一种双圆极化和差网络

1.本发明属于一种和差网络，具体涉及一种双圆极化和差网络。


背景技术：

2.近年来，随着相控阵相关电子系统的发展，和差网络技术也随之快速发展。
3.和差网络主要由耦合器、和差器、移相器、滤波器等组成，作为天线领域的关键部件，用于完成信号的功率合成与分配，现有的技术方案中，和差网络中的耦合器、和差器、移相器、滤波器等，均是单独的模块，各模块之间通过线缆连接，但是，线缆有相位要求，会增加调测难度。


技术实现要素：

4.本发明为解决现有和差网络结构中，各模块间均通过线缆连接，增加了调试难度的技术问题，提供一种双圆极化和差网络。
5.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
6.一种双圆极化和差网络，其特殊之处在于，包括依次叠放设置的第一介质板、第一粘合板、第二介质板、第二粘合板、第三介质板、第三粘合板和第四介质板；
7.所述第一介质板的两侧、第二介质板靠近第二粘合板的一侧、第三介质板靠近第二粘合板的一侧、第四介质板的两侧均印制有金属接地结构；
8.所述第二介质板靠近第一粘合板的表面印制有左旋和差网络结构；
9.所述第三介质板靠近第三粘合板的表面印制有右旋和差网络结构；
10.所述第一介质板、第一粘合板、第二介质板、第二粘合板、第三介质板、第三粘合板和第四介质板上相应位置均开设有连接通孔，且各连接通孔依次贯通；
11.所述第二介质板上的左旋和差网络结构中设有馈电孔，且第二粘合板、第三介质板、第三粘合板和第四介质板上与馈电孔相应位置均设有相互贯通的馈电通孔。
12.进一步地，左旋和差网络结构包括第一左旋子网络结构、第二左旋子网络结构、第三左旋子网络结构、第四左旋子网络结构、第一电桥、第二电桥、第三电桥和第四电桥；
13.所述第一左旋子网络结构和所述第四左旋子网络结构的输入端分别连接第一电桥的两个输出端，所述第二左旋子网络结构、和第三左旋子网络结构的输入端分别连接第二电桥的两个输出端；
14.所述第一电桥的一个输入端连接第三电桥与方位差输入相对应的输出端，另一个输入端通过第六90
°
移相器连接第四电桥与俯仰差输入相对应的输出端；
15.所述第二电桥的一个输入端通过第七90
°
移相器连接第三电桥与和端口输入相对应的输出端，另一个输入端连接第四电桥与负载输入相对应的输出端；
16.四个所述网络单元中均设有馈电孔。
17.进一步地，所述第一左旋子网络结构、第二左旋子网络结构、第三左旋子网络结构和第四左旋子网络结构均包括第五电桥、第六电桥、第七电桥、第八电桥、第一威尔金森功
分器、第二威尔金森功分器和第三威尔金森功分器，其中，第一左旋子网络结构和第二左旋子网络结构中还包括第一90
°
移相器；所述第一90
°
移相器的一端为第一左旋子网络结构或第二左旋子网络结构的输入端，另一端与第二威尔金森功分器的输入端相连；
18.所述第二威尔金森功分器的两个输出端分别连接第一威尔金森功分器的输入端和第三威尔金森功分器的输入端；
19.所述第一威尔金森功分器的两个输出端分别连接第五电桥的一个输入端和第七电桥的一个输入端；第三威尔金森功分器的两个输出端分别连接第六电桥和第八电桥的一个输入端；
20.所述馈电孔分别设置在第五电桥的两个输出端处、第六电桥的两个输出端处、第七电桥的两个输出端处和第八电桥的两个输出端处。
21.进一步地，所述第一右旋子网络结构、第二右旋子网络结构、第三右旋子网络结构、第四右旋子网络结构、第九电桥、第十电桥、第十一电桥和第十二电桥；
22.第三右旋子网络结构和第四右旋子网络结构的输入端分别连接第九电桥的一个输出端和第十电桥的一个输出端；
