CN113097745A - 一种用于一维大角度扫描的宽波束寄生像素层天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于一维大角度扫描的宽波束寄生像素层天线，属于5G频段移动通信技术领域。包括圆柱形金属支撑柱、矩形贴片驱动层、像素贴片辐射层以及等幅反向差分馈电层。本发明使用特征模分析，通过分析方形贴片驱动层及寄生像素层在远场的特性，设计并优化对称的像素层结构，结合差分馈电网络，实现了方向图对称的宽波束天线单元，在H面3dB波束宽度可以达到204°；且由于该天线辐射特性，寄生像素贴片层位于方形贴片驱动层的强耦合区域内，天线整体剖面高度较低，小于0.2λ，组成的一维1×4天线阵列，天线阵列在H面扫描角度为‑85°‑87°，具有设计过程简便、结构简单、剖面高度较低、成本低、扫描范围宽且对称等优点。

Description

一种用于一维大角度扫描的宽波束寄生像素层天线
技术领域
本发明属于5G频段移动通信技术领域，尤其涉及一种用于一维大角度扫描的宽波束寄生像素层天线。
背景技术
宽角扫描天线阵列在雷达、卫星、5G通信等各个领域具有重要的意义，天线远场方向图等于元因子和阵因子的乘积，因此，设计宽波束天线单元对宽角扫描阵列具有重要意义。目前天线展宽波束的的方法主要有：
(1)方向图可重构技术构建联合宽波束
文献“Research on a millimeter-wave phased array with wide-anglescanning performance”设计了一个工作在毫米波段含方向图可重构的子阵，子阵构成的相控阵3dB波束覆盖范围达到±75°,但该方案工作机制复杂，成本较高。
(2)使用三维地结构
文献“Beamwidth Enhancement of A Circularly Polarized MicrostripAntenna Mounted on A Three-Dimensional Ground Structure”将微带天线地板用三层由上至下尺寸逐渐增大的三维金属结构代替，天线的辐射波束变宽，3dB波瓣宽度可达110°左右，这类方法所设计的天线结构工作原理简单，但是天线结构复杂、尺寸较大。
(3)多种天线形式组合
该方法是利用两种或多种天线进行组合，使组合后的天线结构具有宽波束特性。文献“A Circularly Polarized Antenna with Wide Axial Ratio Beamwidth”中，将蝶形贴片和电偶极子组合，使天线辐射的3dB波瓣宽度达到120o以上，但同样该类型天线结构复杂，同时波束宽度不够宽导致扫描能力受限，实际应用中比较少。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种用于一维大角度扫描的宽波束寄生像素层天线，实现了H面波束宽度达到204°，其方向图对称，该天线结构简单，整体剖面较低，组成的一维1×4天线阵列具有-85°-87°的大角度扫描能力。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
本方案提供一种用于一维大角度扫描的宽波束寄生像素层天线，包括圆柱形金属支撑柱、矩形贴片驱动层、像素贴片辐射层以及等幅反向差分馈电层；
所述等幅反向差分馈电层、矩形贴片驱动层以及像素贴片辐射层从下至上依次放置；所述等幅反向差分馈电层位于所述矩形贴片驱动层的下方，并与所述矩形贴片驱动层共地，所述像素贴片辐射层通过所述圆柱形金属支撑柱支撑在所述矩形贴片驱动层的上方，所述矩形贴片驱动层与所述像素贴片辐射层之间为空气层，且所述像素贴片辐射层位于所述矩形贴片驱动层的强耦合区域内。
