一种双极化平板天线单元的制作方法

1.本实用新型涉及天线技术领域，具体涉及一种双极化平板天线单元。


背景技术：

2.随着无线通信技术的发展，目前对双极化天线的需求越来越多，常见的双极化天线包括双极化微带阵列天线、双极化波导阵天线等。微带天线由于其剖面底、体积小、易于和载体共形的特点，已获得了广泛的应用，根据应用的需要，已研制出多种线极化、圆极化、双极化及多极化的结构形式，但是由于介质损耗的缘故，高增益的大型微带阵列的效率总是很低。
3.对于双极化波导阵天线，大部分研究人员在波导缝隙阵天线的基础上做改进，常规的波导缝隙阵中作为辐射元的缝隙其位置和取向是固定的，缝单元的辐射极化也因此而固定，所以一副波导缝隙天线通常只能提供一种极化，为了实现双极化工作，通常采用两种单极化波导缝隙天线组阵的形式，天线存在结构复杂、口面利用效率低。


技术实现要素：

4.基于上述需求，本实用新型的目的在于提出一种双极化平板天线单元，通过对天线主体结构进行改进，通过构建正交模转换器实现双线极化馈电。
5.为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案如下：
6.一种双极化平板天线单元，其关键在于：包括天线主体(1)，所述天线主体(1)的上端开设有辐射口径(2)，所述辐射口径(2)的下端设置有谐振腔体(3)，所述谐振腔体(3)的下端经过阶梯型阻抗变化段(4)与正方形馈电波导(5)的上端相通，在所述天线主体(1)的侧面还分别设置有第一波导馈电端口(6)和第二波导馈电端口(7)，所述第一波导馈电端口(6)、所述第二波导馈电端口(7)与所述正方形馈电波导(5)构成正交模转换器，在所述第一波导馈电端口(6)的外端设置有第一法兰(8)，在所述第二波导馈电端口(7)的外端设置有第二法兰(9)。
7.可选地，所述辐射口径(2)呈正方形，且内部设置有十字形的分离架(21)。
8.可选地，所述正方形馈电波导(5)的内腔设置有用于隔离所述第一波导馈电端口(6)和所述第二波导馈电端口(7)的金属膜片(10)，所述第一波导馈电端口(6)和所述第二波导馈电端口(7)分别位于所述金属膜片(10)的上下两侧。
9.可选地，所述天线主体(1)、所述辐射口径(2)、所述谐振腔体(3)、所述阶梯型阻抗变化段(4)、所述正方形馈电波导(5)所述第一波导馈电端口(6)、所述第二波导馈电端口(7)、所述第一法兰(8)、所述第二法兰(9)以及所述金属膜片(10)均通过3d打印一体成型。
10.可选地，所述阶梯型阻抗变化段(4)按照正方形口径设置有1～5级阶梯。
11.可选地，所述第一波导馈电端口(6)和所述第二波导馈电端口(7)分别通过耦合缝隙与所述正方形馈电波导(5)之间进行能量耦合。
12.可选地，所述第一波导馈电端口(6)和所述第二波导馈电端口(7)均采用矩形波导
结构，且所述第一波导馈电端口(6)用于提供x轴方向线极化，所述第二波导馈电端口(7)用于提供y轴方向线极化。
13.可选地，所述第一波导馈电端口(6)和所述第二波导馈电端口(7)内部的矩形耦合缝隙设置呈阶梯型。
14.可选地，所述第一法兰(8)和所述第二法兰(9)呈矩形状。
15.可选地，所述天线主体(1)的主体轮廓呈长方体状。
16.本实用新型的效果是：
17.本实用新型提出的一种双极化平板天线单元，结构简单，加工方便，可以通过3d打印一体快速加工成型，辐射口径具有较大增益和口径效率，单元具有低交叉极化和低副瓣特性。
附图说明
18.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
19.图1为本实用新型提供的双极化平板天线单元的立体结构示意图；
20.图2为本实用新型提供的双极化平板天线单元的俯视图；
21.图3为图2的a-a剖视图；
22.图4为本实用新型提供的双极化平板天线单元的内部结构示意图；
23.图5为本实用新型提供的双极化平板天线s参数仿真结果；
24.图6为本实用新型提供的双极化平板天线y极化e面和h面方向图(f＝25ghz)；
25.图7为本实用新型提供的双极化平板天线x极化e面和h面方向图(f＝25ghz)；
26.图8为本实用新型提供的双极化平板天线y方向极化的增益随频率变化曲线；
27.图9为本实用新型提供的双极化平板天线x方向极化的增益随频率变化曲线。
具体实施方式
28.下面将结合附图对本实用新型技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。
29.需要注意的是，除非另有说明，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域技术人员所理解的通常意义。
30.如图1、图2、图3、图4所示，本实施例提供了一种双极化平板天线单元，包括天线主体1，所述天线主体1的上端开设有辐射口径2，所述辐射口径2的下端设置有谐振腔体3，所述谐振腔体3的下端经过阶梯型阻抗变化段4与正方形馈电波导5的上端相通，在所述天线主体1的侧面还分别设置有第一波导馈电端口6和第二波导馈电端口7，所述第一波导馈电端口6、所述第二波导馈电端口7与所述正方形馈电波导5构成正交模转换器，在所述第一波导馈电端口6的外端设置有第一法兰8，在所述第二波导馈电端口7的外端设置有第二法兰9，在所述正方形馈电波导5的内腔设置有用于隔离所述第一波导馈电端口6和所述第二波导馈电端口7的金属膜片10，所述第一波导馈电端口6和所述第二波导馈电端口7分别位于所述金属膜片10的上下两侧，所有部件通过3d打印工艺一体成型，结构简单，加工迅速。
