CN114512825B - 一种高频毫米波低剖面透射阵列天线 - Google Patents

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Abstract

一种高频毫米波低剖面透射阵列天线，属于毫米波阵列天线技术领域。所述高频毫米波低剖面透射阵列天线包括馈源、位于馈源正上方的PRS阵面以及位于PRS阵面正上方的透射阵面。本发明提供的一种高频毫米波低剖面透射阵列天线，采用特定结构和排布方式的透射阵面，与特定结构与排布方式的PRS阵面结合，得到的透射阵列天线在95.3GHz～104.6GHz范围内，增益波动小于3dB，相对带宽9.3％；3dB增益带宽内除95.3GHz～95.8GHz范围内s11小于‑9dB，其余频点s11小于‑10dB；95.3GHz～104.6GHz范围内，在二维空间内实现±40°的波束扫描。

Description

一种高频毫米波低剖面透射阵列天线
技术领域
本发明属于毫米波阵列天线技术领域，具体涉及一种用于高频毫米波的宽带低剖面透射阵列天线，在新一代的高频段毫米波卫星通信、移动通信、雷达探测与成像等领域具有广泛应用价值。
背景技术
高频毫米波频段作为未来毫米波通信的重要工作频段，能够满足通信等电子设备对更宽的带宽和更高的信息传输速率的需求。但是在高频毫米波频段，电磁波较大的空间损耗，近似直线传播的特性使信号的空间覆盖成为了限制高频段毫米波规模商用的桎梏。
透射式阵列天线作为一种高增益波束扫描天线，集成了空间馈电与相位调制技术，通过对每个透射单元状态的精确调控，可以控制阵列天线波束指向的角度。透射式阵列天线具备高增益与波束实时可控的特性，能够解决毫米波空间传输损耗大以及波束实时对准的问题。
与传统相控阵天线相比，透射式阵列天线具有结构简单、成本较低等优点，但是传统的透射式阵列天线采用喇叭天线、vivaldi天线等分立式馈源进行激励，馈源距离透射阵列表面距离约0.8～1.2D(D为透射阵面边长或直径)，天线整体剖面较高，不利于其集成化的应用。采用增加一个反射地板或相位补偿平面可以将天线剖面缩减至0.3D以内，但增加反射地板的天线仅能在X波段工作，通过相位补偿平面减小剖面的方法天线工作带宽仅有3.8％。
PRS即反射面是一种周期性排布的电磁结构，于1956年由Trentini G V提出，其工作机理是利用PRS阵面与天线金属地板的多次反射波的同相叠加效应，有效提升天线的增益。PRS阵面与馈源金属地板的距离通常为中心工作频率对应半波长的整数倍。但是由于谐振条件限制，传统的PRS阵面带宽只有2％左右。
发明内容
本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出了一种高频毫米波低剖面透射阵列天线。本发明利用PRS阵面(反射阵面)的同相叠加效应，采用特定结构的PRS单元，在近场区将馈源辐射的球面波转换为平面波，实现了天线整体剖面高度的缩减，同时采用8种不同结构的透射单元，实现了高频段毫米波的宽带波束扫描。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种高频毫米波低剖面透射阵列天线，包括馈源、位于馈源正上方的PRS阵面以及位于PRS阵面正上方的透射阵面。
进一步的，所述馈源用于为透射阵列天线提供馈电，所述馈源包括波导和位于波导之上的金属地板，具体为矩形波导和位于矩形波导之上的矩形金属地板，或者圆形波导和位于圆形波导之上的圆形金属地板，金属地板与波导口面齐平，如图6所示。
进一步的，所述PRS阵面包括位于阵面中心的阵列排列的第二PRS单元(PRS单元2)、以及位于第二PRS单元四周的阵列排列的第一PRS单元(PRS单元1)，如图1所示；所述第二PRS单元在工作频段的反射系数大于第一PRS单元在工作频段的反射系数；所述PRS阵面的一条边与金属地板的一条边平行，中心与金属地板的中心重合；所述PRS阵面与金属地板之间的距离h1＝N/2×λ±0.2mm，λ为工作中心频率对应波长，单位为mm，N为大于1的正整数；所述PRS阵面的边长与第二PRS单元的边长之间的比值为1.44～2.5；所述阵列排列的第二PRS单元至少为6×6个，最多为18×18个。
进一步的，所述透射阵面由第一透射单元(TA1)、第二透射单元(TA2)、第三透射单元(TA3)、第四透射单元(TA4)、第五透射单元(TA5)、第六透射单元(TA6)、第七透射单元(TA7)和第八透射单元(TA8)组成，如图4所示；所述透射阵面的一条边与PRS阵面的一条边平行，中心与PRS阵面的中心重合，透射阵面与PRS阵面之间的距离h2＞λ/2，λ为工作中心频率对应波长，单位为mm。
进一步的，所述透射阵面第m行、第n列位置处透射单元的选择采用以下规则：
Figure BDA0003542305970000021
选择第一透射单元(TA1)；
Figure BDA0003542305970000022
