CN113328258A - 一种复合超表面天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种复合超表面天线，由上往下依次设有第一基板、第二基板，所述第一基板上设有复合超表面结构，所述复合超表面结构融合菲涅尔波带透镜和法布里‑珀罗谐振腔，所述第二基板上设有初级馈源。现有的兼容Sub‑6GHz和毫米波频段的共享口径面天线都是通过阵列的方式来实现毫米波的高增益，但是阵列的馈电网络复杂，同时带来了额外的损耗，而且现有的设计在Sub‑6GHz取得高的增益很少。本发明通过将毫米波菲涅尔波带透镜与法布里‑珀罗腔天线结构相结合，有效地实现一种兼容Sub‑6GHz和毫米波频段的共享口径面天线，其结构简单且更易于加工，成本低廉。同时，毫米波频段和Sub‑6GHz频段同时取得高增益而且不需要馈电网络。

Description

一种复合超表面天线
[技术领域]
本发明涉及电子通信天线技术领域，具体涉及一种复合超表面天线。
[背景技术]
通信系统的发展正进入5G时代，为了克服带宽的限制，国际电信联盟已经为潜在的5G 通信及其他应用授权了几个毫米波频段，其中包括24.25-27.5GHz,37-40GHz，66-76GHz。在未来移动通信系统的架构里毫米波通信系统将起到非常重要的作用。但是毫米波频段通信的问题在于：1)波长短，路径损耗严重。同时毫米波处于大气吸收峰频段，进一步加剧了路径损耗。2)毫米波很难穿透固体障碍物，所以仅限于视距传播，对于存在遮挡的环境，毫米波传输质量差。为了解决这一难题，目前使用Sub-6 GHz频段和毫米波频段同时作为通信的媒质，其中Sub-6 GHz频段用于长距离，大范围的可靠通信媒质而毫米波频段用于高速率大容量的数据传输。
这一具体的应用场景要求天线可以同时覆盖毫米波和Sub-6 GHz频段。同时，由于考虑到毫米波的路径损耗，天线在毫米波频段必须同时具有高增益的特性。为此，兼容Sub-6 GHz 和毫米波频段的共享口径面天线是接收机前端的重要设备。
文献[1]中提出了一种Sub-6和毫米波共享口径面天线的设计，天线使用贴片天线作为 Sub-6 GHz的辐射单元，使用缝隙天线阵列作为毫米波辐射器，并与贴片共用辐射口径。全向天线虽然增益高，但是在毫米波频段天线阵列必须使用大规模的基于基片集成的馈电网络，使得加工复杂，同时多层的工艺使得加工成本很高。
文献[2]将平板波导的模式和法布里-珀罗谐振腔结合提出了一种大频率比共享口径面天线的设计。虽然共享口径面且不需要馈电网络，但是天线获得的增益很低。
[1]J.F.Zhang,Y.J.Cheng,Y.R.Ding,and C.X.Bai,“A dual-bandsharedaperture antenna with large frequency ratio,high aperture reuseefficiency,and high channel isolation,”IEEE Trans. Antennas Propag.,vol.67,no.2,pp.853-860,Feb.2019。
[2]L.Y.Feng and K.W.Leung,"Dual-Frequency Folded-Parallel-PlateAntenna With Large Frequency Ratio,"IEEE Trans.Antennas Propag,vol.64,no.1,pp.340-345,Jan.2016,doi: 10.1109/TAP.2015.2500607.
