适用于旋转馈电的辐射单元及旋转馈电的圆极化天线

技术领域

本发明涉及贴片天线技术领域，尤其涉及一种适用于旋转馈电的宽频带辐射单元及旋转馈电的宽频带圆极化贴片天线。

背景技术

顺序旋转馈电是提高圆极化阵列天线轴比的常用方法。但是，在应用旋转馈电方法实现圆极化的过程中，各贴片之间会出现干涉的情况，且交叉极化会出现较为严重的恶化现象，不利于相控阵雷达系统之间的互相通信。

发明内容

为至少部分地克服上述提及的至少一种或者其它发明的技术缺陷，本发明的至少一种实施例提供一种适用于旋转馈电的辐射单元及旋转馈电的圆极化天线，通过在底层贴片的第一圆环和第二圆环之间设置两个枝节可以将初始电磁波分为两股，通过设置两个切角，可以将两股电磁波激励为两股幅度相等相位相差90°的激励电磁波，且将绝缘子探针设置在中心位置，可以消除各辐射单元在旋转馈电后的互扰，以实现产生圆极化性能较好的圆极化波。

根据本发明的一个方面，提供了一种适用于旋转馈电的辐射单元，包括：绝缘子探针，被配置为引导外部电路的初始电磁波至所述辐射单元；底层辐射单元，开设有容纳空间，所述绝缘子探针穿过所述底层辐射单元的底部向所述容纳空间延伸，所述底层辐射单元包括：底层贴片，所述底层贴片包括分别以所述绝缘子探针为圆心的第一圆环、第二圆环和设置在所述第一圆环和所述第二圆环之间的两个枝节，所述第二圆环的外圆周上开设有以所述绝缘子探针为对称点的两个切角，所述底层辐射单元基于所述底层贴片将所述初始电磁波激励为两个幅度相等相位相差90°的激励电磁波并基于所述激励电磁波产生圆极化波；以及顶层辐射单元，设置在所述底层辐射单元上，被配置为将所述圆极化波辐射至自由空间。

在本发明实施例中，还包括：多个金属化过孔，均匀设置在所述底层辐射单元的周侧并向所述顶层辐射单元延伸，所述金属化过孔基于所述激励电磁波产生感应磁流，并基于所述感应磁流产生感应电磁波。

在本发明实施例中，所述底层辐射单元还包括：接地平面，设置在所述底层辐射单元底部，所述绝缘子探针穿过所述接地平面向所述容纳空间延伸；第一介质层，设置在所述接地平面上，所述底层贴片设置在所述第一介质层的与所述接地平面相对的一侧，所述绝缘子探针穿过所述第一介质层和所述第一圆环向所述容纳空间延伸；以及环形的第二介质层，设置在所述底层贴片上，并与所述第一介质层形成所述容纳空间，所述金属化过孔平行地穿过所述第二介质层。

在本发明实施例中，所述顶层辐射单元包括：第三介质层，设置在所述底层辐射单元上，所述第三介质层覆盖所述容纳空间；顶层贴片，设置在所述第三介质层上，所述顶层贴片与所述底层贴片的中心轴重合；以及顶部金属层，所述顶部金属层成环形结构设置在所述第三介质层周侧上并通过所述金属化过孔与所述接地层电连接，所述顶部金属层、所述顶层贴片和所述形成顶层辐射结构，以将所述圆极化波辐射至自由空间。

在本发明实施例中，所述底层辐射单元还包括：粘接层，成环形结构设置在所述底层贴片和所述第二介质层之间，被配置为使所述底层贴片和所述第二介质层电隔离。

在本发明实施例中，通过电磁仿真设置所述切角的位置，以使两个所述激励电磁波的幅度相等相位相差90°。

在本发明实施例中，还包括导电胶膜，被配置为将所述底层辐射单元和所述顶层辐射单元粘接。

在本发明实施例中，所述第一介质层和/或所述第二介质层为板材。

根据本发明的另一个方面，提供了一种旋转馈电的圆极化天线，包括：4个子天线单元，每个所述子天线单元包括4×4个如上述权利要求1至8中任一项所述的辐射单元，使得64个所述辐射单元成8×8阵列方式旋转分布；以及收发组件，被配置为与外部电路连接，所述收发组件开设有通孔，所述绝缘子探针穿过所述通孔至所述容纳空间，所述初始电磁波在所述绝缘子探针引导下由所述外部电路穿过所述通孔传输至所述底层辐射单元，所述辐射单元分别覆盖所述通孔。

