CN113809553B - 波导透射阵列天线及其制造方法 - Google Patents

波导透射阵列天线及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及通信领域，具体提供了一种波导透射阵列天线及其制造方法，该波导透射阵列天线包括：具有预设厚度的金属天线本体和设置在天线本体上多个矩孔单元形成的波导透射阵列；所述方法包括：根据预设波束和相位恢复算法计算波导透射阵列所需的理想相位图，根据理想相位分布图和入射波束的相位分布确定相位延迟图，预设波束包括单波束图样或多波束图样；获取预设的第一关系表和预设的第二关系表；根据相位延迟图、第一关系表和第二关系表，确定每个矩孔单元的目标矩孔边长；根据多个矩孔单元的目标矩孔边长，加工得到波导透射阵列天线。该天线使用单馈源，在太赫兹波段产生高增益的可选择偏振态的单波束图样或多波束图样。

Description

波导透射阵列天线及其制造方法
技术领域
本申请涉及通信领域，尤其涉及一种波导透射阵列天线及其制造方法。
背景技术
随着通信信息量的指数式上升，需要开发更高的通信频段来拓展带宽，如毫米波和太赫兹波(0.03mm～10mm)。以往常用的通信频段在空间的传播损耗可忽略不及，但对于毫米波和太赫兹波则是亟待解决的问题。为了在很长一段的传输距离内保持足够高的信号强度，对天线的增益有着更高的要求。其中，高增益的圆偏振多波束天线不仅能解决上述问题，还能够高效减少多径效应和多变的气候条件带来的误码干扰和极化不匹配的影响。
目前，MIMO技术是实现圆偏振多波束天线的常见方式，其原理是在多个端口选择性输入，利用波束扫描的方式实现多波束赋形。主动式调控固然可以有利于实现灵活的动态调控，但也会带来其他问题，如复杂的馈电网络和多端口输入很难避免路径损耗大，阻抗匹配度等问题，给天线的增益带来很大的限制。
因此，有必要提供一种单馈源、结构简单、偏振态可选择的天线及其制备方法，以解决上述问题。
发明内容
本申请提供了一种波导透射阵列天线的制造方法及其装置，旨在实现与单个线偏振馈源结合，并且能够产生可选择偏振态和多种波束图样的波导透射阵列天线。
第一方面，一种波导透射阵列天线的制造方法，该波导透射阵列天线包括：具有预设厚度的金属天线本体和设置在金属天线本体上多个矩孔单元形成的波导透射阵列；所述方法包括：
根据预设波束和相位恢复算法计算所述波导透射阵列所需的理想相位图，根据所述理想相位分布图和入射波束的相位分布确定相位延迟图，所述预设波束包括单波束图样或多波束图样；
获取预设的第一关系表和预设的第二关系表，其中，所述第一关系表是根据矩孔边长与相位延迟之间的关系得到的，所述第二关系表是根据矩孔边长与透过率之间的关系得到的；
根据所述相位延迟图、所述第一关系表和所述第二关系表，确定每个矩孔单元的目标矩孔边长；
根据多个所述矩孔单元的目标矩孔边长，在所述金属天线本体加工多个所述矩孔单元，得到波导透射阵列天线。
基于此，本申请实施例中的波导透射阵列天线通过控制入射波束的偏振方向实现偏振态选择，并在此基础上实现单波束图样和多波束图样输出。这样该波导透射阵列天线能够使用单个线偏振馈源作为波束输入源，在太赫兹波波段产生高增益可选择偏振态的信号输出。
第二方面，本申请还提供了一种波导透射阵列天线，该波导透射阵列天线能够产生高增益且可选择偏振态的单波束图样或多波束图样，包括：金属天线本体、波导透射阵列。
金属天线本体具有预设厚度，所述预设厚度与入射波的波长相关。
波导透射阵列设置在金属天线本体上，波导透射阵列包括多个矩孔单元，矩孔单元填充不同于所天线本体材质的介质。
其中，矩孔单元的边长由相位延迟图、第一关系表和第二关系表确定；所述相位延迟图由入射波束的相位分布、预设波束和预设的相位恢复算法确定；第一关系表和第二关系表由仿真软件扫描不同的矩孔边长得到的数据组成。
本申请公开了一种波导透射阵列天线及其制造方法，至少包括如下步骤：根据预设波束和相位恢复算法计算波导透射阵列所需的理想相位图，根据理想相位分布图和入射波束的相位分布确定相位延迟图，预设波束包括单波束图样或多波束图样；获取预设的第一关系表和预设的第二关系表，其中，所述第一关系表是根据矩孔边长与相位延迟之间的关系得到的，第二关系表是根据矩孔边长与透过率之间的关系得到的；根据相位延迟图、第一关系表和第二关系表，确定每个矩孔单元的目标矩孔边长；根据多个矩孔单元的目标矩孔边长，在金属天线本体加工多个矩孔单元，得到波导透射阵列天线。实现与单个线偏振馈源结合，并且能够产生可选择偏振态和多种波束图样的金属波导透射阵列天线。
