CN109728440B

CN109728440B - 一种基于收发结构形式的平面宽带透镜天线

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Publication number: CN109728440B
Application number: CN201811633043.8A
Authority: CN
Inventors: 屈世伟; 肖林; 冯鹏雨; 周吻亮
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2018-12-29
Filing date: 2018-12-29
Publication date: 2020-10-23
Anticipated expiration: 2038-12-29
Also published as: CN109728440A

Abstract

本发明公开一种基于收发结构形式的平面宽带透镜天线。可用于卫星通信，雷达探测等领域。所述透镜天线将平面超宽带强耦合天线单元的原理与透镜单元的设计相结合，解决了传统透镜天线窄带问题。所设计的平面宽带透镜单元可视为三部分：上半部分宽带天线单元，传输电磁能量并实现线性移相的带状线结构和与上半部分相对称的下半部分宽带天线单元。该天线可通过成熟的PCB加工工艺实现。相比于传统的透镜天线，本发明中所述的基于收发结构形式的平面宽带透镜天线能在更宽的工作带宽保持良好的辐射性能。

Description

一种基于收发结构形式的平面宽带透镜天线

技术领域

本发明属于雷达技术，无线通信技术领域，具体涉及一种基于收发结构单元的宽带透镜天线，特别涉及平面、宽带、高增益，适用于微波、毫米波等雷达和无线通信系统中。

背景技术

近年来，透镜天线在通信领域备受关注，被广泛应用于雷达与无线通信系统中。透镜天线结合了光学理论和天线阵列综合技术，具有低剖面，低制造成本，高增益，高辐射效率等优势，其基本原理是将置于等效焦点处的馈源所辐射的球面波转换成平面波，聚焦波束以实现高增益，或是优化透镜口径面上的单元幅相分布以实现波束扫描和赋形。尽管透镜天线设计简单，性能优异，但固有的窄带特性往往限制了其在宽带通信领域的应用。透镜天线的窄带限制主要由两点引起：一是透镜单元的窄带特性；二是从馈源到透镜口径面上各单元的不同空间路径导致的不同空间相位延迟。因此，扩展传统透镜天线的带宽需解决好上述两个难题。

平面超宽带紧耦合相控阵天线是天线领域的另一个研究重点。该天线的设计思路最早可追溯至Wheeler于1965年提出的连续电流面理论，随后，Munk教授在2003年发表“ALow-Profile Broadband Phased Array Antenna”论文中透露他们早在上世纪90年代初期在与美国军方的合作中实验验证了强互耦宽带阵列天线的设计思想。平面超宽带紧耦合相控阵天线展现了传统相控阵不具备的超宽带特性和大角度扫描能力，其非平衡馈电的方式避免了复杂的巴伦结构，降低了天线的剖面高度，确保了它的机械强度。平面超宽带紧耦合相控阵天线在军事探测，超宽带无线通信系统等领域中的需求与日俱增。

本发明人在深入研究上述两种天线各自的设计原理与优势后，将平面超宽带紧耦合天线单元的设计理念引入到透镜单元的设计之中，提出一种宽带透镜单元。本发明基于该单元解决了传统透镜天线的窄带限制，设计了一种平面宽带透镜天线，可应用于宽带平面通信场合。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述问题，将透镜单元与平面超宽带强互耦天线单元相结合，提出一种宽带透镜单元，用以解决透镜天线的窄带缺陷，以此设计了一种平面宽带透镜天线。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于收发结构形式的平面宽带透镜天线，可视为两部分组成：一是用作馈源的喇叭天线，也可替换成其他天线形式，如相控阵天线，Vivaldi天线，磁电偶极子等；二是所发明的平面宽带透镜阵面，包括起宽角阻抗匹配作用的上层介质基板，印刷有偶极子贴片单元和金属地板并打有盲孔的中层介质基板，起粘连作用的半固化片以及用于印刷带状线结构以实现相位补偿的下层介质基板。下面结合图2对本发明进行详细说明。

