CN104752841B - 一种双极化集成平面透镜天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双极化集成平面透镜天线，该天线为分层结构，从上到下依次设有平面透镜、次级馈源和双极化初级馈源，外附有金属天线支架；本发明基于平面基片集成波导结构，采用基片集成波导背腔环天线作为双极化馈源，对次级馈源进行馈电，次级馈源和初级馈源共同形成一等效馈源对平面透镜进行馈电，从而在透镜上得到相位补偿，由球面波转换成平面波，从而实现高增益、高效率、稳定的波束指向的天线。本发明在Q‑LINKPAN应用背景下，针对平面集成和小型化的长距离无线通信系统的发展需求，实现了高增益、双极化、低剖面，易于和毫米波电路集成的天线。该天线具有设计简单，结构牢固，体积紧凑，可以和平面电路集成的特点。

Description

一种双极化集成平面透镜天线

技术领域

本发明涉及一种双极化集成平面透镜天线，属于通信技术领域。

背景技术

天线作为通信系统中的重要组成部分，对于整个系统的性能有较大的影响。毫米波天线受制于较小的物理尺寸和较高的金属损耗，在设计时和射频天线有所区别。目前，国内外对于毫米波天线的研究多集中在用于卫星天线的Ka-波段，西方用于毫米波通信的57-66GHz频段，以及用于成像的E-波段，而对Q-频段天线的研究寥寥无几，关于Q-频段的产品基本处于空白状态。

在毫米波频段，基片的介质损耗和金属层引起的金属损耗变得相当可观。射频频段通过增加阵元数提高增益的方法在总增益接近30dBi时遇到了瓶颈，阵元数增加提高的阵因子几乎与馈电网络产生的损耗相抵消。因此，大量研究开始转向口径天线。口径天线的馈电在空气中完成，有效降低了损耗，以抛物面天线和卡塞格伦天线为代表的大口径天线在雷达、射电天文等领域被广泛应用。然而，此类天线仍然具有较高的剖面，金属层较厚，质量较重，不利于安装和集成。

基于上述，平面电磁透镜开始得以普及。通过透镜表面对来自馈源的电磁波进行调相，从而在发射模式下，将球面波转化成平面波，在接收模式下将平面波转化成球面波。其产生相移的方法可分为两类：通过金属单元调相和通过介质单元打孔调相，此二者的工作原理较为相近。金属单元法通过在介质表面的金属单元产生谐振，通过控制工作频率与谐振频率的间距产生相移；介质打孔法通过在介质上打孔改变介质的等效介电常数，从而产生相移。

一方面，但是受物理尺寸的限制，金属单元的相移能力相对有限，很难通过单层PCB实现足够的相移，常见的解决方案包括将数层印刷了谐振单元的单层PCB垂直放置或直接使用多层PCB工艺满足相移要求。介质打孔可通过单层结构实现足够的相移，由于其实现相移方法的不同，其单元尺寸较小，可以保证较大的斜入射角，但受限于电长度，其单元往往较厚。而介质打孔单元由于孔径的离散性，其相移样本的离散高较高，会提高量化误差，需要在设计时予以解决。

另一方面，出于对于成本的节约，工业化对高增益天线同时提出了双极化的要求，通过实现天线的双极化，可以保证一副天线起到原先两幅天线的作用，这无疑可以大大降低成本。但是，平面结构的天线往往无法产生等同于立体结构天线的隔离度和极化鉴别度，这对于天线的设计也具有较大的挑战。

此外，出于工业化的需求，毫米波透镜天线的集成也是研究的分支，通过馈源和透镜的一体化集成可以保证透镜和周围电路的无缝连接，在工业化生产上有较大的前景。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题与不足，本发明提供一种采用PCB工艺，在介质基片实现的工作Q-频段的双极化集成平面透镜天线。

技术方案：一种双极化集成平面透镜天线，该天线为分层结构，从上到下依次设有平面透镜、次级馈源、双极化初级馈源和用于支撑的金属天线支架。平面透镜、次级馈源和双极化初级馈源均固定在金属支架上。

进一步的，平面透镜、次级馈源和双极化初级馈源均由介质基片制成，其中次级馈源和双极化初级馈源的介质基片上下表面上设有金属面，上表面的金属面称为正面，下表面的金属面称为反面。

进一步的，平面透镜为正方形，平面透镜上设置了若干个非金属化孔，非金属化孔的排列通过相位补偿分布和单元相位补偿能力所决定。

进一步的，次级馈源包括印刷在正面中部的四个正方形贴片和反面中部的四个正方形贴片，两组贴片的相对位置完全一致。通过正反面四组正方形贴片，调节出射增益，进而保证透镜的效率最高。