附图说明：
为了更清楚地说明本申请实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请的实施例提供的一种波导透射阵列天线的制造方法的步骤示意流程图；
图2是本申请的实施例提供的一种喇叭源和准直透镜作为信号源的天线装置的结构示意图；
图3是本申请的实施例提供的一种喇叭源作为信号源的天线装置的结构示意图；
图4是本申请的实施例提供的一种波导透射阵列天线的结构示意图；
图5是本申请的实施例提供的一种矩孔单元的结构示意图；
图6是本申请的实施例提供的一种第一关系表示意图；
图7是本申请的实施例提供的一种第二关系表示意图；
图8是本申请的实施例提供的8个矩孔单元的波束相位延迟与矩孔单元边长的对应关系图；
图9是本申请的实施例提供的8个矩孔单元的波束透过率与矩孔单元边长的对应关系图；
图10是本申请的实施例提供的准直光源单波束天线的理想相位色差图；
图11是本申请的实施例提供的准直光源单波束天线的8阶相位延迟图；
图12是本申请的实施例提供的准直光源单波束天线与双凸透镜增益对比图；
图13是本申请的实施例提供的准直光源单波束天线的模拟效果图；
图14是本申请的实施例提供的准直光源单波束天线的归一化的三维辐射图；
图15是本申请的实施例提供的喇叭光源双波束天线的理想相位色差图；
图16是本申请的实施例提供的喇叭光源双波束天线的8阶相位延迟图；
图17是本申请的实施例提供的喇叭光源双波束天线的模拟效果图；
图18是本申请的实施例提供的喇叭光源双波束天线的归一化的三维辐射图；
图19是本申请的实施例提供的准直光源三波束天线的理想相位色差图；
图20是本申请的实施例提供的准直光源三波束天线的8阶相位延迟图；
图21是本申请的实施例提供的准直光源三波束天线的模拟效果图；
图22是本申请的实施例提供的准直光源三波束天线的归一化的三维辐射图；
图23是本申请的实施例提供的喇叭光源三波束天线的理想相位色差图；
图24是本申请的实施例提供的喇叭光源三波束天线的8阶相位延迟图；
图25是本申请的实施例提供的喇叭光源三波束天线的模拟效果图；
图26是本申请的实施例提供的喇叭光源三波束天线的归一化的三维辐射图。
主要部件标号及说明：
100、天线装置；10、波导透射阵列天线；11、金属天线本体；12、波导透射阵列；120、矩孔单元；101、入射面；102、出射面；
20、喇叭源；21、准直透镜；23、目标面。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
还应当理解，在此本申请说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本申请。如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
附图中所示的流程图仅是示例说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解、组合或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
本申请提供一种波导透射阵列天线10及其制造方法，波导透射阵列天线10在毫米波段和太赫兹波段通过单个线偏振源产生不同偏振态的单波束或多波束的高增益信号输出，无需外接复杂的馈电网络，避免了多源输入的信号源损失问题和阻抗匹配问题。
如图1所示，本申请提供了一种波导透射阵列天线10的制造方法，用该方法制造出来的波导透射阵列天线10包括：具有预设厚度的金属天线本体11和设置在金属天线本体11上多个矩孔单元120形成的波导透射阵列12；所述方法至少包括如下步骤：
S101、根据预设波束和相位恢复算法计算波导透射阵列12所需的理想相位图，根据所述理想相位分布图和入射波束的相位分布确定相位延迟图，所述预设波束包括单波束图样或多波束图样。
在一些实施例中，所述入射波束包括线偏振的平面波和球面波。提供入射波束的单个线偏振馈源包括：喇叭源或者喇叭源加准直透镜。
在设计预设波束的过程中，关键参数是波束主瓣的数量及其指向角
Figure BDA0003242338230000051
再计算相应的增益系数，以此获得预设波束。