本发明技术方案为一种基于收发结构形式的平面宽带透镜天线，该天线包括：馈源喇叭和透射阵列天线，所述透射阵列天线包括多个天线阵元，所述各天线阵元包括：上、中、下三部分；

所述上部分包括：第一介质基板、第二介质基板、偶极子贴片、第一盲孔、第二盲孔、第三盲孔、金属地板、第一半固化片；所述第二介质基板位于第一半固化片上方，所述第一介质基板位于第二介质基板上方；所述偶极子贴片包括相对设置的第一贴片和第二贴片，并设置于第一介质基板的下表面；所述金属地板设置于第二介质基板下表面；所述第一盲孔穿过第二介质基板，连接第一贴片和金属基板；所述第二盲孔穿过第二介质基板、金属地板、第一半固化片，连接第一贴片和天线阵元的中部分，所述金属地板上开设有直径大于第二盲孔的圆孔，用于穿孔第二盲孔并不与第二盲孔连接；所述第三盲孔穿过第二介质基板，连接第二贴片和金属基板；

所述中部分包括：第三介质基板，第二半固化片、第四介质基板、带状天线，所述第半固化片设置于第四介质基板的上方，第三介质基板设置于半固化片的上方；所述带状天线设置于第三介质基板的下表面或第四介质基板的上表面；所述带状天线包括：两个连接点和连通这两个连接点的金属微带线；

所述下部分的结构完全与上部分结构相同；所述上部分中的第二盲孔一端连接第一贴片，另一端连接中部分中带状天线的一个连接点；所述下部分的第二盲孔的一端连接第一贴片，另一端连接中部分中带状天线的另一个连接点。

进一步的，所述偶极子贴片中的第一贴片与第二贴片相对部分为梯形结构。

进一步的，所述带状线中连接两个连接点的金属微带线的长度随透镜天线单元在透射阵列表面的位置而变化，用以补偿馈源喇叭到透射阵列表面的空间相位差。

进一步的,第一贴片尾端与第二贴片尾端采用交指型电容耦合结构。

进一步的，所述第一贴片尾端设置有栅状凹陷结构，所述第二贴片尾端设置有与第一贴片尾端配合的栅状凸起结构，在透射阵列天线中天线阵元的栅状凸起结构嵌入与其相邻天线阵元的栅状凹陷结构中，且相邻天线阵元的偶极子贴片不接触。

一种基于收发结构形式的平面宽带透镜天线，该天线包括：馈源喇叭和透射阵列天线，所述透射阵列天线包括多个天线阵元，所述各天线阵元包括：上、中、下三部分；

所述上部分包括：第一介质基板、第二介质基板、偶极子贴片、第一盲孔、第二盲孔、第三盲孔、金属地板、第一半固化片、第二半固化片；所述第二介质基板位于第二半固化片上方，所述第一半固化片位于第二介质基板上方，所述第一介质基板位于第一半固化片的上方；所述偶极子贴片包括相对设置的第一贴片和第二贴片，第一贴片位于第一介质基板的下表面，第二贴片位于第二介质基板的上表面，所述第一贴片尾端向外延伸到相邻天线阵元的第一介质基板的下表面，第二贴片尾端向外延伸到相邻天线阵元的第二介质基板的上表面；所述金属地板设置于第二介质基板下表面；所述第一盲孔穿过第二介质基板，连接第一贴片和金属基板；所述第二盲孔穿过第二介质基板、金属地板、第一半固化片，连接第一贴片和天线阵元的中部分，所述金属地板上开设有直径大于第二盲孔的圆孔，用于穿孔第二盲孔并不与第二盲孔连接；所述第三盲孔穿过第二介质基板，连接第二贴片和金属基板；

进一步的，所述用作宽带透射阵列馈源的天线除所用的角锥喇叭天线外，还可替换为对数周期天线、Vivaldi天线、宽带相控阵天线，磁电偶极子天线等多种其它宽带天线形式。

