CN114361783B - 一种透镜加载的宽角波束扫描透射阵列天线 - Google Patents

一种透镜加载的宽角波束扫描透射阵列天线 Download PDF

Info

Publication number
CN114361783B
CN114361783B CN202210033971.0A CN202210033971A CN114361783B CN 114361783 B CN114361783 B CN 114361783B CN 202210033971 A CN202210033971 A CN 202210033971A CN 114361783 B CN114361783 B CN 114361783B
Authority
CN
China
Prior art keywords
antenna
lens
array
loaded
beam scanning
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210033971.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114361783A (zh
Inventor
胡伟
董名洋
汤灏
姜文
魏昆
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xidian University
Original Assignee
Xidian University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xidian University filed Critical Xidian University
Priority to CN202210033971.0A priority Critical patent/CN114361783B/zh
Publication of CN114361783A publication Critical patent/CN114361783A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114361783B publication Critical patent/CN114361783B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/50—Structural association of antennas with earthing switches, lead-in devices or lightning protectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/02—Waveguide horns
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/06—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using refracting or diffracting devices, e.g. lens
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

Abstract

本发明公开了一种透镜加载的宽角波束扫描透射阵列天线，包括透射阵列和馈源天线；透射阵列由若干透射单元呈周期性分布构成的阵列；透射单元包括一组下层接收微带天线、中间地板、一个透镜加载的可重构波束的上层发射微带天线和一根金属柱；金属柱连接下层接收微带天线和上层发射微带天线；馈源天线向透射阵列发射球面电磁波由下层微带天线接收，透镜加载的可重构波束的发射微带天线辐射出去，通过改变发射微带天线的相位形成波束扫描。本发明的透镜加载的低成本宽角波束扫描透射阵列天线所用移相器少，波束覆盖区域广，适用于多个目标区域的覆盖以及目标跟踪。

