CN109742556B - 一种宽带圆极化毫米波多馈源多波束透镜天线 - Google Patents

一种宽带圆极化毫米波多馈源多波束透镜天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种宽带圆极化毫米波多馈源多波束透镜天线，所述天线包括一个多端口宽带圆极化平面馈源天线阵列(1)和一个平面透镜(2)；多端口宽带圆极化平面馈源天线阵列(1)的平面与平面透镜(2)的平面平行设置，多端口宽带圆极化平面馈源天线阵列(1)的信号通过平面透镜(2)输出或接收。所述平面透镜(2)相移分布有多个焦点，由完全相同的各向异性单元结构(5)按周期排列组成。所述各向异性单元结构(5)由上层金属贴片(5a)、中层金属贴片(5b)和下层金属贴片(5c)构成。该种天线可实现多馈源多波束特性，在无线通信和卫星通信方面有广阔的应用前景。

Description

一种宽带圆极化毫米波多馈源多波束透镜天线
技术领域
本发明属于无线通信系统电子器件领域，具体涉及一种宽带圆极化毫米波多馈源多波束透镜天线，其具有多个输入端口，当每个输入端口被激励时，可产生一个独立的指向不同方向的圆极化高增益波束，因此，此天线可以在一个接近20％带宽的频带内实现圆极化多波束以覆盖一定区域，可被应用于第五代移动通信、卫星通信、毫米波点对多点通信等领域。
背景技术
多波束天线是一种可产生多个独立波束的电磁波辐射装置，其在多种无线通信系统中有着广泛应用。其中，无源多波束天线成本低且轻便，是一种低价的多波束解决方案。无源多波束天线可以通过波束成形电路网络、反射面、以及透镜等技术实现，其含有多个相互独立的输入端口，当每个端口被激励时，产生一个指向某个预先设计好的方向的高增益波束。此类多波束天线的多个端口分别对应多个辐射波束，从而实现对一定角度区域的覆盖。基于波束成形电路网络的无源多波束天线多利用Butler矩阵、Blass矩阵、或Nolen矩阵，带宽较窄，较难拓展至二维波束覆盖。且当所需形成的波束数量较多时，电路的体积和复杂度会急剧增加，并带来显著的损耗。基于反射面的无源多波束天线需要避免馈源天线组对反射面产生的出射波束的阻挡，增加了设计的复杂度，并且会影响天线的总体性能。此外，反射面天线对表面粗糙度所引起的相位误差尤为敏感。因此，基于透镜、尤其是基于平面透镜的无源多波束天线成为了一个能提供宽带二维多波束覆盖的解决方案。传统的基于透镜的多波束天线虽然性能较好，但是透镜体积大、重量重，而基于平面印刷结构的平面透镜多波束天线基本上只能工作于一个单线极化，且带宽窄、波束增益波动大，仍不能满足很多应用的需求。
本发明提出了一种宽带圆极化毫米波多馈源多波束透镜天线。该结构由一组宽带圆极化平面馈源天线和一个平面透镜组成，此平面透镜由完全相同的亚波长单元按周期排布而成。此多馈源多波束透镜天线可在18％的频带内产生稳定的圆极化多波束，每个端口分别对应一个波束，-3dB覆盖范围为±33度，且波束增益波动小于1.5dB。相比于已有的多馈源多波束透镜天线，本发明具有圆极化、工作带宽宽、扫描范围宽、波束增益波动小等优点，在未来第五代移动通信、卫星通信等领域有着重要的前景。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种宽带圆极化毫米波多馈源多波束透镜天线，具有宽带、圆极化、增益波动小等特性，可以高效地实现宽带圆极化多波束覆盖。
技术方案：本发明的一种宽带圆极化毫米波多馈源多波束透镜天线，所述天线包括一个多端口宽带圆极化平面馈源天线阵列和一个平面透镜；多端口宽带圆极化平面馈源天线阵列的平面与平面透镜的平面平行设置，多端口宽带圆极化平面馈源天线阵列的信号通过平面透镜输出或接收。
所述多端口宽带圆极化平面馈源天线阵列由多个宽带圆极化平面馈源天线单元构成；宽带圆极化平面馈源天线单元位于多端口宽带圆极化平面馈源天线阵列的平面上。
每个宽带圆极化平面馈源天线单元被一个金属隔离通孔阵列包围。
每个宽带圆极化平面馈源天线单元包含一个位于顶层的各向异性阻抗表面天线覆层、一个位于中层的平面切角贴片天线和一个位于底层的基片集成波导。
