CN114498001A - 基于叠层超表面的毫米波宽角扫描相控阵列天线及通信设备 - Google Patents

基于叠层超表面的毫米波宽角扫描相控阵列天线及通信设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于叠层超表面的毫米波宽角扫描相控阵列天线及通信设备，由上至下依次包括叠层超表面、金属地板及馈电网络，所述叠层超表面包括多个呈周期排列的叠层超表面单元，所述叠层超表面单元由多个超表面层堆叠放置构成，多个超表面层同轴设置，沿着叠层超表面单元阵列的E面设置条形去耦路径，设置X形去耦路径去除H面耦合，所述金属地板开有工字缝隙，将馈电网络的能量耦合到对应的叠层超表面单元。本发明加工容易、成本低、剖面低，更适合小型化天线单元及紧凑排布阵列设计，应用于大规模生产。

Description

基于叠层超表面的毫米波宽角扫描相控阵列天线及通信设备
技术领域
本发明涉及通信领域，具体涉及一种基于叠层超表面的毫米波宽角扫描相控阵列天线及通信设备。
背景技术
近年来，由于超材料(Metamaterials)具有在自然界中并不存在但极具价值的电磁特性，打破了传统材料或结构的物理极限，为经典电磁理论的发展开辟了崭新的研究空间，获得了愈来愈广泛的关注。超表面天线由于其独特的电磁特性，可以有效降低天线和反射面之间的距离，实现低剖面天线，使天线集成地更加紧凑，也可以作为一种新型的相控阵天线单元，实现低剖面宽覆盖的辐射特性。但是，传统的超表面天线由于辐射单元占用的面积过大，导致其在组成阵列的时候无法进行紧凑地排布，实现宽角扫描。而在组成毫米波阵列的时候更是存在着表面波严重、耦合过高等问题，严重恶化了阵列天线的辐射效率和扫描角度。近些年，采用超表面作为天线的辐射单元可以很好地实现宽频的性能。但是，这种超表面单元所占用的面积过大，不适合紧凑环境下的阵列设计，也没有空间加载额外的去耦结构降低端口之间的隔离，不利于毫米波阵列实现高隔离、低有源回损、大角度扫描等性能。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于叠层超表面的毫米波宽角扫描相控阵列天线及通信设备。
本发明不仅具有宽带宽、尺寸小、结构简单的特点，并能确保毫米波阵列实现高隔离、低有源回损、大角度扫描等性能。
本发明采用如下技术方案：
一种基于叠层超表面的毫米波宽角扫描相控阵列天线，由上至下依次包括叠层超表面、金属地板及馈电网络，所述叠层超表面包括多个呈周期排列的叠层超表面单元，所述叠层超表面单元由多个超表面层堆叠放置构成，多个超表面层同轴设置，沿着叠层超表面单元阵列的E面设置条形去耦路径，设置X形去耦路径去除H面耦合，所述金属地板开有工字缝隙，将馈电网络的能量耦合到对应的叠层超表面单元。
进一步，所述条形去耦路径包括一条金属条带以及两根接地柱。
进一步，所述X形去耦路径包括X形金属条带和四根接地柱。
进一步，所述馈电网络设置屏蔽金属墙，工字缝隙设置在屏蔽金属墙的中心位置，构成腔体。
进一步，所述屏蔽金属墙包括隔离条带及多根第一接地柱。
进一步，所述工字缝隙是线极化激励。
进一步，叠层超表面单元及馈电网络采用低温共烧陶瓷基板或PCB介质基板。
进一步，所述金属条带的形状为π形、n形、I形、X形或者L形。
进一步，所述馈电网络包括带状线馈电网络、微带线馈电网络、基片集成波导馈电网络或共面波导馈电网络。
一种通信设备，包括所述的毫米波宽角扫描相控阵列天线。
本发明的有益效果：
(1)本发明包括辐射叠层超表面天线，基于辐射叠层超表面单元的毫米波阵列、馈电网络。由于采用叠层设计的超表面单元，可以缩小超表面天线占用的面积，同时还能保证宽带的匹配。
(2)本发明通过采用耦合抵消路径的去耦枝节实现了宽带的高隔离效果，并且改善了工作频带内的有源驻波比和阵列的扫描能力。
