用于产生锥形波束的平面环形漏波天线.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911327382.8 (22)申请日 2019.12.20 (71)申请人 北京交通大学 地址 100044 北京市海淀区西直门外上园 村3号 (72)发明人 王均宏马宇辰 (74)专利代理机构 北京市商泰律师事务所 11255 代理人 姜威 (51)Int.Cl. H01Q 1/38(2006.01) H01Q 1/50(2006.01) H01Q 15/24(2006.01) (54)发明名称 用于产生锥形波束的平面环形漏波天线 (57)摘要 本发明提供了一种用于产生。

2、锥形波束的平 面环形漏波天线， 包括重叠设置的第一金属层、 第一介质层、 第二金属层、 第二介质层和第三金 属层； 第一金属层上周向等角度的设置多个缝 隙； 第一介质层周向排布两圈第一金属化通孔， 两圈金属化通孔通过一排第二金属化通孔相连， 作为环形基片集成波导， 第一金属层上的缝隙对 应在环形基片集成波导内； 第二金属层上设置有 两个耦合口径， 对应于环形基片集成波导内， 且 对应于第二金属化通孔的两侧； 第二介质层上设 置有两个谐振腔， 两个谐振腔内分别设置有与一 个耦合口径对应的两个铜柱， 用于馈电或接受能 量； 第三金属层上设置有两个馈电端口， 通过两 个同轴连接器将能量馈入。 该天线。

3、可以产生锥形 波束。 权利要求书1页 说明书5页 附图6页 CN 111146578 A 2020.05.12 CN 111146578 A 1.一种用于产生锥形波束的平面环形漏波天线， 其特征在于， 所述天线包括重叠设置 的第一金属层、 第一介质层、 第二金属层、 第二介质层和第三金属层； 所述的第一金属层上周向等角度的设置有多个缝隙； 所述第一介质层周向排布两圈第一金属化通孔， 并且两圈金属化通孔通过一排第二金 属化通孔相连， 作为环形基片集成波导， 用于隔离入射端和接收端， 所述第一金属层上的缝 隙对应在所述环形基片集成波导内； 所述的第二金属层上设置有两个耦合口径， 所述两个耦合口径对。

4、应于所述环形基片集 成波导内， 且对应于所述第一介质层的一排第二金属化通孔的两侧， 构成辐射层的馈电结 构， 用于为辐射层馈电及接收馈电层中剩余的能量； 所述的第二介质层上设置有两个谐振腔， 两个谐振腔内分别设置有与一个耦合口径对 应的两个铜柱， 用于馈电或接受能量； 所述的第三金属层上设置有两个馈电端口， 用于通过两个同轴连接器将能量馈入馈电 层。 2.根据权利要求1所述的平面环形漏波天线， 其特征在于， 所述的第一金属层、 第二金 属层和第三金属层通过涂覆的方式涂覆在第一介质层和第二介质层上， 涂覆后的第一介质 层和第二介质层通过塑料螺钉固定连接。 3.根据权利要求1所述的平面环形漏波天线。

5、， 其特征在于， 所述的两个谐振腔为一个长 方形排布的第三金属化通孔， 中间通过一排第四金属化通孔隔离， 每个谐振腔的长度为半 个波导波长， 宽度与所述环形基片集成波导的宽度相等且位置相对应。 4.根据权利要求3所述的平面环形漏波天线， 其特征在于， 所述的第三金属化通孔与所 述第一金属化通孔大小相同， 所述第四金属化通孔与所述第二金属化通孔大小相同。 5.根据权利要求1所述的平面环形漏波天线， 其特征在于， 所述的第一金属通孔的排列 需满足下式(1): 其中weff为矩形波导等效宽度， w为基片集成波导宽度， s为通孔间距， d为通孔直径。 6.根据权利要求1所述的平面环形漏波天线， 其特征。