在本发明实施例中，在行方向上或列方向上相邻的两个辐射单元相对于彼此旋转N×45°，其中N为1，2，或3。

根据本公开的实施例，通过将绝缘子探针设置为第一圆环和第二圆环的圆心，使绝缘子探针处于辐射单元的中心位置，即使辐射单元的馈电点处于辐射单元的中心位置，在两个枝节将初始电磁波分为两股且通过设置两个对称的切角形成微扰结构，以扰动电磁波的传播，进而可以将两股电磁波激励为两个幅度相等相位相差90°的激励电磁波，由于将馈电点设置在辐射单元的中心位置可以消除辐射单元在旋转馈电后的相互干扰，可以辐射具有较好对称性的圆极化波。

附图说明

图1是根据本发明示意性实施例的适用于旋转馈电的辐射单元的立体图；

图2是根据本发明示意性实施例的适用于旋转馈电的辐射单元的俯视图；

图3是根据本发明示意性实施例的适用于旋转馈电的辐射单元的剖视图；

图4是根据本发明示意性实施例的适用于旋转馈电的辐射单元的底层贴片的俯视图；

图5是根据本发明示意性实施例的适用于旋转馈电的辐射单元的去除底层贴片和绝缘子探针后的俯视图；

图6是根据本发明示意性实施例的旋转馈电的圆极化天线的俯视图；

图7是根据本发明示意性实施例的旋转馈电的圆极化天线中辐射单元的驻波比的仿真结果图；

图8是根据本发明示意性实施例的旋转馈电的圆极化天线中辐射单元的轴比的仿真结果图；

图9是根据本发明示意性实施例的旋转馈电的圆极化天线法向的方向性仿真结果图；

图10是根据本发明示意性实施例的旋转馈电的圆极化天线扫描60°的方向性仿真结果图；

图11是根据本发明示意性实施例的旋转馈电的圆极化天线法向的方向性实测结果图；

图12是根据本发明示意性实施例的旋转馈电的圆极化天线扫描60°的方向性实测结果图；以及

图13是根据本发明示意性实施例的旋转馈电的圆极化天线中辐射单元的轴比的测试结果图。

附图标记说明

1：绝缘子探针；

2：底层辐射单元；

21：容纳空间；

22：底层贴片；

23：接地平面；

24：第一介质层；

25：第二介质层；

26：粘接层；

3：顶层辐射单元；

31：第三介质层；

32：顶层贴片；

33：顶部金属层；

4：金属化过孔；

5：导电胶膜；

6：收发组件；

7：子天线单元。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。但是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大，自始至终相同附图标记表示相同元件。

以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了上述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

为便于本领域技术人员理解本发明技术方案，现对如下技术术语进行解释说明。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。

图1是根据本发明示意性实施例的适用于旋转馈电的辐射单元的立体图。图2是根据本发明示意性实施例的适用于旋转馈电的辐射单元的俯视图。图3是根据本发明示意性实施例的适用于旋转馈电的辐射单元的剖视图。

如图1至图3所示，本发明的实施例提供一种适用于旋转馈电的辐射单元，包括：绝缘子探针1、底层辐射单元2和顶层辐射单元3。

具体地，绝缘子探针1被配置为引导外部电路的初始电磁波至辐射单元。底层辐射单元2开设有容纳空间21，绝缘子探针1穿过底层辐射单元2的底部(图3中底层辐射单元2的底部)向容纳空间21延伸，底层辐射单元2包括底层贴片22。顶层辐射单元3设置在底层辐射单元2上，被配置为将圆极化波辐射至自由空间。

图4是根据本发明示意性实施例的适用于旋转馈电的辐射单元的底层贴片22的俯视图。

进一步地，如图3和图4所示，底层贴片22包括分别以绝缘子探针1为圆心的第一圆环、第二圆环和设置在第一圆环和第二圆环之间的两个枝节，第二圆环上开设有以绝缘子探针1为对称点的两个切角，底层辐射单元2基于底层贴片22将初始电磁波激励为两个幅度相等相位相差90°的激励电磁波并基于激励电磁波产生圆极化波。