因此，需要设计一款能够满足实现兼容Sub-6 GHz和毫米波的大频率比共享口径面天线。
[发明内容]
本发明目的是提供一种新的复合超表面天线，以解决现有技术中存在的不足。
本发明的技术方案如下：
一种复合超表面天线，由上往下依次设有第一基板、第二基板，所述第一基板上设有复合超表面结构，所述复合超表面结构融合菲涅尔波带透镜和法布里-珀罗谐振腔，所述第二基板上设有初级馈源。
进一步地，所述初级馈源为兼容Sub-6 GHz和毫米波开口波导的双波段大频率比贴片天线。
进一步地，所述第二基板上还设有包括端口一和端口二，所述端口一为WR 34波导开口，所述端口二为同轴馈电贴片天线的同轴输入。
进一步地，所述菲涅尔波带透镜由6个同心环的双面周期贴片单元组成。
进一步地，所述法布里-珀罗谐振腔的反射面由栅格型周期贴片单元组成。
进一步地，在Sub-6 GHz波段，初级馈源辐射的电磁波在第一基板的法布里-珀罗谐振腔内部多次反射，每次反射都在出射方向上同相叠加。
进一步地，在毫米波段，电磁波从初级馈源辐射，再由菲涅尔波带透镜将球面波转成平面波。
进一步地，在Sub-6 GHz波段工作的法布里-珀罗天线和在毫米波段工作的菲涅尔波带透镜共享相同的孔径。
进一步地，还设有支撑柱，所述第一基板与第二基板通过支撑柱连接。
进一步地，所述第一基板、第二基板之间的距离为53mm。
本发明具有如下优点：
现有的兼容Sub-6 GHz和毫米波频段的共享口径面天线都是通过阵列的方式来实现毫米波的高增益，但是阵列的馈电网络复杂，同时带来了额外的损耗，而且现有的设计在Sub-6GHz 取得高的增益很少。
本发明通过将毫米波菲涅尔波带透镜与法布里-珀罗腔天线结构相结合，有效地实现一种兼容Sub-6 GHz和毫米波频段的共享口径面天线，其结构简单且更易于加工，成本低廉。同时，毫米波频段和Sub-6 GHz频段同时取得高增益而且不需要馈电网络。
[附图说明]
图1为本发明天线立体透视剖面图。
图2为本发明天线侧视图。
图3为本发明天线复合超表面兼容Sub-6 GHz和毫米波的高增益共享口径天线原理图。
图4为本发明天线初级馈源结构图。
图5为本发明天线第一基板及第二基板顶视图。
图6为本发明天线毫米波段菲涅尔波带透镜和法布里-珀罗的部分反射面融合的复合超表面。
图7为本发明天线复合超表面尺寸图及功能区域图。
图8为本发明带状金属偶极子结构和尺寸。
图9为本发明带状金属偶极子的透射和反射特性。
图10为本发明全金属贴片、金属栅格型贴片结构和尺寸。
图11为本发明全金属贴片的反射相位与幅度。
图12为本发明全金属贴片和金属栅格型贴片的反射相位与幅度对比
图13为本发明天线在3-GHz的辐射方向图。
图14为本发明天线在28-GHz的辐射方向图。
图15为本发明天线的增益。
1为第一基板、2为第二基板、3为支撑柱、4为复合超表面、401为带状金属偶极子、402为全金属贴片、403为金属栅格型贴片、404为无金属区域、5为Sub-6 GHz贴片天线、6 为WR34波导、7为Sub-6 GHz贴片天线的同轴输入、8为金属化通孔。
[具体实施方式]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“左”、“右”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制，若出现术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。为了使本发明实现的技术手段清晰明了，下面结合附图进一步阐述本发明。
实施例
如图1、图2所示，本发明实施例的复合超表面天线，由上往下依次设有第一基板1、第二基板2，还设有支撑柱3，所述第一基板1与第二基板2通过支撑柱3连接，本实施例中，所述第一基板、第二基板之间的距离为53mm。所述第一基板上设有复合超表面结构，所述第二基板上设有初级馈源。
本实施例的复合超表面融合了菲涅尔波带透镜和法布里-珀罗谐振腔结构。能够实现将工作在毫米波频段的菲涅尔波带透镜和工作在Sub-6 GHz频段的法布里-珀罗谐振腔的部分反射面融合。两个波段都能获得高增益同时不需要馈电网络，仅仅通过初级馈源即可实现，下面具体介绍其工作原理。