平面切角贴片天线与基片集成波导由一个金属馈电柱相连，或由一个馈电缝隙相连。
基片集成波导通过一个共面波导结构与外接设备或电路相连。
所述平面透镜由完全相同的各向异性单元结构按周期排列组成，周期不大于1/2波长。
所述各向异性单元结构由上层金属贴片、中层金属贴片和下层金属贴片构成。
所述平面透镜的相移分布有多个焦点。
所述多端口宽带圆极化平面馈源天线阵列位于平面透镜的焦平面处。
有益效果：本发明提出的一种宽带圆极化毫米波多馈源多波束透镜天线，其优势在于：
(1)可以实现圆极化多馈源多波束。通过采用一个圆极化平面馈源天线阵列，每个馈源天线都有一个独立的输入端口，且辐射左旋圆极化波，此外，通过设计透镜的各向异性单元结构，使其将左旋圆极化入射波转换为右旋圆极化透射波，并随之携带一个与基本单元结构水平旋转角成正比的相位延迟，进而将馈源天线发出的宽波束左旋圆极化波转变为一个高增益的右旋圆极化定向波束，且不同输入端口对应的波束指向不同方向，相互之间干扰很低。
(2)具有宽带特性。这是由于采用了宽带平面馈源天线，利用各向异性阻抗表面天线覆层和平面切角贴片天线这一叠层双谐振结构，可以大幅展宽平面馈源天线的阻抗带宽和轴比带宽。同时，平面透镜的各向异性单元结构对圆极化波产生的透射相位完全由旋转各向异性单元结构所产生的几何相位控制，因此相移不随频率的变化而变化，因此对拓展轴比带宽有很大帮助。
(3)具有波束增益平坦度高的特性。通过调控平面透镜的各向异性单元结构随频率而变化的电磁响应，使得天线增益随频率的变化而产生的波动可以减小。此外，通过采用具有多焦点相位分布的平面透镜，可以减小边缘波束和中心波束的增益差。这两个技术的同时运用可以显著提高波束增益在频域和角域内的平坦度。
(5)具有轻便、集成度高、低成本等特性。这是因为平面透镜和平面馈源天线均采用了具有亚波长厚度的介质基片，可用传统印刷电路板工艺制作，且便于即成为一体，使得多波束天线的总剖面小于3个波长。
附图说明
图1给出了本发明多馈源多波束透镜天线的三维示意图，
图2是宽带圆极化平面馈源天线单元的顶层金属结构俯视图，
图3是宽带圆极化平面馈源天线单元的中层金属结构俯视图，
图4是宽带圆极化平面馈源天线单元的底层金属结构俯视图，
图5是平面透镜各向异性单元结构的三维示意图，
图中有：多端口宽带圆极化平面馈源天线阵列1，平面透镜2，宽带圆极化平面馈源天线单元3，各向异性阻抗表面天线覆层3a、平面切角贴片天线3b、基片集成波导3c、金属馈电柱3d，共面波导结构3e，金属隔离通孔阵列4，各向异性单元结构5，上层金属贴片4a、中层金属贴片4b、下层金属贴片4c。
图6给出了所述宽带圆极化毫米波多馈源多波束透镜天线五个输入端口的实测反射系数随频率变化曲线；
图7给出了所述宽带圆极化毫米波多馈源多波束透镜天线不同输入端口之间的实测端口互耦随频率变化曲线；
图8给出了所述宽带圆极化毫米波多馈源多波束透镜天线分别激励五个输入端口时实测的左旋圆极化和右旋圆极化归一化方向图，(a)24GHz、(b)26GHz、(c)28GHz；
图9给出了所述宽带圆极化毫米波多馈源多波束透镜天线分别激励五个输入端口时仿真和实测的增益随频率变化曲线。
具体实施方式
所述多端口宽带圆极化平面馈源天线阵列位于平面透镜的焦平面附近，且平面馈源天线阵列与平面透镜的垂直距离为F，平面透镜直径为D，其中，0.3≤F/D≤0.6。
所述多端口宽带圆极化平面馈源天线阵列由多个宽带圆极化平面馈源天线单元构成，每个宽带圆极化平面馈源天线单元被金属隔离通孔阵列包围。
所述宽带圆极化平面馈源天线单元包含一个位于顶层的各向异性阻抗表面天线覆层、一个位于中层的平面切角贴片天线和一个位于底层的基片集成波导。
所述位于馈源天线单元中层的平面切角贴片天线与基片集成波导由一个金属馈电柱或馈电缝隙相连，基片集成波导通过一个共面波导结构与外接设备或电路相连。
所述平面透镜由完全相同的各向异性单元结构按周期排列组成，单元周期不大于1/2波长。
所述平面平面透镜的各向异性单元结构的上层金属贴片与下层金属贴片的结构和尺寸完全相同，由一个中间开有“工”字形槽的椭圆贴片组成。