选择第二透射单元(TA2)；
Figure BDA0003542305970000023
选择第三透射单元(TA3)；
Figure BDA0003542305970000024
选择第四透射单元(TA4)；
Figure BDA0003542305970000031
选择第五透射单元(TA5)；
Figure BDA0003542305970000032
选择第六透射单元(TA6)；
Figure BDA0003542305970000033
选择第七透射单元(TA7)；
Figure BDA0003542305970000034
选择第八透射单元(TA8)；
其中，
Figure BDA0003542305970000035
为第m行、第n列位置处透射单元所需满足的透射相位，φT0为参考相位，φU1，φU2，…，φU8分别为第一透射单元(TA1)、第二透射单元(TA2)、第三透射单元(TA3)、第四透射单元(TA4)、第五透射单元(TA5)、第六透射单元(TA6)、第七透射单元(TA7)、第八透射单元(TA8)在中心频率f0处的透射相位。
进一步的，所述第一PRS单元包括第一介质基板7、第二介质基板5、第一金属贴片1、第二金属贴片3、第一金属环2、第二金属环4和第一粘接层6，如图2所示；其中，所述第一金属贴片1位于第二介质基板5的上表面，所述第一金属环2位于第二介质基板5和第一粘接层6之间，所述第二金属贴片3位于第一粘接层6和第一介质基板7之间，所述第二金属环4位于第一介质基板7的下表面。
进一步的，所述第二PRS单元包括第一介质基板7、第二介质基板5、第三金属贴片8、第四金属贴片10、第三金属环9、第四金属环11和第一粘接层6，如图3所示；其中，所述第三金属贴片8位于第二介质基板5的上表面，所述第三金属环9位于第二介质基板5和第一粘接层6之间，所述第四金属贴片10位于第一粘接层6和第一介质基板7之间，所述第四金属环11位于第一介质基板7的下表面。
进一步的，第一金属贴片1的一条边与第二介质基板5的一条边平行，且中心与第二介质基板5的中心重合；
所述第一金属环2的一条边与第二介质基板5的一条边平行，且中心与第二介质基板5的中心重合；
所述第二金属贴片3的一条边与第二介质基板5的一条边平行，中心与第二介质基板5的中心重合，并且沿x、y和z方向的尺寸与第一金属贴片1相同；
所述第二金属环4的一条边与第二介质基板5的一条边平行，中心与第二介质基板5的中心重合，并且沿x、y和z方向的尺寸与第一金属环2相同；
所述第三金属贴片8的一条边与第二介质基板5的一条边平行，且中心与第二介质基板5的中心重合；
所述第三金属环9的一条边与第二介质基板5的一条边平行，且中心与第二介质基板5的中心重合；
所述第四金属贴片10的一条边与第二介质基板5的一条边平行，中心与第二介质基板5的中心重合，并且沿x、y和z方向的尺寸与第三金属贴片8相同；
所述第四金属环11的一条边与第二介质基板5的一条边平行，中心与第二介质基板5的中心重合，并且沿x、y和z方向的尺寸与第三金属环9相同；
所述第一介质基板7的一条边与第二介质基板5的一条边平行，中心与第二介质基板5的中心重合，并且沿x、y和z方向的尺寸与第二介质基板5相同；
所述第一粘接层6的一条边与第二介质基板5的一条边平行，中心与第二介质基板5的中心重合，并且沿x和y方向的尺寸与第二介质基板5相同。
进一步的，所述第二介质基板5为方形基板，其边长为0.7mm-0.9mm，厚度为0.127mm-0.254mm；所述第一粘接层6的厚度为0.1mm；所述第一金属贴片1边长为0.58mm-0.68mm，厚度为18μm；所述第一金属环2外边长与第二介质基板5边长相同，内边长为0.58mm-0.68mm，厚度为18μm；所述第三金属贴片8边长为0.5mm-0.6mm，厚度为18μm；所述第三金属环9外边长与第二介质基板5边长相同，内边长为0.58mm-0.68mm，厚度为18μm。
进一步的，所述第一透射单元(TA1)包括第三介质基板12、第四介质基板14、第五金属贴片15、第六金属贴片16、第七金属贴片17和第二粘接层13，如图5所示；其中，所述第五金属贴片15位于第三介质基板12的上表面，所述第六金属贴片16位于第二粘接层13和第四介质基板14之间，所述第七金属贴片17位于第四介质基板14的下表面；
所述第二透射单元(TA2)包括第三介质基板12、第四介质基板14、第八金属贴片18、第九金属贴片19、第十金属贴片20和第二粘接层13，如图5所示；其中，所述第八金属贴片18位于第三介质基板12的上表面，所述第九金属贴片19位于第二粘接层13和第四介质基板14之间，所述第十金属贴片20位于第四介质基板14的下表面；
所述第三透射单元(TA3)包括第三介质基板12、第四介质基板14、第十一金属贴片21、第十二金属贴片22和第二粘接层13，如图5所示；其中，所述第十一金属贴片21位于第三介质基板12上表面，所述第十二金属贴片22位于第四介质基板14的下表面；