本发明的有益效果是：基于收发结构的透镜单元形式，将平面宽带强耦合天线单元的原理应用到透镜单元的设计中，能有效增强透镜单元的工作带宽，同时中间的带状线结构能够很好地补偿空间相位延迟，使得所提出的平面宽带透镜天线的带宽相比于传统透镜而言大幅提高。

附图说明

图1为具体实施方案中所述基于收发结构形式的平面宽带透镜天线的整体结构示意图。

图2为具体实施方案中所述基于收发结构形式的平面宽带透镜单元的结构示意图。

图3为具体实施方案中所述基于收发结构形式的平面宽带透镜单元的俯视图。

图4为具体实施方案中所述基于收发结构形式的平面宽带透镜单元中间带状线的俯视图。

图5为具体实施方案中所述基于收发结构形式的平面宽带透镜单元的侧视图。

图6为所述平面宽带天线单元中偶极子贴片末端为交指电容形式时的整体结构示意图。

图7为所述平面宽带天线单元中偶极子贴片末端为交指电容形式时的俯视图。

图8为所述平面宽带天线单元中偶极子贴片末端为平行板电容形式时的整体结构示意图。

图9为所述平面宽带天线单元中偶极子贴片末端为平行板电容形式时的俯视图。

图10为具体实施方案中所述基于收发结构形式的平面宽带透镜单元在几个典型频率下(9.5GHz，12GHz,14GHz和16GHz)传输性能随带状线长度变化的曲线图。

图11为具体实施方案中所述平面宽带透镜天线工作在9.5GHz时E面和H面的辐射方向图。

图12为具体实施方案中所述平面宽带透镜天线工作在12GHz时E面和H面的辐射方向图。

图13为具体实施方案中所述平面宽带透镜天线工作在14GHz时E面和H面的辐射方向图。

图14为具体实施方案中所述平面宽带透镜天线工作在16GHz时E面和H面的辐射方向图。

图中：101为馈源喇叭，102为第一介质基板，103为偶极子贴片,104为第二介质基板,105为第一盲孔,106为第二盲孔,107为第三盲孔,108为第一金属地板,109为第一半固化片,110为第二金属地板,111为第三介质基板,112为金属带状线，113为第二半固化片。

具体实施方案

本发明技术方案为一种基于收发结构形式的平面宽带透镜天线，该天线包括：馈源喇叭和透射阵列天线，所述透射阵列天线包括多个透镜天线阵元，所述各透镜天线阵元包括：上、中、下三部分；

所述上部分包括：第一介质基板、第二介质基板、偶极子贴片、第一盲孔、第二盲孔、第三盲孔、第一金属地板、第一半固化片、第二金属地板；所述第二介质基板位于第一半固化片上方，所述第一介质基板位于第二介质基板上方；所述偶极子贴片包括相对设置的第一贴片和第二贴片，并设置于第二介质基板的上表面；所述金属地板设置于第二介质基板下表面；所述第一盲孔穿过第二介质基板，连接第一贴片和第一金属基板；所述第二盲孔穿过第二介质基板、第一金属地板、第一半固化片、第二金属地板，连接第一贴片和天线阵元的中部分，所述第一金属地板和第二金属地板上开设有直径大于第二盲孔的圆孔，用于穿孔第二盲孔并不与第二盲孔连接；所述第三盲孔穿过第二介质基板，连接第二贴片和第一金属基板；

所述中部分包括：第三介质基板，第二半固化片、第四介质基板、带状线，所述第二半固化片设置于第四介质基板的上方，第三介质基板设置于第二半固化片的上方；所述带状线设置于第三介质基板的下表面或第四介质基板的上表面；所述带状线包括：两个连接点和连通这两个连接点的金属微带线；

