双极化空气波导阵列天线

技术领域

本发明涉及空气波导天线技术领域，具体涉及一种双极化空气波导阵列天线。

背景技术

毫米波宽带高增益阵列天线具有扩大可用频谱范围，增强通信距离以及结构紧凑等优点，因而在毫米波无线通信系统中起到至关重要的作用。为同时满足高增益和宽频带的工作特性，需采用宽频带且具有稳定辐射特性的金属辐射单元，以及具有低损耗传输特性的馈电网络。

申请号为CN201911345567.1的发明专利，公开了一种空气波导平面阵列天线，该空气波导平面阵列天线结构紧凑，在复杂的多层金属空腔内部，实现了电磁能量有效分配及高效传输，具有较好的增益、工作带宽、良好且稳定的辐射特性。

而采用极化分集技术的双极化天线，可以进一步提高无线信道容量，增强通信系统的可靠性。与线极化天线相比，毫米波高增益双极化阵列天线具有更加复杂的几何形状，其带宽也受限于子阵列馈电腔结构、十字或方形孔径的模式分离器以及同相激励的两套并联馈电网络。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有宽频带、高增益、良好且稳定辐射特性的双极化空气波导阵列天线，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

本发明提供的一种双极化空气波导阵列天线，包括金属基体，金属基体内部设有空气馈电网络，所述金属基体的上表面设金属辐射单元；所述空气馈电网络包括第一馈电网络、第二馈电网络、第一功分器、第二功分器以及馈电腔；所述第一馈电网络和所述第二馈电网络分别接收所述金属基体不同侧面的电磁能量；

所述第一馈电网络接收的电磁能量经所述第一馈电网络均匀分配后，传递给所述第一馈电网络末端连接的所述第一功分器；

所述第二馈电网络接收的电磁能量经所述第二馈电网络均匀分配后，传递给所述第二馈电网络末端连接的所述第二功分器；

所述第一功分器和所述第二功分器均连接所述馈电腔，所述馈电腔将所述第一功分器传递的电磁能量或所述第二功分器传递的电磁能量传递给所述金属辐射单元。

优选的，所述第一功分器包括弯折波导，所述第一馈电网络的末端连接所述弯折波导；所述弯折波导的末端连接第一阶梯型渐变结构，所述第一阶梯型渐变结构连接第一渐变波导，所述第一渐变波导的两端分别通过第一弯折结构连接两个第一出口，所述第一出口连接所述馈电腔。

优选的，所述第二功分器包括第二阶梯型渐变结构，所述第二馈电网络的末端连接所述第二阶梯型渐变结构，所述第二阶梯型渐变结构连接第二渐变波导，所述第二渐变波导的两端分别通过第二弯折结构连接两个第二出口，所述第二出口连接所述馈电腔。

优选的，所述馈电腔设有第一十字型波导，所述馈电腔的上方均匀设有多个第二十字型波导，所述馈电腔的上边沿匹配有第一膜片。所述第一功分器的两个第一出口，与所述第二功分器的两个第二出口，分别位于馈电腔外边缘两侧。

优选的，所述金属辐射单元包括多个辐射单体，所述辐射单体包括两个辐射壁和一个辐射柱，4个所述辐射单体对称分布于一个所述第二十字型波导的周围；两个所述辐射壁与所述第二十字型波导的边缘平行，所述辐射单体的顶部为带有辐射开口的方形环。

优选的，所述第一馈电网络和所述第二馈电网络均由多级T型连接结构逐次级联构成。

优选的，所述第一馈电网络的最后一级T型连接结构的末端的一侧连接所述第一功分器的入口。

优选的，所述第二馈电网络的最后一级T型连接结构的末端的一侧连接所述第二功分器的入口。

优选的，所述弯折波导匹配有第二膜片。

优选的，所述第一馈电网络的入口连接的渐变波导连接台阶型波导，所述台阶型波导的两端连接第二级T型连接结构，所述台阶型波导匹配有第三膜片。

本发明有益效果：双极化阵列结构紧凑，且具有较好的宽带特性和辐射特性；整体结构对称性好，两种极化的辐射特性几乎相同；子辐射结构的馈电腔体，具有较宽的工作频带，可同时作为电磁能量分配结构及极化模式分离结构。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述的双极化空气波导阵列天线的立体结构图。