所述平面透镜的各向异性单元结构的中层金属贴片包括一个中间开有“工”字形槽的椭圆贴片。
所述平面透镜的基本单元结构的上层金属贴片、中层金属贴片、下层金属贴片具有相同的水平旋转角度。
所述平面透镜的第一层介质基片和第二层介质基片厚度相同，且小于1/3波长。
所述平面透镜的所有单元的水平旋转角呈一定分布，相位分布具有两个或两个以上的焦点。
下面结合附图对本发明做进一步说明。
本发明的一种宽带圆极化毫米波多馈源多波束透镜天线，采用采用一个圆极化平面天线阵列作为平面透镜的馈源。每个馈源天线辐射左旋圆极化波，且均有各自独立的输入端口。馈源天线包含一个位于顶层的各向异性阻抗表面天线覆层、一个位于中层的平面切角贴片天线和一个位于底层的基片集成波导，平面切角贴片天线与基片集成波导由一个金属馈电柱相连，基片集成波导通过一个共面波导结构与外接设备或电路相连。位于馈源天线顶层的各向异性阻抗表面天线覆层由N(2≤N≤6)个分离的贴片构成，每个贴片的边长在0.2～0.4波长范围内，对表面波的相移为180°/N，因此，当N个贴片呈容性耦合的时候，可在所需频段产生正交的类似传统贴片天线的两个驻波谐振模式，进而实现圆极化辐射。同时，位于馈源天线中层的平面切角贴片天线同样可以提供窄带圆极化辐射，将这两个窄带圆极化结构联合使用，可以大幅展宽平面馈源天线的阻抗带宽和轴比带宽，该馈源天线单元的增益约为9dBic。此外，通过在平面馈源天线单元周围增加金属隔离通孔阵列，可以有效抑制有表面波引起的单元间互耦，提高所述多波束天线多个输入端口之间的隔离度。
对于平面透镜设计，通过设计平面透镜的各向异性单元结构，使其将左旋圆极化入射波转换为右旋圆极化透射波，并随之携带一个与基本单元结构水平旋转角成正比的相位延迟，进而将平面馈源天线发出的宽波束左旋圆极化波转变为一个高增益的右旋圆极化定向波束，且不同输入端口对应的波束指向不同方向，相互之间干扰很低。该馈源天线阵列的中心，和平面透镜的中心轴在同一条线上，两者距离为F，平面透镜的直径为D，F/D的值应在0.3和0.6之间，此处设为0.38。平面透镜由完全相同的各向异性单元结构按周期排布组合而成，周期为1/3波长，每个单元在水平面上围绕单元的中心轴旋转一定角度。该平面透镜的各向异性单元结构由三层金属层组成，三层金属层两两之间是两个厚度相同的介质基片，每层介质基片的厚度控制在1/6波长。其中，上层金属贴片与下层金属贴片的结构和尺寸完全相同，三层金属贴片均由一个中间开有“工”字形槽的椭圆贴片组成。通过优化透镜的各向异性单元结构三层金属贴片的尺寸和介质基片的厚度，可以使得其与自由空间实现阻抗匹配，保证了很高的透射幅度。重要的是，由于透射阵的基本单元相比于波长较小，厚度较薄，所以其电磁响应在0–40度入射角范围内基本保持一致。此外，通过优化平面透镜的各向异性单元结构的频率响应，可在约20％的带宽内将左旋入射波转变为右旋透射波，并伴随含有一个完全由基本单元结构水平旋转角度决定的透射相移，且透射幅度高于70％。
将此宽带平面圆极化馈源天线和宽带平面透镜结合，可以获得宽带圆极化高增益波束。此外，通过对平面透镜中所有单元的水平旋转角度分布进行优化，使其有两个焦点，可以减小边缘波束和中心波束的增益差。多焦点透镜相位分布和宽带馈源天线/宽带透镜这几项技术的同时运用可以显著提高波束增益在频域和角域内的平坦度。
图1给出了所述宽带圆极化毫米波多馈源多波束透镜天线的三维示意图，图2、图3、以及图4分别给出了所述宽带圆极化平面馈源天线单元的顶层、中层、和底层金属结构意图，图5给出了所述平面透镜的各向异性单元结构的三维示意图。
图6给出了所述宽带圆极化毫米波多馈源多波束透镜天线五个输入端口的实测反射系数随频率变化曲线。可以看到，五个端口的反射系数在24–29GHz范围内都小于-12dB，在大部分频率甚至小于-15dB，说明每个端口的阻抗匹配都很好。
图7给出了所述宽带圆极化毫米波多馈源多波束透镜天线不同输入端口之间的实测端口互耦随频率变化曲线。可以看到，相邻端口的之间的互耦在24–29GHz范围内小于-20dB，非相邻单元之间的互耦在24–29GHz范围内小于-23dB，说明不同端口之间的隔离度很好。
