本發(fā)明屬于無(wú)線通信系統(tǒng)中天線設(shè)計(jì)的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種高增益雙圓極化平板天線。

背景技術(shù)：

二十世紀(jì)80年代后期，徑向線縫隙天線(Radial Line Slot Antennas，RLSA)作為Ku波段的高增益衛(wèi)星接收天線而被提出，它兼具了波導(dǎo)縫隙天線的高效率和微帶天線低剖面的優(yōu)點(diǎn)。

從早期的高次模十字交叉縫隙環(huán)形陣列，到雙層介質(zhì)填充正交縫隙陣列，再到單層介質(zhì)填充正交縫隙陣列，研究學(xué)者們對(duì)徑向線縫隙天線的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了不斷的改進(jìn)，使性能達(dá)到了與波導(dǎo)縫隙陣列近似的水平?，F(xiàn)已廣泛用于DBS衛(wèi)星直播電視收發(fā)系統(tǒng)，并在高速無(wú)線接入、點(diǎn)到點(diǎn)通信、汽車防碰撞雷達(dá)以及高功率陣列天線領(lǐng)域獲得了應(yīng)用。

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，為了有效利用靜止軌道與頻譜資源，在某些軌道劃分中存在頻率重復(fù)利用，這將在有效帶寬內(nèi)產(chǎn)生信號(hào)的相互干擾，為此需采用不同的極化方式來(lái)收發(fā)信號(hào)。因此，設(shè)計(jì)一副在同頻段內(nèi)能實(shí)現(xiàn)左旋或者右旋圓極化接收的高增益天線成為衛(wèi)星通信中的必然需求。2013年Hideki Ueda等人利用180°E形彎頭連接兩層徑向線波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)雙圓極化的設(shè)計(jì)，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大，因此單層徑向線波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的雙圓極化天線就顯得很有優(yōu)勢(shì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種高增益雙圓極化平板天線，它工作于Ku波段，包括單層徑向線波導(dǎo)和微帶饋電網(wǎng)絡(luò)。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明技術(shù)方案如下：

一種高增益雙圓極化平板天線，包括：金屬支撐板、固定于金屬支撐板上方的單層徑向線波導(dǎo)、固定于金屬支撐板下方的饋電網(wǎng)絡(luò)，徑向線波導(dǎo)上表面設(shè)有貫穿波導(dǎo)表面覆銅層的輻射縫隙陣列；

所述輻射縫隙陣列包括多圈同心的環(huán)狀縫隙，每圈環(huán)狀縫隙由一個(gè)線極化的縫隙繞陣列的圓心同向依次旋轉(zhuǎn)相同的角度復(fù)制而得，每一圈的縫隙在所在圈上均布排列，相鄰縫隙依次旋轉(zhuǎn)的角度＝360度/每一圈的縫隙個(gè)數(shù)，同一圈上的縫隙尺寸相同，從內(nèi)圈向外圈縫隙的尺寸逐漸增大；

從內(nèi)圈向外圈縫隙的尺寸逐漸增大，是為了獲得均勻口徑場(chǎng)分布，得到最大增益。

徑向線波導(dǎo)上表面中心處設(shè)有一貫穿波導(dǎo)表面覆銅層的環(huán)狀縫隙作為匹配圓環(huán)；

4個(gè)同軸探針均勻分布于匹配圓環(huán)內(nèi)部同心圓的圓周上，4個(gè)同軸探針用于對(duì)徑向線波導(dǎo)饋電，同軸探針一端通過(guò)定位孔深入徑向線波導(dǎo)中、另一端通過(guò)定位孔焊接于饋電網(wǎng)絡(luò)的輸出端口上；

饋電網(wǎng)絡(luò)由威爾金森功分器和分支線混合網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)構(gòu)成，其中兩個(gè)威爾金森功分器具有四個(gè)輸出端口，分支線混合網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)輸入端口分別連接到兩個(gè)威爾金森功分器的輸出端口上；兩個(gè)SMA接頭分別連接饋電網(wǎng)絡(luò)的威爾金森功分器的輸入端。

作為優(yōu)選方式，每圈相鄰縫隙之間的間隔為0.6個(gè)徑向線波導(dǎo)的波長(zhǎng)，所述間隔為每個(gè)縫隙中點(diǎn)之間的距離。間隔0.6個(gè)波長(zhǎng)是為了避免柵瓣并且減少縫隙之間的互耦；

作為優(yōu)選方式，所述輻射縫隙陣列包括5圈同心的環(huán)狀縫隙。設(shè)置5圈縫隙陣列是為了獲得所需要的24dBi左右的增益。

作為優(yōu)選方式，左旋圓極化饋電SMA接頭、右旋圓極化饋電SMA接頭分別連接饋電網(wǎng)絡(luò)的威爾金森功分器的輸入端，這樣對(duì)整個(gè)天線進(jìn)行饋電。