在一些实施例中，通过调节入射波束的偏振方向与矩孔单元120的一个边长的夹角，改变入射波束在两个正交方向的振幅比例，以改变入射波束对应的出射波束的偏振状态，其中，所述偏振状态包括线偏振、圆偏振和椭圆偏振中的一种。
在一些实施例中，相位恢复算法包括解析计算方法和Gerchberg-Saxton相位恢复算法。在本申请的实施例中，主要通过Gerchberg-Saxton相位恢复算法进行计算，所述解析计算方法是常规的公式推算的计算方法。
在一些实施例中，根据预设波束和预设的相位恢复算法计算得到波导透射阵列12所需的理想相位图。理想相位图是经过理想相位色差图转换而来，理想相位的周期为[0，2π]，为了实物制造加工方便，可按照预设阶数对[0，2π]进行划分，例如按照8个阶数平分[0，2π]，从而得到8阶的理想相位图，在理想相位图中，每个数字对应1个相位区间。
示例性的，基于预设波束图形，在仿真软件COMSOL Multiphysics中使用单个线偏振馈源输入入射波束，结合Gerchberg-Saxton相位恢复算法得到波导透射阵列12的理想相位图。由于本申请采用单个馈源获得线偏振平面波，单元按照离散化相位分布进行排序满足所需的相位补偿，透射阵列便能生成对应的多波束图样。具体步骤如下：以图2和图4作为示例图形，基于预设波束，输入振幅相等、相位随机分布的入射波束，工作频率设计为97.2GHz的入射光源的偏振方向与矩孔单元120的第一边长(或第二边长)形成预设角度，例如，所述预设角度为45°。入射波束的电场分布为：
Figure BDA0003242338230000061
此时存在初始振幅E和初始相位
Figure BDA0003242338230000062
其中i为虚数单位。入射波束通过波导透射阵列12，在自由空间中发生衍射，利用傅里叶光路变换计算得到：C1*F(A)＝A1，其中C1为比例系数，得到出射波束在目标面23处产生电场分布为：
Figure BDA0003242338230000063
此时存在模拟振幅E1和模拟波束相位
Figure BDA0003242338230000064
将目标振幅K1代替模拟振幅E1，得到相位分布
Figure BDA0003242338230000065
根据光的可逆性原理，反向波束经目标面23按照出射光路反向传输至天线的出射面102，在自由空间中发生衍射，因为与原光路相反，使用逆傅里叶光路变换计算：C2*F-1(A2)＝A3，其中C2为比例系数，得到反射波束在在出射面102处产生的电场分布为：
Figure BDA0003242338230000066
此时存在模拟振幅F1和出射面相位
Figure BDA0003242338230000067
使用初始振幅E代替模拟振幅F1，得到电场分布为：
Figure BDA0003242338230000068
保留出射面相位
Figure BDA0003242338230000069
并将出射面相位
Figure BDA00032423382300000610
作为新的出射波束的相位进入迭代循环，直至出射面的相位
Figure BDA00032423382300000611
满足预设误差条件时，跳出迭代循环运算，得到每个矩孔单元120的优选的出射面相位
Figure BDA00032423382300000612
从而组成波导透射阵列12的理想相位分布图。
在一些实施例中，所述目标振幅包括第一目标振幅和第二目标振幅，所述第一目标振幅和第二目标振幅具有一定比例关系；在目标面23，预设图形对应的亮区的第一目标振幅为100W/m2，其他地方(暗区)的第二目标振幅为0W/m2。这样第一目标振幅无限大，亮区和暗区交界处的锐变程度很大，很容易产生相位奇点，影响迭代的结果。作为优化，如果亮区的第一目标振幅为100.1W/m2，而暗区的第二目标振幅为0.1W/m2，两者的差值保持为100W/m2，但是第一目标振幅和第二目标振幅的比值由无限大变为1000倍，能有效抑制相位奇点的产生，提升理想相位的准确率。
具体地，将波导透射阵列12的理想相位分布图和入射波束的相位分布进行作差计算得到波导透射阵列12所需的相位延迟图，该相位延迟图包括每个矩孔单元120对应的相位延迟，所述相位延迟包括第一边长的相位延迟和第二边长对应的相位延迟。
S102、获取预设的第一关系表和预设的第二关系表，其中，所述第一关系表是根据矩孔边长与相位延迟之间的关系得到的，所述第二关系表是根据矩孔边长与透过率之间的关系得到的。