23.第二右旋子网络结构的输入端通过第二90
°
移相器与第九电桥的另一个输出端相连，第一右旋子网络结构的输入端通过第三90
°
移相器与第十电桥的另一个输出端相连；
24.所述第九电桥的一个输入端连接第十一电桥与和端口输入相对应的输出端，另一个输入端通过第四90
°
移相器连接第十二电桥与负载输入相对应的输出端；
25.所述第十电桥的一个输入端通过第五90
°
移相器连接第十一电桥与方位差输入相对应的输出端，另一个输入端连接第十二电桥与俯仰差输入相对应的输出端。
26.进一步地，所述连接通孔分别设置在第五电桥、第六电桥、第七电桥、第八电桥的另一个输入端处；
27.各连接通孔外部沿周向还设置有多个金属化通孔，所述金属化通孔贯通第一介质板、第一粘合板、第二介质板、第二粘合板、第三介质板、第三粘合板和第四介质板，与所述连接通孔构成同轴结构。
28.进一步地，所述第一右旋子网络结构、第二右旋子网络结构、第三右旋子网络结构、第四右旋子网络结构均包括第四威尔金森功分器、第五威尔金森功分器和第六威尔金森功分器；
29.第二右旋子网络结构中的第五威尔金森功分器输入端与第二90
°
移相器相连，第一右旋子网络结构中的第五威尔金森功分器输入端与第三90
°
移相器相连，第三右旋子网络结构中的第五威尔金森功分器输入端与第九电桥的一个输出端相连，第四右旋子网络结构中的第五威尔金森功分器输入端与第十电桥的一个输出端相连；
30.第五威尔金森功分器的两个输出端分别连接第四威尔金森功分器和第六威尔金森功分器的输入端；
31.所述第四威尔金森功分器和第六威尔金森功分器的两个输出端分别与第三介质板上相应的馈电通孔电连接。
32.进一步地，所述第一威尔金森功分器、第二威尔金森功分器、第三威尔金森功分器、第四威尔金森功分器、第五威尔金森功分器和第六威尔金森功分器的隔离电阻均采用0402封装尺寸。
33.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
34.1.本发明双圆极化和差网络，设置有多个介质板和多个粘合板，将金属接地结构、左旋和差网络结构和右旋和差网络结构分别设置在不同的介质板两面，通过粘合板形成多层次的和差网络结构，整体结构紧凑，集成度高，减小了和差网络结构的体积，同时，还能够实现左旋圆极化和右旋圆极化，具有极强的实用性。另外，本发明采用带状线结构，顶层和底层均设有金属接地结构，能量在传输过程中不易泄露，同时，也不易受外界干扰。
35.2.本发明的双圆极化和差网络结构对称性、幅度和相位一致性良好。
36.3.本发明的左旋和差网络结构和右旋和差网络结构中，均采用了威尔金森功分器，提高了端口之间的隔离度，增大了工作带宽，解决了t型结功分器不能全端口匹配和没有隔离的缺点。另外，馈电孔作为输出端口空间分布灵活，可以满足更为复杂的结构环境应用。
37.4.本发明中所有威尔金森功分器的隔离电阻均采用0402封装尺寸，尺寸小、易于集成，且易于装配。
38.5.左旋和差网络结构在圆极化器处采用连接通孔，起到垂直过渡的作用，能将各层网络进行连接，且连接通孔周围设有一圈金属化通孔，与连接通孔构成同轴结构，避免了阻抗失配问题。
附图说明
39.图1为本发明双圆极化和差网络的结构示意图；
40.图2为本发明双圆极化和差网络实施例中左旋和差网络结构的示意图；
41.图3为本发明双圆极化和差网络实施例中右旋和差网络结构的示意图；
42.图4为采用本发明双圆极化和差网络的天线阵列示意图；
43.图5为本发明双圆极化和差网络的原理示意图；
44.图6为采用本发明双圆极化和差网络的天线阵列回波损耗仿真图；
45.图7为采用本发明双圆极化和差网络的方位差端口到各端口的插入损耗仿真图；