根据本公开的实施例，通过将绝缘子探针1设置为第一圆环和第二圆环的圆心，使绝缘子探针1处于辐射单元的中心位置，即使辐射单元的馈电点处于辐射单元的中心位置，在两个枝节将初始电磁波分为两股且通过设置两个对称的切角形成微扰结构，以扰动电磁波的传播，进而可以将两股电磁波激励为两个幅度相等相位相差90°的激励电磁波，由于将馈电点设置在辐射单元的中心位置可以消除辐射单元在旋转馈电后的相互干扰，可以辐射具有较好对称性的圆极化波。

在一些实施例中，辐射单元还包括多个金属化过孔4。金属化过孔4均匀设置在底层辐射单元2的周侧并向顶层辐射单元3延伸，金属化过孔4基于激励电磁波产生感应磁流，并基于感应磁流产生感应电磁波。如图2和图3所示，金属化过孔4可以为中空的圆柱体结构，金属化过孔4可以是金属材质，且均匀的设置在底层辐射单元2和顶层辐射单元3的周侧，且贯穿底层辐射单元2和顶层辐射单元3。

进一步地，在初始电磁波经绝缘子探针1引导至底层贴片22后，变为两股激励电磁波，激励电磁波经过底层贴片22后进入容纳空间21，金属化过孔4受到电磁波的激励形成感应磁流，进而产生感应电磁波。由于金属化过孔4的圆柱形结构，且均匀分布于底层辐射单元2和顶层辐射单元3的周侧，可以形成类似金属壁的结构，可以产生波束宽度较宽的感应电磁波，进而提高辐射单元辐射的电磁波的整体波束宽度。并且通过设置容纳空间21，可以提高辐射单元的工作带宽。

在一些实施例中，底层辐射单元2还包括接地平面23、第一介质层24和环形的第二介质层25。

具体地，如图3所示，接地平面23设置在底层辐射单元2底部，绝缘子探针1穿过接地平面23向容纳空间21延伸，接地平面23的材料为金属，被配置为隔绝外界电磁波干扰。底层贴片22设置在第一介质层24的与所述接地平面相对的一侧，绝缘子探针1穿过第一介质层24和第一圆环向容纳空间21延伸。第二介质层25设置在底层贴片22上，并与第一介质层24形成容纳空间21，所述金属化过孔4平行地穿过所述第二介质层。初始电磁波由第一介质层24由绝缘子探针1引导至底层贴片22，由底层贴片22变为两股激励电磁波后辐射至容纳空间21和第二介质层25并形成圆极化波，金属化过孔4受到电磁波的激励形成感应磁流，进而产生感应电磁波。感应电磁波和圆极化波经顶层辐射单元3辐射至自由空间中。顶部金属层33可以通过金属化过孔4与接地平面23电性相连。金属化过孔4可以贯穿顶部金属层33、顶层辐射单元3和底层辐射单元2至接地平面23。

图5是根据本发明示意性实施例的适用于旋转馈电的辐射单元的去除底层贴片和绝缘子探针后的俯视图。

在一些实施例中，顶层辐射单元3包括：第三介质层31、顶层贴片32和顶部金属层33。

具体地，如图3所示，第三介质层31设置在底层辐射单元2上，第三介质层31覆盖容纳空间21。顶层贴片32设置在第三介质层31上，顶层贴片32与底层贴片22的中心轴重合。顶部金属层33成环形结构设置在第三介质层31周侧上并通过所述金属化过孔与所述接地层电连接，顶部金属层33、顶层贴片32和形成顶层辐射结构，以将圆极化波辐射至自由空间。通过增加顶层贴片32可以增加辐射单元的剖面，进而可以展宽工作带宽，提高辐射效率。感应电磁波和圆极化波经顶层辐射单元3的第三介质层31辐射至自由空间中。金属化过孔4可以贯穿顶部金属层33、顶层辐射单元3和底层辐射单元2。通过将电磁波的能量耦合至顶层贴片32可以展宽辐射单元的阻抗带宽和频率带宽。