根据波导理论，当矩形波导的矩孔边长在λ/2n和λ/n之间，n为金属孔中介质的折射率，入射波束的第二方向偏振分量可以激发出沿第二方向方向偏振的TE10模，然而入射波束的第一方向偏振分量可以激发出沿第一方向偏振的TE01模，这两种模的偏振态相互正交。
在一种可能实现的方式中，第一关系表用于表征矩孔单元120的边长与相位延迟之间映射关系，可通过COMSOL Multiphysics软件独立调整矩孔边长，扫描不同的矩孔边长得到的相位延迟数据，从而形成第一关系表。
在一些实施例中，第二关系表用于表征矩孔单元120的边长与透过率之间映射关系，可通过COMSOL Multiphysics软件独立调整矩孔边长，扫描不同的矩孔边长得到的透过率数据，从而形成第二关系表。
示例性的，为验证矩孔单元120的边长对波束的影响，使用COMSOL Multiphysics仿真软件设置1个铝制的矩孔波导单元，并将Floquet周期性边界条件用于铝制的矩孔波导单元的四个边，以模拟无限大的二维矩孔波导单元阵列。在COMSOL Multiphysics仿真软件中，改变铝制的矩孔波导单元的第一边长和第二边长，使用太赫兹波束扫描铝制的矩孔波导单元的边长，并通过origin画图软件整理数据，得到边长与相位延迟的第一关系表如图6所示，边长与透过率的第二关系表如图7所示。由于单元的对称性，入射波束沿第一方向偏振时，产生的相位延迟与矩孔单元120的两个侧边(第一边长，第二边长)的关系图与沿第二方向方向偏振时产生的关系图关于对角线对称，其透过率与矩孔两侧边(第一边长，第二边长)的关系图也关于对角线对称。由此可见，波导透射阵列12调制过程中产生的相位延迟的范围覆盖了0-360°，透过率大部分在85％以上。
S103、根据所述相位延迟图、所述第一关系表和所述第二关系表，确定每个矩孔单元120的目标矩孔边长。
在一些实施例中，所述根据相位延迟图、第一关系表和第二关系表，确定每个矩孔单元120的目标矩孔边长，包括：
根据相位延迟图得到每个矩孔单元120对应的相位延迟区间，所述相位延迟的周期为[0，2π]，所述相位延迟区间按照预设阶数对[0，2π]进行划分，根据每个矩孔单元120对应的相位延迟区间的中心处相位，并结合第一关系表、第二关系表可得到每个矩孔单元120的目标矩孔边长。
在一些实施例中，所述根据所述相位延迟图、第一关系表和所述第二关系表，确定每个矩孔单元120的目标矩孔边长，包括：
根据所述相位延迟图得到每个矩孔单元120对应的相位延迟区间，所述相位延迟的周期为[0，2π]，所述相位延迟区间按照预设阶数对[0，2π]进行划分；根据所述矩孔单元120对应的相位延迟区间和所述第一关系表确定矩孔单元120的边长的长度区间；根据矩孔单元120的边长的长度区间、所述第二关系表和预设透过率条件可得到矩孔单元120的目标矩孔边长。预设条件包括：1、所选取的边长的参考单元的第一边长和第二边长所对应的透过率不能小于预设值，例如该预设值可设置为90％，同时第一边长和第二边长所对应的透过率的平均值最大或者两者的差值最小。2、所选取的边长的参考单元的第一边长和第二边长所对应的透过率同时为区间内最大。
示例性的，根据相位延迟图、第一关系表、第二关系表选取8个符合预设条件的矩孔单元120作为8个相位延迟区间目标矩孔边长的参考单元。其中相邻相位延迟区间对应两个矩孔单元120的相位差为π/4，第一方向的偏振分量与第二方向的偏振分量的相位差被设计为π/2。根据每个矩孔单元120对应的相位延迟区间的中心处相位，并结合第一关系表、第二关系表可得到每个矩孔单元120的目标矩孔边长。
选择的8个矩孔单元120的尺寸为(第一边长，第二边长)＝(1.599,2.03),(1.635,2.231),(1.668,1.592),(1.725,1.625),(1.815,1.685),(1.93,1.75),(2.08,1.835)和(2.3mm,1.963mm)。图8和图9分别展示了上述8个矩孔单元120的相位延迟和透过率。在图8中，8个矩孔单元120的第二方向上偏振分量的相位延迟为斜实线上的方形点，第一方向上偏振分量的相位延迟为斜虚线上的圆点，第一方向上偏振分量与第二方向上偏振分量之间的相位延迟差为水平实线上的三角形点。在图9中，8个矩孔单元120的第二方向上偏振分量的透过率为实线上的方形点，第一方向上偏振分量的透过率为虚线上的圆点。