46.图8为采用本发明双圆极化和差网络的方位差端口到各端口的相位特性曲线图；
47.图9为采用本发明双圆极化和差网络的和端口到各端口的插入损耗仿真图；
48.图10为采用本发明双圆极化和差网络的和端口到各端口的相位特性曲线图；
49.图11为采用本发明双圆极化和差网络的俯仰差端口到各端口的插入损耗仿真图；
50.图12为采用本发明双圆极化和差网络的俯仰差端口到各端口的相位特性曲线图；
51.图13为采用本发明双圆极化和差网络的天线阵列在2.25ghz处天线左旋方位和差波束仿真方向图；
52.图14为采用本发明双圆极化和差网络的天线阵列在2.25ghz处天线左旋俯仰和差波束仿真方向图；
53.图15为采用本发明双圆极化和差网络的天线阵列在2.25ghz处天线右旋方位和差波束仿真方向图；
54.图16为采用本发明双圆极化和差网络的天线阵列在2.25ghz处天线右旋俯仰和差波束仿真方向图。
55.其中：1-第一介质板、2-第二介质板、3-第三介质板、4-第四介质板、5-第一粘合
板、6-第二粘合板、7-第三粘合板、8-第一左旋子网络结构、9-第一电桥、10-第二电桥、11-第三电桥、12-第四电桥、13-第五电桥、14-第六电桥、15-第七电桥、16-第八电桥、17-第一威尔金森功分器、18-第二威尔金森功分器、19-第三威尔金森功分器、20-第一90
°
移相器、21-馈电孔、22-第九电桥、23-第十电桥、24-第十一电桥、25-第十二电桥、26-第四90
°
移相器、27-第五90
°
移相器、28-第二90
°
移相器、29-第三90
°
移相器、30-第七90
°
移相器、31-第四威尔金森功分器、32-第五威尔金森功分器、33-第六威尔金森功分器、34-第一右旋子网络结构、35-第六90
°
移相器、36-金属接地结构、37-左旋和差网络结构、38-右旋和差网络结构、39-第二左旋子网络结构、40-第三左旋子网络结构、41-第四左旋子网络结构、42-第二右旋子网络结构、43-第三右旋子网络结构、44-第四右旋子网络结构。
具体实施方式
56.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
57.如图1所示，本发明提供了一种带状线的双圆极化和差网络，包括依次叠放设置的第一介质板1、第一粘合板5、第二介质板2、第二粘合板6、第三介质板3、第三粘合板7和第四介质板4。第一介质板1的两侧、第二介质板2靠近第二粘合板6的一侧、第三介质板3靠近第二粘合板6的一侧，以及第四介质板4的两侧均印制有金属接地结构36。
58.第二介质板2靠近第一粘合板5的表面印制有左旋和差网络结构37。如图2所示，左旋和差网络结构37包括第一左旋子网络结构8、第二左旋子网络结构39、第三左旋子网络结构40、第四左旋子网络结构41、第一电桥9、第二电桥10、第三电桥11和第四电桥12。第一左旋子网络结构8、第二左旋子网络结构39、第三左旋子网络结构40和第四左旋子网络结构41均包括第五电桥13、第六电桥14、第七电桥15、第八电桥16、第一威尔金森功分器17、第二威尔金森功分器18和第三威尔金森功分器19，其中，第一左旋子网络结构8和第二左旋子网络结构39中还包括第一90
°
移相器20。第一90
°
移相器20的一端为第一左旋子网络结构8或第二左旋子网络结构39的输入端，另一端与第二威尔金森功分器18的输入端相连，第二威尔金森功分器18的两个输出端分别连接第一威尔金森功分器17的输入端和第三威尔金森功分器19的输入端，第一威尔金森功分器17的两个输出端分别连接第五电桥13的一个输入端和第七电桥15的一个输入端；第三威尔金森功分器19的两个输出端分别连接第六电桥14和第八电桥16的一个输入端。多个馈电孔21分别设置在第五电桥13的两个输出端处、第六电桥14的两个输出端处、第七电桥15的两个输出端处和第八电桥16的两个输出端处。