所述第四透射单元(TA4)包括第三介质基板12、第四介质基板14、第十三金属贴片23和第二粘接层13，如图5所示；其中，所述第十三金属贴片23位于第二粘接层13和第四介质基板14之间；
所述第五透射单元(TA5)包括第三介质基板12、第四介质基板14、金属结构24和第二粘接层13，如图5所示；其中，所述金属结构24位于第三介质基板12的上表面，由外层金属环和内层金属贴片构成；
所述第六透射单元(TA6)包括第三介质基板12、第四介质基板14、第一十字金属贴片25、第二十字金属贴片26、第三十字金属贴片27和第二粘接层13，如图5所示；其中，所述第一十字金属贴片25位于第三介质基板12上表面，所述第二十字金属贴片26位于第二粘接层13和第四介质基板14之间，所述第三十字金属贴片27位于第四介质基板14的下表面；
所述第七透射单元(TA7)包括第三介质基板12、第四介质基板14、第十四金属贴片28、第十五金属贴片29、第十六金属贴片30和第二粘接层13，如图5所示；其中，所述第十四金属贴片28位于第三介质基板12上表面，所述第十五金属贴片29位于第二粘接层13和第四介质基板14之间，所述第十六金属贴片30位于第四介质基板14的下表面；
所述第八透射单元(TA8)包括第三介质基板12、第四介质基板14、第十七金属贴片31、第十八金属贴片32、第十九金属贴片33和第二粘接层13，如图5所示；其中，所述第十七金属贴片31位于第三介质基板12的上表面，所述第十八金属贴片32位于第二粘接层13和第四介质基板14之间，所述第十九金属贴片33位于第四介质基板14的下表面。
进一步的，所述第五金属贴片15的一条边与第三介质基板12的一条边平行，且中心与第三介质基板12的中心重合；
所述第六金属贴片16的一条边与第三介质基板12的一条边平行，中心与第三介质基板12的中心重合，且中心设置耶路撒冷十字缝隙；
所述第七金属贴片17的一条边与第三介质基板12的一条边平行，中心与第三介质基板12的中心重合，并且沿x、y和z方向的尺寸与第五金属贴片15相同；
所述第八金属贴片18的一条边与第三介质基板12的一条边平行，且中心与第三介质基板12的中心重合；
所述第九金属贴片19的一条边与第三介质基板12的一条边平行，中心与第三介质基板12的中心重合，且中心设置耶路撒冷十字缝隙；
所述第十金属贴片20的一条边与第三介质基板12的一条边平行，中心与第三介质基板12的中心重合，并且沿x、y和z方向的尺寸与第八金属贴片18相同；
所述第十一金属贴片21的一条边与第三介质基板12的一条边平行，中心与第三介质基板12的中心重合，且中心设置十字缝隙；
所述第十二金属贴片22的一条边与第三介质基板12的一条边平行，中心与第三介质基板12的中心重合，中心设置十字缝隙，并且沿x、y和z方向的尺寸与第十一金属贴片21相同；
所述第十三金属贴片23的一条边与第三介质基板12的一条边平行，中心与第三介质基板12的中心重合，且中心设置十字缝隙；
所述金属结构24的一条边与第三介质基板12的一条边平行，且中心与第三介质基板12的中心重合；
所述第一十字金属贴片25的一条边与第三介质基板12的一条边平行，且中心与第三介质基板12的中心重合；
所述第二十字金属贴片26的一条边与第三介质基板12的一条边平行，中心与第三介质基板12的中心重合，并且沿x、y和z方向的尺寸与第一十字金属贴片25相同；
所述第三十字金属贴片27的一条边与第三介质基板12的一条边平行，中心与第三介质基板12的中心重合，并且沿x、y和z方向的尺寸与第一十字金属贴片25相同；
所述第十四金属贴片28的一条边与第三介质基板12的一条边平行，且中心与第三介质基板12的中心重合；
所述第十五金属贴片29的一条边与第三介质基板12的一条边平行，中心与第三介质基板12的中心重合，且中心设置耶路撒冷十字缝隙；
所述第十六金属贴片30的一条边与第三介质基板12的一条边平行，中心与第三介质基板12的中心重合，并且沿x、y和z方向的尺寸与第十四金属贴片28相同；
所述第十七金属贴片31的一条边与第三介质基板12的一条边平行，且中心与第三介质基板12的中心重合；
所述第十八金属贴片32的一条边与第三介质基板12的一条边平行，中心与第三介质基板12的中心重合，且中心设置耶路撒冷十字缝隙；
所述第十九金属贴片33的一条边与第三介质基板12的一条边平行，中心与第三介质基板12的中心重合，并且沿x、y和z方向的尺寸与第十七金属贴片31相同；
所述第四介质基板14的一条边与第三介质基板12的一条边平行，中心与第三介质基板12的中心重合，并且沿x、y和z方向的尺寸与第三介质基板12相同；
所述第二粘接层13的一条边与第三介质基板12的一条边平行，中心与第三介质基板12的中心重合，并且沿x和y方向的尺寸与第三介质基板12相同。