对同一偏振波，这8个矩孔单元120中相邻两个的相位差为π/4。每一矩孔单元120中，第一方向的偏振分量与第二方向的偏振分量的相位差被设计为π/2。工作频段设置为f＝97.2GHz，单元周期T设为2.5mm(≈0.81λ)，单元沿第三方向的厚度设为5mm(≈1.62λ)，λ为入射波束的在真空中的波长。因此，选出来的单元在两个正交分量的相位调节相位固定的情况下，可以通过调节入射波束偏振方向与矩孔单元120的第一边长和第二边长的夹角α，从而改变入射波束在两个正交方向的偏振分量的振幅比例，来实现不同的偏振态出射，包括线偏振，圆偏振和椭圆偏振。当α＝45°(/135°)，两个正交偏振分量的振幅比例相等，相位差为90°(/-90°)，则辐射波束左旋圆偏振波(/右旋圆偏振波)。当α＝0°(/90°)，波束沿第一方向(或第二方向)方向入射时，则辐射的波束为线偏振。当α为其他角度时，则辐射的波束为椭圆偏振。
S104、根据多个矩孔单元120的目标矩孔边长，在金属天线本体11加工多个矩孔单元120，得到波导透射阵列天线10。
示例性的，根据每个所述矩孔单元120的目标矩孔边长进行加工，得到波导透射阵列天线10。加工对象为金属天线本体11，金属天线本体11的材料包括:铜或铝，具体的加工方法包括：电火花线切割、激光切割、机床钻铣，经过加工后得到包含多个在第一方向和第二方向上具有周期性排列的矩孔单元120的波导透射阵列12，金属天线本体11、矩孔单元120和波导透射阵列12共同组成波导透射阵列天线10。
在一些实施例中，金属天线本体11还包括将介质加工成上述形状，然后在介质表面镀一层电磁波无法穿透的金属膜，从而等效实现上述波导透射阵列天线10。
在一些实施例中，将不同于金属天线本体11材质的介质填充矩孔单元120中，所述介质包括：空气。为了提高波束信号的调控能力，还可以在矩孔单元120中添加对所用电磁波透明的特殊介质，以实现更好的相位延迟调控。
在一些实施例中，金属天线本体11的预设厚度与入射波的波长相关，预设厚度的取值范围为λ-10λ，λ表示入射波的波长，入射波波长的取值范围0.03mm-10mm。
在一些实施例中，多个矩孔单元120呈周期性排列，且矩孔单元120之间对应的间距T为0.5λ/n～λ，λ表示入射波的波长，n表示金属孔中介质的折射率。
本申请还提供了一种波导透射阵列天线10，如图4所示，该波导透射阵列天线10能够与单个线偏振馈源结合，产生高增益且可选择偏振态的单波束图样或多波束图样，其结构包括：金属天线本体11、波导透射阵列12。
金属天线本体11具有预设厚度，预设厚度与入射波的波长相关；波导透射阵列12设置在金属天线本体11上，波导透射阵列12包括多个矩孔单元120，矩孔单元120填充不同于所述金属天线本体11的材质的介质。
其中，矩孔单元120的边长由所述相位延迟图、所述第一关系表和所述第二关系表确定；所述相位延迟图由入射波束的相位分布、预设波束和预设的相位恢复算法确定；所述第一关系表和所述第二关系表由仿真软件扫描不同的矩孔边长得到的数据组成。
在一些实施例中，多个矩孔单元120在呈周期性排列，且矩孔单元120之间在第一方向上和第二方向上对应的间距T为0.5λ～λ，λ表示入射波的波长，所述入射波的波长的取值范围为0.03mm-10mm。
在一些实施例中，金属天线本体11的预设厚度的取值范围为λ-10λ，λ表示入射波的波长。
在一些实施例中，波导透射阵列天线10的入射波由单个线偏振馈源提供，单个线偏振馈源包括喇叭源或者喇叭源和准直透镜，矩孔单元120在两个正交分量的相位调节相位固定的情况下，通过调节入射波束偏振方向与矩孔单元120的第一边长和第二边长的夹角，改变入射波束在两个正交方向的振幅比例，以改变入射波束对应出射波束的偏振状态，其中，所述偏振状态包括线偏振、圆偏振和椭圆偏振中的一种。
本申请实施例提供一种准直光源和单波束的天线装置100，其结构参考图2，入射波由单个线偏振馈源提供，所述单个线偏振馈源包括喇叭源20和准直透镜21，以包含349个矩孔单元120的波导透射阵列天线10调制入射波束，预设获得高增益单波束圆偏振出射波束图形。根据预设波束和相位恢复算法计算得到波导透射阵列12的理想相位色差图，该理想相位色差图如图10所示，将理想相位色差图按照8个阶数进行划分，并与入射波束的相位分布进行作差计算得到相位延迟图，该相位延迟图如图11所示，在相位延迟图中0位置处对应为金属部分，为不透电磁波部分。将基于图11计算得到的金属天线本体11重新投入模拟系统。如图12所示，使用10dBi喇叭天线与双凸透镜(透镜直径D＝56mm)组合产生的线偏振平面波，在远场处