6、在于， 所述天线的俯仰面波束角度 用于通过调节波导宽度和所述环形基片集成波导的半径来设定。 7.根据权利要求1所述的平面环形漏波天线， 其特征在于， 所述天线通过设置环形基片 集成波导宽度满足下式(1)来实现圆极化： 2 Rn g (1) 其中， R为环形基片集成波导宽度，g波导波长， n为波导波长的数量。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111146578 A 2 用于产生锥形波束的平面环形漏波天线 技术领域 0001 本发明涉及电子及通信技术领域， 尤其涉及一种用于产生锥形波束的平面环形漏 波天线。 背景技术 0002 锥形波束天线在卫星通信、 无线局域网、 蓝牙和制导跟踪系统等综合应用。

7、领域受 到了广泛关注。 常见的产生锥形波束的方法是在地板上放置电流或磁电流环。 现有的锥形 波束天线很少考察俯仰面的辐射角度， 而这与特定环境的电波覆盖需求存在紧密的联系。 低剖面是降低天线风阻的重要特性， 在移动载体上安装低剖面天线， 可在保证通信质量的 条件下有效降低风阻。 另外， 无线移动终端的摆放角度较为随机， 且会因用户的日常活动频 繁改变， 因而以线极化天线作为移动端和固定端天线时， 两者的相对位置关系直接影响通 信质量。 基于以上考虑， 亟需一种结构简单、 馈电方便、 可以实现锥形波束以及等角度间隔 辐射结构的用于产生锥形波束的漏波天线。 发明内容 0003 本发明提供了一种用于。

8、产生锥形波束的平面环形漏波天线， 以解决现有技术问题 中的缺陷。 0004 为了实现上述目的， 本发明采取了如下技术方案。 0005 本发明提供了一种用于产生锥形波束的平面环形漏波天线， 其特征在于， 所述天 线包括重叠设置的第一金属层、 第一介质层、 第二金属层、 第二介质层和第三金属层； 0006 所述的第一金属层上周向等角度的设置有多个缝隙； 0007 所述第一介质层周向排布两圈第一金属化通孔， 并且两圈金属化通孔通过一排第 二金属化通孔相连， 作为环形基片集成波导， 用于隔离入射端和接收端， 所述第一金属层上 的缝隙对应在所述环形基片集成波导内； 0008 所述的第二金属层上设置有两个。

9、耦合口径， 所述两个耦合口径对应于所述环形基 片集成波导内， 且对应于所述第一介质层的一排第二金属化通孔的两侧， 构成辐射层的馈 电结构， 用于为辐射层馈电及接收馈电层中剩余的能量； 0009 所述的第二介质层上设置有两个谐振腔， 两个谐振腔内分别设置有与一个耦合口 径对应的两个铜柱， 用于馈电或接受能量； 0010 所述的第三金属层上设置有两个馈电端口， 用于通过两个同轴连接器将能量馈入 馈电层。 0011 优选地,第一金属层、 第二金属层和第三金属层通过涂覆的方式涂覆在第一介质 层和第二介质层上， 涂覆后的第一介质层和第二介质层通过塑料螺钉固定连接。 0012 优选地,两个谐振腔为一个长方。

10、形排布的第三金属化通孔， 中间通过一排第四金 属化通孔隔离， 每个谐振腔的长度为半个波导波长， 宽度与所述环形基片集成波导的宽度 相等且位置相对应。 说明书 1/5 页 3 CN 111146578 A 3 0013 优选地,第三金属化通孔与所述第一金属化通孔大小相同， 所述第四金属化通孔 与所述第二金属化通孔大小相同。 0014 优选地,第一金属通孔的排列需满足下式(1): 0015 0016 其中weff为矩形波导等效宽度， w为基片集成波导宽度， s为通孔间距， d为通孔直 径。 0017 优选地,天线的俯仰面波束角度用于通过调节波导宽度和所述环形基片集成波导 的半径来设定。 0018 。

11、优选地,天线通过设置环形基片集成波导宽度满足下式(1)来实现圆极化： 0019 2 Rn g (1) 0020 其中， R为环形基片集成波导宽度，g波导波长， n为波导波长的数量。 0021 由上述本发明的用于产生锥形波束的平面环形漏波天线提供的技术方案可以看 出， 本发明天线的极化方向随着方位角均匀偏转， 在任意方向上都有较为均匀的线极化波， 当用户天线随机摆放时可以始终保证较高的通信质量； 该天线为周向行波方式， 不同于传 统放射型行波方式漏波天线， 通过对结构参数的调整， 设置具体所需的辐射方向， 可将天线 的极化方式设计为圆极化， 实现左旋或右旋圆极化方式； 基于基片集成波导作为行波结。

