CN113506988B - 基于单元波束异构的毫米波宽角扫描相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供的非倾斜波束平面口径列阵元，包括上层基板，上层基板上设置有辐射结构，辐射结构包括金属背腔、拓扑结构金属贴片、第一寄生贴片和调谐缝隙；金属地板，所述金属地板位于上层基板的底面，所述金属地板上开设有耦合缝隙；中层基板，中层基板位于金属地板下方；以及底层基板，所述底层基板的底面上设置有与所述耦合缝隙组成馈电结构的微带线，且所述微带线上靠近耦合缝隙的一侧设置有调谐枝节。还提供有倾斜波束平面口径列阵元以及由非倾斜波束平面口径列阵元和倾斜波束平面口径列阵元组成相控阵天线。通过引入具有不同方向图的单元，组成阵列，使各个阵元具有不同方向图，为相控阵提供更大的设计自由度，从而实现更优异的扫描性能。

Description

基于单元波束异构的毫米波宽角扫描相控阵天线

技术领域

本发明属于雷达及通信领域，涉及一种具备宽角扫描能力的相控阵天线，尤其涉及基于单元波束异构的毫米波宽角扫描相控阵天线。

背景技术

5G技术的快速发展，使得毫米波相控阵天线备受关注。为克服毫米波频段的超高路径损耗问题以及实现空间全覆盖，5G毫米波频段主要采用大规模MIMO以及波束赋形技术。其中，宽角扫描相控阵天线是波束赋形的关键，其性能的好坏对于毫米波系统而言至关重要。

现有宽角扫描相控阵技术的研究，大部分采用了展宽阵元波束、提高阵元间隔离度、方向图可重构技术等方式来实现。Ji Y等在《Reconfigurable Phased-Array AntennaUsing Continuously Tunable Substrate Integrated Waveguide Phase Shifter[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2019,67(11):6894-6908》中提出了一种可重构相控阵天线，其中包含连续可调的SIW移相器。通过采用多谐振孔耦合方案，天线单元实现了宽带特性和理想的辐射性能。SIW移相器设计为易于与天线集成，可提供较大的相位变化范围。最终，天线单元组成1×4的阵列后，可实现的阻抗带宽为16.1％，波束扫描角度最大可达±45°，SLL低于-12dB，增益高达11dBi。当扫描角度最大时，相比于天线增益最大辐射方向，增益扫描下降4dB，性能较为优良。尽管该方案中的移相器具有较好的性能，但是天线阵列扫描角度过小，且大角度扫描时增益下降严重，无法满足更宽角度的扫描需求。Zhao Z等在《Microstrip Phased Array Antenna With Small Element Space for5G Millimeter-Wave Applications[C].2020IEEE 3rd International Conference onElectronic Information and Communication Technology(ICEICT).IEEE,2020》中提出了一种紧凑型双层广角扫描1×4微带贴片阵列，工作频率为28GHz。贴片周围加载了带容性金属化过孔，以减小天线单元的尺寸，并起到了展宽波束宽度的作用。阵元间距仅为0.34λ0(@28GHz)，U形去耦结构被引入到相邻的之间天线单元间以减少相互耦合。最终实现天线主波束可以在27.55-28.59GHz的频带内从-50°到+50°进行扫描，增益波动小于3dB，适用于广角扫描应用。但该方案虽然实现了较宽的扫描角度及较好的增益平坦度，但其天线带宽过窄，无法满足毫米波宽带的应用需求。

在现有方案中，大多相控阵扫描天线都基于相同的单元以及馈电进行设计，阵列的设计自由度低且实现的天线扫描角度都较窄，无法满足宽角扫描应用。

发明内容

为了解决现有技术中相控阵扫描天线由于单元相同而导致相控阵的设计自由度受限，扫描波束范围受限等问题，本发明提供基于单元波束异构的毫米波宽角扫描相控阵天线。

本发明提供的基于单元波束异构的毫米波宽角扫描相控阵天线，包括多个具有不同方向图的列阵元，其中，通过对列阵元的波束的倾角进行调节以获得不同方向图。

进一步地，多个所述列阵元中包括至少一个非倾斜波束平面口径列阵元和至少一个倾斜波束平面口径列阵元，所述非倾斜波束平面口径列阵元的波束不倾斜，所述倾斜波束平面口径列阵元的波束具有倾角。