Figure BDA0003242338230000101
的仿真增益为32dBi，而用波导透射阵列12代替双凸透镜用于准直球面波，双凸透镜准直的增益为虚线，准直光源单波束天线的增益为实线，得到的仿真增益仅低于前者2dB，为30dBi。模拟效果如图13所示，当α＝45°(/135°)，即入射波束相对于单元为45°线偏振态时，同一个波导透射阵列天线10将来自于喇叭天线的线偏振球面波转化为左旋(/右旋)圆偏振平面波，准直光源单波束天线的增益为实线，轴比为虚线，其增益(实线)和轴比(虚线)分别为30dBi和0.62dB。当α＝0°(/90°)，辐射的波束为线偏振态。当α为其他角度时，则辐射的波束为椭圆偏振态。该准直光源和单波束的天线装置100辐射的波束的归一化的三维辐射图样如图14所示。
本申请实施例提供一种喇叭光源和双波束的天线装置100，其结构参考图3，入射波由喇叭源20提供，以包含349个矩孔单元120的波导透射阵列天线10调制入射波束，预设获得高增益双波束圆偏振出射波束图形，双波束的主瓣指向
Figure BDA0003242338230000111
分别为
Figure BDA0003242338230000112
和(10°,90°)。根据预设波束和相位恢复算法计算得到波导透射阵列12的理想相位色差图，该理想相位色差图如图15所示，将理想相位色差图按照8个阶数进行划分，并与入射波束的相位分布进行作差计算得到相位延迟图，该相位延迟图如图16所示，在相位延迟图中0位置处对应为金属部分，为不透电磁波部分。将基于图16计算得到的金属天线本体11重新投入模拟系统，金属天线本体11的直径为56mm(≈18.2λ)，模拟效果如图17所示，喇叭光源双波束天线的增益为实线，轴比为虚线，天线装置100辐射的波束在yz平面上的主瓣同样指向为
Figure BDA0003242338230000113
和(10°,90°)波束的增益分别为25.3和24.1dBi，和轴比分别为2和2.3dB。该喇叭光源和双波束的天线装置100辐射的波束的归一化的三维辐射图样如图18所示。
本申请实施例提供一种准直光源和三波束的天线装置100，其结构参考图2，入射波由单个线偏振馈源提供，所述单个线偏振馈源包括喇叭源20和准直透镜21，以包含349个矩孔单元120的波导透射阵列天线10调制入射波束，预设获得高增益双波束圆偏振出射光图形，三波束的主瓣指向
Figure BDA0003242338230000114
分别为(-10°,90°)、(0°,90°)和(10°,90°)，根据预设波束和相位恢复算法计算得到波导透射阵列12的理想相位色差图，该理想相位色差图如图19所示，将理想相位色差图按照8个阶数进行划分，并与入射波束的相位分布进行作差计算得到相位延迟图，该相位延迟图如图20所示，在相位延迟图中0位置处对应为金属部分，为不透电磁波部分。将基于图20计算得到的天线本体重新投入模拟系统，模拟效果如图21所示，准直光源三波束天线的增益为实线，轴比为虚线，出射波束的三波束的主瓣指向
Figure BDA0003242338230000115
分别为(-10°,90°)、(0°,90°)和(10°,90°)在设定的工作频率下f＝97.2GHz，当α＝45°线偏振平面波入射时，增益分别为25.7，25.9和25.8dBi，轴比分别为1.02，1.51和1.86dB。同样，当α为其他角度时，可以获得不同的偏振态。准直光源和三波束的天线装置100辐射的波束的归一化的三维辐射图样如图22所示。
本申请实施例提供一种喇叭光源和三波束的天线装置100，其结构参考图3，入射波由喇叭源20提供，以包含349个矩孔单元120的波导透射阵列天线10调制入射波束，预设获得高增益三波束圆偏振出射波束图形，主瓣朝向为(θ，v)＝(-10°,90°)、(0°,90°)和(10°,90°)，根据预设波束和相位恢复算法计算得到波导透射阵列12的理想相位色差图，该理想相位色差图如图23所示，将理想相位色差图按照8个阶数进行划分，并与入射波束的相位分布进行作差计算得到相位延迟图，该相位延迟图如图24所示，在相位延迟图中0位置处对应为金属部分，为不透电磁波部分。将基于图24计算得到的金属天线本体11重新投入模拟系统，模拟效果如图25所示，喇叭光源三波束天线的增益为实线，轴比为虚线，主瓣朝向为(θ，φ)＝(-10°,90°)、(0°,90°)和(10°,90°)，其增益分别为23.4，24和23.5dBi,轴比分别为2.7，0.6和2dB，该方案增益和轴比的表现的略差于喇叭源和透镜组合的方案，是由于斜入射对两个正交分量的透过率有影响。该喇叭光源和三波束的天线装置100辐射的波束的归一化的三维辐射图样如图26所示。