(3)本发明的叠层超表面单元设计思路具有可拓展性，可以广泛应用于不同层数、不同极化的超表面天线之中。
(4)本发明采用辐射叠层超表面天线组成了紧凑排布的毫米波相控阵列天线，叠层的设计减小了超表面尺寸的同时，还有多余的空间加载去耦结构，实现了高隔离、低有源回损、大角度扫描的性能。
(5)本发明的馈电网络可以实现工作频带内的等幅等相的端口激励。
(6)本发明结构简单，加工容易，成本相对较小，因而可以实现大规模生产。
附图说明
图1是本发明实施例2的三维结构示意图；
图2是图1的横截面示意图；
图3(a)是本发明实施例2叠层超表面的结构示意图；
图3(b)是本发明实施例2中条形去耦路径的结构示意图；
图3(c)是本发明实施例2中X形去耦路径的结构示意图；
图3(d)是本发明实施例2中馈电网络的结构示意图；
图4是本发明实施例2中屏蔽金属墙的结构示意图；
图5(a)是本发明实施例2中相控阵列天线的S参数在去耦后的结果图；
图5(b)是本发明实施例2中相控阵列天线的隔离在去耦前后的结果图；
图6是本发明实施例2中相控阵列天线在24.25GHz扫描至61°的结果图；
图7是本发明实施例2中相控阵列天线在27.75GHz扫描至55°的结果图；
图8是本发明实施例2中相控阵列天线在29.5GHz扫描至55°的结果图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1及图2所示，一种基于叠层超表面的毫米波宽角扫描相控阵列天线，由上至下依次包括叠层超表面、金属地板及馈电网络。
所述叠层超表面包括多个呈周期排列的叠层超表面单元，所述叠层超表面单元由多个超表面层堆叠放置构成，多个超表面层同轴设置，即各个超表面层的中心点在同一条竖直直线上。
进一步，每个超表面层上设置呈周期排列的金属贴片，各个超表面层设置的金属贴片形状可以相同也可以不同，其阵列排布也可以不同，金属贴片的形状可以是方形、方环形、矩形或者矩形切角等。
通过调整相邻贴片的间距及尺寸，使得天线工作在相应的频段。
另外，叠层超表面单元由多个超表面层同轴设置构成，多个超表面层采用相同大小的介质基板，所设计的超表面结构占用的整体面积呈正方形，其正方形的边长为仅有0.17λ，有利于天线阵列的紧凑排布。若多个辐射层中，阵列排布的金属贴片构成形状大小不一，则按照尺寸最大的边长计算，组阵时叠层超表面天线单元的间距可减小至0.4λ，提升了阵列的扫描性能，扫描范围可达±55°，其中λ为天线中心频率的自由空间波长。
本发明通过在一层超表面上叠层加载超表面，增大层间电容，以减小超表面天线的尺寸，同时还不影响超表面天线本身的性能。
进一步，在叠层超表面单元之间添加去耦路径，以降低天线单元之间的隔离。其中，沿天线阵列的E面加入了条形去耦路径，而针对部分存在的H面耦合，则使用X形去耦路径提升端口间隔离。
具体地，所述条形去耦路径包括一条金属条带及两根接地柱，所述接地柱采用长方体或圆柱体，所述金属条带的形状可以是π形、n形、I形、X形或者L形。
所述X形去耦路径由X形金属条带和四根接地柱构成，四根接地柱设置在X形金属条带的末端。
进一步，金属地板设置工字缝隙，将馈电网络的能量耦合到对应的叠层超表面单元，工字缝隙的个数与叠层超表面单元的个数一一对应，工字缝隙采用线极化激励叠层超表面单元。
进一步，馈电网络包括带状线馈电网络、微带线馈电网络、基片集成波导馈电网络或者共面波导馈电网络。
所述馈电网络设置屏蔽金属墙，所述屏蔽金属墙包括隔离条带及多根第一接地柱，所述隔离条带与多根第一接地柱对称设置在工字缝隙的四周，构成腔体，用以较少工字缝隙的场扩散。
金属地板在屏蔽金属墙的中心位置刻蚀工字缝隙，由于工字缝隙是线极化激励，所以叠层超表面毫米波相控阵列天线是线极化辐射。
进一步，辐射叠层超表面天线单元和馈电网络采用的基板为低温共烧陶瓷基板或PCB介质基板。
