CN111834752A - 一种单层微带双极化透射阵天线及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单层微带双极化透射阵天线及制造方法，天线由喇叭馈源和惠更斯超表面微带双极化透射阵组成，喇叭馈源由波导和喇叭开口构成，惠更斯超表面微带双极化透射阵由N*N个超表面透射单元组成；超表面透射单元由2层在xy平面具有双轴对称性的复合金属结构以及单层介质板组成，其中，上层的复合金属结构是在方形金属框的四条边上打开缺口；下层的复合金属结构是在方形金属框上去掉四个角。本发明所获得的双极化透射阵天线基于单层介质板制作，无需打通孔，且其性能满足低副瓣、高增益、高口径效率以及足够的带宽等有益效果，因而在达到传统透射阵天线同样性能的情形下更易制备、成本更低、更易组装集成。

Description

一种单层微带双极化透射阵天线及制造方法

技术领域

本发明属于单层微带双极化透射阵天线领域，具体是一种基于惠更斯超表面的单层微带双极化透射阵天线及制造方法。

背景技术

平面透射阵天线是一种结合传统抛物面天线和微带阵列天线若干优点而形成的一种新型阵列天线。其中双极化平面透射阵天线能够集成两副极化方向相互正交的天线于一身，并同时工作在收发双工模式下，因此其最突出的优点是节省单个定向基站的天线数量。由于其平面构型的特征，它具有尺寸小、重量轻、制作成本低、易集成等优点，双极化平面透射阵天线在无线通信系统和卫星通信系统中已获得广泛的应用。双极化平面透射阵天线由平面透射阵列和馈源天线组成。其中平面透射阵列是具有对称性的透射型频率选择表面单元的拓扑组合，各个阵列单元提供相应的相位补偿，以在阵列的另一侧产生所需要的高方向透射波束。双极化平面透射阵天线在设计中有三个最重要的设计准则，一是透射相位变换达到360度，二是透射振幅尽可能的高，三是结构具有对称性以便能同时对相互正交的两个极化方向的电磁波产生响应。

然而，由于频率选择表面单元在3dB的透射振幅限制下所能提供的透射相位变换远小于360度，因而传统的双极化透射阵天线通常需要采用介质板层数在三层以上的多层频率选择结构作为阵列单元，这大大增加了双极化平面透射阵天线制造的复杂度，从而导致了制造成本的上升。迄今为止尚未出现在单层微带上实现双极化透射阵天线的相关技术。

现提供一种基于惠更斯超表面的单层微带双极化透射阵天线及制造方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于惠更斯超表面的单层微带双极化透射阵天线及制造方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种单层微带双极化透射阵天线，所述天线由喇叭馈源和惠更斯超表面微带双极化透射阵组成；

所述喇叭馈源由波导和喇叭开口构成；

所述惠更斯超表面微带双极化透射阵由N*N个具有对称性的超表面透射单元组成；

所述超表面透射单元由两层在xy平面具有双轴对称性的复合金属结构以及单层介质板组成，其中，上层的复合金属结构为方形金属框，且方形金属框的四条边上均设有缺口；下层的复合金属结构为方形金属框，且方形金属框去掉四个角；上下两层复合金属结构同处一个金属框，并且相互交叠。

进一步地，所述波导的口径尺寸为8.636*4.318mm²，喇叭开口口径为31*22mm²，喇叭整体高度为42mm。

进一步地，所述惠更斯超表面微带双极化透射阵的口径大于10λ₀，其中λ₀为工作频率处的自由空间波长。

进一步地，所述超表面透射单元的结构参数为p＝5mm、w＝0.2mm、s＝4.8mm、g＝1mm、l＝3.4mm，其中，p为超表面透射单元的周期长度、s为方形金属框的边长、g为上层的复合金属结构中方形金属框的缺口宽度，l为下层的复合金属结构中方形金属框的四边金属带的长度、w为所有金属带的线宽。