Description

一种透镜加载的宽角波束扫描透射阵列天线
技术领域
本发明涉及无线通信领域中的天线设计技术，特别涉及一种透镜加载的低成本宽角波束扫描透射阵列天线。
背景技术
在卫星通信、航空航天和雷达探测等领域中，为了应对通信距离远、空间环境相对复杂等问题，需要使用定向性良好的高增益天线。较为常见的高增益天线有相控阵天线、抛物面天线、透镜天线、反射阵列天线和透射阵列天线。此外，具备波束扫描能力的天线也是现代无线系统的关键要求之一，且开发低成本波束扫描天线技术也同样至关重要。透射阵列天线具有高增益、高灵活性和低复杂度的优点，可以降低功耗和集成处理的难度，因此成为实现波束扫描天线一种很好的替代方案。
当前实现低成本波束扫描透射阵列的一种方式是通过机械扫描，但是大多数机械波束扫描的透射阵列波束覆盖区域较窄，在许多应用中，希望进一步扩大波束覆盖范围。电子波束扫描技术的应用，可以增加波束扫描的范围，然而与传统的相控阵类似，它需要大量的有源元件，这不可避免的增加了整个天线系统的成本。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种透镜加载的低成本宽角波束扫描透射阵列天线，利用单元合并将接收层分为一组子阵列，相较于不合并单元的传统透射阵列天线，可以减少75％相移器的使用；与此同时，利用单元可重构波束的分区域覆盖，实现yz面±60°的波束扫描。所提出的透射阵列兼具低成本和宽角波束扫描的特点。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
本发明提供了一种透镜加载的宽角波束扫描透射阵列天线，包括透射阵列和馈源天线；
透射阵列由若干透射单元呈周期性分布构成的阵列；透射单元包括一组下层接收微带天线、中间地板、一个透镜加载的上层发射微带天线和一根金属柱；金属柱连接下层接收微带天线和上层发射微带天线；
馈源天线的相位中心位于透射阵列的焦点处，向透射阵列发射球面电磁波由下层微带天线接收，透镜加载的发射微带天线辐射出去，通过改变发射微带天线的相位形成波束扫描。
上述方案中，中间地板包括相互依次叠合的上层介质基板、中层介质基板和下层介质基板，在中层介质基板和下层介质基板之间设有金属地板。
上述方案中，下层接收微带天线包括阵列印刷在下层介质基板上的接收贴片，接收贴片包含2×2个方形微带贴片子阵列天线，通过弯折可变相位延迟线相互连接，再通过微带线连接合并与金属柱连接。
上述方案中，透镜加载的上层发射微带天线包括若干个方形发射贴片和一个延伸的半球形透镜；若干个发射贴片设在上层介质基板上方，发射贴片通过开关连接移相器，移相器连接下层接收微带天线的接收贴片。
上述方案中，透射单元的间距为上、下层介质基板的边长。
上述方案中，透射阵列的轮廓为矩形或圆形。
上述方案中，馈源天线采用角锥或圆锥喇叭天线，馈源天线的辐射方向朝向透射阵列。
上述方案中，透射单元中，上、下层介质基板边长为P；下层接收微带天线的接收贴片边长为RP；上层发射微带天线的发射贴片边长为TP；半球形透镜的短轴和长轴分别为a和b，延伸的半球形透镜下方圆柱高度为L，圆柱半径等于椭圆的短轴，延伸的半球形透镜的相对介电常数为εr，延伸的半球形透镜尺寸满足a2/b2＝(εr-1)/εr，L2×εr＝b2。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
与传统的透射阵列设计相比，本发明接收阵列不是对每个单元使用一个相移器，而是将接收阵列分成一组组2×2子阵列，每个子阵列将接收到的能量结合起来，然后传输到波束可重构发射天线，因此，可以减少75％的相移器数量。同时，通过波束的分区域覆盖，当在yz面进行波束扫描时：发射贴片A扫描角度范围为20°～60°；发射贴片B扫描角度范围为-20°～20°；发射贴片C扫描角度范围为-60°～-20°。增益下降1dB对应的频率范围为12.2GHz-12.6GHz，对应1dB相对增益带宽为3.2％。所设计的单元采用微带延迟线的方式实现360°的调相范围，同时保持了较低的损耗。
此天线具有低成本、宽角波束扫描、结构简单等优点，适合用于微波中继站、卫星通信、雷达探测等领域。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为本发明具体实施方式中透镜加载的低成本宽角波束扫描透射阵列天线结构示意图；
图2为本发明具体实施方式中透射单元的主视图；
图3为本发明具体实施方式中透射单元的俯视图，即发射层表面具体结构及参数示意图，由开关控制不同的贴片工作产生可重构方向图；