图2为本发明实施例所述的双极化空气波导阵列天线的分层结构图。

图3为本发明实施例所述的一个馈电腔上包含的4个辐射单体的立体结构图。

图4为本发明实施例所述的一个包含4个辐射单体的馈电腔与第一功分器和第二功分器连接的立体结构图。

图5为本发明实施例所述的一个包含4个辐射单体的馈电腔与第一功分器和第二功分器连接的主视结构图。

图6为本发明实施例所述的一个包含4个辐射单体的馈电腔与第一功分器和第二功分器连接的侧视结构图。

图7为本发明实施例所述的一个包含4个辐射单体的馈电腔与第一功分器和第二功分器连接的俯视结构图。

图8为本发明实施例所述的一个包含4个辐射单体的馈电腔下方的第一十字型波导的连接结构图。

图9为图8的俯视结构图。

图10为本发明实施例所述的第一功分器的立体结构图。

图11为本发明实施例所述的第二功分器的立体结构图。

图12为本发明实施例所述的第二馈电网络的俯视结构图。

图13为本发明实施例所述的第二馈电网络的立体结构图。

图14为本发明实施例所述的第一馈电网络的俯视结构图。

图15为本发明实施例所述的第一馈电网络的立体结构图。

图16为本发明实施例所述的第一馈电网络中的入口连接的渐变波导连接台阶型波导的立体结构图。

图17为本发明实施例所述的双极化空气波导阵列天线的仿真S参数和增益曲线示意图。

图18为本发明实施例所述的Z字型波导、90°弯折波导、90度弯折结构以及方形馈电腔的边沿弯折形状示意图。

图19为本发明实施例所述的第一十字型波导在馈电腔上设置的结构图。

其中：1-金属基体；2-金属辐射单元；2(1)-金属壁；2(2)-方形环；2(3)-金属柱；3-第二十字型波导；4-馈电腔；5-第一功分器；5(1)、6(1)-连接入口；5(2)、5(3)-第一出口；6-第二功分器；6(2)、6(3)-第二出口；7-第二馈电网络；7(1)-右侧端口；8-第一馈电网络；8(1)-左侧端口；9-第一十字型波导；10(1)-第一弯折结构；10(2)-第二弯折结构；11(1)-第一阶梯型渐变结构；11(2)-第二阶梯型渐变结构；12-第二膜片；13-弯折波导；14-T型连接结构；15-第四膜片；16-第五膜片；17-第六膜片；18-渐变波导；19-台阶型波导；20-第三膜片；21(1)-第一渐变波导；21(2)-第二渐变波导；4(1)-第一膜片。

具体实施方式

下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。

在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在本专利的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。

为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。

实施例1

本发明实施例1提供一种双极化空气波导阵列天线，包括金属基体1，金属基体1内部设有空气馈电网络，所述金属基体1的上表面设金属辐射单元2；所述空气馈电网络包括第一馈电网络8、第二馈电网络7、第一功分器5、第二功分器6以及馈电腔4；所述第一馈电网络8和所述第二馈电网络7分别接收所述金属基体1不同侧面的电磁能量；

所述第一馈电网络8接收的电磁能量经所述第一馈电网络8均匀分配后，传递给所述第一馈电网络8末端连接的所述第一功分器5；

所述第二馈电网络7接收的电磁能量经所述第二馈电网络7均匀分配后，传递给所述第二馈电网络7末端连接的所述第二功分器6；

所述第一功分器5和所述第二功分器6均连接所述馈电腔4，所述馈电腔4将所述第一功分器5传递的电磁能量或所述第二功分器6传递的电磁能量传递给所述金属辐射单元2。

在本实施例1中，所述第一功分器5包括弯折波导13，所述第一馈电网络8的末端连接所述弯折波导13；所述弯折波导13的末端连接第一阶梯型渐变结构11(1)，所述第一阶梯型渐变结构11(1)连接第一渐变波导21(1)，所述第一渐变波导21(1)的两端分别通过第一弯折结构10(1)连接两个第一出口5(2)和5(3)，所述第一出口连接所述馈电腔。