本发明通过在超表面上叠层加载另一组超表面，增大层间电容，以减小超表面天线的尺寸，同时还不影响超表面天线本身的性能。和传统的超表面天线相比，本发明所占用的面积极小，还保留了超表面天线的宽频特性。而且基于叠层超表面天线的毫米波相控阵列天线，相比于传统的超表面天线阵列，可以进行更紧凑的排布，同时还有更多的空间加载去耦结构。
实施例2
如图1及图2所示，本实施例中，基于叠层超表面的毫米波宽角扫描相控阵列天线由上至下依次包括叠层超表面、金属地板4及一分四带状线功分器馈电网络8，所述叠层超表面包括4*4个呈周期排列的叠层超表面单元3，所述叠层超表面单元由两层超表面层构成，分别为4*4排布金属贴片的第一超表面层1和2*2排布金属贴片的第二超表面层2，第一超表面层1及第二超表面层2同轴设置，其金属贴片均为方形。
为了降低天线单元之间的隔离，在第一超表面层1设置条形去耦路径11，所述条形去耦路径11包括一条金属条带及两根接地柱，所述金属条带的形状为π形，所述两根接地柱设置在末端。
具体地，本实施例中，条形去耦路径设置在单元阵列的E面，即X轴方向相邻叠层超表面单元之间。
具体地，X形去耦路径12设置在天线阵列中轴线上，沿X轴的方向，一字排列设置三个X形去耦路径，提升端口间距离。
在本实施例中，一分四带状线功分器馈电网络包括四个形同的子阵端口13、14、15及16，四个子阵端口驱动四个一分四带状馈电网络，每个一分四带状馈电网络驱动四个叠层超表面单元3。
激励子阵端口13，一分四馈线10通过工字缝隙5将一分四带状线功分器馈电网络8的能量耦合到叠层超表面单元3，并且通过固有耦合路径部分能量传输到子阵端口14；通过引入条形去耦路径11及X形去耦路径12，与固有耦合路径相互抵消，达到子阵端口13和子阵端口14的高隔离效果。相同地，相邻子阵端口14与子阵端口15，子阵端口15与子阵端口16都可以实现高隔离效果。
通过调整金属柱和金属条带的高度、长度、宽度、金属柱的距离调整引入耦合抵消路径的相位和幅度，从而实现与原本固有耦合路径抵消，达到子阵去耦。
金属地板上开有工字缝隙将一分四带状线功分器馈电网络的能量耦合到叠层超表面天线单元，产生线极化辐射。
具体地，工字缝隙的个数为16个，与叠层超表面单元的个数对应。
所述一分四馈电网络设置屏蔽金属墙9，所述屏蔽金属墙包括隔离条带6及多根第一接地柱7，隔离条带6环绕工字缝隙5形成十字腔体，所述第一接地柱设置在隔离条带内。
叠层超表面单元3的贴片高度为[0.01λ,0.25λ]，叠层超表面单元的上层第一超表面层w1为[0.01λ，0.15λ]，下层第二超表面层2w2为[0.01λ，0.15λ]，金属地板4上的工字缝隙5的长度l1为[0.1λ，0.8λ]，l2为[0.1λ，0.8λ]，金属地板4上的工字缝隙5的宽度s1为[0.001λ,0.25λ]，s2为[0.001λ，0.25λ]，一分四带状线功分器馈电网络里面的阶跃阻抗线的宽度fw1为[0.001λ，0.2λ]，一分四带状线功分器馈电网络8里面的端口带状线宽度fw0为[0.001λ，0.1λ]，一分四带状线功分器馈电网络8里面的金属接地柱间距s为[0.001λ，0.1λ]，π形去耦路径的高度为[0.01λ,0.25λ]，π形去耦路径的一对接地柱间距dl为[0.01λ,0.6λ]，π形去耦路径的金属条带长度da为[0.1λ,0.6λ]，π形去耦路径的金属条带宽度dw为[0.001λ,0.1λ]，π形去耦路径的金属条带末端圆盘直径dr为[0.001λ,0.1λ]，π形去耦路径的接地柱与金属条带距离dg为[0.001λ,0.6λ]，X形去耦路径的金属条带长度da为[0.1λ,0.6λ]，X形去耦路径的金属条带宽度xw为[0.001λ,0.1λ]，单元间间距wh为[0.3λ,0.6λ]，其中λ为自由空间波长。
本实施例中，基于辐射叠层超表面单元的高隔离毫米波相控天线阵列，具体尺寸如下：