菲涅尔波带透镜的原理是用不同半径的金属环将反相位的电磁波反射，让同相位的电磁波穿过来实现高增益的波束。与传统的全金属菲涅尔波带透镜不同，如图8所示，本发明使用带状金属偶极子401结构来实现菲涅尔波带透镜，利用偶极子的半波谐振来实现与全金属类似的反射电磁波的效果。使用金属偶极子的结构好处在于其仅对于毫米波频段的电磁波起作用而对Sub-6 GHz的电磁波不起作用。因此Sub-6 GHz的电磁波可以不受遮挡地穿过菲涅尔波带透镜。
菲涅尔波带透镜同心环的半径由公式(1)可以计算得到：
Figure BDA0003101312160000041
其中Ri为第i个同心环的半径，f为焦距(53mm)，λ0为工作频段对应的波长。如图 6(a)所示，本发明使用6个同心环双面周期贴片单元组成来构建涅尔波带透镜，在其他的实施例中环数并不限于6个，可以更多，也可以取得更少。当环数更多的时，天线的增益可以进一步提升。因为毫米波菲涅尔波带透镜是由同心环构成的，所以本实施例中天线的口径面设计为圆形。但是其他形状，例如矩形形式的天线口径面也是完全可以的。
以下为带状金属偶极子401结构和尺寸如图8所示。
参数 h<sub>2</sub> l<sub>2</sub> w<sub>5</sub> P<sub>x2</sub> P<sub>y2</sub>
数值(mm) 1.524 3 1 5 5
由于半波长共振，带状金属偶极子401可以在毫米波频段反射x极化电磁波。同时，由于其长度远小于3GHz频段的波长，因此对3GHz电磁波是透明的，即3GHz电磁波通过带状金属偶极子401后，其传输幅度和传输相位都不发生变化。在ANSYS HFSS软件中使用周期边界条件获得带状金属偶极子的透射和反射特性，如图9所示，仿真结果表明，在正常入射波作用下，透射系数在26.8～30GHz频段小于-20db，说明带状金属偶极子401能有效地反射毫米波电磁波。同时，在3GHz频段，电磁波可以通过金属偶极子结构自由传播。图9还给出了不同斜入射角下金属偶极子结构的反射性能。当入射角达到40°时，透射系数依然可以保持在-8db以下。而在不同入射角下，3GHz处的透射系数基本保持在全透射的状态。
需要说明的是本实施例中法布里-珀罗谐振腔的部分反射面使用周期性的大小一致的栅格型贴片来实现。但是周期性的大小渐变形式的贴片也可以用来实现该部分反射面功能。本设计中使用长方形金属贴片，但是其他形式的贴片也能够实现，例如正方形，圆形等其他形式。
法布里-珀罗谐振腔的反射面由栅格型周期贴片单元组成，具体法布里-珀罗谐振腔的部分反射面使用金属栅格型贴片403来实现。因为贴片的谐振可以产生足够的反射电磁波来实现法布里-珀罗谐振腔。与传统的全金属型的贴片相比，使用金属栅格型贴片403的好处在于栅格型的结构对于毫米波频段的电磁波遮挡效果很小。因此毫米波频段的电磁波可以不受影响地穿过该金属栅格型贴片403组成的部分反射面。该部分反射面最初通过在Rogers 4003基板的表面上设计单层周期性全金属贴片来实现，相应的几何参数如图10所示。
参数 h1 l1 w1 w2 w3 Px Py Px1
数值(mm) 1.524 32 24 0.4 0.2 40 40 4
由于半波长共振，贴片将完全反射介电波长为贴片长度两倍的x极化电磁波。远离半波长谐振频率，反射幅度逐渐减小，利用这一点来实现部分反射面。在ANSYS HFSS软件中使用周期边界条件中获得单层周期全金属贴片的反射幅度和相位，如图11所示。贴片半波长谐振设计在5GHz处，在5GHz处反射幅值接近1。而到3GHz时，反射幅值减小到0.85左右，适合作为天线的部分反射面。考虑到工作在3GHz的周期性贴片与菲涅尔波带透镜天线共享口径面，全金属的贴片会阻碍毫米波频段的电磁波通过，从而破坏菲涅尔波带透镜天线的性能。为了避免这种情况，将全金属贴片升级为金属栅格型贴片403，如图10所示。使用金属栅格贴片403的优点是它可以让毫米波频段的电磁波通过，从而不影响菲涅尔波带透镜天线。同时，在3GHz时，金属栅格型贴片403反射性能与全金属反射性能相同。图12给出了全金属贴片和金属栅格型贴片在3-GHz频段的反射性能对比，可见反射幅度和相位几乎相同。因为反射是基于半波长共振的，所以3-GHz频段的反射幅度与相位只跟贴片长度(l1)有关，只要贴片长度不变，反射特性将不会改变。
周期性带状金属偶极子和周期性金属栅格型贴片的周期是确定的，所以他们的数量由天线的口径面大小决定，天线口径面越大，对应所需的数量越多。