所述第二功分器6包括第二阶梯型渐变结构11(2)，所述第二馈电网络7的末端连接所述第二阶梯型渐变结构11(2)，所述第二阶梯型渐变结构11(2)连接第二渐变波导21(2)，所述第二渐变波导21(2)的两端分别通过第二弯折结构10(2)连接两个第二出口6(2)和6(3)，所述第二出口连接所述馈电腔。

所述馈电腔设有第一十字型波导9，所述馈电腔的上方均匀设有多个第二十字型波导3，所述馈电腔的上边沿匹配有第一膜片4(1)。所述第一功分器5的两个第一出口5(1)和5(2)与所述第二功分器6的两个第二出口6(1)和6(2)，分别位于馈电腔4的外边缘两侧。

所述金属辐射单元包括多个辐射单体，所述辐射单体包括两个辐射壁(金属壁2(1))和一个辐射柱(金属柱2(3))，4个所述辐射单体对称分布于一个所述第二十字型波导的周围；两个所述辐射壁与所述第二十字型波导的边缘平行，所述辐射单体的顶部为带有辐射开口的方形环2(2)。

所述第一馈电网络8和所述第二馈电网络7均由多级T型连接结构逐次级联构成。所述第一馈电网络8的最后一级T型连接结构的末端的一侧连接所述第一功分器5的入口。所述第二馈电网络7的最后一级T型连接结构的末端的一侧连接所述第二功分器6的入口。所述弯折波导13匹配有第二膜片12。

所述第一馈电网络8的入口连接的渐变波导连接台阶型波导，所述台阶型波导的两端连接第二级T型连接结构，所述台阶型波导匹配有第三膜片20。

在本实施例1中，两个传输枝节相互垂直构成T型连接结构；在所述T型连接结构中，按照电磁能量的传播方向将两个传输枝节分别命名为入口枝节和出口枝节，一个所述入口枝节与一个所述出口枝节垂直连接，电磁能量由入口枝节传输给出口枝节完成等量分配。

在本实施例1中，第一馈电网络8和第二馈电网络7均包括四级T型连接结构级联构成。

第一馈电网络8中，一级T型连接结构的一级入口枝节的一端连接有一渐变结构(渐变波导18)，渐变结构的一端为波导入口，一级入口枝节的另一端连接一级出口枝节(该一级出口枝节为台阶型波导19)；所述一级出口枝节作为二级T型连接结构的二级入口枝节，所述二级入口枝节连接二级出口枝节；所述二级出口枝节作为三级T型连接结构的三级入口枝节，所述三级入口枝节上设有所述过渡波导，所述三级入口枝节的端部连接三级出口枝节；所述三级出口枝节作为四级T型连接结构的四级入口枝节，所述四级入口枝节连接四级出口枝节；所述四级出口枝节的末端垂直连接所述第二功分器5，在连接处采用第六膜片17进行匹配。

同样的，在第二馈电网络7中，一级T型连接结构的一级入口枝节的一端连接有一渐变结构(渐变波导)，所述渐变结构的一端为波导入口，一级入口枝节的另一端连接一级出口枝节；所述一级出口枝节作为二级T型连接结构的二级入口枝节，所述二级入口枝节连接二级出口枝节；所述二级出口枝节作为三级T型连接结构的三级入口枝节，所述三级入口枝节上设有所述过渡波导，所述三级入口枝节的端部连接三级出口枝节；所述三级出口枝节作为四级T型连接结构的四级入口枝节，所述四级入口枝节连接四级出口枝节；所述四级出口枝节的末端垂直连接所述第二功分器6，在连接处采用第六膜片17进行匹配。

在本实施例1中，金属基体左侧的电磁能量由第一馈电网络8的波导入口(左侧端口8(1))进入第一馈电网络8，最终被等分为16路，每一路电磁能量由连接入口5(1)传输给所述第一功分器的弯折波导13(该弯折波导13为90°角弯折，由两个波导垂直构成)，弯折波导13再将电磁能量传递给第一阶梯型渐变结构11(1)。