31.通过图1和图2可以看出，在本实施例中，所述天线主体1的主体轮廓呈长方体状，所述辐射口径2呈正方形，且内部设置有十字形的分离架21，谐振腔体3的截面开口也呈正方形，阶梯型阻抗变化段4按照正方形口径设置有3级阶梯，通过分离架21将正方形的辐射口径2等分成2*2的阵列，谐振腔体3与辐射口径2相连的四个角的电场等幅同相，等同于由4个小的辐射口径组成，电场分布类似于阵列电场分布，使其具备较大增益和口径效率，正方形馈电波导5通过阶梯型阻抗变化段4与谐振腔体3相连，谐振腔体3和延长的辐射口径2等结构可有效增强天线带宽，并在工作频带内有稳定的方向图，能够实现较好的宽带匹配。
32.通过图3和图4可以看出，所述第一波导馈电端口6和所述第二波导馈电端口7分别通过耦合缝隙与所述正方形馈电波导5之间进行能量耦合，其中，第一波导馈电端口6和第二波导馈电端口7均采用矩形波导结构，第一波导馈电端口6用于提供x轴方向线极化，第二波导馈电端口7用于提供y轴方向线极化，第一波导馈电端口6和第二波导馈电端口7内部的矩形耦合缝隙设置呈阶梯型，为了便于连接，所述第一法兰8和所述第二法兰9呈矩形状。
33.通过所述第一波导馈电端口6、所述第二波导馈电端口7与所述正方形馈电波导5构成正交模转换器，由于正方形馈电波导5能同时传输te10模和te01模，所以能够实现双线极化馈电。第一波导馈电端口6提供x方向线极化，第二波导馈电端口7提供y方向线极化，它们通过缝隙将能量耦合到正方形馈电波导5内，金属膜片10有隔离作用，所以第一波导馈电端口6和第二波导馈电端口7之间具有较高的隔离度。
34.在设计过程中，由于正交模转换器使用方形均匀截面的公共波导，对于te
mn
模，其截止波长的计算公式是：其中：
35.a——矩形波导宽边尺寸；
36.b——矩形波导窄边尺寸；
37.λc——矩形波导截止波长。
38.为了保证正交模耦合器主通道方波导工作于单一主模——te
10
模或te
01
(λc＝2a)模，因此必须抑制te
11
、tm
11
(λc＝1.414a)模，主波导口尺寸按照：λ
l
/2＜a＜λh/1.414设计。其中：λ
l
是工作频带低端波长，λh是工作频带高端波长。
39.通过在方波导中间插入金属膜片10来平分横截面。下方缝隙产生的te
10
信号在金属膜片10的入口分成两等分通过膜片区，通过后重新组合。膜片越薄，损耗越低，通过3d打印技术可以使膜片最薄0.5mm。对于上方缝隙产生的te
01
模，膜片相当于短路面，所以两个输入端口实现了隔离。耦合缝隙距离膜片或者短路面的距离对匹配也十分重要，通常设置为1/4个波长。
40.而针对辐射腔体而言，由馈电波导在辐射腔体中激励起相应的谐振模式，通过该谐振模式将能量均匀地分配到四个并联的辐射口径；利用了谐振模式代替波导功分网络，有效降低了馈电损耗，从而实现了宽带高增益的性能特点。天线的工作带宽主要由谐振模式的谐振频率数决定。由于谐振腔由一个大的立方体和四个小的立方体组成，谐振模式较多，因此带宽较宽。
41.针对阶梯型阻抗变化段4而言，作为过渡结构，通常采用二阶切比雪夫宽带阻抗变
换器，首先，根据天线工作的带宽确定每段变换器的长度：
42.每段变换器的阻抗通过数值仿真的方式确定，其中靠近辐射腔体一端的过渡段横截面大，靠近方形馈电波导的过渡段横截面小，谐振腔体3、阶梯型阻抗变化段4以及正方形馈电波导5在xoy的横截面依次从大变小。
43.下面通过仿真实验数据的分析来进一步理解本实用新型设计的双极化平板天线单元的性能。
44.记第一波导馈电端口6为1端口，第二波导馈电端口7为2端口，图5为双极化平板天线的s参数仿真结果。在20ghz～27ghz的频率范围内，1,2端口的隔离度|s
21
|低于-37.5db。1端口的反射系数|s
11
|在22.07ghz～25.64ghz的频率范围内低于-15db，相对带宽为14.97％；2端口的反射系数|s
22
|在21.96ghz～26.18ghz的频率范围内低于-15db，相对带宽为17.53％。
45.图6是双极化平板天线在25ghz时的y方向线极化的方向图，从图6可以看出，天线的e面和h面几乎完全重合，天线在最大辐射方向上的交叉极化为50.62db，天线e面和h面的副瓣电平分别为15.46db和14.26db。
46.图7是双极化平板天线在25ghz时的x方向线极化的方向图，从图7可以看出，天线的e面和h面几乎完全重合，天线在最大辐射方向上的交叉极化为44.71db，天线e面和h面的副瓣电平分别为15.22db和14.26db。
47.图8是双极化平板天线的y方向极化的增益随频率变化曲线，从图8可以看出，天线在25ghz处增益最高，为15.14db。在22ghz～27ghz范围内，增益的变化不超过2db。
48.图9是双极化平板天线的x方向极化的增益随频率变化曲线，从图9可以看出，天线在25ghz处增益最高，为15.2db，在22ghz～27ghz范围内，增益的变化不超过2db。
49.综上，本实用新型提出一种双极化平板天线单元，结构简单，加工方便，通过仿真测试，单元具有低交叉极化和低副瓣特性，可作为双极化平板天线阵列的单元。
50.最后需要说明的是，以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围，这样的变换均应涵盖在本实用新型的权利要求和说明书的范围当中。