进一步地，分两步调节超表面透射单元的结构参数以获得足够宽的透射相位调节：

第一步，定义g＝(0.2s+0.04)mm、l＝(0.8s-0.44)mm，并调节s从2mm增加到4.8mm；

第二步，定义s＝4.8mm、l＝(4.4-g)mm，并调节g从1mm减小到0.3mm；

其他参数为p＝5mm、w＝0.2mm，p为超表面透射单元的周期长度、s为方形金属框的边长、g为上层的复合金属结构中方形金属框的缺口宽度，l为下层的复合金属结构中方形金属框的四边金属带的长度、w为所有金属带的线宽。

一种单层微带双极化透射阵天线的制造方法，包括如下步骤：

步骤一：根据相位分布优化得到惠更斯超表面的单层微带双极化透射阵天线的口径相位分布；

步骤二：根据口径相位分布获得惠更斯超表面的单层微带双极化透射阵天线的拓扑结构；

步骤三：微调喇叭馈源的位置获得最佳辐射增益、口径效率。

进一步地，所述步骤一中，相位分布的获取方式为：

选取和确定惠更斯超表面的单层微带双极化透射阵天线的初始参数，初始参数包括喇叭馈源位置F、惠更斯超表面微带双极化透射阵的中心工作频率f₀、惠更斯超表面微带双极化透射阵的口径大小D、超表面透射单元个数

相位分布公式为：

其中，p为超表面透射单元的周期长度，c为真空光速，m(n)是x(y)轴方向的超表面透射单元数，中心超表面透射单元定义为m＝0和n＝0；

是第(m，n)个超表面透射单元与中心超表面透射单元的相位差。

进一步地，所述步骤二中，惠更斯超表面的单层微带双极化透射阵天线的拓扑结构的获取方法为：

分两步调节超表面透射单元的结构参数以获得足够宽的透射相位调节，并根据参数扫描结果在商业仿真软件里进行自动化双极化透射阵元结构建模，确定各阵元的结构参数；

超表面透射单元的结构参数调节步骤为：

第一步，定义g＝(0.2s+0.04)mm、l＝(0.8s-0.44)mm，并调节s从2mm增加到4.8mm；

第二步，定义s＝4.8mm、l＝(4.4-g)mm，并调节g从1mm减小到0.3mm；

其他参数为p＝5mm、w＝0.2mm；

其中，p为超表面透射单元的周期长度、s为方形金属框的边长、g为上层的复合金属结构中方形金属框的缺口宽度，l为下层的复合金属结构中方形金属框的四边金属带的长度、w为所有金属带的线宽。

进一步地，所述步骤三中，最佳辐射增益、口径效率的获取方式为：

采用商业仿真软件对惠更斯超表面微带双极化透射阵性能进行仿真并微调喇叭的波导口中心与惠更斯超表面微带双极化透射阵的距离来补偿辐射相位中心引起的误差，获得最佳天线增益和口径效率。

本发明的有益效果：

本发明在平面透射阵天线中引入双极化惠更斯超表面技术，所获得的双极化透射阵天线基于单层介质板制作，无需打通孔，且其性能满足低副瓣、高增益、高口径效率以及足够的带宽等有益效果，因而在达到传统透射阵天线同样性能的情形下更易制备、成本更低、更易组装集成。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明基于惠更斯超表面的单层微带双极化透射阵天线的结构示意图；

图2为本发明超表面透射单元的结构示意图；

图3为本发明超表面透射单元上层复合金属结构的结构示意图；

图4为本发明超表面透射单元下层复合金属结构的结构示意图；

图5为本发明的超表面透射单元的透射幅度、相位曲线图；

图6为本发明的超表面透射单元在28GHz处的透射幅度、相位随s、l和g协同调节的变化曲线图；

图7为本发明的惠更斯超表面微带双极化透射阵的上层拓扑结构；

图8为本发明的惠更斯超表面微带双极化透射阵的下层拓扑结构；

图9为本发明的惠更斯超表面微带双极化透射阵在中心频率f₀＝28GHz处的仿真归一化辐射方向图(E面方向图)；

图10为本发明的惠更斯超表面微带双极化透射阵在中心频率f₀＝28GHz处的仿真归一化辐射方向图(H面方向图)；

图11为本发明的惠更斯超表面微带双极化透射阵的仿真增益曲线图。

具体实施方式

实施例一：

如图1所示，一种基于惠更斯超表面的单层微带双极化透射阵天线，天线由喇叭馈源和惠更斯超表面微带双极化透射阵组成；喇叭馈源由波导和喇叭开口构成；惠更斯超表面微带双极化透射阵由N*N个具有对称性的超表面透射单元组成。