如图3所示，在一些实施例中，底层辐射单元2还包括粘接层26。粘接层26成环形结构设置在底层贴片22和第二介质层25之间，被配置为使底层贴片22和第二介质层25电隔离并将底层贴片22和第二介质层25粘接。

在一些实施例中，可以通过电磁仿真设置切角的位置，以使两个激励电磁波的幅度相等相位相差90°。

在一些实施例中，辐射单元还包括导电胶膜5，被配置为将底层辐射单元2和顶层辐射单元3粘接。

在一些实施例中，第一介质层24、第二介质层25和第三介质层31中的至少一个可以设置为可以做多层板的板材，例如高频板材TSM-DS3。金属化过孔4、绝缘子探针1、底层贴片22、顶层贴片32和顶部金属层33中的至少一个的材料可以为金属，例如可以设置为铜。

图6是根据本发明示意性实施例的旋转馈电的圆极化天线的俯视图。

如图6所示，本发明的实施例还提供一种旋转馈电的圆极化天线，包括4个子天线单元7和收发组件6。

具体地，4个子天线单元7，每个子天线单元7包括4×4个如上述的辐射单元，使得64个辐射单元成8×8阵列方式旋转分布。多个收发组件6被配置为与外部电路连接，收发组件6开设有通孔，绝缘子探针1穿过通孔至容纳空间21，初始电磁波在绝缘子探针1引导下由所述外部电路穿过通孔传输至底层辐射单元2，辐射单元分别覆盖通孔。各天线单元可以通过其内部的金属化过孔4提高隔离度。

在一些实施例中，在行方向上或列方向上相邻的两个辐射单元相对于彼此旋转N×45°，其中N为1，2，或3。

旋转分布可以是如图6中所示的，子天线单元7中的第一列的4个辐射单元中的后3个辐射单元可以分别是由第一个辐射单元旋转135°、45°、90°得到的。旋转分布可以是如图6中所示的，子天线单元7中的16个辐射单元成中心对称分布。4个子天线单元7的分布形式可以是相同的，可以提高天线的对称性，以抵消辐射单元的空间相位差，可以在E面(电场面)和H面(磁场面)较大角域内维持很好的圆极化性能，并在D面(斜切面)减少交叉极化的恶化。

图7是根据本发明示意性实施例的旋转馈电的圆极化天线中辐射单元的驻波比的仿真结果图。

图8是根据本发明示意性实施例的旋转馈电的圆极化天线中辐射单元的轴比的仿真结果图。

如图7和图8所示，在24.5～28GHz的3.5GHz的带宽范围内，圆极化天线中辐射单元的驻波比在1.5以下，轴比在6dB以下，因此，辐射单元具备13％以上的阻抗带宽和轴比带宽，并且具备宽带宽轴比的工作特性。

图9是根据本发明示意性实施例的旋转馈电的圆极化天线法向的方向性仿真结果图。

图10是根据本发明示意性实施例的旋转馈电的圆极化天线扫描60°的方向性仿真结果图。

如图9和图10所示，圆极化天线在扫描60°的增益相比在法向的增益下降约3dB，相对比传统天线的滚降在4dB以上，因此，辐射单元具备宽角度扫描的能力。

图11是根据本发明示意性实施例的旋转馈电的圆极化天线法向的方向性实测结果图。

图12是根据本发明示意性实施例的旋转馈电的圆极化天线扫描60°的方向性实测结果图。

图13是根据本发明示意性实施例的旋转馈电的圆极化天线中辐射单元的轴比的测试结果图。

如图8至图13所示，仿真和实测的吻合度较好，因此，圆极化天线同时具备宽频带、宽波束、宽轴比带宽等特性，可以辐射宽频带、宽波束、宽轴比的圆极化波。

需要说明的是，上述内容为以辐射单元辐射电磁波至自由空间的角度进行描述的，同样地，辐射单元还可以由自由空间接收电磁波，电磁波的接收路径与辐射路径相反，接收的电磁波也是同样具有宽频带、宽波束、宽轴比的圆极化波，在此不再赘述。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造，并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。