本发明的有益效果是：本发明结合特征模分析，通过分析方形贴片驱动层及寄生像素层在远场的特性，设计并优化对称的像素层结构，结合差分馈电网络，实现了方向图对称的宽波束天线单元，在H面3dB波束宽度可以达到204°；且由于该天线辐射特性，寄生像素贴片层位于方形贴片驱动层的强耦合区域内(第一介质基板与第二介质基板相距0.1λ，λ为天线在自由空间中的工作波长)，天线整体剖面高度较低，小于0.2λ，上述天线组成的一维1×4天线阵列，单元间距小于0.42λ，天线阵列在H面扫描角度为-85°-87°，具有设计过程简便、结构简单、剖面高度较低、成本低、扫描范围宽且对称等优点。
进一步地，所述矩形贴片驱动层采用方形贴片作为辐射元进行辐射；
所述矩形贴片驱动层包括第一介质基板、金属反射地板以及方形金属贴片，所述金属反射地板位于所述第一介质基板的下表面，所述方形金属贴片位于所述第一介质基板的上表面；所述方形金属贴片为边长为L1的方形微带贴片。
上述进一步方案的有益效果是：本发明中贴片驱动层为天线远场方向图的低仰角区域提供增益，同时将能量耦合到像素贴片辐射层。
再进一步地，所述像素贴片辐射层包括第二介质基板、16个边长为L2的方形像素贴片以及20个长为L3、宽为W3的矩形像素连接贴片；所述像素贴片以及像素连接贴片均位于所述第二介质基板的上表面，且所述方形像素贴片和矩形像素连接贴片为排列组合。
上述进一步方案的有益效果是：本发明中像素贴片辐射层为天线远场方向图的高仰角区域提供增益。
再进一步地，所述方形金属贴片通过将像素贴片辐射阵列放在矩形贴片阵列的强耦合区域内，为像素贴片辐射阵列提供耦合能量；
所述方形金属贴片通过特征模分析为远场方向图在低俯仰角区域提供增益。
上述进一步方案的有益效果是：即便天线为双层介质天线，但为使上层像素层获得足够的耦合能量，两层介质之间的距离小于0.15λ，天线整体剖面高度也较低。
再进一步地，所述等幅反向差分馈电层包括第三介质基板、隔离电阻、等幅反相威尔金森微带功分器、两个金属探针以及微带转同轴结构；
所述第三介质基板的上表面紧靠所述金属反射地板的下表面，所述等幅反相威尔金森微带功分器以及隔离电阻均位于所述第三介质基板的下表面，所述两个金属探针的上端穿过所述第三介质基板、金属反射地板以及第一介质基板与所述方形金属贴片焊接，所述两个金属探针的下端与所述等幅反相威尔金森微带功分器焊接，且所述两个金属探针关于所述方形金属贴片对称设置，所述等幅反相威尔金森微带功分器的两个输出端通过所述两个金属探针与所述方形金属贴片连接。
上述进一步方案的有益效果是：通过差分馈电网络使天线的方向图对称。
再进一步地，所述两个金属探针的间距为0.07λ。
再进一步地，所述圆柱形金属支撑柱连接所述第一介质基板和第二介质基板，用于支撑所述矩形贴片驱动层与所述像素贴片辐射层。
再进一步地，所述圆柱形金属支撑柱的直径D为0.1λ-0.2λ。
再进一步地，所述金属反射地板、第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板均是边长L的正方形，其边长L为2.0λ～2.3λ；所述第一介质基板的厚度T1为0.07λ～0.08λ；所述第二介质基板的厚度T2为0.002λ～0.003λ，所述第三介质基板的厚度T3为0.04λ～0.005λ；所述第一介质基板和第二介质基板的距离为0.1λ。
再进一步地，所述用于一维大角度扫描的宽波束寄生像素层天线的宽角扫描阵列为直线阵列，所述直线阵列的单元间距小于0.45λ。
上述进一步方案的有益效果是：将上述天线组成1×4阵列，具有大角度扫描的特性，在H面扫描角度为-85°-87°。
附图说明
图1为本发明所述寄生像素层天线的结构示意图。
图2为本发明所述差分馈电层结构示意图。
图3为本发明所述一维1×4天线阵列。
图4为本实施例中所述天线端口反射系数随频率变化的曲线。
图5为实施例所述天线工作在5.78GHz时的二维方向图。
图6为本实施例中一维1×4天线阵列4个天线单元端口反射系数随频率变化的曲线图。