进一步的，双极化初级馈源包括内侧基片集成波导背腔环天线，位于内侧基片集成波导背腔环天线外侧外围的基片集成波导。其中内侧基片集成波导背腔环天线的正面中部位置设置有辐射环，外侧基片集成波导的反面设置有微带线。

进一步的，双极化初级馈源所在基片上设置了若干金属化孔。该组金属化孔包含构成腔体的金属化孔，作为感性匹配的金属化孔，构成基片集成波导的金属化孔，以及实现端口隔离并且破坏背腔谐振模式的通孔。

进一步的，平面透镜和次级馈源的间隙，以及次级馈源和双极化初级馈源的间隙均设有空气层。其中，平面透镜和次级馈源的间隙取决于生产的需求，当此间隙越大时，增益越高。

进一步的，平面透镜固定在金属支架上，双极化初级馈源固定在底板的反面。其中，底板厚度为3mm，正面凹槽的深度为0.25mm。

进一步的，天线支架外侧包裹了厚度为2毫米的聚四氟乙烯加工而成的天线罩，该天线罩的相对介电常数为2.55。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、天线的增益较高，通过平面透镜的结构，可以保证31dBi的实测增益。

2、天线可以实现双极化，在实际应用中，大大节省了成本。

3、天线的所有部件均固定在金属支架上，结构牢固，可以通过进一步处理，实现防水。

4、天线的平面结构保证天线可以和电路无缝连接。

5、整个天线各部分全部利用印刷电路板工艺生产，成本低、精度高、重复性好，适合大批量生产。

附图说明

图1为双极化集成平面透镜天线实施例的整体结构示意图；

图2为平面透镜实施例的示意图；

图3为双极化集成平面透镜天线实施例的次级馈源的平面示意图；

图4为双极化集成平面透镜天线实施例的双极化初级馈源的结构示意图；

图5为双极化集成平面透镜天线实施例的双极化初级馈源中背腔环天线的示意图；

图6为实施例天线的输入端反射系数和端口隔离度测试的结果图；

图7为实施例天线的方向图测试的结果图；

图8为实施例天线的频率-增益曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1-5所示，双极化集成平面透镜天线为分层结构，从上到下依次设有平面透镜1、次级馈源2、双极化初级馈源3和用于支撑的金属天线支架4。

平面透镜1为正方形，边长为L1，厚度为H1，平面透镜上设置了若干非金属化孔11，非金属化孔的排列通过相位补偿分布和单元相位补偿能力所决定。

其中需要补偿的相位可通过以下公式计算得到：

其中，F是次级馈源2相位中心到平面透镜1下表面的距离，是次级馈源2相位中心与平面透镜1上一点的连线与平面透镜1法向所成的夹角。

平面透镜1、次级馈源2和双极化初级馈源3均包含介质基片，通过PCB工艺，在次级馈源2、双极化初级馈源3部分，金属贴片(简称“贴片”)制作在厚度为H2的介质表面上，介质表面具有第一表面(简称正面)和与第一表面相对应的第二表面(简称反面)。

次级馈源2的正面和反面分别放置了4个尺寸一致且关于介质中垂线对称分布的正方形贴片，正方形贴片的垂直透镜位置完全重合，该贴片的边长为L2，同面上相邻贴片的间距为Dis1。

双极化初级馈源3包括内侧基片集成波导背腔环天线31和外侧外围基片集成波导32。其中内侧基片集成波导背腔环天线31的正面中部位置设置有辐射环311，外侧基片集成波导的反面设置有微带线321。其中，辐射环的内、外径分别为L3和L4，微带线的宽度为W1。

双极化初级馈源3所在基片上设置了若干金属化孔33。该组金属化孔33包含构成腔体的金属化孔331，作为感性匹配的金属化孔332，构成基片集成波导的金属化孔333以及实现端口隔离并且破坏背腔谐振模式的通孔334。其中，构成基片集成波导的金属化孔333构成了边长为W2，在相邻两边开窗的基片集成波导正方形腔体，窗的宽度为W3；构成基片集成波导的金属化孔333构成了宽度为W4的基片集成波导；作为感性匹配的金属化孔构成了宽度为W5的感性窗；金属化通孔334位于基片集成波导正方形腔体的中心位置，其半径为R1，除此之外，上述其余所有金属化孔的半径均为R2。