图4为本发明具体实施方式中透射单元的底视图，即接收层表面结构及参数示意图；
图5为本发明具体实施方式中透射单元发射层天线加载透镜的辐射性能，不同位置的贴片工作会产生不同的辐射方向图；
图6(a)、(b)、(c)为本发明具体实施方式中工作在12.5GHz频带的透镜加载低成本透射阵列天线的扫描方向图，图6(a)贴片A负责区域，图6(b)贴片B负责区域，图6(c)贴片C负责区域；
图7为本发明具体实施方式中透镜加载的低成本宽角波束扫描透射阵列天线随频率变化的增益仿真曲线图。
图中：1、透射阵列；2、透射单元；3、馈源天线；101、透镜；102、发射贴片；103、开关；104、上层介质基板；105、中层介质基板；106、金属地板；107、下层介质基板；108、接收贴片；109、移相器；110、金属柱。
具体实施方式
为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。
如图1所示，为本发明的宽频带双层金属透射阵列天线的结构示意图，本发明宽频带双层金属透射阵列天线，包括透射阵列1和馈源天线3。
馈源天线3采用角锥喇叭天线或圆锥喇叭天线，位于透射阵列1的正下方，并且馈源天线3的相位中心位于透射阵列1的焦点处，向透射阵列发射的球面电磁波，馈源天线产生的球面波被透射阵列接收贴片接收，然后传输到相应的透镜加载的发射微带贴片天线，并被透射阵列1中发射贴片转换成平面波辐射出去，并改变发射微带天线的相位来形成波束扫描。
透射阵列由若干透射单元呈周期性分布构成的阵列，透射阵列的轮廓为矩形或圆形。
透射单元包括一组下层接收微带天线、中间地板、一个透镜加载的可重构波束的上层发射微带天线和一根金属柱；金属柱连接下层接收微带天线和上层发射微带天线。
在本发明的一个实施例中，透射阵列1由6×6个透射单元2组成，透射单元呈周期性分布。
如图2所示，透射单元2包括透镜101、发射贴片102、开关103、上层介质基板104、中层介质基板105、金属地板106、下层介质基板107、接收贴片108、移相器109和金属柱110。
其中，中间地板包括相互依次叠合的上层介质基板104、中层介质基板105和下层介质基板107，在中层介质基板和下层介质基板之间设有金属地板106。透射单元的间距为上、下层介质基板的边长。
其中，透镜加载的上层发射微带天线包括若干个方形发射贴片102和一个延伸的半球形透镜101；在上层介质基板104上方设置发射贴片102，在本实施例中，发射贴片102为三块，三块发射贴片102共同连接到开关103至移相器109，移相器连接下层接收微带天线的接收贴片108。
透射单元2的俯视图如图3所示，三个方形发射贴片102呈线性排布，均由PCB技术印刷在上层介质基板104上，之后由金属微带线连接开关103和移相器109，然后通过金属柱110连接接收贴片108。且由于透镜101的作用，三个发射贴片102具有不同辐射方向图。
下层接收微带天线包括阵列印刷在下层介质基板107上的接收贴片108，接收贴片包含2×2个方形微带子阵列天线，通过弯折可变相位延迟线相互连接，再通过微带线连接合并与金属柱110连接。
透射单元2的底视图如图4所示，接收贴片108包含2×2个方形微带贴片天线，同样由PCB技术按照阵列方式印刷在下层介质基板107上，并通过弯折可变相位延迟线相互连接，再通过微带线连接合并与金属柱110连接。
透射单元2中上层介质基板104和下层介质基板107由中层介质基板105粘合在一起，且中间由金属地板106隔开，金属柱110的两端分别连接到与发射贴片102和接收贴片108连接的微带线上，金属柱110是圆柱或棱柱。
在本发明的一个实施例中，透射阵列的透镜101选用材料为PTFE，相对介电常数2.9；介质基板104和介质基板107均选用Rogers RO4003C，相对介电常数为3.55，厚度分别为0.508mm和0.813mm；介质基板105选用Rogers RO4350B，相对介电常数为3.66，厚度为0.2mm；接收贴片103、地板106、发射贴片108均为金属印刷在介质基板上；金属柱110的直径为0.2mm。
由于馈源天线辐射球面波，透射单元中合并的接收贴片103将产生空间波程差。因此，为了最大限度地提高接收子阵列的功率，如图4所示，采用了4条可变相位延迟线(RL1、RL2、RL3和RL4)进行相位补偿。
在本发明透射单元中，设上、下层介质基板边长为P；下层接收微带天线的接收贴片边长为RP；上层发射微带天线的发射贴片边长为TP；半球形透镜的短轴和长轴分别为a和b，延伸的半球形透镜下方圆柱高度为L，圆柱半径等于椭圆的短轴，延伸的半球形透镜的相对介电常数为εr，延伸的半球形透镜尺寸满足a2/b2＝(εr-1)/εr，L2×εr＝b2。