优选的，波导为标准波导BJ260，波导的口径尺寸为a*b＝8.636*4.318mm²，喇叭开口口径为A*B＝31*22mm²，喇叭整体高度为L＝42mm。

优选的，惠更斯超表面微带双极化透射阵的口径为D*D，为有效形成高增益、低副瓣的辐射波束，惠更斯超表面微带双极化透射阵的口径D*D应大于10λ₀，其中，λ₀为工作频率处的自由空间波长。

优选的，超表面透射单元由2层在xy平面具有双轴对称性的复合金属结构以及单层介质板组成，其中，上层的复合金属结构为方形金属框，且方形金属框的四条边上均设有缺口；下层的复合金属结构为方形金属框，且方形金属框去掉四个角；上下两层复合金属结构同处一个金属框，并且相互交叠，以便诱导产生表面磁流，并与本身的表面电流相互作用产生惠更斯共振，从而形成宽带透射。

如图2-4所示，超表面透射单元的结构参数为p＝5mm、w＝0.2mm、s＝4.8mm、g＝1mm、l＝3.4mm，其中，p为超表面透射单元的周期长度、s为方形金属框的边长、g为上层的复合金属结构中方形金属框的缺口宽度，l为下层的复合金属结构中方形金属框的四边金属带的长度、w为所有金属带的线宽。

如图5所示，超表面透射单元在25.05GHz存在一个透射峰，其透射幅度为-0.26dB，可以近似为完美透射。该透射峰的出现是由于超表面透射单元中的上下两层复合金属结构存在交叠区，诱导产生了表面磁流，并与复合金属结构本身的表面电流相互作用产生惠更斯共振，从而形成了完美透射。该透射峰将低于25.05GHz的低通和高于25.05GHz的带通连接，形成一个超宽带通带。并且，通过改变复合金属结构的尺寸，可以调节超表面透射单元的惠更斯共振频率，从而改变单元的透射相位和幅度，这里采取两步调节方式：

第一步，定义g＝(0.2s+0.04)mm、l＝(0.8s-0.44)mm，并调节s从2mm增加到4.8mm以便协同调节s、l和g；

第二步，定义s＝4.8mm、l＝(4.4-g)mm，并调节g从1mm减小到0.3mm以便协同调节l和g；

其他参数为p＝5mm、w＝0.2mm，p为超表面透射单元的周期长度、s为方形金属框的边长、g为上层的复合金属结构中方形金属框的缺口宽度，l为下层的复合金属结构中方形金属框的四边金属带的长度、w为所有金属带的线宽；结果对于所考虑频率28GHz，透射相位调节了318°，非常接近于360°。此外，两步的调节方式中，所考虑频率28GHz的透射幅度均超过-1.58dB。因此本发明透射单元同时满足了高效双极化透射阵的幅度和相位要求。与传统频率选择表面透射单元相比，本发明超表面透射单元只需要单层介质板就可以构造，不需要打通孔，因而制备更为简单，成本更低，同时对双极化均保持了优良的电磁特性。

实施例二：

一种基于惠更斯超表面的单层微带双极化透射阵天线的制造方法，包括如下步骤：

步骤一：根据相位分布优化得到惠更斯超表面的单层微带双极化透射阵天线的口径相位分布：首先要选取和确定惠更斯超表面的单层微带双极化透射阵天线的初始参数，初始参数包括喇叭馈源位置F(喇叭开口与惠更斯超表面微带双极化透射阵的距离)、惠更斯超表面微带双极化透射阵的中心工作频率f₀、惠更斯超表面微带双极化透射阵的口径大小D、超表面透射单元个数

