一种双频双圆极化共口径滤波天线的制作方法
1.本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种双频双圆极化共口径滤波天线。
背景技术：
2.双频共口径天线可满足在同一个口径面内实现两个不同频段的辐射，应用于星载相控阵天线中，可极大程度减少天线对载荷平台的空间需求，提高其空间利用率。但是对于小频率比双频共口径天线，工作在不同频段的天线结构在物理空间中会高度集中，在紧凑的空间里，对于不同频段间的互耦影响会变得明显，具体表现为天线不同频段端口之间的隔离度下降和辐射畸变，从而导致天线系统的性能下降。此外，目前已报道的双频共口径天线主要采用线极化的极化形式，无法满足星载通信类天线对圆极化辐射的需求。
技术实现要素：
3.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种双频双圆极化共口径滤波天线，解决了异频圆极化共口径天线之间的互耦问题，提高了通道间的隔离度。
4.本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种双频双圆极化共口径滤波天线，包括：介质谐振器、嵌套式双环金属贴片结构、矩形条状金属结构、磁电偶极子辐射结构、探针结构、单环状金属贴片结构、天线金属地板、一分二不等相位功分器、第一介质板、第二介质板、第三介质板、第四介质板、第五介质板和正交l形探针结构；其中，所述介质谐振器设置于所述介质板的上表面；所述第一介质板、第二介质板、第三介质板、第四介质板和第五介质板自上而下依次相连接；所述嵌套式双环金属贴片结构设置于第一介质板的上表面和第二介质板的上表面；所述探针结构自下至上依次穿过第五介质板、第四介质板、第三介质板、第二介质板和第一介质板；所述矩形条状金属结构设置于第二介质板的上表面；所述磁电偶极子辐射结构设置于第三介质板的上表面，所述磁电偶极子辐射结构与所述天线金属地板相连接；所述正交l形探针结构设置于第三介质板的上表面，所述正交l形探针结构与所述一分二不等相位功分器连接；所述单环状金属贴片结构设置于第四介质板的上表面，所述单环状金属贴片结构位于所述正交l形探针结构的下部；所述天线金属地板设置于第五介质板的上表面；所述一分二不等相位功分器设置于第五介质板的下表面。
5.上述双频双圆极化共口径滤波天线中，所述介质谐振器为圆柱体结构，所述介质谐振器开设有两个贯穿的对称缺口。
6.上述双频双圆极化共口径滤波天线中，所述嵌套式双环金属贴片结构包括第一金属环、第二金属环和金属弧；其中，所述第一金属环和金属弧均设置于所述第一介质板的上表面；所述第二金属环设置于所述第二介质板的上表面，所述第二金属环位于所述第一金属环的下部；所述第一金属环和所述金属弧相连接；所述第一金属环和所述第二金属环均通过金属微带线与所述探针结构相连接。
7.上述双频双圆极化共口径滤波天线中，所述磁电偶极子辐射结构包括四个金属贴片；其中，四个金属贴片关于天线几何中心对称；四个金属贴片的尺寸均相同；每个金属贴
片通过短路通孔与所述天线金属地板相连接。
8.上述双频双圆极化共口径滤波天线中，所述短路通孔为金属化通孔，位于所述金属贴片的内角位置处。
9.上述双频双圆极化共口径滤波天线中，所述正交l形探针结构的探针依次贯穿第三介质板、第四介质板、第五介质板与一分二不等相位功分器相连接。
10.上述双频双圆极化共口径滤波天线中，所述正交l形探针结构在第四介质板的上表面的投影位于所述单环状金属贴片结构的内部。
11.上述双频双圆极化共口径滤波天线中，所述介质谐振器满足以下约束条件：
[0012][0013]
其中，f
l