透射单元中的具体尺寸见表1所示。
表1
参数 P L a b RP
数值(mm) 30 9.8 13 16.3 6.2
参数 TP h1 h2 h3
数值(mm) 5.9 0.508 0.2 0.813
在本发明的一个实施例中，馈源天线3采用角锥喇叭天线，工作频带覆盖11GHz-14GHz。馈源天线3的辐射方向朝向透射阵列。
如图5所示，为本发明实施例中分别激励三个发射贴片108，具有的不同辐射方向图。
如图6(a)、(b)、(c)所示，在12.5GHz时，通过开关切换不同的发射贴片，单元可重构波束有三个工作状态，当在yz面进行波束扫描时：图6(a)左边贴片A工作时，扫描角度范围为20°～60°；图6(b)中间贴片B工作时，扫描角度范围为-20°～20°；图6(c)右边贴片C工作时，扫描角度范围为-60°～-20°。通过可重构单元波束的分区域覆盖，透射阵列天线的波束扫描方向图在扫描至±60°时最大增益降在-3.5dB以上。
通过接收层单元合并，移相器可以复用并且实现数量上75％的减少，从而降低了成本。
如图7所示，透镜加载的宽角波束扫描透射阵列天线随频率变化的增益仿真曲线图，增益下降1dB对应的频率范围为12.2GHz-12.6GHz，对应1dB相对增益带宽为3.2％。
以上对本发明所提供的一种透镜加载的宽角波束扫描透射阵列天线进行了详细介绍，并应用了详细的结构设计参数对本发明的原理及实施方式进行了阐述及实现。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种透镜加载的宽角波束扫描透射阵列天线，其特征在于，包括透射阵列和馈源天线；
所述透射阵列由若干呈周期性分布的透射单元构成；
所述透射单元包括一组下层接收微带天线、中间地板、一个透镜加载的上层发射微带天线和一根金属柱；金属柱连接下层接收微带天线和上层发射微带天线；
所述中间地板包括相互依次叠合的上层介质基板、中层介质基板和下层介质基板，在中层介质基板和下层介质基板之间设有金属地板；
所述下层接收微带天线包括阵列印刷在下层介质基板上的接收贴片，接收贴片包含2×2个方形微带贴片子阵列天线，通过弯折可变相位延迟线相互连接，再通过微带线连接合并与金属柱连接；
所述透镜加载的上层发射微带天线包括若干个方形发射贴片和一个延伸的半球形透镜；若干个发射贴片设在上层介质基板上方，所述若干个方形发射贴片均通过一个开关连接一个移相器，所述一个移相器通过金属柱连接下层接收微带天线的接收贴片；
所述馈源天线的相位中心位于透射阵列的焦点处，向透射阵列发射的球面电磁波由下层接收微带天线接收，并由透镜加载的上层发射微带天线辐射出去，通过改变发射微带天线的相位形成波束扫描。
2.根据权利要求1所述的一种透镜加载的宽角波束扫描透射阵列天线，其特征在于，透射单元的间距为上、下层介质基板的边长。
3.根据权利要求1所述的一种透镜加载的宽角波束扫描透射阵列天线，其特征在于，所述透射阵列的轮廓为矩形或圆形。
4.根据权利要求1所述的一种透镜加载的宽角波束扫描透射阵列天线，其特征在于，馈源天线采用角锥或圆锥喇叭天线，馈源天线的辐射方向朝向透射阵列。
5.根据权利要求1所述的一种透镜加载的宽角波束扫描透射阵列天线，其特征在于，透射单元中，半球形透镜的短轴和长轴分别为a和b，延伸的半球形透镜下方圆柱高度为L，圆柱半径等于椭圆的短轴，延伸的半球形透镜的相对介电常数为εr，延伸的半球形透镜尺寸满足a2/b2＝(εr-1)/εr，L2×εr＝b2。
6.根据权利要求1所述的一种透镜加载的宽角波束扫描透射阵列天线，其特征在于，单元可重构波束有三个工作状态，当在yoz面进行波束扫描时：发射贴片A工作时，扫描角度范围为20°～60°；发射贴片B工作时，扫描角度范围为-20°～20°；发射贴片C工作时，扫描角度范围为-60°～-20°。
7.根据权利要求1所述的一种透镜加载的宽角波束扫描透射阵列天线，其特征在于，增益下降1dB对应的频率范围为12.2GHz-12.6GHz，对应1dB相对增益带宽为3.2％。
CN202210033971.0A 2022-01-12 2022-01-12 一种透镜加载的宽角波束扫描透射阵列天线 Active CN114361783B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210033971.0A CN114361783B (zh) 2022-01-12 2022-01-12 一种透镜加载的宽角波束扫描透射阵列天线