进一步地，所述非倾斜波束平面口径列阵元，包括：

上层基板，所述上层基板上设置有辐射结构，所述辐射结构包括金属背腔、拓扑结构金属贴片、第一寄生贴片和调谐缝隙，所述金属背腔包括金属条带和接地的金属化过孔，所述拓扑结构金属贴片包括多个依次相连的金属贴片，调谐缝隙开设在上层基板上；

金属地板，所述金属地板位于上层基板的底面，所述金属地板上开设有耦合缝隙；

中层基板，所述中层基板位于金属地板下方；以及

底层基板，所述底层基板的底面上设置有与所述耦合缝隙组成馈电结构的微带线，且所述微带线上靠近耦合缝隙的一侧设置有调谐枝节；

其中，所述倾斜波束平面口径列阵元的结构是在所述非倾斜波束平面口径列阵结构的基础上，还包括附加口径辐射结构，所述附加口径辐射结构包括多个第二寄生贴片，设置在所述上层基板长度方向上的任意一侧，且通过改变第二寄生贴片的尺寸及个数来调节波束倾斜的大小。

进一步地，调谐缝隙开设在上层基板上且位于拓扑结构金属贴片内。

进一步地，微带线的接口处设置有焊盘。

进一步地，多个第二寄生贴片用于控制口径场分布，产生相位滞后。

进一步地，当附加口径辐射结构位于所述上层基板长度方向上的其中一侧时，波束向左倾斜，当附加口径辐射结构位于所述上层基板长度方向上的另外一侧时，波束向右倾斜。

进一步地，每个所述列阵元均为由微带缝隙耦合馈电的微带贴片天线，其中，通过对某至少一个微带贴片天线上的贴片进行折叠以得到倾斜的口径面。

进一步地，将所述列阵元倾斜以得到倾斜的口径面，所述倾斜的角度可调。

进一步地，每个所述列阵元为由同轴中心馈电的基片集成波导缝隙阵。与现有技术相比，本发明能够实现的有益效果至少如下：

1、本发明提出了一种新的扫描相控阵，通过引入具有不同方向图的单元，组成阵列，即“异构相控阵”。为得到不同的列阵元方向图，本发明采用基于多个具有不同波束倾角的列阵元类型组成相控阵。在此基础上，基于电磁场叠加原理研究了宽角扫描异构相控阵方向图优化综合方法，通过优化列阵元激励幅度相位，利用各列阵元方向图不同带来的自由度，实现波束扫描性能地进一步提升。

2、在横向平面上，平面口径列阵元的波束可根据需要可被设计成具有不同倾角。本发明采用了行波激励辐射方案，以正色散模式传播的行波沿传播方向会产生相位滞后，如果行波在传播过程中辐射，那么辐射波束就会朝向行波的传播方向。根据这一原理，通过在基本的平面口径列阵元结构上横向口径上引入梯度相位分布，在列阵元一侧增加“附加口径辐射结构”，让表面波行波由列阵元“流向”附加口径辐射结构并同时辐射，就可实现产生倾角可控波束。