是介质谐振器的工作频率，c0是自由空间的光速，h为介质谐振器的高度，r为介质谐振器的半径，ε1是介质谐振器的介电常数。
[0014]
上述双频双圆极化共口径滤波天线中，所述磁电偶极子辐射结构满足以下约束条件：
[0015][0016]
其中，λh是磁电偶极子的工作波长，a是金属贴片的长或宽，w是相邻金属贴片之间的缝隙宽度，ε2为第四介质板的介电常数。
[0017]
上述双频双圆极化共口径滤波天线中，所述金属贴片为正方形。
[0018]
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
[0019]
(1)与传统双圆极化共口径天线相比，本发明通过给天线高低频辐射结构加载弧形及环形滤波结构，实现了天线低频段的低通工作模式，高频段的高通工作模式，改善了高低频端口间的隔离度；
[0020]
(2)对比传统双频双圆极化共口径天线，本发明采用介质谐振器与磁电偶极子堆叠方式，因将介质谐振器作为低频辐射结构置于高频辐射体的正上方，而介质谐振器可视为高频辐射体的电磁透明结构，从而解决了高低频辐射相互干扰的问题；
[0021]
(3)本发明的低频馈电结构不仅可以用来激励低频谐振结构，还可复用为高频谐振结构的滤波结构，抑制高频谐振结构在低频的辐射，从而进一步提高不同频段不同极化端口间的隔离度。
附图说明
[0022]
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
[0023]
图1是本发明实施例提供的双频双圆极化共口径滤波天线的结构示意图；
[0024]
图2是本发明实施例提供的双频双圆极化共口径滤波天线的侧视图；
[0025]
图3是本发明实施例提供的双频双圆极化共口径滤波天线的俯视图；
[0026]
图4是本发明实施例提供的双频双圆极化共口径滤波天线在低频工作时的滤波性
能和阻抗特性的示意图；
[0027]
图5是本发明实施例提供的双频双圆极化共口径滤波天线在高频工作时的滤波性能和阻抗特性的示意图。
具体实施方式
[0028]
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0029]
为满足星载双频双圆极化共口径天线设计要求，在保证天线辐射性能的前提下，实现异频天线通道之间的高隔离度，基于圆极化滤波天线和电磁透明天线设计思想，通过采用介质谐振器与微带印刷天线堆叠方式，并结合滤波结构实现具有高端口隔离度和高低频辐射特性互不影响的双频双圆极化辐射特性。
[0030]
图1是本发明实施例提供的双频双圆极化共口径滤波天线的结构示意图；图2是本发明实施例提供的双频双圆极化共口径滤波天线的侧视图；图3是本发明实施例提供的双频双圆极化共口径滤波天线的俯视图。如图1至图3所示，该双频双圆极化共口径滤波天线包括：介质谐振器1、嵌套式双环金属贴片结构5、矩形条状金属结构6、磁电偶极子辐射结构7、探针结构8、单环状金属贴片结构9、天线金属地板10、一分二不等相位功分器11、第一介质板12、第二介质板13、第三介质板14、第四介质板15、第五介质板16和正交l形探针结构17。其中，
[0031]
介质谐振器1设置于介质板12的上表面；第一介质板12、第二介质板13、第三介质板14、第四介质板15和第五介质板16自上而下依次相连接；嵌套式双环金属贴片结构5设置于第一介质板12的上表面和第二介质板13的上表面；探针结构8自下至上依次穿过第五介质板16、第四介质板15、第三介质板14、第二介质板13和第一介质板12；矩形条状金属结构6设置于第二介质板13的上表面；磁电偶极子辐射结构7设置于第三介质板14的上表面，磁电偶极子辐射结构7与天线金属地板10相连接；正交l形探针结构17设置于第三介质板14的上表面，正交l形探针结构17与一分二不等相位功分器11连接；单环状金属贴片结构9设置于第四介质板15的上表面，单环状金属贴片结构9位于正交l形探针结构17的下部；天线金属地板10设置于第五介质板16的上表面；一分二不等相位功分器11设置于第五介质板16的下表面。