进一步的，所述第三介质基板12为方形基板，其边长为1.4mm-1.6mm，厚度为0.127mm-0.508mm；所述第二粘接层13的厚度为0.1mm；所述第五金属贴片15的边长为0.97mm-0.99mm，厚度为18μm；所述第六金属贴片16边长与第三介质基板12边长相同，耶路撒冷十字缝隙尺寸ls＝1～1.1mm，lp＝0.3～0.4mm，ws＝0.1～0.3mm，we＝0.1～0.15mm，厚度为18μm；所述第八金属贴片18边长为1.07mm-1.09mm，厚度为18μm；所述第九金属贴片19边长与第三介质基板12边长相同，耶路撒冷十字缝隙尺寸ls＝1～1.1mm，lp＝0.3～0.4mm，ws＝0.1～0.3mm，we＝0.1～0.15mm，厚度为18μm；所述第十一金属贴片21边长与第三介质基板12边长相同，十字缝隙尺寸lsx2＝1.08～1.12mm，wsx2＝0.74～0.84mm，lsy2＝1.08～1.12mm，wsy2＝0.74～0.84mm，厚度为18μm；所述第十三金属贴片23边长与第三介质基板12边长相同，十字缝隙尺寸lsx3＝0.98～1.02mm，wsx3＝0.36～0.46mm，lsy3＝0.98～1.02mm，wsy3＝0.36～0.46mm，厚度为18μm；所述金属结构24外层金属环外边长与第三介质基板12边长相同，宽度g1＝0.15～0.25mm，外层金属环与内层金属贴片间隙g2＝0.2～0.35mm，所述金属环和金属贴片厚度均为18μm；所述第一十字金属贴片25的特征尺寸为lcx＝0.65～0.67mm，wcx＝0.48～0.52mm，lcy＝0.9～1.1mm，wcy＝0.3～0.4mm；所述第十四金属贴片28边长为0.64mm-0.66mm，厚度为18μm；所述第十五金属贴片29边长与第三介质基板12边长相同，耶路撒冷十字缝隙尺寸ls＝1～1.1mm，lp＝0.3～0.4mm，ws＝0.1～0.3mm，we＝0.1～0.15mm，厚度为18μm；所述第十七金属贴片31边长为0.78mm-0.8mm，厚度为18μm；所述第十八金属贴片32边长与第三介质基板12边长相同，耶路撒冷十字缝隙尺寸ls＝1～1.1mm，lp＝0.3～0.4mm，ws＝0.1～0.3mm，we＝0.1～0.15mm，厚度为18μm。
本发明提供的一种高频毫米波低剖面透射阵列天线，其工作原理为：馈源辐射的球面电磁波，经过宽带PRS阵面和金属地板的多次反射，在较低的剖面转换为准平面波，用以对透射平面进行激励。根据波束指向需求以及透射平面所处位置的电磁波相位分布，得到透射平面的单元分布，实现在低剖面条件下的透射阵列天线的波束扫描。
其中，PRS阵面的工作原理具体为：
假设馈源位于金属地板上，其辐射电场可以视为从P点出发，与角度a相关的函数f(a)。PRS位于金属地板正上方，距离金属地板高度为l，馈源辐射的电磁波在PRS和金属地板之间会产生多次反射效应。假设经过PRS反射后，反射波的幅度和相位可以写为pejψ，其中，p为PRS阵面的反射幅度，ψ为PRS阵面的反射相位。在没有传输损耗的情况下，0号射线的幅度正比于
Figure BDA0003542305970000081
同理，经过金属地板一次反射之后1号射线的幅度正比于/>
Figure BDA0003542305970000082
而经过金属地板两次反射之后的2号射线的幅度正比于/>
Figure BDA0003542305970000083
因此，在Fraunhofer区的总电场为这些射线的矢量叠加，对于无限大的PRS，其在远场区的总电场可以表示为
Figure BDA0003542305970000084
1号射线与0号射线的相位差为
Figure BDA0003542305970000091
φ代表了理想导电平面的反射相位。2号射线与0号射线的相位差为
Figure BDA0003542305970000092
由此可以推导出
Figure BDA0003542305970000093
由于p<1，因此
Figure BDA0003542305970000094
将公式(5)代入公式(1)可以得到辐射电场的幅值为
Figure BDA0003542305970000095
从而推导出加载PRS之后天线的远场辐射方向图函数为
Figure BDA0003542305970000096
因此，PRS阵面与金属地板的距离l，反射相位φ与ψ满足公式8时，可以在需要的波束指α方向获得电场的同相叠加效果，即实现球面波到平面波的转换。
Figure BDA0003542305970000097
由公式8可以得出，在φ不变的情况下(金属地板反射相位为180°)，采用单层PRS阵面天线的带宽较窄，需要设计双层或多层的PRS单元结构，使PRS单元的反射相位随频率线性递增，结合反射幅度从阵面中心到边缘锥削分布的单元排布，展宽PRS阵面天线的工作带宽。
透射阵面的工作原理具体为：
