CN112038780A - 一种基于亚波长分形超材料的频率可重构天线单元及天线阵 - Google Patents

一种基于亚波长分形超材料的频率可重构天线单元及天线阵 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于亚波长分形超材料的频率可重构天线单元，包括空气层；顶部辐射层，包括：顶部介质基片；第一金属贴片，安装于所述顶部介质基片的上表面；以及第二金属贴片，安装于所述空气层与所述顶部介质基片之间；金属地层，包括：背面金属地；以及介质层，安装于所述空气层与所述背面金属地之间；本发明利用PIN二极管切换高低频超材料分形辐射单元的形式，实现天线辐射单元频率可重构，并且通过紧凑型二维组阵的方式实现相控阵天线单元的宽波束覆盖和频率重构的目的。

Description

一种基于亚波长分形超材料的频率可重构天线单元及天线阵
技术领域
本发明涉及天线领域，具体涉及一种基于亚波长分形超材料的频率可重构天线单元及天线阵。
背景技术
近年来现代卫星通信技术的发展，通信频段已经被大量应用所占用。传统单一频段天线由于带宽受限，且相互之间的干扰不可避免限制了其在卫星通信的应用。利用一副天线实现多副天线多频段工作模式是未来卫星通信发展的重要趋势。然而，利用单一的辐射单元往往难以实现双频或者多频响应，多频单元复合的模式有会造成天线尺寸增大。利用单幅天线实现频率切换工作的频率可重构天线是适应未来卫星通信频率复用的较好的选择。
相控阵天线利用相位扫描代替传统的机械扫描来实现对目标的跟踪照射，已经成为未来卫星通信、雷达、成像等的发展趋势。频率可重构相控阵既具有相控阵天线的优势又可切换/兼容多频率工作具有较强的技术优势。相控阵天线由于大规模组阵及其波束扫描要求，对天线单元提出了小型化、高集成度的需求。然而传统可重构天线应用于相控阵天线的研究还不完善，频率可重构天线阵列单元小型化，高集成度、高效率设计仍面临一些亟需解决的难题。
在频率可重构天线设计过程中，往往利用天线谐振结构尺寸的微扰来实现辐射频率改变的目的，但是结构微扰带来的频率调节范围有限，对于大频分比可重构不适用。振子天线工作频率随其谐振长度变化显著，为实现大频分比的频率可重构提供了较好的选择。传统微带振子天线结构形式需要加载大量的开关电路达到频率可重构，而分形结构利用明确的几何关系确定单元排布，利用分形结构可以大大降低振子天线的开关数目，结构简单，可适用于天线单元的通用化模块化设计。
谢尔宾斯基三角分形一种旋转对称的自组构分形结构，通过将三角单元沿着边厂复制移动，组成形状相似的单元。在三角单元上加载开关二极管实现频率可重构，具有排布规律简单、匹配性能好等优点，是实现高效率、大频比相控阵天线单元的一个较好的选择。
天线单元是相控阵天线的基本组成单元，其带宽、增益等性能是决定相控阵天线性能指标的关键。由于X/Ku天线频率间隔大，双频通过一个馈电转接与TR连接，必须需同时满足兼顾双频工作的要求，设计馈电转接在较宽的频带范围内满足两个频段的匹配需求，是双频可重构单元研究的难点问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于亚波长分形超材料的频率可重构天线单元，。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于亚波长分形超材料的频率可重构天线单元，包括：
空气层；
顶部辐射层，包括：
顶部介质基片；
第一金属贴片，安装于所述顶部介质基片的上表面；以及
第二金属贴片，安装于所述空气层与所述顶部介质基片之间；
金属地层，包括：
背面金属地；以及
介质层，安装于所述空气层与所述背面金属地之间。
可选地，所述第一金属贴片包括第一分形贴片和顶层转接线，所述顶层转接线的一端与所述第一分形贴片连接；所述第二金属贴片包括第二分形贴片和底层转接线，所述底层转接线的一端与所述第二分形贴片连接；其中，所述顶层转接线的另一端与所述底层转接线的另一端连接，所述顶层转接线和所述底层转接线形成平衡双线垂直转接。