[0032]
具体的，介质谐振器1为一个圆柱体结构，放置在介质板12的上方，是天线的低频辐射结构。介质谐振器1有两个贯穿的对称缺口。
[0033]
第一介质板12、第二介质板13、第三介质板14、第四介质板15和第五介质板16自上而下依次紧密排列，其截面均为尺寸相同的正方形。
[0034]
嵌套式双环金属贴片结构5包括第一金属环2、第二金属环3和金属弧4；其中，第一金属环2和金属弧4均设置于第一介质板12的上表面；第二金属环3设置于第二介质板13的上表面，第二金属环3位于第一金属环2的下部；第一金属环2和金属弧4相连接；第一金属环2和第二金属环3均通过金属微带线与探针结构8相连接。
[0035]
具体的，介质谐振器1，对应馈电结构为嵌套式双环金属贴片结构5和矩形条状金属结构6。嵌套式双环金属贴片结构5由金属环2、金属环3、金属弧4组成。金属环2、金属弧4位于介质板12的上表面；金属环3位于金属环2的正下方，置于介质板13的上表面；金属环2与金属弧4中心经金属微带线连接；矩形条状金属结构6与金属环3位于同一层，金属环2和金属环3均通过金属微带线与探针结构8连接。
[0036]
磁电偶极子辐射结构7位于介质板14的上表面，由四个长和宽均为a的矩形金属贴片组成，相邻矩形金属贴片之间的缝隙宽度为w。四个金属贴片关于天线几何中心对称。每个金属贴片通过短路通孔穿过介质板14、15，与天线金属地板10连接。其中，每个短路通孔为金属化通孔，靠近矩形金属贴片的内角。正交l形探针结构17与磁电偶极子辐射结构7位于同一层，其探针贯穿介质板14、介质板15、介质板16，与一分二不等相位功分器11连接。磁电偶极子辐射结构7与四个短路通孔、正交l形探针结构17以及一分二不等相位功分器11共同组成天线的高频辐射体。
[0037]
单环状金属贴片结构9位于介质板15的上表面，位于磁电偶极子辐射结构7正下方，将正交l形探针结构17包围在中间。具体的，正交l形探针结构17在第四介质板15的上表面的投影位于单环状金属贴片结构9的内部。天线金属地板10是天线高低频辐射结构共用的接地板。
[0038]
介质谐振器1需满足以下约束条件：
[0039][0040]
磁电偶极子辐射结构7需满足以下约束条件：
[0041]
i(z)＝im(β((2a+w)/2-|z|))，-(2a+w)/2《z《(2a+w)/2且i(z)＝0
[0042]
则有：
[0043]
其中，c0是自由空间的光速，h为介质谐振器的高度，r为介质谐振器的半径，ε1是介质谐振器的介电常数，f
l
是介质谐振器的工作频率，λh是磁电偶极子的工作波长，a是构成磁电偶极子辐射结构的矩形金属贴片的长或宽，w是相邻矩形金属贴片之间的缝隙宽度。ε2为第三介质板14或第四介质板15的介电常数，第三介质板14和第四介质板15的介电常数相等。
[0044]
通过以上公式使得天线的双频辐射性能良好。
[0045]
本发明的优选实例是一个工作于毫米波频段的双频双圆极化共口径滤波天线。高频中心频率设为30ghz,低频中心频率设为20ghz。介质谐振器1是低频辐射结构，其工作模式为hen
11ξ
模式。
[0046]
双频双圆极化共口径滤波天线参数确定如下：
[0047]
首先根据天线在低频段工作频率要求，按照以下约束条件确定介质谐振器结构的半径r，高度h以及介电常数ε1：
[0048]
