一种具有大频率比的双频圆极化融合天线及其设计方法

本发明涉及融合天线的，尤其是指一种具有大频率比的双频圆极化融合天线及其设计方法。

背景技术：

1、毫米波通信技术作为5g技术的关键组成部分之一，具有较大的带宽和传输速度优势，能够满足高速数据传输的需求。然而毫米波通信在传输过程中易受阻挡、覆盖范围有限，这对其广泛应用形成了一定的制约。目前低轨卫星正在走向通信与导航一体化发展，低轨卫星将通信与导航功能融合，可实现更高质量的高速通信和精确定位服务。此外，可复用的卫星资源能够为低空经济提供低成本、广覆盖、高性能的通信与导航融合服务。

2、目前的5g通信天线与卫星导航天线大部分采用的是分别设计然后封装在同一个通信设备中，导致通信设备的体积较大，对设备的空间资源要求较高，制约了其进一步发展。共口径天线能够将不同频段的天线单元集成在同一介质板上，减少了对通信设备空间资源的需求，然而不同频段的天线单元之间不可避免的会有耦合效应，进而影响了天线的性能。因此，本发明的双频圆极化将毫米波频段的天线阵列复用为微波频段辐射体，解决了通信设备空间资源紧张的问题，双频圆极化特性也减少了多径效应的影响，提高了通信质量。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种具有大频率比的双频圆极化融合天线及其设计方法，该天线具有跨频段、辐射结构复用的优势，在5g毫米波频段具有高增益圆极化性能，整个毫米波阵列复用为工作在北斗b1频段的微波圆极化贴片天线，可实现北斗卫星定位与5g毫米波通信的融合。

2、为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种具有大频率比的双频圆极化融合天线，包括第一介质板、第二介质板、第一金属辐射体、第二金属辐射体、第三金属辐射体和第四金属辐射体；所述第一介质板叠置于第二介质板上方；所述第一介质板的下表面设置有覆铜层作为金属接地板，所述第一金属辐射体、第二金属辐射体、第三金属辐射体和第四金属辐射体均设置在第一介质板的上表面，并以第一介质基板的上表面中心作为旋转轴按90度旋转分布；所述第二介质板的下表面设置有微波馈电网络、第一180度相位差功分器、第二180度相位差功分器、第三180度相位差功分器和第四180度相位差功分器；所述第一金属辐射体通过第一毫米波金属探针与第一180度相位差功分器连接，所述第二金属辐射体通过第二毫米波金属探针与第二180度相位差功分器连接，所述第三金属辐射体通过第三毫米波金属探针与第三180度相位差功分器连接，所述第四金属辐射体通过第四毫米波金属探针与第四180度相位差功分器连接；所述第一金属辐射体通过第一微波金属探针与微波馈电网络连接，所述第二金属辐射体通过第二微波金属探针与微波馈电网络连接，所述第三金属辐射体通过第三微波金属探针与微波馈电网络连接，所述第四金属辐射体通过第四微波金属探针与微波馈电网络连接。

3、优选的，所述第四金属辐射体包括第一矩形金属贴片、第二矩形金属贴片及位于该第一矩形金属贴片和第二矩形金属贴片之间的第一矩形金属带、第二矩形金属带、第三矩形金属带和第四矩形金属带，所述第一矩形金属带、第二矩形金属带、第三矩形金属带和第四矩形金属带沿第一矩形金属贴片和第二矩形金属贴片的长度方向间隔分布，所述第一矩形金属贴片与第二矩形金属贴片通过第一矩形金属带、第二矩形金属带、第三矩形金属带、第四矩形金属带相连接；所述第一金属辐射体、第二金属辐射体和第三金属辐射体的结构与第四金属辐射体相同，所述第二金属辐射体通过第四金属辐射体关于第一介质板的上表面中心对称得到；所述第一金属辐射体与第三金属辐射体通过第二金属辐射体与第四金属辐射体关于第一介质板的上表面中心顺时针旋转90度得到。

4、优选的，所述第一金属辐射体通过第一金属柱组与金属接地板连接，所述第二金属辐射体通过第二金属柱组与金属接地板连接，所述第三金属辐射体通过第三金属柱组与金属接地板连接，所述第四金属辐射体通过第四金属柱组与金属接地板连接，以保证第一金属辐射体、第二金属辐射体、第三金属辐射体、第四金属辐射体在毫米波频段形成级联三角腔的驻波辐射，在微波频段工作为终端短路的四分之一波长贴片天线。