附图说明

图1是本发明实施例提供的列阵元异构示意图，其中，图(a)是列阵元结构异构的示意图，图(b)是列阵元布局异构的示意图，图(c)是列阵元结构/布局混合异构示意图。

图2是本发明实施例提供的非倾斜波束平面口径列阵元结构分解示意图。

图3是本发明实施例提供的非倾斜波束平面口径列阵元的俯视图。

图4是本发明实施例提供的非倾斜波束平面口径列阵元侧视的结构分解示意图。

图5是本发明实施例提供的非倾斜波束平面口径列阵元中底层基板的结构示意图。

图6是本发明实施例提供的倾斜波束平面口径列阵元的结构示意图。

图7是本发明实施例提供的倾斜波束平面口径列阵元的结构示意图，附加口径辐射结构与图6所示的位于不同一侧。

图8是本发明实施例提供的倾斜波束平面口径列阵元的向左倾斜的方向图。

图9是本发明实施例提供的倾斜波束平面口径列阵元的向右倾斜的方向图。

图10是本发明实施例中非倾斜波束平面口径列单元反射系数的示意图。

图11是本发明实施例中非倾斜波束平面口径列单元实际增益示意图。

图12是本发明实施例中非倾斜波束平面口径列单元在29.5GHz的方向图。

图13是本发明实施例中非倾斜波束平面口径列单元的天线效率示意图。

图14是本发明实施例中基于阵元结构异构的毫米波宽角扫描异构阵示意图。

图15是本发明实施例中阵元结构异构的相控阵天线的反射系数示意图。

图16是本发明实施例中阵元结构异构的相控阵天线的增益示意图。

图17是本发明实施例中阵元结构异构的相控阵天线的天线效率示意图。

图18是本发明实施例中阵元结构异构的相控阵天线在29.5GHz的扫描性能示意图。

图19是本发明实施例中阵元结构异构的相控阵天线的各频点的扫描性能示意图。

图20是1×4同构阵控阵天线示意图。

图21是基于阵元布局异构的毫米波宽角扫描异构阵的结构示意图，其中，图(a)是俯视图，图(b)是侧视图。

图22是基于阵元结构/布局混合异构的毫米波宽角扫描异构阵的结构示意图。

图23是基于阵元结构/布局混合异构的毫米波宽角扫描异构阵的扫描性能示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本发明的发明思路是，传统扫描相控阵由结构相同且位置并行的多个阵元构成，其各个阵元的方向图都一样，为了与提出的“异构相控阵”区分，可将其称为“同构相控阵”。同构相控阵利用方向图乘积原理分析，通过对列阵元激励相位和幅度的控制，使特定方向远区矢量场叠加或抵消，实现波束扫描或赋形。受分析方法限制，该方案要求所有阵元相同且位置规则，实际限制了实现波束扫描的设计自由度，从而限制了给定体积内扫描阵所能达到的最优性能。

针对毫米波一维扫描相控阵存在的瓶颈与挑战，本发明提出如下提升相控阵扫描性能的思想。在阵列架构方面，提出一种新的扫描相控阵，通过引入具有不同方向图的单元，组成阵列，即“异构相控阵”。异构相控阵实现提升扫描性能的本质是，利用异构产生的阵元方向图多样性提供的自由度。为得到不同的列阵元方向图，本发明可以采用基于多个具有不同波束倾角的列阵元类型组成相控阵；倾斜波束的思想是产生相位滞后，因此以下提出了三种波束倾斜思路，基于同一个列阵元类型，通过对列阵元结构改变(即附加口径辐射结构中第二寄生贴片(13)的尺寸及个数的不同)和结构倾斜设计组成相控阵；基于不同列阵元类型，同时通过对列阵元的结构改变和结构倾斜设计组成相控阵。因此，异构相控阵有三种可能的组阵方案，分别是阵元结构异构、阵元布局异构、阵元结构/布局混合异构。

本发明实施例采用4元阵列实现的三种方案如图1所示。可以理解的是，4元阵列只是本发明实施例中的具体举例，在其他实施例中，也可以根据需要将列阵元设置成其他数量。

其中，如图1(a)方案中，阵列两边的两个列阵元与中间的列阵元在一个平面上，设置有附加口径辐射结构的列阵元结构关于扫描面非中心对称，从而行波在传播过程中会产生相位滞后，由此实现单元波束倾角可控。其中，波束倾角的大小由附加口径辐射结构中第二寄生贴片的尺寸及个数决定。如图1(b)和(c)所示方案中，阵列两边的两个列阵元通过列阵元结构的倾斜，得到一个倾斜的口径面，这样也能产生相位滞后，从而实现波束倾角可控。其中，波束倾角的大小通过改变列阵元结构的倾斜程度来实现。

为研究异构相控阵的性能，先从小阵元数阵列入手，例如4元阵。建立异构相控阵天线，通过电磁仿真得到每个列阵元独立激励时的方向图。给出期望的波束指向后由相控阵的基本工作原理计算出每个列阵元的激励相位，以此为初值，通过数值优化每个列阵元的激励幅度相位，得到最优的扫描性能。