对于平面波激励情况，假设所需波束指向为(θ0，φ0)，沿x方向和y方向单元周期为px和py，则每个透射单元所满足的透射相位
αmn＝k×(mpx×sinθ0cosφ0+npy×sinθ0sinφ0) (9)
其中k＝2π/λ，m,n＝0,1,2…。对于准平面波激励，假设到达每个透射单元电磁波初始相位为
Figure BDA0003542305970000101
则每个透射单元所需满足的透射相位
Figure BDA0003542305970000102
由于透射单元的透射相位离散分布，因此需要对所需的透射相位
Figure BDA0003542305970000103
进行量化，选择合适的单元实现波束控制，假设参考相位为φT0，透射单元1-透射单元8在中心频率f0处的透射相位分别为φU1，φU2，…，φU8，则透射阵面第m行、第n列位置处透射单元的选择采用以下规则：
Figure BDA0003542305970000104
选择第一透射单元(TA1)；
Figure BDA0003542305970000105
选择第二透射单元(TA2)；
Figure BDA0003542305970000106
选择第三透射单元(TA3)；
Figure BDA0003542305970000107
选择第四透射单元(TA4)；
Figure BDA0003542305970000108
选择第五透射单元(TA5)；
Figure BDA0003542305970000109
选择第六透射单元(TA6)；
Figure BDA00035423059700001010
选择第七透射单元(TA7)；
Figure BDA00035423059700001011
选择第八透射单元(TA8)；
透射阵面采用上述方法可以对阵面中每个位置的单元状态进行分配，不同的状态分配方式可以实现针对不同方向的波束扫描。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明提供的一种高频毫米波低剖面透射阵列天线，在较低的剖面内实现了馈源与透射阵面的集成，有效降低了天线尺寸，在中心频率100GHz下，天线高度H与天线边长D的比值H/D＝0.285。
2、本发明提供的一种高频毫米波低剖面透射阵列天线，采用8种特定结构的透射单元，具备良好的透射性能，在90GHz～110GHz频段范围内，透射单元的平均透射效率大于0.87；8个透射单元具有良好的相位特性，在90GHz～110GHz频段范围内，相邻单元的相位差为45°±14°。
3、本发明提供的一种高频毫米波低剖面透射阵列天线，采用特定结构和排布方式的透射阵面，与特定结构与排布方式的PRS阵面结合，得到的透射阵列天线在95.3GHz～104.6GHz范围内，增益波动小于3dB，相对带宽9.3％；3dB增益带宽内除95.3GHz～95.8GHz范围内s11小于-9dB，其余频点s11小于-10dB；95.3GHz～104.6GHz范围内，在二维空间内实现±40°的波束扫描。
附图说明
图1为本发明提供的PRS阵面的结构示意图；
图2为本发明提供的第一PRS单元(PRS单元1)的结构示意图；
图3为本发明提供的第二PRS单元(PRS单元2)的结构示意图；
图4为本发明提供的透射阵面的结构示意图；
图5为本发明提供的8个透射单元的结构示意图；
图6为本发明提供的PRS阵面的工作原理示意图；
图7为本发明提供的一种高频毫米波低剖面透射阵列天线的工作原理示意图；
图8为本发明实施例W波段低剖面透射阵列天线增益随频率变化曲线图；
图9为本发明实施例W波段低剖面透射阵列天线s11曲线图；
图10为本发明实施例W波段低剖面透射阵列天线在95.5GHz沿E面、H面和D面的扫描波束图；其中，(a)代表沿E面扫描E面方向图，(b)代表沿E面扫描H面方向图，(c)代表沿H面扫描E面方向图，(d)代表沿H面扫描H面方向图，(e)代表沿D面扫描E面方向图，(f)代表沿D面扫描H面方向图；
图11为本发明实施例W波段低剖面透射阵列天线在100GHz沿E面、H面和D面的扫描波束图；其中，(a)代表沿E面扫描E面方向图，(b)代表沿E面扫描H面方向图，(c)代表沿H面扫描E面方向图，(d)代表沿H面扫描H面方向图，(e)代表沿D面扫描E面方向图，(f)代表沿D面扫描H面方向图；
图12为本发明实施例W波段低剖面透射阵列天线在104.5GHz沿E面、H面和D面的扫描波束图；其中，(a)代表沿E面扫描E面方向图，(b)代表沿E面扫描H面方向图，(c)代表沿H面扫描E面方向图，(d)代表沿H面扫描H面方向图，(e)代表沿D面扫描E面方向图，(f)代表沿D面扫描H面方向图。
具体实施方式
下面结合附图，以W波段低剖面透射阵列天线为例对本发明的技术方案进行描述。
实施例
如图1所示，为PRS阵面的结构示意图，包括PRS单元1和PRS单元2，PRS阵面中心为10×10排布的100个PRS单元2，PRS阵面边缘为384个PRS单元1，呈22×22平面排布，并去除中心100个单元。