[0049]
其中，c0是自由空间的光速，h为介质谐振器的高度，r为介质谐振器的半径，ε1是介质谐振器的介电常数，f
l
是介质谐振器的工作频率。
[0050]
然后对天线在低频工作模式下的馈电结构进行设计，其工作频率为20ghz，金属环2的外半径为r_1，宽度为w_1；金属环3位于金属环2的正下方，其外半径为r_2，宽度为w_2，具体参数确定需由天线阻抗匹配实际情况来进行调节；金属弧4与金属环2相连接，用于引入一个具有上频带可调特性的边缘陡峭零点，其外半径为r_3，宽度为w_3，对应的弧度角为θ，具体参数确定需由天线低频滤波实际情况来进行调节。矩形条状金属结构6的长为l_p、宽为w_p，其逆时针旋转角度为α，与金属环2位于同一层，具体参数值需由天线左旋圆极化辐射性能来进行确定。此外，介质谐振器1上的两个对称缺口的长为l_m、宽为w_m，高为h，具体参数值也需由天线左旋圆极化辐射性能来进行确定。
[0051]
随后对天线的高频工作模式进行设计。磁电偶极子辐射结构7由四个长和宽均为a的矩形金属贴片组成，相邻矩形金属贴片之间的缝隙宽度为w，满足的关系式。其中，λh是磁电偶极子的工作波长，ε2为介质板15和介质板14的介电常数。l形探针17的臂的长度为l_f，宽度为w_f，探针馈电点距离天线中心点的距离为l_feed，后端连接一分二不等相位功分器11，具体参数确定需由天线在高频工作时的阻抗匹配实际情况来进行调节。
[0052]
最后对天线工作在高频段的滤波特性进行设计，由单环状金属贴片结构9实现，其外半径为r_0，宽度为w_0，具体参数确定需由天线高频滤波实际情况来进行调节。
[0053]
图4给出了本发明的天线在低频工作时的增益曲线和s参数曲线。图5给出了本发明的天线在高频工作时的增益曲线和s参数曲线。
[0054]
本实施例解决了异频圆极化共口径天线之间的互耦问题，提高了通道间的隔离度。天线结构特点是，采用高低频谐振结构堆叠方式，高频谐振结构置于低频谐振结构下方。高频谐振结构为一对正交l形探针馈电的磁电偶极子天线形式。通过天线后端加载相位相差90
°
的一分二不等相位功分器11，实现圆极化辐射性能。基于此又通过在磁电偶极子辐射结构7下方引入单环状金属贴片结构9，使天线在高频工作时增益下频带产生一个边缘陡峭的零点。低频谐振结构为圆柱体形状的质谐振器1，并由嵌套式双环金属贴片结构5和矩形条状金属结构6激励。嵌套式双环金属贴片结构5可用于实现低频谐振结构在上频带增益处产生边缘陡峭的零点。此外，为进一步改善低频圆极化特性，介质谐振器1有两个贯穿的对称缺口。本发明与现有技术相比，与传统双圆极化共口径天线相比，通过引入三层嵌套环形结构，提高了毫米波频段异频异极化端口之间的隔离度，同时，作为天线低频谐振结构的介质谐振器不仅可以实现低频段的右旋圆极化辐射特性，而且对于天线的高频谐振结构而言，介质谐振器可视为电磁透明结构不会对高频辐射特性产生影响。
[0055]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
技术特征：
1.一种双频双圆极化共口径滤波天线，其特征在于包括：介质谐振器(1)、嵌套式双环金属贴片结构(5)、矩形条状金属结构(6)、磁电偶极子辐射结构(7)、探针结构(8)、单环状金属贴片结构(9)、天线金属地板(10)、一分二不等相位功分器(11)、第一介质板(12)、第二介质板(13)、第三介质板(14)、第四介质板(15)、第五介质板(16)和正交l形探针结构(17)；其中，所述介质谐振器(1)设置于所述介质板(12)的上表面；所述第一介质板(12)、第二介质板(13)、第三介质板(14)、第四介质板(15)和第五