图7为本实施一维1×4天线阵列在H面的扫描方向图。
其中，1-圆柱形金属支撑柱，2-矩形贴片驱动层，201-第一介质基板，202-金属反射地板，203-方形金属贴片，3-像素贴片辐射层，301-第二介质基板，302-方形像素贴片，303-像素连接贴片，4-等幅反向差分馈电层，401-第三介质基板，402-隔离电阻，403-等幅反相威尔金森微带功分器，404-金属探针，405-微带转同轴结构。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
本发明是结合特征模理论，对寄生像素层天线的物理特性进行分析，通过对寄生像素层的电磁特性的分析和对天线结构的优化，实现宽波束天线单元。特征模理论可以在没有任何激励源的情况下，清晰地分析出天线结构完整的电磁特性，该理论是将被分析天线的表面电流分解为一系列正交的模式电流，并且模式电流所产生的远场也相互正交。在没有任何激励源的条件下，对固定的天线结构进行特征模分析，可以得到被分析天线的模式电流分布、模式电流形成远场方向图，以及通过模式跟踪算法确定的模式显著性(ModalSignificance，简称MS)、特征值(Characteristic Value)、特征角(CharacteristicAngle)等特征模指标。将以上指标进行综合分析与判断，能够在没有任何馈电结构或者激励源的前提下，对被设计天线的谐振频率、阻抗带宽、主模、远场方向图等进行初步的预判和评估，从而减少了天线设计盲目性，并指导优化天线结构达到目标寄生像素层天线是一种多层介质微带贴片天线，当贴片小于0.01λ时可称之为像素贴片。通过激励下层贴片，电流通过耦合辐射到上层像素层，天线的谐振和远场特性由上下两层共同决定。特征模分析能够清晰的展现每层贴片的特征电流以及所对应的特征远场方向图，通过合理的设计上层寄生像素层及下层驱动天线。为使天线单元方向图对称且为了可以通过改变馈电位置而轻易的改变极化形式，将像素层设计成对称的形式，同时采用差分馈电可以使天线方向图更对称。
如图1所示，本发明提供了一种用于一维大角度扫描的宽波束寄生像素层天线，包括圆柱形金属支撑柱1、矩形贴片驱动层2、像素贴片辐射层3以及等幅反向差分馈电层4；等幅反向差分馈电层4、矩形贴片驱动层2以及像素贴片辐射层3从下至上依次放置；等幅反向差分馈电层4位于矩形贴片驱动层2的下方，并与矩形贴片驱动层2共地，像素贴片辐射层3通过圆柱形金属支撑柱1支撑在矩形贴片驱动层2的上方，矩形贴片驱动层2与像素贴片辐射层3之间为空气层，且像素贴片辐射层3位于矩形贴片驱动层2的强耦合区域内。
本实施例中，矩形贴片驱动层2采用方形贴片作为辐射元进行辐射；矩形贴片驱动层2包括第一介质基板201、金属反射地板202以及方形金属贴片203，金属反射地板202位于第一介质基板201的下表面，方形金属贴片203位于第一介质基板201的上表面；方形金属贴片203为边长为L1的方形微带贴片。
本实施例中，像素贴片辐射层3包括第二介质基板301、16个边长为L2的方形像素贴片302以及20个长为L3、宽为W3的矩形像素连接贴片303；像素贴片302以及像素连接贴片303均位于第二介质基板301的上表面，且方形像素贴片302和矩形像素连接贴片303为排列组合。
本实施例中，像素贴片辐射层3通过特征模分析，主要是为远场方向图在高俯仰角的区域提供增益。
本实施例中，方形金属贴片203通过将像素贴片辐射阵列302放在矩形贴片阵列的强耦合区域内，为像素贴片辐射阵列302提供耦合能量；方形金属贴片203通过特征模分析为远场方向图在低俯仰角区域提供增益。
本实施例中，方形金属贴片203有两方面的作用，其一，通过将像素贴片辐射阵列放在矩形贴片阵列的强耦合区域内，为像素贴片辐射阵列302提供耦合能量，其二，参与辐射，通过特征模分析，主要是为远场方向图在低俯仰角的区域提供增益。