图8给出了所述宽带圆极化毫米波多馈源多波束透镜天线分别激励五个输入端口时实测的24GHz、26GHz、以及28GHz左旋圆极化和右旋圆极化归一化方向图。可以看到，五个端口对应五个高定向右旋圆极化波束，且每个波束指向不同的方向，波束的指向和形状在整个频段内保持稳定，-3dB覆盖范围为±33度；此外，右旋圆极化波增益很低，说明交叉极化很好。
图9给出了所述宽带圆极化毫米波多馈源多波束透镜天线分别激励五个输入端口时仿真和实测的增益随频率变化曲线。可以看到，仿真和实测结果吻合度高，每个波束的轴比在24–29GHz内都小于3dB，且它们的增益随频率变化小于2dB，重要的是，由于采用了双焦点平面透镜，边缘波束的增益和中心波束的增益差异小于1.5dB，说明该多波束天线的波束增益在频域和角域内的平坦度都很好。
本发明的一种宽带圆极化毫米波多馈源多波束透镜天线。所述天线包括一个多端口宽带圆极化平面馈源天线阵列1和一个平面透镜2，多端口宽带圆极化平面馈源天线阵列1位于平面透镜2的焦平面附近。所述多端口宽带圆极化平面馈源天线阵列1由多个宽带圆极化平面馈源天线单元3构成，宽带圆极化平面馈源天线单元3被一个金属隔离通孔阵列4包围，每个宽带圆极化平面馈源天线单元3包含一个位于顶层的各向异性阻抗表面天线覆层3a、一个位于中层的平面切角贴片天线3b和一个位于底层的基片集成波导3c。所述平面切角贴片天线3b与基片集成波导3c由一个金属馈电柱3d相连，基片集成波导3c通过一个共面波导结构3e与外接设备相连。所述平面透镜2相移分布有多个焦点，由完全相同的各向异性单元结构5按周期排列组成。所述各向异性单元结构5由上层金属贴片5a、中层金属贴片5b和下层金属贴片5c构成。
综上所述，本发明提供了一种宽带圆极化毫米波多馈源多波束透镜天线，具有圆极化、工作带宽宽、端口隔离度高、波束覆盖范围宽、交叉极化低、波束增益波动小等优点，在未来第五代移动通信、卫星通信等领域有着重要的前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种宽带圆极化毫米波多馈源多波束透镜天线，其特征在于，所述天线包括一个多端口宽带圆极化平面馈源天线阵列（1）和一个平面透镜（2）；多端口宽带圆极化平面馈源天线阵列（1）的平面与平面透镜（2）的平面平行设置，多端口宽带圆极化平面馈源天线阵列（1）的信号通过平面透镜（2）输出或接收，多端口宽带圆极化平面馈源天线阵列（1）由多个宽带圆极化平面馈源天线单元（3）构成；宽带圆极化平面馈源天线单元（3）位于多端口宽带圆极化平面馈源天线阵列（1）的平面上，每个宽带圆极化平面馈源天线单元（3）包含一个位于顶层的各向异性阻抗表面天线覆层（3a）、一个位于中层的平面切角贴片天线（3b）和一个位于底层的基片集成波导（3c），平面切角贴片天线（3b）与基片集成波导（3c）由一个金属馈电柱（3d）相连，或由一个馈电缝隙相连，每个宽带圆极化平面馈源天线单元（3）被一个金属隔离通孔阵列（4）包围；平面透镜（2）由完全相同的各向异性单元结构（5）按周期排列组成，周期不大于1/2波长；各向异性单元结构（5）由上层金属贴片（5a）、中层金属贴片（5b）和下层金属贴片（5c）构成，其中，上层金属贴片（5a）与下层金属贴片（5c）的结构和尺寸完全相同，三层金属贴片均由一个中间开有“工”字形槽的椭圆贴片组成。
2.根据权利要求1所述的宽带圆极化毫米波多馈源多波束透镜天线，其特征在于，基片集成波导（3c）通过一个共面波导结构（3e）与外接设备或电路相连。
3.根据权利要求1所述的宽带圆极化毫米波多馈源多波束透镜天线，其特征在于，所述平面透镜（2）的相移分布有多个焦点。
4.根据权利要求1所述的宽带圆极化毫米波多馈源多波束透镜天线，其特征在于，所述多端口宽带圆极化平面馈源天线阵列（1）位于平面透镜（2）的焦平面处。
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