以上所述的平面透镜1，次级馈源2和双极化初级馈源3均固定在金属支架4上。平面透镜1和次级馈源2的间隙，次级馈源2和双极化初级馈源3的间隙5和6均设有空气层。其中，平面透镜1和次级馈源2的间隙F取决于生产的需求。双极化初级馈源3上表面到次级馈源2下表面的距离为Dis2，该距离取决于设计的需要。

该天线通过双极化初级馈源3实现激励，形成定向性约8dBi的波束，再通过结构完全对称的次级馈源2形成了波束对称，E-面和H-面对称均衡的波束，同时，该馈源的定向性可以保证透镜工作在最大增益。特别需要说明的是，当透镜的焦距F与平面透镜1的边长之比改变时，若仍需要保持最大增益，次级馈源2的定向性也需要相应调整，此时可通过调节贴片21和22的边长L2和间距Dis1调节次级馈源2的增益，一般来说，透镜的焦距F与平面透镜1的边长之比上升时，则次级馈源2的最佳增益也相应提高。在此设计案例中，次级馈源的最佳定向性约为12dBi。在此基础上，平面透镜1通过相位调整将双极化初级馈源3和次级馈源2发射的球面波转化成球面，从而形成高增益，窄波束的方向图。

图6为实施例天线的输入端反射系数和端口隔离度测试的结果图，图7为实施例天线的方向图测试的结果图。从图6中可以看出，该天线覆盖43.8-46.2GHz，端口隔离度高于23dB。从图7和图8中可以看出，该天线增益约为29dBi，半功率波束约3度。

表1示例性设计参数尺寸表

本发明实现了高增益、高效率、稳定的波束指向的天线。本发明在Q-LINKPAN应用背景下，针对平面集成和小型化的长距离无线通信系统的发展需求，实现了高增益、双极化、低剖面，易于和毫米波电路集成的天线。该天线具有设计简单，结构牢固，体积紧凑，可以和平面电路集成的特点。

Claims (5)

1.一种双极化集成平面透镜天线，其特征在于：该天线为分层结构，从上到下依次设有平面透镜(1)、次级馈源(2)、双极化初级馈源(3)和用于支撑的金属天线支架(4)；平面透镜(1)、次级馈源(2)和双极化初级馈源(3)均固定在金属支架上；

所述平面透镜(1)、次级馈源(2)和双极化初级馈源(3)均由介质基片制成，其中次级馈源(2)和双极化初级馈源(3)的介质基片上下表面上设有金属面，上表面的金属面称为正面，下表面的金属面称为反面；

所述平面透镜(1)为正方形，平面透镜(1)上设置了若干个非金属化孔(11)，非金属化孔(11)的排列通过相位补偿分布和单元相位补偿能力所决定；

其中需要补偿的相位通过以下公式计算得到：

其中，F是次级馈源(2)相位中心到平面透镜(1)下表面的距离，是次级馈源(2)相位中心与平面透镜(1)上一点的连线与平面透镜(1)法向所成的夹角；

次级馈源(2)包括印刷在正面中部的四个正方形贴片和反面中部的四个正方形贴片，两组贴片的相对位置完全一致；通过调整正方形贴片的尺寸及同面相邻两个贴片的间距，调节出射增益；

所述双极化初级馈源(3)包括内侧基片集成波导背腔环天线(31)和外侧外围基片集成波导(32)；其中内侧基片集成波导背腔环天线(31)的正面中部位置设置有辐射环(311)，外侧基片集成波导(32)的反面设置有微带线(321)。

2.如权利要求1所述的双极化集成平面透镜天线，其特征在于：所述双极化初级馈源(3)所在基片上设置了若干金属化孔；所述金属化孔包含构成腔体的金属化孔(331)，作为感性匹配的金属化孔(332)，构成基片集成波导的金属化孔(333)，以及实现端口隔离并且破坏背腔谐振模式的通孔(334)。

3.如权利要求1所述的双极化集成平面透镜天线，其特征在于：所述平面透镜(1)和次级馈源(2)之间设有间隙，次级馈源(2)和双极化初级馈源(3)之间设有间隙；平面透镜(1)和次级馈源(2)之间的间隙，以及次级馈源(2)和双极化初级馈源(3)的间隙均设有空气层。

4.如权利要求1所述的双极化集成平面透镜天线，其特征在于：所述平面透镜(1)固定在金属支架(4)上，次级馈源(2)和双极化初级馈源(3)分别固定在底板的正面和反面；其中，底板厚度为3mm，正面凹槽的深度为0.25mm。

5.如权利要求1所述的双极化集成平面透镜天线，其特征在于：所述天线支架(4)外侧包裹了厚度为2毫米的聚四氟乙烯加工而成的天线罩(8)，该天线罩(8)的相对介电常数为2.55。