可选地，所述顶部介质基片上开设有金属化通孔，所述顶层转接线或底层转接线贯穿所述金属化通孔。
可选地，所述顶层转接线包括第一连接贴片和圆形贴片，所述第一连接贴片和所述圆形贴片固定连接；所述底层连接线包括环形贴片和第二连接贴片，所述环形贴片与所述第二连接贴片固定连接；其中，所述圆形贴片的端部贯穿所述金属化通孔并且安装在所述环形贴片内。
可选地，所述第二连接贴片的宽度自上而下逐渐增加。
可选地，所述第一分形贴片包括第一高频三角贴片和第一低频三角贴片，所述第一高频三角贴片和所述第一低频三角贴片通过第一PIN二极管连接。
可选地，所述第二分形贴片包括第二高频三角贴片和第二低频三角贴片，所述第二高频三角贴片和所述第二低频三角贴片通过第二PIN二极管连接。
可选地，所述第一金属贴片包括顶层金属焊盘；所述第二金属贴片包括底层金属焊盘；其中，所述顶层金属焊盘与所述底层金属焊盘连接，所述顶层金属焊盘与所述底层金属焊盘形成偏置电路。
可选地，所述顶部介质基片上开设有若干个第一定位孔；所述介质层上开设有若干个第二定位孔；位置相匹配的所述第一定位孔内和所述第二定位孔内安装有同一个连接件，所述连接件可将所述顶部介质基片与所述介质层的相对位置固定。
另一方面，一种二维天线阵，包括并列连接的至少两个如上述的基于亚波长分形超材料的频率可重构天线单元。
与现有技术相比，本发明至少具有以下优点之一：
本发明利用PIN二极管切换高低频超材料分形辐射单元的形式，实现天线辐射单元频率可重构，并且通过紧凑型二维组阵的方式实现相控阵天线单元的宽波束覆盖和频率重构的目的。采用亚波长三角分形超材料排布形式，获得较好的频率可重构性能，双频谐振频率由三角分形材料的尺寸决定，可以获得较大的频分比。利用基于PCB工艺的双层镜像对称分形结构作为辐射基本单元，实现双频频率可重构天线小型化设计。天线具有结构简单，低成本、宽波束覆盖的特点。在保持宽带、低损耗天线性能的同时，具有小型化、集成化的紧凑结构，天线的模块化设计方法便于大规模组阵和通用化统型，适用于通信应用平台下，低成本相控阵的应用需求。
附图说明
图1为本发明的亚波长分形超材料的频率可重构相控阵天线单元总体示意图。
图2为本发明的亚波长分形超材料的频率可重构相控阵天线单元的侧视图。
图3为本发明的亚波长分形超材料的频率可重构相控阵天线单元顶部辐射层的俯视图。
图4为本发明的亚波长分形超材料的频率可重构相控阵天线单元顶部辐射层顶层金属图。
图5为本发明的亚波长分形超材料的频率可重构相控阵天线单元顶部辐射层底层金属图。
图6为本发明的亚波长分形超材料的频率可重构相控阵天线单元金属地层介质示意图。
图7为本发明的亚波长分形超材料的频率可重构相控阵天线单元工作在低频的辐射方向图。
图8为本发明的亚波长分形超材料的频率可重构相控阵天线单元工作在高频的辐射方向图。
具体实施方式
以下结合附图1至8具体实施方式对本发明作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者现场设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者现场设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者现场设备中还存在另外的相同要素。
请参阅图1和图2所示，本实施例提供的一种基于亚波长分形超材料的频率可重构天线单元，天线为亚波长超材料单元，单元尺寸小于1个高频波长，包括：
空气层2，该空气层2厚度为1/4空气波长(该频率波在空气中的波长，通过1/4波长的背腔地连接，可实现单向辐射提高增益的效果)，本实例中空气层2厚度设置为5mm；
顶部辐射层1，包括：
顶部介质基片12；
金属贴片11(第一金属贴片、第二金属贴片)；
第一金属贴片，安装于所述顶部介质基片12的上表面；以及
第二金属贴片，安装于所述空气层2与所述顶部介质基片12之间；
金属地层3，包括：
背面金属地31；以及
介质层32，安装于所述空气层2与所述背面金属地31之间。
第一金属贴片与第二金属贴片关于顶部介质基片12镜像对称，二者尺寸一致。