如图3(a)～图3(d)所示，叠层超表面单元3的贴片高度为0.94mm，叠层超表面单元的上层第一超表面层1的尺寸w1为0.36mm，第二超表面层2的尺寸w2为0.86mm，金属地板上的工字缝隙的长度l1为2.2mm，l2为1.2mm，金属地板上的工字缝隙的宽度s1为0.6mm，s2为0.15mm，一分四带状线功分器馈电网络里面的阶跃阻抗线的宽度fw1为0.2mm，一分四带状线功分器馈电网络里面的端口带状线宽度fw0为0.1mm，一分四带状线功分器馈电网络里面的金属接地柱间距s为0.3mm，π形去耦路径的高度为0.94mm，π形去耦路径的一对接地柱间距da为2.4mm，π形去耦路径的金属条带长度dl为2.6mm，π形去耦路径的金属条带宽度dw为0.1mm，π形耦合路径的金属条带末端圆盘直径dr为0.1mm，π形去耦路径的接地柱与金属条带距离dg为0.2mm，X形去耦路径的金属条带长度xl为2.2mm，X形去耦路径枝节的金属条带宽度xw为0.2mm，单元间间距wh为4.5mm。
如图5(a)所示，基于叠层超表面天线单元的高隔离毫米波相控天线阵列，工作频带为：24.25-29.5GHz，带内所有端口反射系数低于-10dB，带内相邻子阵间隔离大于22dB，相比于单层超表面天线阵列有了更紧凑的阵列排布。如图5(b)所示为去耦结构加载前后的端口隔离对比，加载去耦结构使相邻子阵的隔离从15dB提升至22dB以上。
如图6、图7和图8所示，基于叠层超表面天线单元的高隔离毫米波相控天线阵列在带内都能够实现大角扫描，24.25GHz最大可扫描至61°，增益下降3.7dB；27.75GHz最大可扫描至55°，增益下降3.6dB；29.5GHz最大可扫描至55°，增益下降3.5dB。
实施例3
一种通信设备，包括如实施例1或实施例2所述的基于叠层超表面的毫米波宽角扫描相控阵列天线。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于叠层超表面的毫米波宽角扫描相控阵列天线，其特征在于，由上至下依次包括叠层超表面、金属地板及馈电网络，所述叠层超表面包括多个呈周期排列的叠层超表面单元，所述叠层超表面单元由多个超表面层堆叠放置构成，多个超表面层同轴设置，沿着叠层超表面单元阵列的E面设置条形去耦路径，设置X形去耦路径去除H面耦合，所述金属地板开有工字缝隙，将馈电网络的能量耦合到对应的叠层超表面单元。
2.根据权利要求1所述的毫米波宽角扫描相控阵列天线，其特征在于，所述条形去耦路径包括一条金属条带以及两根接地柱。
3.根据权利要求1所述的毫米波宽角扫描相控阵列天线，其特征在于，所述X形去耦路径包括X形金属条带和四根接地柱。
4.根据权利要求1所述的毫米波宽角扫描相控阵列天线，其特征在于，所述馈电网络设置屏蔽金属墙，工字缝隙设置在屏蔽金属墙的中心位置，构成腔体。
5.根据权利要求4所述的毫米波宽角扫描相控阵列天线，其特征在于，所述屏蔽金属墙包括隔离条带及多根第一接地柱。
6.根据权利要求1所述的毫米波宽角扫描相控阵列天线，其特征在于，所述工字缝隙是线极化激励。
7.根据权利要求1-6任一项所述的毫米波宽角扫描相控阵列天线，其特征在于，叠层超表面单元及馈电网络采用低温共烧陶瓷基板或PCB介质基板。
8.根据权利要求2所述的毫米波宽角扫描相控阵列天线，其特征在于，所述金属条带的形状为π形、n形、I形、X形或者L形。
9.根据权利要求1所述的毫米波宽角扫描相控阵列天线，其特征在于，所述馈电网络包括带状线馈电网络、微带线馈电网络、基片集成波导馈电网络或共面波导馈电网络。
10.一种通信设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的毫米波宽角扫描相控阵列天线。
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