一种W波段旋转式圆极化磁电偶极子天线阵列

本发明属于天线，特别涉及一种w波段旋转式圆极化磁电偶极子天线阵列，可用于毫米波天线通信与高分辨率雷达成像。

背景技术：

1、随着现代无线技术的发展，宽频带、高传输速率、小型化和多功能集成的通信设备成为发展趋势，由于毫米波等高频段能满足以上需求成为近年来研究的热点。毫米波是指频率在30ghz到300ghz范围内的电磁波，对应的波长为1mm～10mm，本发明所涉及的w波段天线即属于毫米波天线。相对于低频段，毫米波天线设备具有宽频带，结构尺寸小，通信安全性好，目标识别分辨率高等优点。同时w波段内特定频率附近频带内大气衰减比较小，工作在此频率的天线在高分辨率雷达、点对点数据传输、精确制导以及高分辨率雷达成像等系统上有重要应用。

2、从本质上说，磁电偶极子天线属于一种互补天线。电偶极子的e面辐射方向图为“8”型，h面为“0”型，而磁偶极子的e、h面辐射方向图与其恰好相反。如果将正交放置的电偶极子和磁偶极子天线等幅同相激励，则其合成的辐射方向图形状会是一个在e和h面对称的心脏线形，从而得到了对称的e、h面辐射方向图与极低的后向辐射。

3、天线按照极化特性可分为线极化、圆极化和椭圆极化三种，其中线极化天线被应用最广泛。相较于线极化天线，圆极化天线拥有抗干扰、防雨雾、抗衰减的优点，且收发天线间不需要满足严格的方向性。这些优点使得对圆极化天线的研究得到了人们的极大重视。

4、彭立尧在其硕士论文《w波段平面阵列天线研究》中提出了一种w波段圆极化磁电偶极子天线，该天线中心频率为77ghz，天线单元采用siw缝隙馈电，最大增益为8.8db，同时拥有18.2％的阻抗带宽和17.6％的轴比带宽。并进行了阵列化的设计，设计了一款2x2圆极化天线阵，增益提高到了14.4db，副瓣电平为-10.8db。该阵列天线虽然实现了w波段的圆极化磁电偶极子阵列天线设计，但按照均匀阵组阵，仅能提高增益，并没有考虑到天线阵的轴比带宽问题；阵元间距较大，天线阵的副瓣电平较高；天线单元采用siw缝隙激励馈电，需要设计多层pcb结构实现馈电，结构复杂，制作成本高，不利于大规模量产；且天线为单口输入馈电，各单元馈电相位恒定，不利于进一步的相控阵设计。

5、总体来说，现有技术的主要缺点如下：

6、第一，现有技术中天线单元采用siw缝隙激励馈电，需要设计多层pcb结构并设计siw传输线，在w波段94ghz频率下，制作复杂，成本较高，不利于大规模量产。

7、第二，现有技术中的天线阵列为均匀平面阵，各天线单元完全一致，仅能实现提高增益的效果，并不能提高天线阵的轴比带宽。且阵元间距较大，天线阵的副瓣电平较高。

8、第三，现有技术中的天线阵列为单口馈电，每个电线单元的馈电相位恒定，不利于大规模相控阵的实现。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种w波段旋转式圆极化磁电偶极子天线阵列，旨在实现w波段圆极化磁电偶极子天线的基础上，进一步扩展轴比带宽，降低天线阵列的副瓣电平，并减少馈电传输结构的复杂程度，降低制作成本，并能进一步实现相控阵的相关设计。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种w波段旋转式圆极化磁电偶极子天线阵列，包括上下层叠的天线辐射结构和馈电传输结构，其中：

4、所述天线辐射结构，为一块介质基板，在其上表面蚀刻有四个沿介质基板中心轴线旋转对称分布的金属贴片模组，每个金属贴片模组由四个呈两行两列布置的矩形金属贴片构成，其中一对处于对角线位置的贴片通过金属条相连，每一个矩形金属贴片下方均设置有贯穿该介质基板的垂直金属通孔；

5、所述馈电传输结构，为一块金属板，在其内部与金属贴片模组相对应的位置铣削有四个矩形波导，其中一条对角线上的矩形波导为直通波导，另一条对角线上的矩形波导为以竖向为轴进行旋转的扭转波导；所述四个矩形波导的下端口均匀分布，上端口则设置有短路面，所述短路面上开有耦合缝隙，矩形波导上端口与耦合缝隙关于金属板中心轴线旋转对称分布。

6、在一个实施例中，所述金属贴片模组中，在最外侧的四个顶点处设置有切角一，且未用金属条相连的一对处于对角线位置的贴片在靠近金属贴片模组中心的顶点处设置有切角二，切角二大于切角一。

