领域，具有较高的推广价值。