其中，所述PRS单元1的结构如图2所示，包括介质基板5、粘接层6、位于介质基板5上表面的金属贴片1、位于粘接层6和介质基板7之间的金属贴片3、位于介质基板5和粘接层6之间的金属环2、以及位于介质基板7下表面的金属环4；所述金属贴片1的一条边与介质基板5的一条边平行，且中心与介质基板5的中心重合；所述金属贴片3的一条边与介质基板5的一条边平行，且中心与介质基板5的中心重合，尺寸与金属贴片1完全相同；所述金属环2的一条边与介质基板5的一条边平行，且中心与介质基板5的中心重合；所述金属环4的一条边与介质基板5的一条边平行，中心与介质基板5的中心重和，尺寸与金属环2完全相同；所述金属贴片1材料为铜，形状为正方形，边长0.66mm，厚度为18μm；所述金属环2材料为铜，外边长0.8mm，内边长0.6mm，厚度为18μm。
其中，所述PRS单元2的结构如图3所示，包括介质基板5、粘接层6、位于介质基板5上表面的金属贴片8、位于粘接层6和介质基板7之间的金属贴片10、位于介质基板5和粘接层6之间的金属环9、以及位于介质基板7下表面的金属环11；所述金属贴片8的一条边与介质基板5的一条边平行，且中心与介质基板5的中心重合；所述金属贴片10的一条边与介质基板5的一条边平行，中心与介质基板5的中心重合，尺寸与金属贴片8完全相同；所述金属环9的一条边与介质基板5的一条边平行，且中心与介质基板5的中心重合；所述金属环11的一条边与介质基板5的一条边平行，中心与介质基板5的中心重合，尺寸与金属环9完全相同；所述金属贴片8材料为铜，形状为正方形，边长0.6mm，厚度为18μm；所述金属环9材料为铜，外边长0.8mm，内边长0.6mm，厚度为18μm；
所述介质基板7的一条边与介质基板5的一条边平行，中心与介质基板5的中心重合，尺寸与介质基板5完全相同；所述粘接层6的一条边与介质基板5的一条边平行，中心与介质基板5的中心重合，并且沿x和y方向的尺寸介质基板5相同；所述介质基板5为正方形基板，边长0.8mm，厚度127μm，材料为Rogers 5880，相对介电常数为2.2；所述粘接层6为正方形，边长0.8mm，厚度100μm，材料为FR-25，相对介电常数为2.43。
如图4所示为本发明提供的透射阵面的结构示意图；包含透射单元1(TA1)-透射单元8(TA8)，总共由19×19个单元构成。
所述的透射单元1(TA1)，如图5所示，包括介质基板12、粘接层13、介质基板14、位于介质基板12上表面的金属贴片15、位于粘接层13和介质基板14之间的金属贴片16、以及位于介质基板14下表面金属贴片17；所述金属贴片15的一条边与介质基板12的一条边平行，且中心与介质基板12的中心重合；所述金属贴片16的一条边与介质基板12的一条边平行，中心与介质基板12的中心重合，并且中心设计耶路撒冷十字缝隙；所述金属贴片17的一条边与介质基板12的一条边平行，中心与介质基板12的中心重合，尺寸与金属贴片15完全相同；所述金属贴片15材料为铜，形状为正方形，边长0.98mm，厚度为18μm；所述金属贴片16材料为铜，外边长1.5mm，中心耶路撒冷十字缝隙特征尺寸ls＝1.1mm，lp＝0.35mm，ws＝0.15mm，we＝0.15mm，厚度为18μm。
所述的透射单元2(TA2)，如图5所示，包括介质基板12、粘接层13、介质基板14、位于介质基板12上表面的金属贴片18、位于粘接层13和介质基板14之间的金属贴片19、以及位于介质基板14下表面金属贴片20；所述金属贴片18的一条边与介质基板12的一条边平行，且中心与介质基板12的中心重合；所述金属贴片19的一条边与介质基板12的一条边平行，中心与介质基板12的中心重合，并且中心设计耶路撒冷十字缝隙；所述金属贴片20的一条边与介质基板12的一条边平行，中心与介质基板12的中心重合，尺寸与金属贴片18完全相同；所述金属贴片18材料为铜，形状为正方形，边长1.08mm，厚度为18μm；所述金属贴片20材料为铜，外边长1.5mm，中心耶路撒冷十字缝隙特征尺寸ls＝1.1mm，lp＝0.38mm，ws＝0.15mm，we＝0.15mm，厚度为18μm。
所述的透射单元3(TA3)，如图5所示，包括介质基板12、粘接层13、介质基板14、位于介质基板12上表面的金属贴片21、以及位于介质基板14下表面的金属贴片22；所述金属贴片21的一条边与介质基板12的一条边平行，中心与介质基板12的中心重合，并且中心设计十字缝隙；所述金属贴片22的一条边与介质基板12的一条边平行，中心与介质基板12的中心重合，中心设计十字缝隙，尺寸与金属贴片21完全相同；所述金属贴片21材料为铜，外边长1.5mm，中心十字缝隙特征尺寸lsx2＝1.1mm，wsx2＝0.79mm，lsy2＝1.1mm，wsy2＝0.79mm，厚度18μm。