一、基于列阵元结构异构的毫米波宽角扫描异构阵

1、列阵元的实现

(1)非倾斜波束平面口径列阵元的实现

针对毫米波异构相控阵对列阵元的全新需求，本发明利用介质板上定向传输的表面行波沿一个维度展开天线物理口径，产生均匀口径辐射场，实现宽带、高增益、低损耗的平面口径列阵元。基于该基本原理，首先设计支持表面波定向传播的传输结构，根据表面波传播模式设计相应激励结构。表面波沿传输结构传播，并在其上方形成口径场。不同表面波模式所形成的口径场极化方向可不同，且口径场分布按波长尺度将会呈现周期变化。根据口径场分布情况，在口径上放置拓扑结构的贴片，来实现对口径分布电场的调控，由此得到在扫描面宽波束、非扫描面高增益的方向图。

非倾斜波束平面口径列阵元如图2至图5所示，天线为三层PCB结构，其中上层基板1用于设计天线的辐射结构，底层基板8为天线的馈电部分，而中层基板7则是粘合层，用于黏合上层基板1和底层基板8。天线的辐射部分包括金属背腔2、拓扑结构金属贴片3、第一寄生贴片12、调谐缝隙4以及金属地板5，其中：拓扑结构金属贴片3和金属地板5分别印制在上层基板1的两面，金属背腔2金属条带和接地的金属化过孔组成。天线的辐射部分由微带线和耦合缝隙所组成的馈电结构来进行激励，耦合缝隙6位于金属地板5的中心，微带线9印制在底层基板8的底面。为了实现天线的阻抗匹配，在微带线接近耦合缝隙6的一端加载有一个调谐枝节10。在最终的设计中，为了方便测试，微带线9的接口处设置有焊盘11，用于连接测试接头。

非倾斜波束平面口径列阵元中，几个尺寸不同的贴片相连而成拓扑结构金属贴片3，在拓扑结构金属贴片3周围加载金属背腔2，背腔内为低损耗介质层，表面波在拓扑结构金属贴片3中沿纵向传播。通过在拓扑结构金属贴片3中间底部的金属地板5上开一个耦合缝隙6并用一开路微带馈线9去激励，可将微带线上能量耦合到拓扑结构金属贴片3上。在拓扑结构金属贴片3中间开缝，从而可以尽量减小扫描面的尺寸；通过延长非扫描面的个数及尺寸，加载拓扑结构第一寄生贴片12，控制扫描面和非扫描面的口径场分布，使得扫描面的口径分布越不均匀，非扫描面的口径分布越均匀，从而实现波束赋形。与传统的平面口径天线相比，在极小的口径上实现了波束赋形，在实现高增益的情况下仍然适用于作为毫米波相控阵的阵元。

(2)倾斜波束平面口径列阵元的实现

为满足异构阵对列阵元的特殊要求，倾斜波束平面口径的列阵元结构如图6和图7所示。在非倾斜波束平面口径列阵元的基础上，在上层基板1上增加附加口径辐射结构，所述附加口径辐射结构包括一排第二寄生贴片13，第二寄生贴片13设置在上层基板1长度方向上的两侧中的任一侧，分别实现了向左倾斜的方向图和向右倾斜的方向图，如图8和图9所示。

对于图2中行波激励的天线结构，以正色散模式传播的行波沿传播方向会产生相位滞后，如果行波在传播过程中辐射，那么辐射波束就会朝向行波的传播方向。根据这一原理，基于原本的平面口径列阵元结构，在列阵元一侧增加“附加口径辐射结构”，让表面波行波由列阵元“流向”附加口径辐射结构并同时辐射，就可实现产生倾角可控波束，由附加口径辐射结构来控制倾角的大小，在此实施例中是通过改变第二寄生贴片13的尺寸及个数来控制波束倾斜的大小。

倾斜波束平面口径列阵元的实现思路是产生相位滞后。由于高频波长短，微调附加口径辐射结构的尺寸及个数，即可使高频发生偏移，而低频波长长，需要改变更大的量来使低频发生偏移。但这可能导致高频偏移过大，失去提升扫描性能的作用。因此，倾角的大小需要结合阵列合成的整体波束综合考虑。