上述实施例提供的波导透射天线的制造方法，至少包括：根据预设波束和相位恢复算法计算所述波导透射阵列所需的理想相位图，根据所述理想相位分布图和入射波束的相位分布确定相位延迟图，所述预设波束包括单波束图样或多波束图样；获取预设的第一关系表和预设的第二关系表，其中，所述第一关系表是根据矩孔边长与相位延迟之间的关系得到的，所述第二关系表是根据矩孔边长与透过率之间的关系得到的；根据所述相位延迟图、所述第一关系表和所述第二关系表，确定每个矩孔单元的目标矩孔边长；根据多个所述矩孔单元的目标矩孔边长，在所述金属天线本体加工多个所述矩孔单元，得到波导透射阵列天线。通过上述方法制造的波导透射阵列天线能够使用单个线偏振源在毫米波及太赫兹电磁波段可产生高增益可选择偏振态的多波束图样，比传统圆极化天线的内部结构更简单，无需复杂的馈电网络和多端口输入，实现了圆极化天线的高增益输出，实现了圆极化天线体积的小型化，从而更有利于圆极化天线的在太赫兹领域的推广使用。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种波导透射阵列天线的制造方法，其特征在于，所述波导透射阵列天线包括：具有预设厚度的金属天线本体和设置在所述金属天线本体上多个矩孔单元形成的波导透射阵列；所述方法包括：
根据预设波束和相位恢复算法计算所述波导透射阵列所需的理想相位图，根据所述理想相位分布图和入射波束的相位分布确定相位延迟图，所述预设波束包括单波束图样或多波束图样；
获取预设的第一关系表和预设的第二关系表，其中，所述第一关系表是根据矩孔边长与相位延迟之间的关系得到的，所述第二关系表是根据矩孔边长与透过率之间的关系得到的；
根据所述相位延迟图、所述第一关系表和所述第二关系表，确定每个所述矩孔单元的目标矩孔边长；
根据多个所述矩孔单元的目标矩孔边长，在所述金属天线本体加工多个所述矩孔单元，得到波导透射阵列天线。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设厚度与入射波的波长相关，所述预设厚度的取值范围为λ-10λ，λ表示入射波的波长。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述矩孔单元呈周期性排列，且所述矩孔单元之间对应的中心间距T为0.5λ/n~λ，λ表示入射波的波长，n表示金属孔中介质的折射率。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述矩孔单元的边长的取值范围为：λ/2n和λ/n之间，λ表示入射波的波长，n为金属孔中介质的折射率。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一关系表用于表征矩孔边长与相位延迟之间映射关系，所述第二关系表用于表征矩孔边长与透过率之间映射关系，所述第一关系表和所述第二关系表由仿真软件扫描不同的矩孔边长得到的数据组成。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述相位延迟图、所述第一关系表和所述第二关系表，确定每个矩孔单元的目标矩孔边长，包括：
根据所述相位延迟图得到每个所述矩孔单元对应的相位延迟区间，所述相位延迟的周期为[0，2π]，所述相位延迟区间按照预设阶数对[0，2π]进行划分；
根据所述矩孔单元对应的相位延迟区间的中心处相位，并结合所述第一关系表、所述第二关系表可得到所述矩孔单元的边长。
7.一种波导透射阵列天线，其特征在于，所述波导透射阵列天线能够产生高增益且可选择偏振态的单波束图样或多波束图样，包括：
金属天线本体，所述金属天线本体具有预设厚度，所述预设厚度与入射波束的波长相关；
波导透射阵列，所述波导透射阵列设置在所述金属天线本体上，所述波导透射阵列包括多个矩孔单元，所述矩孔单元填充不同于所述金属天线本体材质的介质；
其中，所述矩孔单元的边长由相位延迟图、第一关系表和第二关系表确定；所述相位延迟图为根据理想相位分布图和入射波束的相位分布确定的，所述理想相位分布图为根据预设波束和相位恢复算法确定的，所述预设波束包括单波束图样或多波束图样；所述第一关系表是根据矩孔边长与相位延迟之间的关系得到的，所述第二关系表是根据矩孔边长与透过率之间的关系得到的。