本实施例中，如图2所示，等幅反向差分馈电层4包括第三介质基板401、隔离电阻402、等幅反相威尔金森微带功分器403、两个金属探针404以及微带转同轴结构405；第三介质基板401的上表面紧靠金属反射地板202的下表面，等幅反相威尔金森微带功分器403以及隔离电阻402均位于第三介质基板401的下表面，两个金属探针404的上端穿过第三介质基板401、金属反射地板202以及第一介质基板201与方形金属贴片203焊接，两个金属探针404的下端与等幅反相威尔金森微带功分器403焊接，且两个金属探针404关于方形金属贴片203对称设置，等幅反相威尔金森微带功分器403的两个输出端通过两个金属探针404与方形金属贴片203连接，是用差分馈电的形式为方形贴片驱动层提供能量。
本实施例中，两个金属探针404的间距为0.07λ，其中，λ为天线在自由空间中的工作波长。
本实施例中，圆柱形金属支撑柱1连接第一介质基板201和第二介质基板301，用于支撑矩形贴片驱动层2与像素贴片辐射层3。圆柱形金属支撑柱1的直径D为0.1λ-0.2λ。
本实施例中，金属反射地板202、第一介质基板201、第二介质基板301和第三介质基板401均是边长L的正方形，其边长L为2.0λ～2.3λ；第一介质基板201的厚度T1为0.07λ～0.08λ；第二介质基板301的厚度T2为0.002λ～0.003λ，第三介质基板401的厚度T3为0.04λ～0.005λ；第一介质基板201和第二介质基板301的距离为0.1λ。
本实施例中，实施例所述天线的端口反射系数如图4所示，带宽为5720GHz～5820GHz，中心频点端口反射系数小于-20dB，在5800MHz时的二维远场方向图如图5所示。
本实施例中，用于一维大角度扫描的宽波束寄生像素层天线的宽角扫描阵列为直线阵列，所述直线阵列的单元间距小于0.45λ。
本实施例中，将上述天线组成1×4阵列，如图3所示，单元间距为0.4λ-0.5λ，天线单元的端口反射系数如图6所示，阵列具有大角度扫描的特性，在H面扫描角度为-85°-87°，扫描结果如图7所示。
本实施例中，在完全不改变天线结构及方形像素贴片302和像素连接贴片303排列的基础上，将所述等幅反向威尔金森功分器403和两根金属探针404旋转90°，即可实现E面的大角度扫描；更特殊的，由于像素贴片辐射层设计的优越性，将所述等幅反向威尔金森功分器403和两根金属探针404旋转45°，天线在XOZ面及YOZ面同时具有宽波束性能，组成的二维阵列可以同时实现两个面上的大角度扫描；更特殊的，在上述金属探针404旋转45°的基础上，在垂直位置上增加一对金属探针并构建相应等幅反相威尔金森微带功分器403，可构成双线极化形式，该形式也可用于组成双线极化的宽角扫描阵列。以上几种形式均包含在本发明范围拓展以内。
本发明中，通过特征模分析确定底层驱动天线层为远场方向图的低仰角区域提供增益，合理优化的像素辐射层为天线的高仰角区域提供增益，同时设计对称的像素天线辐射层和驱动天线层，并设计差分馈电网络，形成了远场方向图3dB波束宽度宽其对称的天线单元，组成的一维1×4阵列具有大角度扫描的能力。

Claims (10)

1.一种用于一维大角度扫描的宽波束寄生像素层天线，其特征在于，包括圆柱形金属支撑柱(1)、矩形贴片驱动层(2)、像素贴片辐射层(3)以及等幅反向差分馈电层(4)；
所述等幅反向差分馈电层(4)、矩形贴片驱动层(2)以及像素贴片辐射层(3)从下至上依次放置；所述等幅反向差分馈电层(4)位于所述矩形贴片驱动层(2)的下方，并与所述矩形贴片驱动层(2)共地，所述像素贴片辐射层(3)通过所述圆柱形金属支撑柱(1)支撑在所述矩形贴片驱动层(2)的上方，所述矩形贴片驱动层(2)与所述像素贴片辐射层(3)之间为空气层，且所述像素贴片辐射层(3)位于所述矩形贴片驱动层(2)的强耦合区域内。