本发明已对提出的非倾斜波束平面口径列阵元进行了初步仿真验证，设计了工作于24.25-29.5GHz的列阵元，实现带内阻抗匹配、高且稳定的增益。当天线尺寸为0.7×3.453×0.097λ³(波长对应30GHz)，天线仿真效果如图10-13所示，产生横向宽波束、纵向窄波束方向图，带内增益保持在10dBi以上。

由图10可知，天线的阻抗带宽覆盖了24.25GHz-29.5GHz，其相对带宽超过20％。图11为非倾斜波束平面口径列单元的实际增益，从仿真结果可以看到在24.25GHz-29.5GHz频带范围内增益都保持在10dBi以上，最高增益可达11.25dBi。图12为工作在29.5GHz的E面和H面的辐射方向图，其E面的3dB波束宽度为-53deg-49.6deg。H面的主瓣和副瓣相差大于7dB。往低频波束宽度越宽，29.5GHz时波束宽度最窄。图13给出了非倾斜波束平面口径列单元在整个工作频段内的天线效率，可以看到在整个频段内的效率大于82％。仿真结果表明所提出设计思路和方法有效。

同样，本发明对提出的倾斜波束平面口径列单元进行了初步仿真验证，以非倾斜波束平面口径列单元为基础，同样实现了覆盖24.25GHz-29.5GHz，带内增益保持在10dBi以上。天线工作在27GHz时波束倾斜角度大约为10°。因各频点的波长不同，因此各频点的波束倾斜角度略有差异。

2、列阵元结构异构的毫米波宽角扫描异构阵

本发明中，相控阵天线包括多个具有不同方向图的列阵元，其中，通过对列阵元的波束的倾角进行调节以获得不同方向图，多个所述列阵元中包括至少一个非倾斜波束平面口径列阵元和至少一个倾斜波束平面口径列阵元，所述非倾斜波束平面口径列阵元的波束不倾斜，所述倾斜波束平面口径列阵元的波束具有倾角。

针对上述所提到的非倾斜波束平面口径列阵元和倾斜波束平面口径列阵元进行组阵，在本发明其中一个实施例中，设计了工作于24.25-29.5GHz的1×4的相控阵天线，请参阅如图1(a)、图14，提供了一个由4个列阵元组成的相控阵天线，包括位于两侧的方向图向左倾斜的倾斜波束平面口径列阵元(图中的附图标记为14)、方向图向右倾斜的倾斜波束平面口径列阵元(图中的附图标记为16)和两个位于中间的非倾斜波束平面口径列阵元(图中的附图标记为15)。其中，方向图向左倾斜的波束平面口径列阵元14中的附加口径辐射结构位于上层基板1长度方向上的左侧，方向图向右倾斜的倾斜波束平面口径列阵元16中的附加口径辐射结构位于上层基板1长度方向上的右侧。

通过引入波束向左倾斜的倾斜波束平面口径列阵元及波束向右倾斜的倾斜波束平面口径列阵元，使得阵列整体波束宽度得到展宽，由于高频倾斜角度更大，因此对改善高频的扫描性能更为明显，很好地解决了传统相控阵越往高频扫描性能越差的技术难题。

图15-19给出了前述4元阵列组成的相控阵天线的整体性能。由图15可知，天线的阻抗带宽覆盖了24.25GHz-29.5GHz毫米波频段，其相对带宽超过20％。图16为天线的实际增益，实现了带内阻抗匹配、高且稳定的增益。带内增益保持在15dBi以上，最高增益可达15.3dBi。图17给出了天线在整个工作频段内的天线效率，可以看到在整个频段内的效率大于82％。图18为工作在29.5GHz异构阵列的扫描性能，增益下降3dB，扫描角为±62.24°，主副瓣相差3dB的最大扫描角为72°，增益下降5dB。图19所示，整个频段内增益下降3dB扫描角都大于60°，最大可以扫到63°。

为方便对比，下面给出1×4同构阵进行对比，结构如图20所示，由四个非倾斜波束平面口径列阵元15组成同构相控阵。同构相控阵同样覆盖了24.25GHz-29.5GHz的带宽，带内增益保持在15dBi以上，可实现最大扫描角为58°，增益下降3dB；55°扫描覆盖25GHz-28.5GHz，高频29.5GHz只能扫到51°。仿真发现，越往高频，扫描角较小。与之前的异构阵相比较，同构阵高频扫描性能较差。因此，验证了单元波束异构思想的作用。