8.根据权利要求7所述的波导透射阵列天线，其特征在于，所述矩孔单元呈周期性排列，且所述矩孔单元之间对应的中心间距T为0.5λ/n~λ，λ表示入射波的波长，n表示金属孔中介质的折射率。
9.根据权利要求7所述的波导透射阵列天线，其特征在于，所述预设厚度的取值范围为λ-10λ，λ表示入射波的波长。
10.根据权利要求7所述的波导透射阵列天线，其特征在于，所述波导透射阵列天线的入射波束由单个线偏振馈源提供，所述单个线偏振馈源包括喇叭源或者喇叭源加准直透镜。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115136035B (zh) * 2022-05-17 2024-01-19 香港应用科技研究院有限公司 单纳米结构集成超镜头
CN115579619B (zh) * 2022-10-27 2023-06-27 珠海中科慧智科技有限公司 一种双频段高增益天线及其制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105870604A (zh) * 2016-04-15 2016-08-17 浙江科技学院 一种基于相位梯度超表面产生微波轨道角动量的阵列天线
CN109616773A (zh) * 2018-11-23 2019-04-12 南京理工大学 一种透射阵列
WO2021000705A1 (zh) * 2019-06-30 2021-01-07 Oppo广东移动通信有限公司 天线装置及电子设备
CN112234360A (zh) * 2020-09-17 2021-01-15 南京理工大学 端接滤波电路控制电特性的双极化透射表面及其设计方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109768389B (zh) * 2019-02-20 2021-01-22 清华大学 基于电磁表面技术的空间馈电式的高增益端射阵列天线

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105870604A (zh) * 2016-04-15 2016-08-17 浙江科技学院 一种基于相位梯度超表面产生微波轨道角动量的阵列天线
CN109616773A (zh) * 2018-11-23 2019-04-12 南京理工大学 一种透射阵列
WO2021000705A1 (zh) * 2019-06-30 2021-01-07 Oppo广东移动通信有限公司 天线装置及电子设备
CN112234360A (zh) * 2020-09-17 2021-01-15 南京理工大学 端接滤波电路控制电特性的双极化透射表面及其设计方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
3D-Printable Dielectric Transmitarray With Enhanced Bandwidth at Millimeter-Waves;Andrea Massaccesi 等;《IEEE Access》;20180813;全文 *
Metallic Waveguide Transmitarray Antennas for Generating Multibeams With High Gain and Optional Polarized States in the F-band;Jiaxuan Liang 等;《Journal of Lightwave Technology》;20210908;第39卷(第22期);全文 *
Transmitarray using perforated dielectric material for wideband applications;Zainud-Deen 等;《Progress In Electromagnetics Research M》;20130404;全文 *
基于双焦点设计的平面波束扫描透镜天线研究;王政等;《计算机测量与控制》;20191225(第12期);全文 *

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