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210033971.0A CN114361783B (zh) 2022-01-12 2022-01-12 一种透镜加载的宽角波束扫描透射阵列天线

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114361783A CN114361783A (zh) 2022-04-15
CN114361783B true CN114361783B (zh) 2022-11-01

Family

ID=81108337

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210033971.0A Active CN114361783B (zh) 2022-01-12 2022-01-12 一种透镜加载的宽角波束扫描透射阵列天线

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114361783B (zh)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102365789A (zh) * 2009-02-02 2012-02-29 联邦科学技术研究组织 混合自适应天线阵列
CN109713437A (zh) * 2018-12-05 2019-05-03 北京遥测技术研究所 一种宽频带高增益圆极化微带天线

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2494506C1 (ru) * 2012-07-10 2013-09-27 Общество с ограниченной ответственностью "Радио Гигабит" Линзовая антенна с электронным сканированием луча
US8854257B2 (en) * 2012-10-22 2014-10-07 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Conformal array, luneburg lens antenna system
US10389041B2 (en) * 2016-11-18 2019-08-20 Movandi Corporation Phased array antenna panel with enhanced isolation and reduced loss
US10116051B2 (en) * 2017-03-17 2018-10-30 Isotropic Systems Ltd. Lens antenna system
CN109786937A (zh) * 2018-12-21 2019-05-21 西安电子科技大学 一种小型超宽波束背腔双层微带天线及其宽角扫描阵列

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102365789A (zh) * 2009-02-02 2012-02-29 联邦科学技术研究组织 混合自适应天线阵列
CN109713437A (zh) * 2018-12-05 2019-05-03 北京遥测技术研究所 一种宽频带高增益圆极化微带天线

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A Compact Beamsteering Metalens Array Antenna with Circularly Polarized Phased Array;Ruolei Xu 等;《2021 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and USNC-URSI Radio Science Meeting (APS/URSI)》;20211210;全文 *
Wideband circularly-polarized 3-bit transmitarray antenna in Ka-band;Fatimata Diaby 等;《 2017 11th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP)》;20170324;全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114361783A (zh) 2022-04-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108808260B (zh) 一种基于相控阵馈电的变型柱面/球面龙伯透镜天线
CN111262028B (zh) 一种基于改进l形探针馈电结构的新型透射式相控阵天线
Bang et al. A compact hemispherical beam-coverage phased array antenna unit for 5G mm-wave applications
CN111052507B (zh) 一种天线及无线设备
US20210159597A1 (en) High-gain, wide-angle, multi-beam, multi-frequency beamforming lens antenna
CN113097736B (zh) 一种新型频率及波束可重构天线
US11374331B1 (en) Base station antenna including Fabrey-Perot cavities
CN107546478B (zh) 采用特殊方向图阵元的宽角扫描相控阵天线及设计方法
Tiwari et al. Active Beamsteerable Digital Metasurface Lens Antenna for Millimeter-Wave Applications
CN110518370B (zh) 一种多波段共口径宽角覆盖阵列天线
CN112216983A (zh) 一种应用于s波段的龙伯透镜天线
CN114361783B (zh) 一种透镜加载的宽角波束扫描透射阵列天线
CN111146598A (zh) 一种基于有源频率选择表面的电控波束扫描天线
CN113851853B (zh) 一种用于毫米波波束扫描的透射式可编程超表面
Luo et al. Low-cost smart antenna using active frequency selective surfaces
Jankovic et al. The multi-functional payload based on rotman-lens beamforming network
CN209963246U (zh) 使用溅射板馈源的平面反射阵天线
CN113036450A (zh) 圆极化高增益谐振天线作为馈源的多波束反射面天线
Manzillo et al. An LTCC beam-switching antenna with high beam overlap for 60-GHz mobile access points
CN110571530A (zh) 一种集成反射阵的可重构抛物面天线
CN114614263B (zh) 一种双层金属表面的低剖面宽频带透射阵列天线
KR20050066543A (ko) 성형 반사판을 이용한 오프셋 하이브리드 안테나
Saragih et al. Study of smart antenna wide band multi beam by algorithm switch beam
Luo et al. Proof of concept of a low-cost beam-steering hybrid reflectarray that mixes microstrip and lens elements using passive demonstrators
Sun et al. A review of microwave electronically scanned array: Concepts and applications

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant