CN111600131A - 基于sspp结构的双端口多模共口径空间扫描天线及阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于SSPP结构的双端口多模共口径空间扫描天线及阵列，包括：两个梯形单极子2、四个对称的圆形贴片3、对称SSPP金属传输线7、介质板5、两个菱形金属调质单元6、两个SMA射频接头1；地板4垂直于介质板5放置。两个射频SMA接头1分别与两个梯形单极子2的中心连接，用于对天线进行馈电激励。本发明通过调节两个馈电端口之间的相位差实现不同相差的模式混合，从而实现波束在空间扫描。具有相差可变的多模共口径和单元波束空间扫描的特点。该扫描天线也可扩展为阵列，实现大角度扫描。

Description

基于SSPP结构的双端口多模共口径空间扫描天线及阵列
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体地，涉及一种基于SSPP结构的双端口多模共口径空间扫描天线及阵列，涉及一种基于人工表面等离子体激元(Spoof Surface PlasmonPolariton，简称SSPPs)结构的双端口多模共口径空间扫描天线。
背景技术
随着天线技术的发展，天线电扫描技术发挥着日益重要的作用。目前应用较多的有相位扫描和频率扫描。频率扫描天线的工作原理是使天线单元间的相位关系或波瓣指向随着工作频率变化，其缺陷在于难以实现宽角扫描，馈电结构复杂，天线阵元个数较多时易使中心频点的损耗加大。相位扫描天线使用移项器控制天线单元的相位实现波束扫描，天线系统比较复杂，而且天线的工作模式有限，波束扫描角度不连续。
专利文献CNCN110112573A公开了一种低剖面双频二维宽角扫描共口径相控阵天线，天线单元从下至上包括背馈结构、中层介质层、第二中层金属敷铜层、上层介质层与上层金属敷铜层、第一金属化过孔以及第二金属化过孔。通过双层金属化过孔结构连接上中两层介质层，实现双频结构。在所需工作带宽内扫描角度为-50°～50°。结构比较复杂，并且只能在二维空间内扫描，扫描范围有限。传统天线的相控扫描技术通过控制天线单元之间的相位差实现波束扫描，天线工作模式单一，天线阵的扫描角度范围有限。目前还没有仅用天线单元就能实现连续的空间扫描的天线。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于SSPP结构的双端口多模共口径空间扫描天线及阵列。
根据本发明提供的基于SSPP结构的双端口多模共口径空间扫描天线，其特征在于，包括：两个SMA射频接头1，两个梯形单极子2，四个对称的圆形贴片3，对称SSPP金属传输线7、地板4、介质板5以及两个菱形金属调质单元6；
所述两个梯形单极子2、所述四个对称的圆形贴片3、所述对称SSPP金属传输线7均设置在所述介质板5的同一面上，所述对称SSPP金属传输线7上面两两对称地刻蚀四个抛物线形凹槽，所述四个圆形贴片3两两对称地放置在所述对称SSPP金属传输线7的两侧，所述两个菱形金属调质单元6设置在所述对称SSPP金属传输线7上，所述两个SMA射频接头1分别连接所述两个梯形单极子2，所述地板4垂直于所述介质板5放置。
优选地，所述介质板5采用双层板结构。
优选地，所述对称SSPP金属传输线7呈对称锯齿状，改善端射性能，展宽频段。
优选地，天线通过所述SMA射频接头1连接所述梯形单极子2的一端，来自所述梯形单极子2的电磁波耦合到所述对称SSPP金属传输线7中，SSPPs波沿着所述对称SSPP金属传输线7和所述两个菱形金属调制单元6传播，在末端渐变锯齿结构向外辐射。
优选地，所述四个对称的圆形贴片3两两对称地放置在所述金属传输线7的两侧，增强天线增益，提高空间利用率。
优选地，抛物线形凹槽两两对称地刻蚀在所述对称SSPP金属传输线7的两侧，提高天线增益，改善端射性能。
优选地，所述两个菱形金属调质单元6改善天线的侧射性能，提高天线增益。
优选地，通过改变所述两个SMA射频接头1之间的相位差，变化范围为-180°～180°，所述对称SSPP金属传输线上的电流流向发生改变，激发天线工作在不同的模式下，随着相位差连续变化，天线的工作模式也随之连续变化，实现波束空间扫描。
优选地，两个端口的相位差可通过在两个端口分别连接移相器，实现两端口的相位差变化。
优选地，通过多个天线的空间排列，可以构成阵列，实现更高增益和更大范围的波束扫描。
根据本发明提供的一种基于SSPP结构的双端口多模共口径空间扫描天线，其特征在于，包括：两个SMA射频接头1，两个梯形单极子2，四个对称的圆形贴片3，对称SSPP金属传输线7、地板4、介质板5以及两个菱形金属调质单元6；
所述两个梯形单极子2、所述四个对称的圆形贴片3、所述对称SSPP金属传输线7均设置在所述介质板5的同一面上，所述对称SSPP金属传输线7上面两两对称地刻蚀四个抛物线形凹槽，所述四个圆形贴片3两两对称地放置在所述对称SSPP金属传输线7的两侧，所述两个菱形金属调质单元6设置在所述对称SSPP金属传输线7上，所述两个SMA射频接头1分别连接所述两个梯形单极子2，所述地板4垂直于所述介质板5放置。
所述介质板5采用双层板结构。
所述对称SSPP金属传输线7呈对称锯齿状，改善端射性能，展宽频段。
天线通过所述SMA射频接头1连接所述梯形单极子2的一端，来自所述梯形单极子2的电磁波耦合到所述对称SSPP金属传输线7中，SSPPs波沿着所述对称SSPP金属传输线7和所述两个菱形金属调制单元6传播，在末端渐变锯齿结构向外辐射。
所述四个对称的圆形贴片3两两对称地放置在所述金属传输线7的两侧，增强天线增益，提高空间利用率。
抛物线形凹槽两两对称地刻蚀在所述对称SSPP金属传输线7的两侧，提高天线增益，改善端射性能。
所述两个菱形金属调质单元6改善天线的侧射性能，提高天线增益。
通过改变所述两个SMA射频接头1之间的相位差，变化范围为-180°～180°，所述对称SSPP金属传输线上的电流流向发生改变，激发天线工作在不同的模式下，随着相位差连续变化，天线的工作模式也随之连续变化，实现波束空间扫描。
两个端口的相位差可通过在两个端口分别连接移相器，实现两端口的相位差变化。
通过多个天线的空间排列，可以构成阵列，实现更高增益和更大范围的波束扫描。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明通过梯形偶极子给对称SSPP金属传输线耦合馈电，并且通过改变两个馈电端口之间的相位差，激发天线工作在多种模式下，使得方向图在三维空间内实现半球扫描。本发明具备良好的辐射方向图空间扫描特性，随着两个馈电端口之间的相位差连续变化，天线的辐射波束指向随之连续变化，即天线工作在不同模式。本发明可以很好地覆盖半球空间。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的整体结构俯视示意图。
图2为本发明的整体结构透视示意图。
图3为本发明的工作原理示意图。
图4a为本发明的无源S参数示意图。
图4b为本发明的两端口相位差为-180°的有源S参数示意图。
图4c为本发明的两端口相位差为-120°的有源S参数示意图。
图4d为本发明的两端口相位差为-60°的有源S参数示意图。
图4e为本发明的两端口相位差为0°的有源S参数示意图。
图4f为本发明的两端口相位差为60°的有源S参数示意图。
图4g为本发明的两端口相位差为120°的有源S参数示意图。
图4h为本发明的两端口相位差为180°的有源S参数示意图。
图5a为第一端口单独馈电时的二维辐射方向示意图。
图5b为第二端口单独馈电时的二维辐射方向示意图。
图5c为两馈电端口同时馈电、相位差依次为-180°的二维辐射方向示意图。
图5d为两馈电端口同时馈电、相位差依次为-150°的二维辐射方向示意图。
图5e为两馈电端口同时馈电、相位差依次为-120°的二维辐射方向示意图。
图5f为两馈电端口同时馈电、相位差依次为-90°的二维辐射方向示意图。
图5g为两馈电端口同时馈电、相位差依次为-60°的二维辐射方向示意图。
图5h为两馈电端口同时馈电、相位差依次为-30°的二维辐射方向示意图。
图5i为两馈电端口同时馈电、相位差依次为0°的二维辐射方向示意图。
图5j为两馈电端口同时馈电、相位差依次为30°的二维辐射方向示意图。
图5k为两馈电端口同时馈电、相位差依次为60°的二维辐射方向示意图。
图5l为两馈电端口同时馈电、相位差依次为90°的二维辐射方向示意图。
图5m为两馈电端口同时馈电、相位差依次为120°的二维辐射方向示意图。
图5n为两馈电端口同时馈电、相位差依次为150°的二维辐射方向示意图。
图5o为两馈电端口同时馈电、相位差依次为180°的二维辐射方向示意图。
图5p为两馈电端口的相位差为-180°～180°的二维波束扫描示意图。
图6为本发明的阵列结构示意图。
图7a为本发明实施例中阵列在单元两端口相位差0°、90°、180°下的二维方向示意图。
图7b为本发明实施例中阵列在单元两端口相位差0°、90°、180°下的二维方向示意图。
图7c为本发明实施例中阵列在单元两端口相位差0°、90°、180°下的二维方向示意图。
图7d为单元两端口相位差为-180°、-90°、0°、90°、180°的二维波束扫描示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1：
如图1、2、3所示，本实施例提供的一种基于SSPP结构的双端口多模共口径空间扫描天线，包括：两个SMA射频接头1，两个梯形单极子2，四个对称的圆形贴片3，对称SSPP金属传输线7、地板4、介质板5以及两个菱形金属调质单元6；
两个梯形单极子2、四个对称的圆形贴片3、对称SSPP金属传输线7均设置在介质板5的上表面，介质板5的下表面没有设置结构，四个抛物线形凹槽两两对称地刻蚀在对称的SSPP金属传输线的两端，四个圆形贴片3两两对称地放置在对称SSPP金属传输线7的两侧，两个菱形金属调质单元6设置在对称SSPP金属传输线7上，两个SMA射频接头1分别连接两个梯形单极子2，地板4垂直于介质板5放置。
在本实施例中，介质板5采用双层板结构。
天线通过SMA射频接头1连接梯形单极子2的一端，来自梯形单极子2的电磁波耦合到对称SSPP金属传输线7中，SSPPs波沿着对称SSPP金属传输线7和两个菱形金属调制单元6传播，在末端渐变锯齿结构向外辐射。
改变两个SMA射频接头1之间的相位差，依次为-180°、-120°、-60°、0°、60°、120°、180°，对称SSPP金属传输线上的电流流向发生改变，激发天线工作在不同的模式下，随着相位差连续变化，天线的工作模式也随之连续变化，实现波束空间扫描。
介质板5的厚度是1.52mm，介质板5的相对介电常数是2.5，损耗角正切是0.0018，整个介质板的尺寸是34.75mm×37.04mm×1.52mm。
如图2所示，梯形单极子2的长度为lm，下层圆形贴片的高度为z1，上层圆形贴片与下层圆形贴片之间的高度差为z2，圆形贴片的直径为d，抛物线形凹槽的开口宽度为dz，菱形金属调质单元的宽度为w1，长度为l1。
如图3所示的天线工作原理图，通过改变两个SMA射频接头1之间的相位差，变化范围为-180°～180°，对称SSPP金属传输线上的电流流向发生改变，激发天线工作在不同的模式下，随着相位差连续变化，天线的工作模式也随之连续变化，实现波束空间扫描。
如图4a所示的无源S参数示意图，天线端口1的10dB阻抗带宽是4.27～6GHz，相对带宽为33.7％，端口2的10dB阻抗带宽是4.27～6GHz，相对带宽为33.7％，端口隔离度在有效带宽内均大于12dB。如图4b～4h所示的两端口相位差依次为-180°、-120°、-60°、0°、60°、120°、180°的有源S参数示意图，回波损耗和隔离度性能良好。
如图5a～5p所示的二维辐射方向图，端口1和端口2单独工作时，天线表现为端射模式。两端口之间的相位差为0°时，天线表现为边射模式。两端口之间的相位差为180°时，天线表现为端射模式。随着相位差从-180°依次增大到180°，主波束指向在半球空间内由边射波束逐渐转换为端射波束，实现多模空间扫描。