金属基体右侧的电磁能量由第二馈电网络7的波导入口(右侧端口7(1))进入第二馈电网络7，最终被等分为16路，每一路电磁能量传输给所述第二功分器6的连接入口6(1)进入第二阶梯型渐变结构11(2)。电磁能量由第一出口5(2)、5(3)以及第二出口6(2)、6(3)传递给馈电腔，由馈电腔经第二十字型波导再等分成4路分别传递给一个辐射单体。

实施例2

如图1至图16所示，本发明实施例2提供一种双极化空气波导阵列天线，包括金属基体1，金属基体1内部设有空气馈电网络，所述金属基体1的上表面设金属辐射单元2；所述空气馈电网络包括第一馈电网络8、第二馈电网络7、第一功分器5、第二功分器6以及馈电腔4；所述第一馈电网络8和所述第二馈电网络7分别接收所述金属基体1不同侧面的电磁能量；

所述第一馈电网络8接收的电磁能量经所述第一馈电网络8均匀分配后，传递给所述第一馈电网络8末端连接的所述第一功分器5；

所述第二馈电网络7接收的电磁能量经所述第二馈电网络7均匀分配后，传递给所述第二馈电网络7末端连接的所述第二功分器6；所述第一功分器5和所述第二功分器6均连接所述馈电腔4，所述馈电腔4将所述第一功分器5传递的电磁能量或所述第二功分器6传递的电磁能量传递给所述金属辐射单元2。

双极化空气波导阵列天线嵌于金属基体1内部，在金属基体1上方有2个波导入口(分别为第一馈电网络的左侧端口8(1)和第二馈电网络的右侧端口7(1))。空气波导阵列天线共有7层结构，从上至下分别为金属辐射单元2、第二十字型波导3、方形的馈电腔4、E-T型功分器(第一功分器5)、E-T型功分器(第二功分器6)、H型并联馈电网络(第二馈电网络7)和H型并联馈电网络(第一馈电网络8)。其中，除金属辐射单元2外，其余均为空气腔体。

对于左侧波导入口馈电的极化形式，电磁能量从左侧端口8(1)经由一截渐变波导18馈入H型并联馈电网络，经多级阶梯型H-T型功分器(T型连接结构14)对电磁能量进行等分，最终由第一馈电网络8与第一功分器5的连接入口5(1)馈入第一功分器5。电磁能量由第一功分器5的入口5(1)馈入，经由90°弯折波导13以及第一渐变波导21(1)等分为2份，再由左右两侧90度第一弯折结构10后由两个出口5(2)和5(3)从方形馈电腔4两侧同时馈入馈电腔内部，形成差分馈电结构，再等分为4份从4个十字波导3分别给4个金属辐射单体馈电，进而向自由空间辐射。对于此种极化形式，电磁能量从左侧端口8(1)馈入，经上述电磁能量分配过程由金属辐射单元2向自由空间辐射。

为避免第一馈电网络和第二馈电网络的结构出现交叠，第一馈电网络8的倒数第二级阶梯型T型连接结构的出口枝节长度向两侧延长，因此与左侧端口8(1)相连的第一级阶梯型H-T型功分器14(第一级T型连接结构)位于其余各级T型连接结构的下层，第一馈电网络8的上下层分布由第一级阶梯型H-T功分器14的出口波导两侧连接Z字型波导(台阶型波导19)实现，为提高阻抗匹配特性，须在Z字型波导上下两侧的外沿引入方形膜片(第三膜片20)。为进一步提高各级阶梯型H-T型功分器14的阻抗匹配特性，在两个出口枝节中间引入第四膜片15，在入口枝节末端两侧引入对称的一组第五膜片16。在第一馈电网路8的末端与第一功分器5的连接处，为实现阻抗匹配，引入向内侧凹陷的第六膜片17。

为进一步提高第一功分器5的阻抗匹配特性，在90°弯折波导外侧引入方形膜片(第二膜片12)，在弯折波导13末端与两侧渐变型波导两侧连接处引入第一阶梯型渐变结构11(1)。