7、在一个实施例中，所述金属贴片模组中，连接一对处于对角线位置的贴片的金属条朝向介质基板中心。

8、在一个实施例中，所述垂直金属通孔的分布位置关于相应金属贴片模组的两轴线轴对称。

9、在一个实施例中，所述扭转波导为三层结构，其下层结构与直通波导一致，中层为沿扭转波导竖向中心轴线旋转45°的扭转结构，上层为沿扭转波导竖向中心轴线旋转90°，大小与下层结构一致的矩形波导结构。

10、在一个实施例中，所述扭转结构为领结型结构，即两端阔，中间窄，且长度方向为对角线方向，宽度从中间向两端呈流线型递增。

11、在一个实施例中，所述金属贴片模组的非对角中心轴线、与该金属贴片模组对应的耦合缝隙的长度方向中心轴线、与该金属贴片模组对应的直通波导的长度方向中心轴线、与该金属贴片模组对应的扭转波导的长度方向中心轴线，相互重合。

12、在一个实施例中，所述四个矩形波导，分别旋转馈入具有相位梯度的等幅激励，激励相位依次为0°、90°、180°、270°。

13、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

14、1.本发明的辐射结构和馈电传输网络均为旋转对称设计，在单元圆极化的基础上，有效地拓展了阵列的圆极化轴比带宽，获得了更优异的圆极化性能。同时压缩了阵元间距，降低了圆极化轴比，降低了天线阵列的副瓣电平。本发明可用于毫米波天线通信与高分辨率雷达成像。

15、2.本发明由位于上方的单层介质基板(例如pcb板)和下方的金属板构成，并在介质基板上蚀刻出辐射结构，金属板通过铣削操作获得馈电传输结构，制作简单，成本较低，结构稳定性较好，有利于大规模量产。

16、3.本发明的天线阵列为各个单元独立馈电，可以进一步进行大规模相控阵的相关设计。

技术特征：

1.一种w波段旋转式圆极化磁电偶极子天线阵列，其特征在于，包括上下层叠的天线辐射结构(1)和馈电传输结构(2)，其中：

2.根据权利要求1所述w波段旋转式圆极化磁电偶极子天线阵列，其特征在于，所述金属贴片模组(11)中，在最外侧的四个顶点处设置有切角一，且未用金属条相连的一对处于对角线位置的贴片在靠近金属贴片模组(11)中心的顶点处设置有切角二，切角二大于切角一。

3.根据权利要求1所述w波段旋转式圆极化磁电偶极子天线阵列，其特征在于，所述金属贴片模组(11)中，连接一对处于对角线位置的贴片的金属条朝向介质基板中心。

4.根据权利要求1所述w波段旋转式圆极化磁电偶极子天线阵列，其特征在于，所述垂直金属通孔(12)的分布位置关于相应金属贴片模组(11)的两轴线轴对称。

5.根据权利要求1所述w波段旋转式圆极化磁电偶极子天线阵列，其特征在于，所述扭转波导(23)为三层结构，其下层结构与直通波导(22)一致，中层为沿扭转波导(23)竖向中心轴线旋转45°的扭转结构，上层为沿扭转波导(23)竖向中心轴线旋转90°，大小与下层结构一致的矩形波导结构。

6.根据权利要求5所述w波段旋转式圆极化磁电偶极子天线阵列，其特征在于，所述扭转结构为领结型结构，即两端阔，中间窄，且长度方向为对角线方向，宽度从中间向两端呈流线型递增。

7.根据权利要求1所述w波段旋转式圆极化磁电偶极子天线阵列，其特征在于，所述金属贴片模组(11)的非对角中心轴线、与该金属贴片模组(11)对应的耦合缝隙(21)的长度方向中心轴线、与该金属贴片模组(11)对应的直通波导(22)的长度方向中心轴线、与该金属贴片模组(11)对应的扭转波导(23)的长度方向中心轴线，相互重合。

8.根据权利要求1所述w波段旋转式圆极化磁电偶极子天线阵列，其特征在于，所述四个矩形波导，分别旋转馈入具有相位梯度的等幅激励，激励相位依次为0°、90°、180°、270°。

技术总结
本发明提出了一种W波段旋转式圆极化磁电偶极子天线阵列，属于天线技术领域，用以解决现有技术中天线阵轴比带宽窄，结构复杂的问题，其包括上下层叠的天线辐射结构和馈电传输结构，天线辐射结构上蚀刻有四个沿中心轴线旋转对称分布的金属贴片模组并在其下方设置有垂直金属通孔；馈电传输结构为一金属板，并在其内部铣削有旋转对称分布的四个金属波导，旋转馈入具有相位梯度的激励，且在上端口则设置有短路面，并开耦合缝隙；通过旋转对称布置的馈电结构和辐射结构有效拓展了轴比带宽，本发明可用于毫米波天线通信与高分辨率雷达成像。

技术研发人员：张帅,张德训,林志成,闫登辉,陈俣
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13