三、基于阵元布局异构的毫米波宽角扫描异构阵

本发明所提出的思想不只局限于上述所提到的平面口径天线，对其他类型的天线同样适用。针对图1(b)的方案提出了一种由同轴中心馈电的基片集成波导(SIW)缝隙阵，具体实施例结构如图21所示，通过直接把列阵元进行倾斜，从而得到一个倾斜的口径面，由此组阵实现阵元布局异构，从而实现波束倾角可控。在本发明其中一个实施例中，阵间距的取值范围为0.453-0.5，λ为波长。阵间距对阵列的波束宽度也有影响，从而影响扫描性能。一般阵间距越小阵列波束宽度越宽，但阵间距过小会导致单元之间的强互耦，因此在设计时需要综合考虑。本发明通过调整列阵元倾斜角度的大小(θ)及阵间距，由此来提升阵列整体的扫描性能。

由表1可知，在阵元间距为半个工作波长(18.75mm)的情况下，随倾斜角(θ)从0到50，E面最大扫描角从54.2°逐渐提高到了64.6°，最大提升幅度可达19.1％，代价是最大扫描角下的主瓣增益降低了0.66dBi。在不同的阵元间距下也都能得到类似的结论。可以看出，异构相控阵天线相对于传统同构相控阵天线，扫描性能有了很大提升。

表1性能总结

四、基于阵元结构/布局混合异构的毫米波宽角扫描异构阵

针对图1(c)的方案提出了一种由微带缝隙耦合馈电的微带贴片天线，具体实施例结构如图22所示，阵列中间两个列阵元32采用传统的微带贴片天线，通过一分二，二分四的微带缝隙耦合进行馈电。阵列两边的两个列阵元(定义为第一列阵元31和第二列阵元33)由平面的传统贴片变成阶梯型贴片，多层的贴片通过金属化过孔相连，从而实现贴片的折叠。本发明所提出的折叠贴片，等效于直接把传统贴片进行倾斜，从而得到一个倾斜的口径面，由此组阵实现阵列布局异构，从而实现波束倾角可控，倾角的大小由折叠贴片的尺寸控制。在此基础上，改变列第一列阵元31和第二列阵元33的位置，由原来的中心缝隙馈电变成偏馈，从而实现阵元结构/布局混合异构。图23给出了在中心频点27.5GHz时的扫描性能，增益下降3dB，扫描角为±65°。仿真结果表明，在整个工作频带内扫描角都大于60°，最大可达75°。与传统贴片天线相比，极大提升了扫描性能。

上述三种方案通过不同的列阵元结构都验证了“异构相控阵”思想的可行性，相对于传统同构相控阵，提供了更大的设计自由度，实现了更优异的扫描性能。

本发明实施例提供的相控阵天线具备以下优点：

1、为宽角扫描相控阵设计提供了更大的自由度。提出一种新的扫描相控阵，通过引入具有不同方向图的单元，组成阵列，即“异构相控阵”。通过阵元波束异构，使各个阵元具有不同方向图，为相控阵提供更大的设计自由度，从而实现更优异的扫描性能。本发明虽然以一维异构相控阵的研究和验证为主，但相关理论与方法也可扩展至二维异构相控阵。

2、实现了单元波束的倾斜。在列阵元方面，本发明提出波束倾角可设计的宽带、高增益、低损耗的平面口径列阵元，通过在列阵元横向口径上引入梯度相位分布实现波束倾角控制。

本发明实施例提供的相控阵天线具备以下关键点和欲保护点：

1、“异构相控阵”的思想

具体的，本发明提出了一种新的提升相控阵扫描性能的思想。在阵列架构方面，提出一种新的扫描相控阵，通过引入具有不同方向图的单元，组成阵列，即“异构相控阵”。异构相控阵实现提升扫描性能的本质是，利用异构产生的阵元方向图多样性提供的自由度。为得到不同的列阵元方向图，本发明可以采用基于多个具有不同波束倾角的列阵元类型组成相控阵；基于同一个列阵元类型，通过对列阵元的结构改变和结构倾斜设计组成相控阵；基于不同列阵元类型，同时通过对列阵元的结构改变和结构倾斜设计组成相控阵。因此，异构相控阵有三种可能的组阵方案，分别是阵元结构异构、阵元布局异构、阵元结构/布局混合异构。

2、单元波束异构的实现方式

为满足异构阵对列阵元的特殊要求，在其横向平面上，平面口径列阵元的波束根据需要可被设计成具有不同倾角。本发明采用了行波激励辐射方案，以正色散模式传播的行波沿传播方向会产生相位滞后，如果行波在传播过程中辐射，那么辐射波束就会朝向行波的传播方向。根据这一原理，通过在基本的平面口径列阵元结构上横向口径上引入梯度相位分布，在列阵元一侧增加“附加口径辐射结构”，让表面波行波由列阵元“流向”附加口径辐射结构并同时辐射，从而实现产生倾角可控波束。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本发明中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本发明所示的这些实施例，而是要符合与本发明所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.基于单元波束异构的毫米波宽角扫描相控阵天线，其特征在于，包括多个具有不同方向图的列阵元，其中，通过对列阵元的波束的倾角进行调节以获得不同方向图；多个所述列阵元中包括至少一个非倾斜波束平面口径列阵元和至少一个倾斜波束平面口径列阵元，所述非倾斜波束平面口径列阵元的波束不倾斜，所述倾斜波束平面口径列阵元的波束具有倾角；所述非倾斜波束平面口径列阵元，包括：

上层基板（1），所述上层基板（1）上设置有辐射结构，所述辐射结构包括金属背腔（2）、拓扑结构金属贴片（3）、第一寄生贴片（12）和调谐缝隙（4），所述金属背腔（2）包括金属条带和接地的金属化过孔，所述拓扑结构金属贴片（3）包括多个依次相连的金属贴片，调谐缝隙（4）开设在上层基板（1）上；

金属地板（5），所述金属地板（5）位于上层基板（1）的底面，所述金属地板（5）上开设有耦合缝隙（6）；

中层基板（7），所述中层基板（7）位于金属地板（5）下方；以及

底层基板（8），所述底层基板（8）的底面上设置有与所述耦合缝隙（6）组成馈电结构的微带线（9），且所述微带线（9）上靠近耦合缝隙（6）的一侧设置有调谐枝节（10）；

其中，所述倾斜波束平面口径列阵元的结构是在所述非倾斜波束平面口径列阵元的结构的基础上，还包括附加口径辐射结构，所述附加口径辐射结构包括多个第二寄生贴片（13），设置在所述上层基板（1）长度方向上的任意一侧，且通过改变第二寄生贴片（13）的尺寸及个数来调节波束倾斜的大小。

2.根据权利要求1所述的基于单元波束异构的毫米波宽角扫描相控阵天线，调谐缝隙（4）开设在上层基板（1）上且位于拓扑结构金属贴片（3）内。

3.根据权利要求1所述的基于单元波束异构的毫米波宽角扫描相控阵天线，其特征在于，微带线（9）的接口处设置有焊盘（11）。

4.根据权利要求1所述的基于单元波束异构的毫米波宽角扫描相控阵天线，其特征在于，多个第二寄生贴片（13）用于控制口径场分布，产生相位滞后。

5.根据权利要求1-4任一所述的基于单元波束异构的毫米波宽角扫描相控阵天线，其特征在于，当附加口径辐射结构位于所述上层基板（1）长度方向上的其中一侧时，波束向左倾斜，当附加口径辐射结构位于所述上层基板（1）长度方向上的另外一侧时，波束向右倾斜。

6.根据权利要求1所述的基于单元波束异构的毫米波宽角扫描相控阵天线，其特征在于，每个所述列阵元均为由微带缝隙耦合馈电的微带贴片天线，其中，通过对至少一个微带贴片天线上的贴片进行折叠以得到倾斜的口径面。

7.根据权利要求1所述的基于单元波束异构的毫米波宽角扫描相控阵天线，其特征在于，将所述列阵元倾斜以得到倾斜的口径面，所述倾斜的角度可调。

8.根据权利要求7所述的基于单元波束异构的毫米波宽角扫描相控阵天线，其特征在于，每个所述列阵元为由同轴中心馈电的基片集成波导缝隙阵。

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