在本实例中工作频率覆盖X/Ku波段，低频贴片选取为a1＝2mm，b1＝2.4mm，高频贴片尺寸优选为a1＝1.4mm，b1＝2mm。顶部介质基片12选取Rogers RO4003，介电常数3.55，厚度0.203mm，PIN二极管采用小型化0402封装。
本实施例中，请参阅图3和图4所示，所述第一金属贴片包括第一分形贴片和顶层转接线1131，所述顶层转接线1131的一端与所述第一分形贴片连接；所述第二金属贴片包括第二分形贴片和底层转接线1132，所述底层转接线1132的一端与所述第二分形贴片连接；两个分形贴片对称分布在顶部介质基片12的上下两层；其中，所述顶层转接线1131的另一端与所述底层转接线1132的另一端连接，所述顶层转接线1131和所述底层转接线1132形成平衡双线垂直转接113，平衡双线垂直转接113通过调节内外径构成特定特征阻抗的同轴线与TR组件连接，本实例优选接口特征阻抗为50欧；本实施例利用平衡双线垂直转接形式有利于展宽天线带宽，垂直转接的金属化过孔可作为探针与TR组件的无缝对接，具有低损耗的优点，加工方便、易集成的特点。。
本实施例中，所述顶部介质基片12上开设有金属化通孔121，所述顶层转接线1131或底层转接线1132贯穿所述金属化通孔121。
本实施例中，请参阅图3所示，所述顶层转接线1131包括第一连接贴片和圆形贴片，所述第一连接贴片和所述圆形贴片固定连接；所述底层连接线1132包括环形贴片和第二连接贴片，所述环形贴片与所述第二连接贴片固定连接；其中，所述圆形贴片的端部贯穿所述金属化通孔121并且安装在所述环形贴片内。
本实施例中，请参阅图5所示，所述第二连接贴片的宽度自上而下逐渐增加，第二连接贴片为三角形贴片。
本实施例中，请参阅图4所示，所述第一分形贴片包括第一高频三角贴片11111和第一低频三角贴片11112，所述第一高频三角贴片11111和所述第一低频三角贴片11112通过第一PIN二极管11113连接，第一分形贴片通过第一金属条带11114安装在顶部介质基片12上，第一高频三角贴片11111和第一低频三角贴片11112长度和宽度分别为(a2、b2)和(a1，b1)，通过优化调节b1、b2可控制可重构频率频分比，优化调节a1、a2改善阻抗匹配。
本实施例中，请参阅图5所示，所述第二分形贴片包括第二高频三角贴片11121和第二低频三角贴片11122，所述第二高频三角贴片11121和所述第二低频三角贴片11122通过第二PIN二极管11123连接，第二分形贴片通过第二金属条带11124安装在顶部介质基片12上。
本实施例中，请参阅图4和图5所示，所述第一金属贴片包括顶层金属焊盘1121；所述第二金属贴片包括底层金属焊盘1122，本实施例优选焊盘尺寸0.8mm×0.8mm。；其中，所述顶层金属焊盘1121与所述底层金属焊盘1122连接，所述顶层金属焊盘1121与所述底层金属焊盘1122形成偏置电路112；顶层金属焊盘1121过渡到底层金属焊盘1122，底层金属焊盘1122从下至上由宽到窄再到宽过渡，金属焊盘用于与直流电源连接，靠近板子边缘的宽段正方形焊盘是直接与电源线连接，经过窄段贴片变换到的宽段焊盘与电感连接。由宽到窄再到宽过度的金属贴片，用于通直流、滤交流，实现交流信号和直流信号隔离的作用。
本实施例中，请参阅图3和图6所示，所述顶部介质基片12上开设有若干个第一定位孔；所述介质层32上开设有若干个第二定位孔；位置相匹配的所述第一定位孔内和所述第二定位孔内安装有同一个连接件，所述连接件可将所述顶部介质基片12与所述介质层32的相对位置固定。
本实施例中的一种基于亚波长分形超材料的频率可重构天线单元，可满足频率可重构相控阵天线低成本的应用需求。
本实施例中的天线单元的设计基于PCB工艺，有利于实现天线单元与相控阵TR组件的低损耗、高精度集成，且重复性好，适合大批量生产。
本实施例中的采用亚波长分形三角单元作为的谐振模式重构的基本辐射单元，利用开关切换高频和低频三角单元，可以控制天线辐射频率，具有大频分比的特点。
天线为亚波长超材料单元，天线尺寸均小于1个高频波长，本实例单元尺寸优选为12mm×18.6mm。以上述基本模块为基本单元，在垂直和水平方向可拓展，两个以上天线模块可组成二维大型天线阵。