59.第一左旋子网络结构8和所述第四左旋子网络结构41的输入端分别连接第一电桥9的两个输出端，所述第二左旋子网络结构39、和第三左旋子网络结构40的输入端分别连接第二电桥10的两个输出端。第一电桥9的一个输入端连接第三电桥11与方位差输入相对应的输出端，另一个输入端通过第六90
°
移相器35连接第四电桥12与俯仰差输入相对应的输出端。第二电桥10的一个输入端通过第七90
°
移相器30连接第三电桥11与和端口输入相对应的输出端，另一个输入端连接第四电桥12与负载输入相对应的输出端。
60.第三介质板3靠近第三粘合板7的表面印制有右旋和差网络结构38。如图3所示，右
旋和差网络结构38包括第一右旋子网络结构34、第二右旋子网络结构42、第三右旋子网络结构43、第四右旋子网络结构44、第九电桥22、第十电桥23、第十一电桥24和第十二电桥25，第一右旋子网络结构34、第二右旋子网络结构42、第三右旋子网络结构43、第四右旋子网络结构44均包括第四威尔金森功分器31、第五威尔金森功分器32和第六威尔金森功分器33。第二右旋子网络结构42中的第五威尔金森功分器32输入端与第二90
°
移相器28相连，第一右旋子网络结构34中的第五威尔金森功分器32输入端与第三90
°
移相器29相连，第三右旋子网络结构43中的第五威尔金森功分器32输入端与第九电桥22的一个输出端相连，第四右旋子网络结构44中的第五威尔金森功分器32输入端与第十电桥23的一个输出端相连，第五威尔金森功分器32的两个输出端分别连接第四威尔金森功分器31和第六威尔金森功分器33的输入端，第四威尔金森功分器31和第六威尔金森功分器33的两个输出端分别与第三介质板3上对应的馈电通孔电连接。
61.第三右旋子网络结构43和第四右旋子网络结构44的输入端分别连接第九电桥22的一个输出端和第十电桥23的一个输出端，第二右旋子网络结构42的输入端通过第二90
°
移相器28与第九电桥22的另一个输出端相连，第一右旋子网络结构34的输入端通过第三90
°
移相器29与第十电桥23的另一个输出端相连，第九电桥22的一个输入端连接第十一电桥24与和端口输入相对应的输出端，另一个输入端通过第四90
°
移相器26连接第十二电桥25与负载输入相对应的输出端，第十电桥23的一个输入端通过第五90
°
移相器27连接第十一电桥24与方位差输入相对应的输出端，另一个输入端连接第十二电桥25与俯仰差输入相对应的输出端。
62.第一介质板1、第一粘合板5、第二介质板2、第二粘合板6、第三介质板3、第三粘合板7和第四介质板4上均开设有连接通孔，且各连接通孔依次贯通。第二粘合板6、第三介质板3、第三粘合板7和第四介质板4上与馈电孔21相应位置均设有相互贯通的馈电通孔。
63.如图4所示，将上述双圆极化和差网络与4*4单元天线阵列相连，搭建天线。其中，第一介质板1、第二介质板2、第三介质板3和第四介质板4的材料均采用rogers 5880，相对介电常数为2.2，厚度为0.508mm。第一粘合板5、第二粘合板6、第三粘合板7均采用fr4材料，相对介电常数为4.4，厚度为0.1mm。所有威尔金森功分器的隔离电阻均采用0402封装尺寸，通过在pcb板的正反面开槽，可直接将电阻焊接在槽内。