一种堆叠式圆极化时域天线及阵列

本发明属于微波天线，具体涉及一种堆叠式圆极化时域天线及阵列。

背景技术：

1、时域天线是在极宽频带下工作的天线。时域天线又称为脉冲天线，可用于检测电磁环境中电磁脉冲(例如由核爆炸、闪电等引起的电磁脉冲)的强度。现代使用的时域天线有：①电阻加载线天线，它有集总加载和分布加载二种；②用电阻电容加载的线天线；③锥形天线或近似锥形天线；④横电磁波喇叭天线，这种天线具有较高的方向性及增益；⑤利用巴比涅原理构成的互补天线。

2、时域圆极化天线是宽频带天线的一种。宽频带是圆极化天线的重要研究方向，宽带天线可以解决无线系统对更大容量以及更快数据传输速率的需求，而圆极化相比线极化具有更多的优点，因此宽带圆极化天线被广泛应用于移动卫星通信、射频识别技术、全球导航卫星系统、无线电力传输系统等无线系统中。同时宽带圆极化相控阵可以有效解决雷达领域中，多目标分辨、目标识别、属性判断等难题。

3、圆极化相比较于线极化能够有效抑制以下在通信环境中会遇见的问题：1)多径干扰或衰落问题，当无线电信号在环境当中传播遇见地面或者其他反射体时，会发生极化偏转。例如右旋圆极化(rhcp)会被偏转为左旋圆极化(lhcp)，而右旋圆极化天线对于左旋圆极化天线有着很好的隔离度，因此能够有效减小多径干扰或衰落的问题。2)法拉第旋转效应，无线电信号除在遇见反射物体时会发生极化偏转，在遇见电离层时也会遇见极化偏转，而圆极化对于法拉第旋转效应也有很好的抑制效果。3)极化失配问题，在使用线极化时需要收发天线严格定向，否则会产生极化失配。而圆极化并不需要收发天线严格定向，这对于难以保持恒定天线方向的通信卫星具有非常大的应用价值。

4、因此，研究圆极化时域天线，有利于其组成的阵列天线实现圆极化大角度扫描，具有重大的研究意义和工程意义。

5、申请号为cn202210604586.7的专利文献公开了一种平面超宽带圆极化天线，其核心结构为四分之一圆形的单极子辐射贴片，弯折的微带枝节线、圆形贴片、共面波导馈线、一对非对称的共面波导接地面，该发明结构实现了较宽的阻抗带宽、轴比带宽。但是该天线不是定向辐射的天线，不具有组成天线阵列的潜能。

6、申请号为202111446979.1的专利文献公开了一种顺序相位馈电的宽带圆极化阵列天线及其穿戴设备，该天线为层叠结构，上层介质板的一面设置辐射单元，其另一面设置耦合缝隙单元，中间介质基板与下层介质基板设置带状馈电线单元，最底层为地板。该天线实现了剖面低、性能稳定的优点，但是阻抗带宽与轴比带宽不够宽，且未考虑单元耦合，因此应用方面受限。

7、现阶段关于性能优异的宽带圆极化扫描阵列研究较少，关于如何实现性能优异的宽带圆极化的宽角扫描，还需要进行深入研究。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种堆叠式圆极化时域天线及阵列。

2、本发明采取的技术方案是：

3、一种堆叠式圆极化时域天线，其特征在于，该天线包括从上到下依次设置的第一介质基板、寄生贴片层、第一金属腔体层、辐射贴片层、第二介质基板、耦合馈电层、第三介质基板层、第二金属腔体层、第一馈电网络层、第四介质基板层、金属接地层、第五介质基板、第二馈电网络层。

4、所述第二馈电网络层，设置于第五介质基板的下表面，包括一个威尔金森功分功分器。

5、所述第一馈电网络层，设置于第四介质基板的上表面，包括一段弯折微带线。

6、所述耦合馈电层，设置于第三介质基板的上表面，包括第一馈电圆形贴片、第二馈电圆形贴片。

7、所述第一馈电网络层和第二馈电网络层共同作用，为耦合馈电层的两个馈电圆形贴片馈入等幅且相位差为90°的信号；其中，所述威尔金森功分功分器的一个输出端通过第一金属圆柱连接第一馈电圆形贴片；威尔金森功分功分器的另一个输出端通过第三金属圆柱连接弯折微带线的输入端，弯折微带线的输出端再通过第二金属圆柱连接第二馈电圆形贴片。

8、所述辐射贴片层，设置于第二介质基板上表面，通过耦合馈电层的两个馈电圆形贴片耦合馈电，激励起圆极化的同时增加天线带宽。

9、所述寄生贴片层，设置于第一介质基板下表面，用于和辐射贴片层耦合，增加天线带宽。

10、所述第一金属腔体层和第二金属腔体层，均由方环形金属框构成，用于引入空气间隙；引入空气间隙层可以有效增加天线带宽，并且可以有效减小组阵后天线单元间的耦合。

11、进一步地，所述第二介质基板、第三介质基板层、第四介质基板、第五介质基板层均沿边缘设置有一圈金属通孔阵列；金属通孔阵列及方环形金属框共同构成了金属腔体，用于提高天线的方向图的稳定性，同时在阵列中降低圆极化天线单元之间的耦合效应，改善天线阵列扫描效果。