综上，将上述毫米波菲涅尔波带透镜和法布里-珀罗谐振腔的部分反射面融合设计形成了一种复合型的超表面，结构如图6所示，其工作原理如图3所示，虚线部分为毫米波频段电磁波，基于菲涅尔波带透镜原理，实线部分为Sub-6 GHz频段的法布里-珀罗原理，在Sub-6 GHz波段，初级馈源辐射的电磁波在第一基板的法布里-珀罗谐振腔内部多次反射，每次反射都在出射方向上同相叠加。在毫米波段，电磁波从初级馈源辐射，再由菲涅尔波带透镜将球面波转成平面波。在Sub-6 GHz波段工作的法布里-珀罗天线和在毫米波段工作的菲涅尔波带透镜共享相同的孔径。
以下为复合超表面的尺寸参数：
参数 l<sub>1</sub> l<sub>2</sub> l<sub>3</sub> l<sub>4</sub> l<sub>5</sub>
数值(mm) 32 8 24 3 1
二者融合之后，如图7所示，在口径面上根据功能可以划分为4个不同的区域。区域1：同时反射Sub-6和毫米波频段的电磁波，使用全金属来实现，由整个天线的全金属贴片402 组成实现。区域2：反射Sub-6频段的电磁波而允许毫米波频段的电磁波通过，整个天线使用金属栅格型贴片403组成来实现。区域3：反射毫米波频段的电磁波而允许Sub-6GHz频段的电磁波通过，通过整个天线的金属偶极子401组成结构来实现。区域4：同时允许Sub-6频段和毫米波频段的电磁波通过，使用纯介质板无金属区域404来实现。通过这种设置，该复合超表面既能作为毫米波频段的菲涅尔波带透镜来提高毫米波频段天线的增益，也能作为Sub-6 GHz频段的法布里-珀罗谐振腔的部分反射面来提高Sub-6 GHz频段天线的增益，同时两个频段之间的干扰很小。
如图4、图5所示在馈电结构中，结合图1及图3，初级馈源为兼容Sub-6 GHz和毫米波开口波导的双波段大频率比贴片天线。通过WR34波导5开口或者称端口一，通过与WR34波导5直接连接，以及同轴馈电贴片天线的同轴馈电或者称端口二的Sub-6 GHz贴片天线的同轴输入7。形成了集成毫米波开口波导Sub-6GHz馈电天线6。
为了更好地展示效果，设计了同时工作在3-GHz和28-GHz两个频段的共享口径面天线，并进行了测试验证。天线辐射方向图如图13和14所示。天线的峰值增益如图15所示，天线峰值增益在3-GHz频段可以达到15dBi，在28-GHz频段可以达到20.8dBi。
本实施例提出的天线结构适用于sub-6和毫米波共享口径面通信应用中，但不仅限于 Sub-6/毫米波通信中。事实上，由于天线结构适用于大频率比双频通信，实施例中提出的原理也可应用于毫米波/太赫兹大频率比通信场景。
凡是属于本发明原理的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理的前提下进行的若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种复合超表面天线，其特征在于，由上往下依次设有第一基板、第二基板，所述第一基板上设有复合超表面结构，所述复合超表面结构融合菲涅尔波带透镜和法布里-珀罗谐振腔，所述第二基板上设有初级馈源。
2.根据权利要求1所述的一种复合超表面天线，其特征在于，所述初级馈源为兼容Sub-6GHz和毫米波开口波导的双波段大频率比贴片天线。
3.根据权利要求1所述的一种复合超表面天线，其特征在于，所述第二基板上还设有包括端口一和端口二，所述端口一为WR 34波导开口，所述端口二为同轴馈电贴片天线的同轴输入。
4.根据权利要求1所述的一种复合超表面天线，其特征在于，所述菲涅尔波带透镜由6个同心环的双面周期贴片单元组成。
5.根据权利要求1所述的一种复合超表面天线，其特征在于，所述法布里-珀罗谐振腔的反射面由栅格型周期贴片单元组成。
6.根据权利要求1所述的一种复合超表面天线，其特征在于，在Sub-6 GHz波段，初级馈源辐射的电磁波在第一基板的法布里-珀罗谐振腔内部多次反射，每次反射都在出射方向上同相叠加。
7.根据权利要求1所述的一种复合超表面天线，其特征在于，在毫米波段，电磁波从初级馈源辐射，再由菲涅尔波带透镜将球面波转成平面波。
8.根据权利要求1所述的一种复合超表面天线，其特征在于，在Sub-6 GHz波段工作的法布里-珀罗天线和在毫米波段工作的菲涅尔波带透镜共享相同的孔径。
9.根据权利要求1所述的一种复合超表面天线，其特征在于，还设有支撑柱，所述第一基板与第二基板通过支撑柱连接。
10.根据权利要求1所述的一种复合超表面天线，其特征在于，所述第一基板、第二基板之间的距离为53mm。
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