12、构， 由两层介质板构成， 因为该天线是平面结构， 因此剖面较低， 便于加工和量产， 且风阻较小； 天线结构简单， 可以设计用于作为特定辐射角度的室内外通信系统天线以及波束扫描天 线， 扩大了漏波天线的应用场合和范围。 0022 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 0023 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。

13、他的 附图。 0024 图1为实施例提供的用于产生锥形波束的平面环形漏波天线结构示意图； 0025 图2为实施例的辐射层耦合馈电原理图； 0026 图3为实施例的具体的辐射层耦合馈电结构示意图； 0027 图4为漏波天线馈电结构示意图； 0028 图5为实施例的Phi0 辐射方向示意图； 0029 图6为实施例的Phi90 辐射方向示意图； 0030 图7为实施例的theta32 辐射方向示意图； 0031 图8为实施例的波束角度随波导宽度的变化趋势图； 0032 图9为实施例的波束角度随波导半径的变化趋势图； 0033 图10为实施例的theta32 轴比示意图。 0034 附图标记说明： 。

14、说明书 2/5 页 4 CN 111146578 A 4 0035 1塑料螺钉 2缝隙 3第一金属层 4第一介质层 5第一金属化通孔 6第二金属化通 孔 7第二金属层 8耦合口径 9谐振腔 10铜柱 11第二介质层 12馈电端口 13第三金属层 14/15同轴连接器 具体实施方式 0036 下面详细描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。 下面通过参 考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。 0037 本技术领域技术人员可以理解， 除非特意声明， 这里使用的。

15、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、 组件和/或它们的组。 应该理解， 当我们称元 件被 “连接” 或 “耦接” 到另一元件时， 它可以直接连接或耦接到其他元件， 或者也可以存在 中间元件。 此外， 这里使用的 “连接” 或 “耦接” 可以包括无线连接或耦接。 这里使用的措辞 “和/或” 包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。 0038 本技术。

16、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。 0039 为便于对本发明实施例的理解， 下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解 释说明。 0040 实施例 0041 图1为本实施例提供的一种用于产生锥形波束的平面环形漏波天线结构示意图， 参照图1， 该天线包括重叠设置的第一金属层3、 第一介质层4、 第二金属层7、 第二介质层。

17、11 和第三金属层13。 0042 第一金属层3上周向等角度的设置有多个缝隙2。 缝隙的大小对辐射方向图的全向 性有较为显著的影响， 而缝隙间隔可以在保证阻抗特性、 辐射方向图及辐射效率的情况下 任意设置。 0043 第一介质层4周向排布两圈第一金属化通孔5， 并且两圈金属化通孔通过一排第二 金属化通孔6相连， 作为环形基片集成波导， 用于隔离入射端和接收端， 第一金属层3上的缝 隙2对应在环形基片集成波导内。 0044 第一金属化通孔的排列需满足下式(1): 0045 0046 其中,weff为矩形波导等效宽度， w为基片集成波导宽度， s为通孔间距， d为通孔直 径。 0047 第二金属层。

18、7上设置有两个耦合口径8， 两个耦合口径8对应于环形基片集成波导 内， 且对应于第一介质层4的一排第二金属化通孔6的两侧(这里要求耦合口径尽量贴近第 二金属化通孔6， 保证天线实现较为理想的辐射)， 构成辐射层的馈电结构， 用于为辐射层馈 说明书 3/5 页 5 CN 111146578 A 5 电及接收馈电层中剩余的能量。 图2为本实施例采用的辐射层耦合馈电原理图， 参照图2， 下 层能量通过耦合口径8直接耦合至上层， 形成背靠背耦合口径对。 0048 第二介质层11上设置有两个谐振腔9， 两个谐振腔9内分别设置有与一个耦合口径 8对应的两个铜柱10， 用于馈电或接受能量。 两个谐振腔9为一。