作為優(yōu)選方式，每個(gè)縫隙與從輻射縫隙陣列圓心發(fā)出的徑向線的銳角夾角為43-47度。這樣可使左旋圓極化和右旋圓極化的增益大致相同。

作為優(yōu)選方式，金屬支撐板下方設(shè)有凸起的腔體，饋電網(wǎng)絡(luò)通過(guò)金屬螺釘固定于所述腔體底部。這樣是為了便于安裝饋電網(wǎng)絡(luò)并且為左旋圓極化饋電SMA接頭、右旋圓極化饋電SMA接頭的焊接留夠足夠的空間。

作為優(yōu)選方式，4個(gè)同軸探針均勻分布于匹配圓環(huán)內(nèi)部半徑5mm的同心圓的圓周上。這樣能在徑向線波導(dǎo)里激勵(lì)起所需的穩(wěn)定的場(chǎng)模式。

作為優(yōu)選方式，徑向線波導(dǎo)通過(guò)塑料螺釘固定于金屬支撐板的上表面。這樣對(duì)徑向線波導(dǎo)起到支撐作用，防止徑向線波導(dǎo)因外力而變形；

作為優(yōu)選方式，相鄰圈的環(huán)狀縫隙沿縫隙陣列圓心的徑向方向的間距為一個(gè)徑向線波導(dǎo)的波長(zhǎng)，以便輻射能量同相疊加，所述間距是指相鄰縫隙中點(diǎn)間的距離。

傳統(tǒng)的雙圓極化徑向線縫隙天線采用雙層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，本發(fā)明為了簡(jiǎn)化天線結(jié)構(gòu)，采用單層徑向線波導(dǎo)，通過(guò)在上表面開環(huán)形排布的縫隙陣列輻射電磁波。不同于傳統(tǒng)的徑向線縫隙天線采用兩個(gè)相互正交的縫隙對(duì)作為輻射單元，本發(fā)明采用線極化的單個(gè)縫隙作為輻射單元，將此單元沿中心旋轉(zhuǎn)復(fù)制得到環(huán)狀縫隙陣列，通過(guò)順序旋轉(zhuǎn)技術(shù)(Sequential Rotation Technique)實(shí)現(xiàn)圓極化波的輻射。

本發(fā)明采用四個(gè)探針對(duì)徑向線波導(dǎo)饋電，以分支線混合網(wǎng)絡(luò)(branch-line hybrid)為單元，根據(jù)Bulter矩陣設(shè)計(jì)饋電網(wǎng)絡(luò)，控制探針饋電相位，在波導(dǎo)中分別產(chǎn)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)場(chǎng)模式和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)場(chǎng)模式，從而通過(guò)單層徑向線波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了雙圓極化RLSA的設(shè)計(jì)。

本發(fā)明為了提高天線阻抗匹配帶寬，在徑向線波導(dǎo)上表面中心處開一環(huán)狀縫隙，以加載電容的方式調(diào)節(jié)阻抗匹配，擴(kuò)寬了帶寬。

本發(fā)明具有以下有益效果：

(1)與常規(guī)的雙圓極化微帶天線相比，本發(fā)明用波導(dǎo)開縫形式輻射電磁波，避免了龐大的饋電功分結(jié)構(gòu)，損耗小，天線效率高。

(2)與常規(guī)的雙圓極化徑向線縫隙天線相比，本發(fā)明采用單層徑向線波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)雙圓極化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單小巧，易加工，成本低。

(3)在徑向波導(dǎo)上表面中心處開一環(huán)形縫隙，作為匹配圓環(huán)，有效擴(kuò)寬了天線阻抗匹配帶寬。

(4)在所需頻段內(nèi)，本發(fā)明具有穩(wěn)定的輻射方向圖、極低的交叉極化電平、良好的回波損耗以及收發(fā)隔離度。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)的俯視圖；

圖2是本發(fā)明結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；

圖3是本發(fā)明的仰視圖；

圖4是本發(fā)明的饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖；

圖5(a)是天線左旋圓極化E面的主極化與交叉極化方向圖；

圖5(b)是天線左旋圓極化H面的主極化與交叉極化方向圖；

圖6(a)是天線右旋圓極化E面的主極化與交叉極化方向圖；

圖6(b)是天線右旋圓極化H面的主極化與交叉極化方向圖；

圖7是天線左旋圓極化E面、H面的軸比方向圖；

圖8是天線右旋圓極化E面、H面的軸比方向圖；

圖9是天線兩端口反射系數(shù)曲線圖；

圖10是天線兩端口隔離度曲線圖；

圖11是天線的增益隨頻率的變化曲線；

圖12是天線的軸比隨頻率的變化曲線。

其中1為徑向線波導(dǎo)，2為輻射縫隙陣列，3為匹配圓環(huán)，4為同軸探針，5為塑料螺釘，6為金屬支撐板，7為饋電網(wǎng)絡(luò)，8為左旋圓極化饋電SMA接頭，9為右旋圓極化饋電SMA接頭，10為金屬螺釘，11為威爾金森功分器，12為分支線混合網(wǎng)絡(luò)。