实施例2：
如图6所示的阵列结构示意图，将实施例1的天线单元组成1×4的阵列，沿图1中的x方向排列。调节天线单元两端口之间的相位差可以实现单元波束空间扫描，同时调节天线单元之间的相位差，使得阵列的主波束与单元的主波束指向一致，增强波束增益和定向性。
如图7a～7c所示阵列的二维波束扫描图，将天线单元两端口之间的相位差分别设为0°、90°和180°，图7d表示天线单元两端口相位差为-180°、-90°、0°、90°和180°的阵列二维波束扫描图，两端口相位差为180°和-180°的方向图重叠。调节天线单元间的相差使得阵列波束指向与单元波束指向一致，实现波束空间扫描。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于SSPP结构的双端口多模共口径空间扫描天线，其特征在于，包括：SMA射频接头(1)、梯形单极子(2)、圆形贴片(3)、对称SSPP金属传输线(7)、地板(4)、介质板(5)以及菱形金属调质单元(6)；
所述梯形单极子(2)、所述对称的圆形贴片(3)、所述对称SSPP金属传输线(7)均设置在所述介质板(5)的同一面上；
所述圆形贴片(3)放置在所述对称SSPP金属传输线(7)的两侧；
所述菱形金属调质单元(6)设置在所述对称SSPP金属传输线(7)上；
所述SMA射频接头(1)连接梯形单极子(2)；
所述地板(4)垂直于所述介质板(5)放置。
2.根据权利要求1所述的基于SSPP结构的双端口多模共口径空间扫描天线，其特征在于，
所述SMA射频接头(1)的数量为两个；
所述梯形单极子(2)的数量为两个；
所述圆形贴片(3)的数量为四个；
所述四个圆形贴片(3)对称设置；
所述菱形金属调质单元(6)的数量为两个；
所述两个梯形单极子(2)、所述四个对称的圆形贴片(3)均设置在所述介质板(5)的同一面上；
所述四个圆形贴片(3)两两对称地放置在所述对称SSPP金属传输线(7)的两侧；
所述两个菱形金属调质单元(6)设置在所述对称SSPP金属传输线(7)上；
所述两个SMA射频接头(1)分别连接所述两个梯形单极子(2)；
所述介质板(5)采用双层板结构。
3.根据权利要求1所述的基于SSPP结构的双端口多模共口径空间扫描天线，其特征在于，所述对称SSPP金属传输线(7)呈对称锯齿状。
4.根据权利要求1所述的基于SSPP结构的双端口多模共口径空间扫描天线，其特征在于，所述SMA射频接头(1)连接所述梯形单极子(2)的一端，来自所述梯形单极子(2)的电磁波耦合到所述对称SSPP金属传输线(7)中，SSPPs波沿着所述对称SSPP金属传输线(7)和所述两个菱形金属调制单元(6)传播，在末端渐变锯齿结构向外辐射。
5.根据权利要求1所述的基于SSPP结构的双端口多模共口径空间扫描天线，其特征在于，所述四个对称的圆形贴片(3)两两对称地放置在所述金属传输线(7)的两侧。
6.根据权利要求1所述的基于SSPP结构的双端口多模共口径空间扫描天线，其特征在于，所述对称SSPP金属传输线(7)上面两两对称地刻蚀四个抛物线形凹槽。
7.根据权利要求1所述的基于SSPP结构的双端口多模共口径空间扫描天线，其特征在于，所述两个菱形金属调质单元(6)的天线侧射性能大于设定阈值。
8.根据权利要求4所述的基于SSPP结构的双端口多模共口径空间扫描天线，其特征在于，所述两个SMA射频接头(1)之间相位差的变化范围为-180°～180°。
9.根据权利要求8所述的基于SSPP结构的双端口多模共口径空间扫描天线，其特征在于，还包括：移相器；
所述两个SMA射频接头(1)与移相器相连。
10.一种基于SSPP结构的双端口多模共口径空间扫描天线阵列，其特征在于，包括：权利要求1-9任一项所述的基于SSPP结构的双端口多模共口径空间扫描天线；
所述基于SSPP结构的双端口多模共口径空间扫描天线的数量为多个；
所述多个基于SSPP结构的双端口多模共口径空间扫描天线空间排列。
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