12、进一步地，所述辐射贴片层为正方形金属贴片，其中心与天线中轴线重合。

13、进一步地，所述寄生贴片层为正方形金属贴片，其中心与天线中轴线重合。

14、进一步地，所述第一馈电圆形贴片、第二馈电圆形贴片的中心分别位于第三介质基板正交的两条中线上。

15、进一步地，所述第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板的型号均为为f4bm-2，介电常数为2.65，介质板厚度均为2mm；所述第三介质基板、第四介质基板和第五介质基板的型号为rt5880，介电常数为2.2，介质基板厚度分别为0.508mm、0.762mm、0.762mm。

16、进一步地，所述弯折微带线的每个弯折处均为90°弯折，且在90°弯折处的外侧切角处理，减小微带传输线在弯折处所带来的不连续性。

17、进一步地，采用所述堆叠式圆极化时域天线作为阵元并采用旋转馈电的组阵形式排列组成圆极化天线阵列。

18、本发明中，考虑小型化，无法在一层馈电网络层中通过微带线移相得到90°相位差的信号，因此增加第一馈电网络层，通过弯折微带线得到90°相位差的信号连接馈电圆形贴片从而对辐射贴片进行耦合馈电。圆极化天线单元通过耦合馈电进行馈电时，可以有效改善天线单元的带宽特性；同时通过馈电网络层得到的稳定具有90°相位差的信号进行馈电，可以辐射左旋圆极化波同时具有很宽的轴比带宽。最后该天线具有小型化的特点，所组成的天线阵列具有优秀的扫描性能。

19、本发明的有益效果是：

20、(1)本发明利用现有展宽天线带宽，以及展宽轴比带宽方法综合设计，提出一种的小型化圆极化天线单元结构，实现了47.5％的阻抗带宽以及33％的轴比带宽。

21、(2)本发明提出的天线单元由于具有小型化以及优异的性能特点，因此通过旋转馈电组成的天线扫描阵列，中心频率扫描至±60°时，增益衰落小于3db，并且在2.64ghz-3.94ghz中轴比低于6db。

技术特征：

1.一种堆叠式圆极化时域天线，其特征在于，该天线包括从上到下依次设置的第一介质基板、寄生贴片层、第一金属腔体层、辐射贴片层、第二介质基板、耦合馈电层、第三介质基板层、第二金属腔体层、第一馈电网络层、第四介质基板层、金属接地层、第五介质基板、第二馈电网络层；

2.如权利要求1的所述的一种堆叠式圆极化时域天线，其特征在于，所述第二介质基板、第三介质基板层、第四介质基板、第五介质基板层均沿边缘设置有一圈金属通孔阵列；金属通孔阵列及方环形金属框共同构成了金属腔体。

3.如权利要求1或2的所述的一种堆叠式圆极化时域天线，其特征在于，所述第一馈电圆形贴片、第二馈电圆形贴片的中心分别位于第三介质基板正交的两条中线上。

4.如权利要求3的所述的一种堆叠式圆极化时域天线，其特征在于，所述辐射贴片层为正方形金属贴片，其中心与天线中轴线重合。

5.如权利要求3的所述的一种堆叠式圆极化时域天线，其特征在于，所述寄生贴片层为正方形金属贴片，其中心与天线中轴线重合。

6.如权利要求3的所述的一种堆叠式圆极化时域天线，其特征在于，所述第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板的型号均为为f4bm-2，介电常数为2.65，介质板厚度均为2mm；所述第三介质基板、第四介质基板和第五介质基板的型号为rt5880，介电常数为2.2，介质基板厚度分别为0.508mm、0.762mm、0.762mm。

7.如权利要求3的所述的一种堆叠式圆极化时域天线，其特征在于，所述弯折微带线的每个弯折处均为90°弯折，且在90°弯折处的外侧切角处理。

8.如权利要求1-7任一项所述的一种堆叠式圆极化时域天线，其特征在于，采用所述堆叠式圆极化时域天线作为阵元并采用旋转馈电的组阵形式排列组成圆极化天线阵列。

技术总结
本发明公开了一种堆叠式圆极化时域天线及阵列，涉及微波天线技术领域。该天线包括从上到下依次设置的第一介质基板、寄生贴片层、第一金属腔体层、辐射贴片层、第二介质基板、耦合馈电层、第三介质基板层、第二金属腔体层、第一馈电网络层、第四介质基板层、金属接地层、第五介质基板、第二馈电网络层。该天线利用寄生贴片和耦合馈电展开天线带宽，采用金属背腔实现稳定的单向辐射以及减小组阵后的耦合；馈电网络采用威尔金森功分器以及移相网络为实现圆极化在一定的带宽范围内提供稳定的90°相位差。该天线仅具有一个馈电端口，将天线单元旋转馈电排布成8×8的平面阵列，可以在工作带宽内实现圆极化宽角扫描。

技术研发人员：丁霄,王烨,位朝垒,高国峰
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24