具體實(shí)施方式

以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的具體實(shí)施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。

傳統(tǒng)的雙圓極化徑向線縫隙天線采用雙層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，本發(fā)明為了簡(jiǎn)化天線結(jié)構(gòu)，采用單層徑向線波導(dǎo)，通過(guò)在上表面開環(huán)形排布的縫隙陣列輻射電磁波。

不同于傳統(tǒng)的RLSA天線采用兩個(gè)相互正交的縫隙對(duì)作為輻射單元，本發(fā)明采用線極化的單個(gè)縫隙作為輻射單元，將此單元沿中心旋轉(zhuǎn)復(fù)制得到一個(gè)環(huán)形縫隙陣，通過(guò)順序旋轉(zhuǎn)技術(shù)(Sequential Rotation Technique)實(shí)現(xiàn)圓極化波的輻射。

如圖1-3所示，本實(shí)施例的高增益雙圓極化平板天線包括：金屬支撐板6、固定于金屬支撐板6上方的單層徑向線波導(dǎo)1、固定于金屬支撐板6下方的饋電網(wǎng)絡(luò)7，徑向線波導(dǎo)1上表面設(shè)有貫穿波導(dǎo)表面覆銅層的輻射縫隙陣列2；

所述輻射縫隙陣列2包括5圈同心的環(huán)狀縫隙，每圈環(huán)狀縫隙由一個(gè)線極化的縫隙繞陣列的圓心同向依次旋轉(zhuǎn)相同的角度復(fù)制而得，每一圈的縫隙在所在圈上均布排列，相鄰縫隙依次旋轉(zhuǎn)的角度＝360度/每一圈的縫隙個(gè)數(shù)，同一圈上的縫隙尺寸相同，從內(nèi)圈向外圈縫隙的尺寸逐漸增大；

從內(nèi)圈向外圈縫隙的尺寸逐漸增大，使靠近中心的縫隙從波導(dǎo)耦合的能量稍弱，靠近邊緣的縫隙從波導(dǎo)耦合的能量稍強(qiáng)，從而達(dá)到均勻口徑分布的效果，得到最大增益。

徑向線波導(dǎo)1上表面中心處設(shè)有一貫穿波導(dǎo)表面覆銅層的環(huán)狀縫隙作為匹配圓環(huán)3；以加載電容的方式調(diào)節(jié)阻抗匹配，擴(kuò)寬了帶寬。

4個(gè)同軸探針4均勻分布于匹配圓環(huán)3內(nèi)部半徑5mm的同心圓的圓周上，這樣能在徑向線波導(dǎo)里激勵(lì)起所需的穩(wěn)定的場(chǎng)模式。4個(gè)同軸探針4用于對(duì)徑向線波導(dǎo)1饋電，同軸探針4一端通過(guò)定位孔深入徑向線波導(dǎo)1中、另一端通過(guò)定位孔焊接于饋電網(wǎng)絡(luò)7的輸出端口上；

本發(fā)明采用四個(gè)同軸探針對(duì)徑向線波導(dǎo)饋電，以分支線混合網(wǎng)絡(luò)(branch-line hybrid)為單元，根據(jù)Bulter矩陣設(shè)計(jì)饋電網(wǎng)絡(luò)，控制探針饋電相位，在波導(dǎo)中分別產(chǎn)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)場(chǎng)模式和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)場(chǎng)模式，從而通過(guò)單層徑向線波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了雙圓極化RLSA的設(shè)計(jì)。

如圖4所示，饋電網(wǎng)絡(luò)7由威爾金森功分器11和分支線混合網(wǎng)絡(luò)12級(jí)聯(lián)構(gòu)成，其中兩個(gè)威爾金森功分器11具有四個(gè)輸出端口，分支線混合網(wǎng)絡(luò)12的兩個(gè)輸入端口分別連接到兩個(gè)威爾金森功分器11的輸出端口上；左旋圓極化饋電SMA接頭8、右旋圓極化饋電SMA接頭9分別連接饋電網(wǎng)絡(luò)的威爾金森功分器11的輸入端，這樣對(duì)整個(gè)天線進(jìn)行饋電。