所述的透射单元4(TA4)，如图5所示，包括介质基板12、粘接层13、介质基板14以及位于粘接层13和介质基板14之间的金属贴片23；所述金属贴片23的一条边与介质基板12的一条边平行，中心与介质基板12的中心重合，并且中心设计十字缝隙；所述金属贴片23材料为铜，外边长1.5mm，中心十字缝隙特征尺寸lsx3＝1mm，wsx3＝0.41mm，lsy3＝1mm，wsy3＝0.41mm，厚度18μm。
所述的透射单元5(TA5)，如图5所示，包括介质基板12、粘接层13、介质基板14以及位于介质基板12上表面的金属结构24；所述金属结构24的一条边与介质基板12的一条边平行，并且中心与介质基板12的中心重合，由外层金属环和内层金属贴片构成；所述金属结构24材料为铜，厚度18μm，外层金属环外边长1.5mm，宽度0.15mm，内层金属贴片与外层金属环间距0.29mm。
所述的透射单元6(TA6)，如图5所示，包括介质基板12、粘接层13、介质基板14、位于介质基板12上表面的十字金属贴片25、位于粘接层13和介质基板14之间的十字金属贴片26、以及位于介质基板14下表面的十字金属贴片27；所述十字金属贴片25的一条边与介质基板12的一条边平行，中心与介质基板12的中心重合；所述十字金属贴片26的一条边与介质基板12的一条边平行，中心与介质基板12的中心重合，尺寸与十字金属贴片25完全相同；所述十字金属贴片27的一条边与介质基板12的一条边平行，中心与介质基板12的中心重合，尺寸与十字金属贴片25相同；所述十字金属贴片25材料为铜，厚度18μm，特征尺寸为lcx＝0.66mm，wcx＝0.5mm，lcy＝1.1mm，wcy＝0.3mm。
所述的透射单元7(TA7)，如图5所示，包括介质基板12、粘接层13、介质基板14、位于介质基板12上表面的金属贴片28、位于粘接层13和介质基板14之间的金属贴片29、以及位于介质基板14下表面的金属贴片30；所述金属贴片28的一条边与介质基板12的一条边平行，且中心与介质基板12的中心重合；所述金属贴片29的一条边与介质基板12的一条边平行，中心与介质基板12的中心重合，并且中心设计耶路撒冷十字缝隙；所述金属贴片30的一条边与介质基板12的一条边平行，中心与介质基板12的中心重合，尺寸与金属贴片28完全相同；所述金属贴片28材料为铜，形状为正方形，边长0.65mm，厚度18μm；所述金属贴片30材料为铜，外边长1.5mm，中心耶路撒冷十字缝隙特征尺寸ls＝1.1mm，lp＝0.3mm，ws＝0.15mm，we＝0.15mm，厚度18μm。
所述的透射单元8(TA8)，如图5所示，包括介质基板12、粘接层13、介质基板14、位于介质基板12上表面的金属贴片31、位于粘接层13和介质基板14之间的金属贴片32、以及位于介质基板14下表面的金属贴片33；所述金属贴片31的一条边与介质基板12的一条边平行，且中心与介质基板12的中心重合；所述金属贴片32的一条边与介质基板12的一条边平行，中心与介质基板12的中心重合，并且中心设计耶路撒冷十字缝隙；所述金属贴片33的一条边与介质基板12的一条边平行，中心与介质基板12的中心重合，尺寸与金属贴片31完全相同；所述金属贴片31材料为铜，形状为正方形，边长0.79mm，厚度18μm；所述金属贴片32材料为铜，外边长1.5mm，中心耶路撒冷十字缝隙特征尺寸ls＝1.1mm，lp＝0.3mm，ws＝0.15mm，we＝0.15mm，厚度18μm。
所述介质基板14的一条边与介质基板12的一条边平行，中心与介质基板12的中心重合，尺寸与介质基板12完全相同；所述粘接层13的一条边与介质基板12的一条边平行，中心与介质基板12的中心重合，并且沿x和y方向的尺寸介质基板12相同；所述介质基板12为正方形基板，边长1.5mm，厚度254μm，材料为Rogers 5880，相对介电常数为2.2；所述粘接层13为正方形，边长1.5mm，厚度100μm材料为FR-25，相对介电常数为2.43。
实施例提供的一种W波段低剖面透射阵列天线整体结构如图7所示，包括矩形波导和正方形金属地板形成的馈源，位于馈源正上方的PRS阵面，以及位于PRS阵面正上方的透射阵面；所述PRS阵面的一条边与金属地板的一条边平行，中心与金属地板的中心重合，距金属地板距离h1；所述透射阵面的一条边与PRS阵面的一条边平行，中心与PRS阵面的中心重合，距PRS阵面距离h2。其中，所述馈源为WR10波导，口径长×宽＝2.54mm×1.27mm；所述正方形金属地板材料为铜，长×宽×高＝28.5mm×28.5mm×1mm；所述PRS阵面距离金属地板距离h1＝3.2mm，长×宽×高＝19.6mm×19.6mm×0.408mm；所述透射阵面距离PRS阵面的距离h2＝3.856mm，长×宽×高＝28.5mm×28.5mm×0.662mm。
实施例的W波段低剖面透射阵列天线，中心工作频率选定为100GHz。