2.根据权利要求1所述的用于一维大角度扫描的宽波束寄生像素层天线，其特征在于，所述矩形贴片驱动层(2)采用方形贴片作为辐射元进行辐射；
所述矩形贴片驱动层(2)包括第一介质基板(201)、金属反射地板(202)以及方形金属贴片(203)，所述金属反射地板(202)位于所述第一介质基板(201)的下表面，所述方形金属贴片(203)位于所述第一介质基板(201)的上表面；所述方形金属贴片(203)为边长为L1的方形微带贴片。
3.根据权利要求2所述的用于一维大角度扫描的宽波束寄生像素层天线，其特征在于，所述像素贴片辐射层(3)包括第二介质基板(301)、16个边长为L2的方形像素贴片(302)以及20个长为L3、宽为W3的矩形像素连接贴片(303)；所述像素贴片(302)以及像素连接贴片(303)均位于所述第二介质基板(301)的上表面，且所述方形像素贴片(302)和矩形像素连接贴片(303)为排列组合。
4.根据权利要求3所述的用于一维大角度扫描的宽波束寄生像素层天线，其特征在于，所述方形金属贴片(203)通过将像素贴片辐射阵列(302)放在矩形贴片阵列的强耦合区域内，为像素贴片辐射阵列(302)提供耦合能量；
所述方形金属贴片(203)通过特征模分析为远场方向图在低俯仰角区域提供增益。
5.根据权利要求4所述的用于一维大角度扫描的宽波束寄生像素层天线，其特征在于，所述等幅反向差分馈电层(4)包括第三介质基板(401)、隔离电阻(402)、等幅反相威尔金森微带功分器(403)、两个金属探针(404)以及微带转同轴结构(405)；
所述第三介质基板(401)的上表面紧靠所述金属反射地板(202)的下表面，所述等幅反相威尔金森微带功分器(403)以及隔离电阻(402)均位于所述第三介质基板(401)的下表面，所述两个金属探针(404)的上端穿过所述第三介质基板(401)、金属反射地板(202)以及第一介质基板(201)与所述方形金属贴片(203)焊接，所述两个金属探针(404)的下端与所述等幅反相威尔金森微带功分器(403)焊接，且所述两个金属探针(404)关于所述方形金属贴片(203)对称设置，所述等幅反相威尔金森微带功分器(403)的两个输出端通过所述两个金属探针(404)与所述方形金属贴片(203)连接。
6.根据权利要求5所述的用于一维大角度扫描的宽波束寄生像素层天线，其特征在于，所述两个金属探针(404)的间距为0.07λ，其中，λ为天线在自由空间中的工作波长。
7.根据权利要求6所述的用于一维大角度扫描的宽波束寄生像素层天线，其特征在于，所述圆柱形金属支撑柱(1)连接所述第一介质基板(201)和第二介质基板(301)，用于支撑所述矩形贴片驱动层(2)与所述像素贴片辐射层(3)。
8.根据权利要求7所述的用于一维大角度扫描的宽波束寄生像素层天线，其特征在于，所述圆柱形金属支撑柱(1)的直径D为0.1λ-0.2λ。
9.根据权利要求8所述的用于一维大角度扫描的宽波束寄生像素层天线，其特征在于，所述金属反射地板(202)、第一介质基板(201)、第二介质基板(301)和第三介质基板(401)均是边长L的正方形，其边长L为2.0λ～2.3λ；所述第一介质基板(201)的厚度T1为0.07λ～0.08λ；所述第二介质基板(301)的厚度T2为0.002λ～0.003λ，所述第三介质基板(401)的厚度T3为0.04λ～0.005λ；所述第一介质基板(201)和第二介质基板(301)的距离为0.1λ。
10.根据权利要求1-9中任一所述的用于一维大角度扫描的宽波束寄生像素层天线，其特征在于，所述用于一维大角度扫描的宽波束寄生像素层天线的宽角扫描阵列为直线阵列，所述直线阵列的单元间距小于0.45λ。
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