本实例的天线设计频率在X/Ku波段，线单元进行全波仿真，得到天线的方向图如图7和图8所示，图7、图8的实线是指E面方向图，虚线是H面方向图。天线单元在低频仿分形超材料的频率可重构单元天线通过优化分形三角贴片的尺寸，天线在双频段范围内的回波损耗均优于-10dB。通过天真增益4.8dB,E面和H面波束宽度分别为76°和108°；天线单元在高频频仿真增益5.8dB,E面和H面波束宽度分别为82°和121°。在保证宽扫描角度和增益的前提下，可实现双频切换的工作模式，天线具有小型化紧凑的体积，可实现相控阵大规模二维组阵的需求。
基于同一发明构思，本实施了还提供了一种二维大型天线阵，包括并列连接的至少两个如上述的基于亚波长分形超材料的频率可重构天线单元。基于该分形超材料单元设计的天线模块，在垂直和水平方向可拓展，两个以上天线模块可组成更大口径的天线阵，可利用多模块组阵的方式实现和差波束的工作模式，且可解决大口径阵列天线的应用需求，可推广至其他毫米波频段甚至THz波段，适用于其他任意尺寸天线单元形式。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种基于亚波长分形超材料的频率可重构天线单元，其特征在于，包括：
空气层；
顶部辐射层，包括：
顶部介质基片；
第一金属贴片，安装于所述顶部介质基片的上表面；以及
第二金属贴片，安装于所述空气层与所述顶部介质基片之间；
金属地层，包括：
背面金属地；以及
介质层，安装于所述空气层与所述背面金属地之间。
2.如权利要求1所述的基于亚波长分形超材料的频率可重构天线单元，其特征在于，所述第一金属贴片包括第一分形贴片和顶层转接线，所述顶层转接线的一端与所述第一分形贴片连接；所述第二金属贴片包括第二分形贴片和底层转接线，所述底层转接线的一端与所述第二分形贴片连接；其中，所述顶层转接线的另一端与所述底层转接线的另一端连接，所述顶层转接线和所述底层转接线形成平衡双线垂直转接。
3.如权利要求2所述的基于亚波长分形超材料的频率可重构天线单元，其特征在于，所述顶部介质基片上开设有金属化通孔，所述顶层转接线或底层转接线贯穿所述金属化通孔。
4.如权利要求3述的基于亚波长分形超材料的频率可重构天线单元，其特征在于，所述顶层转接线包括第一连接贴片和圆形贴片，所述第一连接贴片和所述圆形贴片固定连接；所述底层连接线包括环形贴片和第二连接贴片，所述环形贴片与所述第二连接贴片固定连接；其中，所述圆形贴片的端部贯穿所述金属化通孔并且安装在所述环形贴片内。
5.如权利要求4所述的基于亚波长分形超材料的频率可重构天线单元，其特征在于，所述第二连接贴片的宽度自上而下逐渐增加。
6.如权利要求2所述的基于亚波长分形超材料的频率可重构天线单元，其特征在于，所述第一分形贴片包括第一高频三角贴片和第一低频三角贴片，所述第一高频三角贴片和所述第一低频三角贴片通过第一PIN二极管连接。
7.如权利要求2或6所述的基于亚波长分形超材料的频率可重构天线单元，其特征在于，所述第二分形贴片包括第二高频三角贴片和第二低频三角贴片，所述第二高频三角贴片和所述第二低频三角贴片通过第二PIN二极管连接。
8.如权利要求1或2所述的基于亚波长分形超材料的频率可重构天线单元，其特征在于，所述第一金属贴片包括顶层金属焊盘；所述第二金属贴片包括底层金属焊盘；其中，所述顶层金属焊盘与所述底层金属焊盘连接，所述顶层金属焊盘与所述底层金属焊盘形成偏置电路。
9.如权利要求1所述的基于亚波长分形超材料的频率可重构天线单元，其特征在于，所述顶部介质基片上开设有若干个第一定位孔；所述介质层上开设有若干个第二定位孔；位置相匹配的所述第一定位孔内和所述第二定位孔内安装有同一个连接件，所述连接件可将所述顶部介质基片与所述介质层的相对位置固定。
10.一种二维天线阵，其特征在于，包括并列连接的至少两个如权利要求1至9任一项中所述的基于亚波长分形超材料的频率可重构天线单元。
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