其中，a1、a2、a3、a4组成a区域的小阵列，b1、b2、b3、b4组成b区域的小阵列，c1、c2、c3、c4组成c区域的小阵列，d1、d2、d3、d4组成d区域的小阵列，a、b、c、d区域分别与第一左旋子网络结构8、第二左旋子网络结构39、第三左旋子网络结构40、第四左旋子网络结构41相对应，搭建天线时，在第四介质板4的底部安装铝板，在铝板远离第四介质板4的表面设置天线阵列，如a区域小阵列中，a1、a2、a3、a4分别与第一左旋子网络结构8中第五电桥13、第六电桥14、第七电桥15、第八电桥16两个输出端处的馈电孔21通过探针相连。如图5所示，当a、b、c、d为输入端口时，经过四个独立的分支，结合90
°
移相器和电桥，从m、n、p、q四个端口分别输出，和端口为(a b c d)，方位差为(a c)-(b d)，俯仰差为(a b)-(c d)，负载为(b c)-(a d)。可以看出，从m端口输出的为4个信号的叠加，n端口输出的为在方位面和信号的相差，p端口输出的为在俯仰面和信号的相差，q端口得到的信号无实际意义，一般用来接匹配负载，用来吸收未完全匹配时多余的功率。
64.采用ansoft hfss软件对上述实施例的天线进行仿真，得到图6至图12所示的仿真结果，其中，17表示方位差端口，18表示和端口，19表示俯仰差端口，a1和a2为a区域任一个
圆极化器的两个馈电点，相位相差90
°
，b1、b2为b区域任一个圆极化器的两个馈电点，相位相差90
°
，c1、c2为c区域任一个圆极化器的两个馈电点，相位相差90
°
，d1、d2为d区域任一个圆极化器的两个馈电点，相位相差90
°
。图6所示各端口的回波损耗，可以看出在2.2ghz-2.3ghz带宽内，回波损耗均小于-13db，实现了良好的端口匹配。图7为方位差端口到各个端口的插入损耗，可以看出在频带范围内，方位差端口到各个端口的插入损耗在-17db左右，不平衡度在1db以内。图8为方位差端口到各端口的相位特性曲线图，可以看出，在频带范围内a区域和c区域的输出信号始终保持同相，且相位一致性良好，b区域和d区域的输出信号始终保持同相，且相位一致性良好，a区域、c区域和b区域、d区域严格反向输出。图9为和端口到各个端口的插入损耗图，可以看出在频带范围内，和端口到各个端口的插入损耗在-17db左右，不平衡度在1db以内。图10为和端口到各个端口的相位特性曲线图，可以看出，在工作频带内a1、b1、c1、d1的输出信号始终保持同相，a2、b2、c2、d2的输出信号始终保持同相，且这两组信号相位相差90度。图11为俯仰差端口到各个端口的插入损耗图，可以看出，在工作带宽内，俯仰差端口到各个端口的插入损耗在-17db左右，不平衡度在1db以内。图12为俯仰差端口到各端口的相位特性曲线图，可以看出，在工作带宽内，a区域和b区域的输出信号始终保持同相，且相位一致性良好，c区域和d区域的输出信号始终保持同相，且相位一致性良好，a区域、b区域和c区域、d区域严格反向输出。图13为2.25ghz处天线左旋方位和差波束方向图仿真结果，可以看出，和方向图的增益可以达到20db左右，差方向图的零深低于-20db。图14为2.25ghz处天线左旋俯仰和差波束方向图仿真结果，可以看出，和方向图的增益可以达到20db左右，差方向图的零深低于-20db。图15为2.25ghz处天线右旋方位和差波束方向图仿真结果，可以看出，和方向图的增益可以达到20db左右，差方向图的零深低于-20db。图16为2.25ghz处天线右旋俯仰和差波束方向图仿真结果，可以看出，和方向图的增益可以达到20db左右，差方向图的零深低于-20db。
65.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。