所述下部分的结构完全与上部分结构相同；所述上部分中的第二盲孔一端连接第一贴片，另一端连接中部分中带状线的一个连接点；所述下部分的第二盲孔的一端连接第一贴片，另一端连接中部分中带状线的另一个连接点。

所述上部分天线结构中第一介质基板起宽角阻抗匹配作用，可以增强偶极子贴片单元的扫描性能并扩展其工作带宽。

所述上部分天线结构中第二介质基板上表面印刷的领结型贴片用于增强偶极子末端的电容耦合，降低低频截止频率，拓展天线的工作带宽。

所述上部分天线结构中第二介质基板中第一盲孔将偶极子天线的一臂与第一金属地板相连，用以将非平衡馈电的平面超宽带强耦合天线中产生的共模谐振移出工作频带之外，扩展天线带宽。另外第二盲孔和第三盲孔作为偶极子天线的非平衡馈电柱，其中第三盲孔将偶极子天线的另外一臂与第一金属地板相连，而第二盲孔穿过第一金属地板和第二金属地板与中部分带状线结构相连。

所述中部分带状线结构中第三介质基板的下表面印刷有带状线结构，用以将上半部分宽带天线单元和与之对称的下半部分宽带天线结构相连，传递电磁能量并实现移相来补偿因馈源喇叭到透射阵面的空间路径差而引起的空间相位延迟。

所述半固化片用以将各介质基板粘连在一起。

所述透镜天线单元尺寸约为0.3λ×0.3λ×0.5λ，其中λ为最高工作频率对应的波长。第二介质基板的厚度与盲孔直径的厚径比在4:1～8:1之间，用以移相的带状线线宽在0.2～0.3mm之间。

本实施例中基于收发结构形式的平面宽带透镜天线口径为圆形，并采用喇叭天线101作为馈源，如图1所示。其基本透镜单元结构以及各部分视图如图2～5所示，第一介质基板102起宽角阻抗匹配的作用，能够增强偶极子贴片天线103的扫描性能，并扩展其工作带宽。第二介质基板104起支撑作用，上面印刷有偶极子贴片103，下面印刷有第一金属地板108，中间打有盲孔。偶极子贴片103采用领结型单元形式，可以通过改变末端的宽度与间距来调节电容耦合，实现宽带范围内的阻抗匹配。第一盲孔105将偶极子贴片103的一臂与第一金属地板108相连，用以将非平衡馈电的平面超宽带强耦合天线中产生的共模谐振移出工作频带之外，增加天线带宽。第二盲孔106和第三盲孔107作为非平衡馈电的馈电柱分别与偶极子贴片103的两臂相连，其中第二盲孔106穿过第一金属地板108、第一半固化片109和第二金属地板110将偶极子贴片103的一臂与带状线112的一个连接点相连，用以传输电磁能量；第三盲孔107将偶极子贴片103的另一臂与第一金属地板108直接相连，形成非平衡馈电的结构；半固化片109用以将第二介质基板104与第三介质基板111相粘连。介质基板111的下表面印刷有带状线111，用以连接上下两部分的中间盲孔，传输电磁能量，并实现移相来补偿空间相位延迟。此外，该带状线结构下半部分除带状线112之外与上半部分完全相同，并由半固化片113粘连在一起。

本实例设计工作频段为9.5～16GHz。所设计平面宽带透镜单元在几个典型频率(9.5GHz，12GHz,14GHz和16GHz)下传输性能随带状线长度变化的曲线图，如图10所示。这里带状线长度从3～22mm变化。可以明显看到在9.5～16GHz的宽带范围内，传输损耗都在1.92dB以内，且绝大部分传输损耗都小于1.2dB，相比于常见的频率选择表面单元有很大提升。另外，不同频率的移相曲线随带状线长度呈线性变化，展现了所述平面宽带透镜单元的宽带特性。更大的移相范围还可以通过增加带状线长度获得。