微帶線印刷于厚度為0.254mm、相對(duì)介電常數(shù)為2.2的介質(zhì)板上，當(dāng)信號(hào)由左旋圓極化饋電SMA接頭8輸入時(shí)，經(jīng)過(guò)威爾金森功分器11和分支線混合網(wǎng)絡(luò)12，得到四路輸出信號(hào)，四路輸出信號(hào)相位呈順時(shí)針90°遞減，通過(guò)同軸探針4對(duì)徑向波導(dǎo)1饋電，在波導(dǎo)中激勵(lì)起順時(shí)針旋轉(zhuǎn)場(chǎng)模式——兩個(gè)空間、時(shí)間均正交的TM11模式組合。沿圓周方向場(chǎng)幅度相等，相位沿圓周方向存在線性變化，故波導(dǎo)上表面的圓環(huán)狀縫隙陣輻射左旋圓極化波；當(dāng)信號(hào)由右旋圓極化饋電SMA接頭9輸入時(shí)，四路輸出信號(hào)相位呈逆時(shí)針90°遞減，通過(guò)同軸探針4在徑向波導(dǎo)1中激勵(lì)起逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)場(chǎng)模式，故波導(dǎo)上表面的圓環(huán)縫隙陣輻射右旋圓極化波。

徑向線波導(dǎo)1厚度的選擇應(yīng)保證波導(dǎo)內(nèi)傳輸單一的電磁波，本實(shí)施例中取厚度為5mm。

由于徑向線波導(dǎo)中心附近存在高次模，為了減少高次模的影響，第一圈縫隙陣列距離饋電點(diǎn)一個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)。相鄰圈的環(huán)狀縫隙沿縫隙陣列2圓心的徑向方向的間距為一個(gè)徑向線波導(dǎo)1的波長(zhǎng)，以便輻射能量同相疊加。

每圈相鄰縫隙之間的間隔為0.6個(gè)徑向線波導(dǎo)1的波長(zhǎng)，所述間隔為每個(gè)縫隙中點(diǎn)之間的距離。間隔0.6個(gè)波長(zhǎng)是為了避免柵瓣并且減少縫隙之間的互耦；每圈相鄰縫隙之間的間隔可根據(jù)實(shí)際縫隙排列隨意選取，只需滿足抑制柵瓣條件即可。

本實(shí)施例設(shè)置5圈縫隙陣列是為了獲得所需要的24dBi左右的增益。

本實(shí)施例每個(gè)縫隙與從輻射縫隙陣列2圓心發(fā)出的徑向線的銳角夾角為43-47度。這樣可使左旋圓極化和右旋圓極化的增益大致相同。

本實(shí)施例金屬支撐板6下方設(shè)有凸起的腔體，饋電網(wǎng)絡(luò)7通過(guò)金屬螺釘10固定于所述腔體底部。這樣是為了便于安裝饋電網(wǎng)絡(luò)7并且為左旋圓極化饋電SMA接頭8、右旋圓極化饋電SMA接頭9的焊接留夠足夠的空間。左旋圓極化饋電SMA接頭8及右旋圓極化饋電SMA接頭9采用微波通信中經(jīng)常使用的50歐姆SMA接頭，可直接與信號(hào)發(fā)生器或者接收機(jī)相連。

徑向線波導(dǎo)1通過(guò)塑料螺釘5固定于金屬支撐板6的上表面。這樣對(duì)徑向線波導(dǎo)1起到支撐作用，防止徑向線波導(dǎo)1因外力而變形；

通過(guò)以上的設(shè)計(jì)，該天線直徑為200mm，高為12mm，工作頻率在12GHz。

從圖5(a)、(b)可見，天線左旋圓極化最大增益為24.16dBi；

從圖6(a)、(b)可見，天線右旋圓極化最大增益為24.31dBi；

從圖7可見，天線左旋圓極化軸比為0.43dB；

從圖8可見，天線右旋圓極化軸比為0.19dB；

從圖9可見，左旋圓極化饋電SMA接頭8、右旋圓極化饋電SMA接頭9反射系數(shù)在觀察的頻帶范圍內(nèi)都低于-10dB，帶寬超過(guò)16.6％；

從圖10可見，左旋圓極化饋電SMA接頭8、右旋圓極化饋電SMA接頭9之間的隔離度在11.2GHz-12.35GHz范圍內(nèi)都低于-10dB，帶寬為7.4％；

從圖11可見，左、右旋圓極化波的3dB增益帶寬均很寬，大于13％；

從圖12可見，左、右旋圓極化波的軸比性能均很好，AR<3dB的軸比帶寬均超過(guò)16％；

上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。