为实现第一功分器5两侧第一出口5(2)、5(3)与方形馈电腔4之间良好的能量匹配，在方形馈电腔上边沿引入长条形匹配膜片(第一膜片4(1))，为提高方形馈电腔4的阻抗带宽，在方形馈电腔4下方引入向下的短路十字型空气波导(第一十字型波导9)，通过增加方形馈电腔4的等效长度，从而提高其带宽特性。

辐射单体对称分布于十字形波导3的两侧，金属辐射单体由靠近十字型波导3两侧的金属壁2(1)，位于金属壁上方的方形环2(2)以及远离金属壁2(1)的金属柱2(3)组成。金属辐射单元2通过金属壁2(1)和金属柱2(3)与金属基体1相连。

与上述描述相类似，对于从右侧波导入口馈电的极化形式，电磁能量从右侧端口7(1)经由一截渐变波导馈入第二馈电网络7，经多级阶梯型H-T型功分器14对电磁能量进行等分，最终由与第二功分器6的连接结构6(1)馈入第二功分器6。电磁能量由第二功分器6的入口6(1)馈入，第二功分器6出口两侧的第二渐变波导21(2)等分为2份，再由左右两侧90°第二弯折结构10(2)后由两个出口6(2)和6(3)从方形馈电腔4两侧同时馈入馈电腔内部，形成差分馈电结构,再等分为4份从4个十字波导3分别给4个金属辐射单体馈电，进而向自由空间辐射。对于此种极化形式，电磁能量从端口7(1)馈入，经上述电磁能量分配过程由金属辐射单元2向自由空间辐射。

区别于第一馈电网络8，第二馈电网络7的各级阶梯型H-T型功分器位于同一层中。第一功分器5与第二功分器6的区别在于第二功分器6的入口6(1)没有90°弯折波导13。

在本实施例2中，双极化阵列共有8×8个辐射单元，每4个辐射单体，4个十字波导3，一个方形馈电腔4，以及一个第一功分器5和一个功分器6共同构成一个2×2子辐射单元。通过扩大或缩小第二馈电网络7和第一馈电网络8的规模以及增加或减少子辐射单元的个数，可以扩大或缩小双极化阵列的阵列规模。

由于由第一功分器5和第一馈电网络8组成的一种极化模式的馈电网络，与第二功分器6和第二馈电网络7组成的另一种极化模式的馈电网络共用一个方形馈电腔4以及金属辐射结构，两种极化模式所对应的辐射单元结构正交对称，因而两种极化方式的辐射特性几乎相同。

在本实施例2中，所设计的双极化空气波导阵列天线的S参数和增益的仿真结果如图17所示，可以看出两种极化的-10dB阻抗带宽分别为31.5％和31.8％，两个端口间的隔离大于50dB。最大增益可以达到28.3dBi，且两种极化形式在阻抗匹配范围内增益曲线几乎相同。通过采用宽带的第一馈电网络7和第二馈电网路8，宽带的金属辐射单元2，以及采用双差分馈电形式的加载短路空气十字波导(第一十字型波导9)的宽带的方形馈电腔4，优化互联结构的布局，将方形馈电腔4同时作为电磁能量分配结构和极化模式分离结构，可以实现具有高隔离且宽带的双极化空气波导阵列天线设计方案。

为实现波导类结构的电磁能量匹配(含台阶型波导19，90°弯折波导13，以及90度弯折结构10，方形馈电腔4的上边沿)，所采用的匹配膜片形式除所示实施例中给定的方形或半圆形形式外，采用图18所示的一种或多种形式组合的匹配结构均可实现相同的匹配特性。

为增加方形馈电腔4的等效长度，除实施例所示在方形馈电腔4下方增加短路十字空气波导9结构外(如图19(a)所示)，也可在方形馈电腔4上方增加短路十字空气波导9(如图19(b)所示)；在方形馈电腔4下方外边沿增加L型短路空气波导9或(如图19(c)所示)在方形馈电腔4上方外边沿增加环形短路空气波导9(如图19(d)所示)，均可实现增大方形馈电腔4等效长度的目的。

本领域普通技术人员可以理解：本发明实施例中的装置中的部件可以按照实施例的描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。