5、优选的，所述第一180度相位差功分器、第二180度相位差功分器、第三180度相位差功分器和第四180度相位差功分器均加载高通滤波器；所述第一180度相位差功分器、第二180度相位差功分器、第三180度相位差功分器和第四180度相位差功分器均包括毫米波输入端口、第一毫米波输出端口、第二毫米波输出端口、毫米波180度移相器和毫米波四分之一波长阻抗变换器，所述毫米波输入端口通过传输线与毫米波四分之一波长阻抗变换器相连，所述毫米波四分之一波长阻抗变换器通过传输线分别与毫米波180度移相器和高通滤波器相连，所述毫米波180度移相器通过传输线与高通滤波器相连，所述高通滤波器分别连接第一毫米波输出端口和第二毫米波输出端口。

6、优选的，所述微波馈电网络包括微波输入端口、第一微波输出端口、第二微波输出端口、第三微波输出端口、第四微波输出端口、微波四分之一波长阻抗变换器、第一90度移相器、第二90度移相器和微波180度移相器；所述第一微波输出端口与第一微波金属探针相连给第一金属辐射体馈电，所述第二微波输出端口与第二微波金属探针相连给第二金属辐射体馈电，所述第三微波输出端口与第三微波金属探针相连给第三金属辐射体馈电，所述第四微波输出端口与第四微波金属探针相连给第四金属辐射体馈电；所述微波输入端口通过传输线与微波四分之一波长阻抗变换器相连，所述微波四分之一波长阻抗变换器通过传输线分别与第一微波输出端口、第一90度移相器和微波180度移相器相连，所述微波180度移相器通过传输线分别与第三微波输出端口和第二90度移相器相连，所述第二微波输出端口加载在第一90度移相器上，所述第四微波输出端口加载在第二90度移相器上。

7、优选的，所述第一金属辐射体、第二金属辐射体、第三金属辐射体、第四金属辐射体、微波馈电网络、第一180度相位差功分器、第二180度相位差功分器、第三180度相位差功分器和第四180度相位差功分器均为覆铜层。

8、优选的，所述第一微波金属探针、第二微波金属探针、第三微波金属探针、第四微波金属探针、第一金属柱组、第二金属柱组、第三金属柱组、第四金属柱组、第一毫米波金属探针、第二毫米波金属探针、第三毫米波金属探针和第四毫米波金属探针均为金属铜柱。

9、优选的，当给微波馈电网络的微波输入端口激励时，双频圆极化融合天线工作在微波频段，单个辐射体等效为四分之一波长的终端短路贴片天线；当给第一180度相位差功分器以0度相位激励、第二180度相位差功分器以90度相位激励、第三180度相位差功分器以180度相位激励、第四180度相位差功分器以270度相位激励时，双频圆极化融合天线工作在毫米波频段，单个辐射体等效为2×7的级联三角腔阵列。

10、本发明也提供了一种上述具有大频率比的双频圆极化融合天线的设计方法，包括以下步骤：

11、选择微波频段工作中心频率f1与毫米波工作中心频率f2；

12、计算频率比确定级联三角腔的个数确定矩形金属带的个数因此矩形金属带的个数能由频率比求得：

13、确定矩形金属贴片的长l和宽w，长宽w能由解得，其中c0为真空中光速，εr为介质板介电常数；

14、将两个矩形金属贴片镜像复制，用矩形金属带连接，得到金属辐射体，再将金属辐射体以第一介质板上表面为中心对称，将得到的两个中心对称的金属辐射体以第一介质板上表面为中心顺时针旋转90度得到四个金属辐射体；

15、在金属辐射体靠近第一介质板中心的一端加载金属柱组，在远离第一介质板中心的一端加载毫米波金属探针，在靠近第一介质板中心的矩形金属带中心加载微波金属探针；

16、在第一介质板的下表面覆铜，作为金属接地板与金属柱组接触；在第二介质板的下表面设计微波馈电网络和四个180度相位差功分器；微波馈电网络的输出端口相位差为0度、90度、180度、270度，并与微波金属探针连接；每个180度相位差功分器均加载高通滤波器，其输出端口与毫米波金属探针连接；

17、当以0度、90度、180度、270度的相位特性激励四个180度相位差功分器时，能使得单个辐射体工作在毫米波频段，辐射特性为级联的三角腔阵列，整体具有圆极化特性；

18、当激励微波馈电网络时，能使得单个辐射体等效为微波四分之一波长的贴片，整体具有圆极化特性。

19、本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

20、1、本发明设计的天线实现了微波与毫米波辐射结构的复用，增大了天线口径利用率，能够解决通信设备空间资源紧张的问题。

21、2、本发明通过设计微波馈电网络和180度相位差功分器，实现双频段圆极化特性，将北斗卫星定位与5g毫米波通信融合，毫米波频段具有较高增益。

22、3、本发明在180度相位差功分器上加载高通滤波器，增强了微波频段与毫米波频段的隔离度。