为形成对称均匀波束，N一般为奇数且由

确定；

相位分布公式为：

其中，p为超表面透射单元的周期长度，c为真空光速，F为焦距，m(n)是x(y)轴方向的超表面透射单元数，中心超表面透射单元定义为m＝0和n＝0；

是第(m，n)个超表面透射单元与中心超表面透射单元的相位差；

步骤二：根据口径相位分布获得惠更斯超表面的单层微带双极化透射阵天线的拓扑结构：

首先，确定超表面透射单元结构并对其结构参数进行扫描分析，找到在工作频率处能同时满足幅度和相位要求的参数调谐方案，在本实施例中，对于本发明惠更斯超表面单元，采取两步调节方式方案以同时满足幅度和相位要求：

第一步，定义g＝(0.2s+0.04)mm、l＝(0.8s-0.44)mm，并调节s从2mm增加到4.8mm以便协同调节s、l和g；

第二步，定义s＝4.8mm、l＝(4.4-g)mm，并调节g从1mm减小到0.3mm以便协同调节l和g；

其他参数为p＝5mm、w＝0.2mm；

其中，p为超表面透射单元的周期长度、s为方形金属框的边长、g为上层的复合金属结构中方形金属框的缺口宽度，l为下层的复合金属结构中方形金属框的四边金属带的长度、w为所有金属带的线宽；s、l和g根据透射相位覆盖范围和幅度要求确定，详见图6；

其次，根据参数扫描结果在商业仿真软件里进行自动化双极化透射阵元结构建模，确定各阵元的结构参数，即s、l和g；

步骤三：微调喇叭馈源的位置获得最佳辐射增益、口径效率：

由于喇叭馈源并非理想点源，其相位辐射中心并非波导口中心，需要采用商业仿真软件对惠更斯超表面微带双极化透射阵性能进行仿真并微调喇叭的波导口中心与惠更斯超表面微带双极化透射阵的距离F来补偿辐射相位中心引起的误差，获得最佳天线增益和口径效率。

实施例三：

本发明设计的惠更斯超表面微带双极化透射阵天线的优点在于，双极化功能，副瓣低，增益高，而且单层介质板设计，无通孔，重量轻、成本低和易组装集成。超表面微带双极化透射阵的中心透射单元的结构参数为p＝5mm、w＝0.2mm、s＝4.8mm、g＝1mm、l＝3.4mm，其他单元的拓扑结构见图7-8；本发明双极化透射阵天线的中心工作频率f₀＝28GHz，N＝33，D＝165mm，F＝159mm。

为验证本发明设计方法的正确性，如图9-10所示，给出了惠更斯超表面微带双极化透射阵在中心频率f₀＝28GHz处的仿真归一化辐射方向图，可以看出天线在垂直方向上形成一个高方向波束；无论是x极化还是y极化，E面和H面半功率波瓣宽度4度，第一副瓣电小于-24dB，最大辐射方向上的交叉极化电平在-65dB以下。所以该发明惠更斯超表面微带双极化透射阵在仅用单层介质板的情形下实现了双极化功能，具有高增益和低副瓣性能，达到了设计目的。

如图11所示，给出了惠更斯超表面微带双极化透射阵的增益曲线，天线在27.8GHz处获得最大增益，增益值为31.4dBi，相应的口径辐射效率约为47％，在25.47～29.74GHz的频率范围内增益衰减不超过3dB，3dB增益带宽约为15.5％。其中3dB增益带宽完全覆盖5G频谱中的28GHz频段(27.5～29.5GHz)。

本发明率先在平面透射阵天线中引入诱导磁惠更斯超表面技术，所获得的双极化透射阵天线基于单层介质板制作，无需打通孔，具备双极化功能，且其性能满足低副瓣、高增益、高口径效率以及足够的带宽等有益效果，因而在达到传统双极化透射阵天线同样功能和同样性能的情形下更易制备、成本更低、更易组装集成。

以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种单层微带双极化透射阵天线，其特征在于，所述天线由喇叭馈源和惠更斯超表面微带双极化透射阵组成；

所述喇叭馈源由波导和喇叭开口构成；

所述惠更斯超表面微带双极化透射阵由N*N个具有对称性的超表面透射单元组成；

所述超表面透射单元由两层在xy平面具有双轴对称性的复合金属结构以及单层介质板组成，其中，上层的复合金属结构为方形金属框，且方形金属框的四条边上均设有缺口；下层的复合金属结构为方形金属框，且方形金属框去掉四个角；上下两层复合金属结构同处一个金属框，并且相互交叠。