图11给出了本实施例中所述平面宽带透镜天线在9.5GHz下的E面和H面的辐射方向图。其中，带正方形符号的黑线为E面主极化的辐射方向图，带圆形符号的黑线为E面交叉极化的辐射方向图，带正三角形符号的灰线为H面主极化的辐射方向图，带五角星符号的灰线为H面交叉极化的辐射方向图。可以看到E面和H面主极化波束宽度几乎重合，副瓣小于-20dB，交叉极化小于-30dB。

图12给出了本实施例中所述平面宽带透镜天线在12GHz下的E面和H面的辐射方向图。可以看到E面和H面主极化波束宽度几乎重合，副瓣小于-20dB，交叉极化小于-30dB。

图13给出了本实施例中所述平面宽带透镜天线在14GHz下的E面和H面的辐射方向图。可以看到E面和H面主极化波束宽度几乎重合，副瓣小于-20dB，交叉极化小于-30dB。

图14给出了本实施例中所述平面宽带透镜天线在16GHz下的E面和H面的辐射方向图。可以看到E面和H面主极化波束宽度几乎重合，副瓣小于-20dB，交叉极化小于-30dB。

综上所述，可以看到在这四个典型频点下都有稳定的辐射方向图，在侧射方向上E面和H面主极化波束宽度几乎重合。此外，E面和H面的副瓣与交叉极化都较低，所设计的平面宽带透镜天线的带宽相比于传统透镜天线有很大提升。

Claims

1.一种基于收发结构形式的平面宽带透镜天线，该天线包括：馈源喇叭和透射阵列天线，所述透射阵列天线包括多个天线阵元，所述各天线阵元包括：上、中、下三部分；

所述上部分包括：第一介质基板、第二介质基板、偶极子贴片、第一盲孔、第二盲孔、第三盲孔、第一金属地板、第一半固化片、第二金属地板；所述第二介质基板位于第一半固化片上方，所述第一介质基板位于第二介质基板上方；所述偶极子贴片包括相对设置的第一贴片和第二贴片，并设置于第二介质基板的上表面；所述第一金属地板设置于第二介质基板下表面；所述第一盲孔穿过第二介质基板，连接第一贴片和第一金属地板；所述第二盲孔穿过第二介质基板、第一金属地板、第一半固化片、第二金属地板，连接第一贴片和天线阵元的中部分，所述第一金属地板和第二金属地板上开设有直径大于第二盲孔的圆孔，用于穿孔第二盲孔并不与第二盲孔连接；所述第三盲孔穿过第二介质基板，连接第二贴片和第一金属地板；

所述中部分包括：第三介质基板，第二半固化片、第四介质基板、带状天线，所述第二半固化片设置于第四介质基板的上方，第三介质基板设置于半固化片的上方；所述带状天线设置于第三介质基板的下表面或第四介质基板的上表面；所述带状天线包括：两个连接点和连通这两个连接点的金属微带线；

2.如权利要求1所述的一种基于收发结构形式的平面宽带透镜天线，其特征在于第一贴片尾端与第二贴片尾端采用交指型电容耦合结构。

3.如权利要求1所述的一种基于收发结构形式的平面宽带透镜天线，其特征在于所述偶极子贴片中的第一贴片与第二贴片相对部分为梯形结构。

4.如权利要求1所述的一种基于收发结构形式的平面宽带透镜天线，其特征在于所述带状线中连接两个连接点的金属微带线的长度随透镜天线单元在透射阵列表面的位置而变化，用以补偿馈源喇叭到透射阵列表面的空间相位差。

5.如权利要求2所述的一种基于收发结构形式的平面宽带透镜天线，其特征在于所述第一贴片尾端设置有栅状凹陷结构，所述第二贴片尾端设置有与第一贴片尾端配合的栅状凸起结构，在透射阵列天线中天线阵元的栅状凸起结构嵌入与其相邻天线阵元的栅状凹陷结构中，且相邻天线阵元的偶极子贴片不接触。