介质板(16)自上而下依次相连接；所述嵌套式双环金属贴片结构(5)设置于第一介质板(12)的上表面和第二介质板(13)的上表面；所述探针结构(8)自下至上依次穿过第五介质板(16)、第四介质板(15)、第三介质板(14)、第二介质板(13)和第一介质板(12)；所述矩形条状金属结构(6)设置于第二介质板(13)的上表面；所述磁电偶极子辐射结构(7)设置于第三介质板(14)的上表面，所述磁电偶极子辐射结构(7)与所述天线金属地板(10)相连接；所述正交l形探针结构(17)设置于第三介质板(14)的上表面，所述正交l形探针结构(17)与所述一分二不等相位功分器(11)连接；所述单环状金属贴片结构(9)设置于第四介质板(15)的上表面，所述单环状金属贴片结构(9)位于所述正交l形探针结构(17)的下部；所述天线金属地板(10)设置于第五介质板(16)的上表面；所述一分二不等相位功分器(11)设置于第五介质板(16)的下表面。2.根据权利要求1所述的双频双圆极化共口径滤波天线，其特征在于：所述介质谐振器(1)为圆柱体结构，所述介质谐振器(1)开设有两个贯穿的对称缺口。3.根据权利要求1所述的双频双圆极化共口径滤波天线，其特征在于：所述嵌套式双环金属贴片结构(5)包括第一金属环(2)、第二金属环(3)和金属弧(4)；其中，所述第一金属环(2)和金属弧(4)均设置于所述第一介质板(12)的上表面；所述第二金属环(3)设置于所述第二介质板(13)的上表面，所述第二金属环(3)位于所述第一金属环(2)的下部；所述第一金属环(2)和所述金属弧(4)相连接；所述第一金属环(2)和所述第二金属环(3))均通过金属微带线与所述探针结构(8)相连接。4.根据权利要求1所述的双频双圆极化共口径滤波天线，其特征在于：所述磁电偶极子辐射结构(7)包括四个金属贴片；其中，四个金属贴片关于天线几何中心对称；四个金属贴片的尺寸均相同；每个金属贴片通过短路通孔与所述天线金属地板(10)相连接。5.根据权利要求4所述的双频双圆极化共口径滤波天线，其特征在于：所述短路通孔为金属化通孔，位于所述金属贴片的内角位置处。6.根据权利要求1所述的双频双圆极化共口径滤波天线，其特征在于：所述正交l形探
针结构(17)的探针依次贯穿第三介质板(14)、第四介质板(15)、第五介质板(16)与一分二不等相位功分器(11)相连接。7.根据权利要求1所述的双频双圆极化共口径滤波天线，其特征在于：所述正交l形探针结构(17)在第四介质板(15)的上表面的投影位于所述单环状金属贴片结构(9)的内部。8.根据权利要求1所述的双频双圆极化共口径滤波天线，其特征在于：所述介质谐振器(1)满足以下约束条件：其中，f
l
是介质谐振器的工作频率，c0是自由空间的光速，h为介质谐振器的高度，r为介质谐振器的半径，ε1是介质谐振器的介电常数。9.根据权利要求4所述的双频双圆极化共口径滤波天线，其特征在于：所述磁电偶极子辐射结构(7)满足以下约束条件：其中，λ
h
是磁电偶极子的工作波长，a是金属贴片的长或宽，w是相邻金属贴片之间的缝隙宽度，ε2为第四介质板(15)的介电常数。10.根据权利要求4所述的双频双圆极化共口径滤波天线，其特征在于：所述金属贴片为正方形。
技术总结
本发明公开了一种双频双圆极化共口径滤波天线，包括：介质谐振器、嵌套式双环金属贴片结构、矩形条状金属结构、磁电偶极子辐射结构、探针结构、单环状金属贴片结构、天线金属地板、一分二不等相位功分器、第一介质板、第二介质板、第三介质板、第四介质板、第五介质板和正交L形探针结构。本发明解决了异频圆极化共口径天线之间的互耦问题，提高了通道间的隔离度。提高了通道间的隔离度。提高了通道间的隔离度。