19、个长方形排布的第三金属化 通孔， 中间通过一排第四金属化通孔隔离， 每个谐振腔的长度为半个波导波长， 宽度与环形 基片集成波导的宽度相等且位置相对应。 其中， 第三金属化通孔与所述第一金属化通孔大 小相同(排列关系根据上式(1)， 所述第四金属化通孔与所述第二金属化通孔大小相同。 图 3为本实施例的具体的辐射层耦合馈电结构示意图， 参照图3， 第四金属化通孔隔离输入和 输出谐振腔9， 4个铜柱10放置在谐振腔中改善阻抗特性。 0049 第三金属层13上设置有两个馈电端口12， 用于通过两个同轴连接器(14、 15)将能 量馈入馈电层。 图4为漏波天线馈电结构示意图， 参照图4， 能量从一端同轴。

20、馈电端口馈入， 另一端连接匹配负载吸收剩余能量。 0050 第一金属层3、 第二金属层7和第三金属层13通过涂覆的方式涂覆在第一介质层4 和第二介质层11上， 涂覆后的第一介质层4和第二介质层11通过塑料螺钉1固定连接。 该天 线为双层结构， 即上辐射层和下馈电层， 第一金属层3、 第一介质层4和第二金属层7构成上 辐射层， 第二金属层7、 第二介质层11和第三金属层13构成下馈电层。 0051 如图5和图6所示为锥形波束的phi0 和phi90 两个平面辐射方向图， 通过该 图可得， 该天线可以产生锥形波束。 0052 图7为实施例的theta32 辐射方向示意图， 如图7为沿最大辐射方向的。

21、辐射方向 图， 可见， 在最大辐射方向theta32 ， 方位角在360 范围内的方向性波动小于3dB， 具有全 向性， 结合图5、 图6和图7， 可以得知该天线能够产生锥形波束。 0053 天线的俯仰面波束角度用于通过调节波导宽度和环形基片集成波导的半径来设 定。 由于主瓣辐射方向的设定可通过改变辐射单元间相位差来实现， 对于基于基片集成波 导的周期性缝隙漏波天线而言， 波导宽度对传播常数有显著影响， 因而可通过改变波导宽 度实现主瓣辐射方向的设定； 另一方面， 改变环形行波结构的半径可以使周期性缝隙在某 一方向上的缝隙排布方式发生变化， 因此主瓣辐射方向也可以通过改变环形行波结构的半 径进。

22、行调整。 图8为本实施例的波束角度随波导宽度的变化趋势图， 如图8所示， 随着波导宽 度的增加， 波束角度逐渐增大， 可见， 通过调节波导宽度可以调整俯仰面波束角度。 图9为本 实施例的波束角度随波导半径的变化趋势图， 如图9所示， 随着环形波导半径的增加， 波束 角度同样逐渐增大， 可见， 通过调节环形波导半径可以调整俯仰面波束角度。 0054 天线通过设置环形基片集成波导宽度满足下式(1)来实现圆极化： 0055 2 Rn g (1) 0056 其中， R为环形基片集成波导宽度， g波导波长， n为波导波长数量。 从同轴馈电器 14馈入能量时为右旋圆极化， 从同轴馈电器15馈入能量时为左旋。

23、圆极化。 如图10所示， 轴比 在全部周向都在3dB以内， 可见此时天线具有圆极化特性。 0057 本发明实施例并不局限上述信号处理装置的具体放置位置， 上述信号处理装置在 电子式互感器的内部中的任何放置方式都在本发明实施例的保护范围中。 0058 本领域技术人员应能理解， 图1仅为简明起见而示出的各类元素的数量可能小于 一个实际电线中的数量， 但这种省略无疑是以不会影响对发明实施例进行清楚、 充分的公 说明书 4/5 页 6 CN 111146578 A 6 开为前提的。 0059 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。

24、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。 说明书 5/5 页 7 CN 111146578 A 7 图1 说明书附图 1/6 页 8 CN 111146578 A 8 图2 图3 说明书附图 2/6 页 9 CN 111146578 A 9 图4 图5 说明书附图 3/6 页 10 CN 111146578 A 10 图6 图7 说明书附图 4/6 页 11 CN 111146578 A 11 图8 图9 说明书附图 5/6 页 12 CN 111146578 A 12 图10 说明书附图 6/6 页 13 CN 111146578 A 13 。