2.根据权利要求1所述的一种单层微带双极化透射阵天线，其特征在于，所述波导的口径尺寸为8.636*4.318mm²，喇叭开口口径为31*22mm²，喇叭整体高度为42mm。

3.根据权利要求1所述的一种单层微带双极化透射阵天线，其特征在于，所述惠更斯超表面微带双极化透射阵的口径大于10λ₀，其中λ₀为工作频率处的自由空间波长。

4.根据权利要求1所述的一种单层微带双极化透射阵天线，其特征在于，所述超表面透射单元的结构参数为p＝5mm、w＝0.2mm、s＝4.8mm、g＝1mm、l＝3.4mm，其中，p为超表面透射单元的周期长度、s为方形金属框的边长、g为上层的复合金属结构中方形金属框的缺口宽度，l为下层的复合金属结构中方形金属框的四边金属带的长度、w为所有金属带的线宽。

5.根据权利要求4所述的一种单层微带双极化透射阵天线，其特征在于，分两步调节超表面透射单元的结构参数以获得足够宽的透射相位调节：

第一步，定义g＝(0.2s+0.04)mm、l＝(0.8s-0.44)mm，并调节s从2mm增加到4.8mm；

第二步，定义s＝4.8mm、l＝(4.4-g)mm，并调节g从1mm减小到0.3mm；

其他参数为p＝5mm、w＝0.2mm，p为超表面透射单元的周期长度、s为方形金属框的边长、g为上层的复合金属结构中方形金属框的缺口宽度，l为下层的复合金属结构中方形金属框的四边金属带的长度、w为所有金属带的线宽。

6.如权利要求1～5任意一项所述的一种单层微带双极化透射阵天线的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：根据相位分布优化得到惠更斯超表面的单层微带双极化透射阵天线的口径相位分布；

步骤二：根据口径相位分布获得惠更斯超表面的单层微带双极化透射阵天线的拓扑结构；

步骤三：微调喇叭馈源的位置获得最佳辐射增益、口径效率。

7.根据权利要求6所述的一种单层微带双极化透射阵天线的制造方法，其特征在于，所述步骤一中，相位分布的获取方式为：

选取和确定惠更斯超表面的单层微带双极化透射阵天线的初始参数，初始参数包括喇叭馈源位置F、惠更斯超表面微带双极化透射阵的中心工作频率f₀、惠更斯超表面微带双极化透射阵的口径大小D、超表面透射单元个数

相位分布公式为：

其中，p为超表面透射单元的周期长度，c为真空光速，m(n)是x(y)轴方向的超表面透射单元数，中心超表面透射单元定义为m＝0和n＝0；

是第(m，n)个超表面透射单元与中心超表面透射单元的相位差。

8.根据权利要求6所述的一种单层微带双极化透射阵天线的制造方法，其特征在于，所述步骤二中，惠更斯超表面的单层微带双极化透射阵天线的拓扑结构的获取方法为：

分两步调节超表面透射单元的结构参数以获得足够宽的透射相位调节，并根据参数扫描结果在商业仿真软件里进行自动化双极化透射阵元结构建模，确定各阵元的结构参数；

超表面透射单元的结构参数调节步骤为：

第一步，定义g＝(0.2s+0.04)mm、l＝(0.8s-0.44)mm，并调节s从2mm增加到4.8mm；

第二步，定义s＝4.8mm、l＝(4.4-g)mm，并调节g从1mm减小到0.3mm；

其他参数为p＝5mm、w＝0.2mm；

其中，p为超表面透射单元的周期长度、s为方形金属框的边长、g为上层的复合金属结构中方形金属框的缺口宽度，l为下层的复合金属结构中方形金属框的四边金属带的长度、w为所有金属带的线宽。

9.根据权利要求6所述的一种单层微带双极化透射阵天线的制造方法，其特征在于，所述步骤三中，最佳辐射增益、口径效率的获取方式为：

采用商业仿真软件对惠更斯超表面微带双极化透射阵性能进行仿真并微调喇叭的波导口中心与惠更斯超表面微带双极化透射阵的距离来补偿辐射相位中心引起的误差，获得最佳天线增益和口径效率。

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