如图8所示，为实施例W波段低剖面透射阵列天线增益随频率变化曲线。由图8可知，在95.3GHz～104.6GHz范围内，可以实现增益波动小于3dB，相对带宽为9.3％。
如图9所示，为实施例W波段低剖面透射阵列天线s11曲线。由图9可知，在3dB增益带宽内，除95.3GHz～95.8GHz频段s11小于-9dB，其余频点s11小于-10dB。
如图10所示，为实施例W波段低剖面透射阵列天线在95.5GHz沿E面、H面和D面的扫描波束图；其中，(a)代表沿E面扫描E面方向图，(b)代表沿E面扫描H面方向图，(c)代表沿H面扫描E面方向图，(d)代表沿H面扫描H面方向图，(e)代表沿D面扫描E面方向图，(f)代表沿D面扫描H面方向图。
如图11所示，为实施例W波段低剖面透射阵列天线在100GHz沿E面、H面和D面的扫描波束图；其中，(a)代表沿E面扫描E面方向图，(b)代表沿E面扫描H面方向图，(c)代表沿H面扫描E面方向图，(d)代表沿H面扫描H面方向图，(e)代表沿D面扫描E面方向图，(f)代表沿D面扫描H面方向图。
如图12所示，为实施例W波段低剖面透射阵列天线在104.5GHz沿E面、H面和D面的扫描波束图；其中，(a)代表沿E面扫描E面方向图，(b)代表沿E面扫描H面方向图，(c)代表沿H面扫描E面方向图，(d)代表沿H面扫描H面方向图，(e)代表沿D面扫描E面方向图，(f)代表沿D面扫描H面方向图。
由图10-图12可知，在3dB增益带宽(95.3GHz～104.6GHz)范围内，实施例W波段低剖面透射阵列天线可在二维空间内实现±40°的波束扫描。
以上实例仅为方便说明本发明，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、简化均应视为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高频毫米波低剖面透射阵列天线，其特征在于，包括馈源、位于馈源正上方的PRS阵面以及位于PRS阵面正上方的透射阵面；
所述PRS阵面包括位于阵面中心的阵列排列的第二PRS单元、以及位于第二PRS单元四周的阵列排列的第一PRS单元；所述第二PRS单元在工作频段的反射系数大于第一PRS单元在工作频段的反射系数；所述PRS阵面与金属地板之间的距离h1＝N/2×λ±0.2mm，λ为工作中心频率对应波长，N为大于1的正整数；
所述透射阵面由第一透射单元、第二透射单元、第三透射单元、第四透射单元、第五透射单元、第六透射单元、第七透射单元和第八透射单元组成；所述透射阵面的一条边与PRS阵面的一条边平行，中心与PRS阵面的中心重合，透射阵面与PRS阵面之间的距离h2＞λ/2，λ为工作中心频率对应波长；
所述透射阵面的第m行、第n列位置处透射单元的选择采用以下规则：
Figure FDA0004192855180000011
选择第一透射单元；
Figure FDA0004192855180000012
选择第二透射单元；
Figure FDA0004192855180000013
选择第三透射单元；
Figure FDA0004192855180000014
选择第四透射单元；
Figure FDA0004192855180000015
选择第五透射单元；
Figure FDA0004192855180000016
选择第六透射单元；
Figure FDA0004192855180000017
选择第七透射单元；
Figure FDA0004192855180000018
选择第八透射单元；
其中，
Figure FDA0004192855180000019
为第m行、第n列位置处透射单元所需满足的透射相位，φT0为参考相位，φU1，φU2，…，φU8分别为第一透射单元、第二透射单元、第三透射单元、第四透射单元、第五透射单元、第六透射单元、第七透射单元、第八透射单元在中心频率处的透射相位。
2.根据权利要求1所述的高频毫米波低剖面透射阵列天线，其特征在于，所述馈源包括波导和位于波导之上的金属地板。
3.根据权利要求1所述的高频毫米波低剖面透射阵列天线，其特征在于，所述第一PRS单元包括第一介质基板(7)、第二介质基板(5)、第一金属贴片(1)、第二金属贴片(3)、第一金属环(2)、第二金属环(4)和第一粘接层(6)；其中，所述第一金属贴片位于第二介质基板的上表面，所述第一金属环位于第二介质基板和第一粘接层之间，所述第二金属贴片位于第一粘接层和第一介质基板之间，所述第二金属环位于第一介质基板的下表面。
4.根据权利要求1所述的高频毫米波低剖面透射阵列天线，其特征在于，所述第二PRS单元包括第一介质基板(7)、第二介质基板(5)、第三金属贴片(8)、第四金属贴片(10)、第三金属环(9)、第四金属环(11)和第一粘接层(6)；其中，所述第三金属贴片位于第二介质基板的上表面，所述第三金属环位于第二介质基板和第一粘接层之间，所述第四金属贴片位于第一粘接层和第一介质基板之间，所述第四金属环位于第一介质基板的下表面。
5.根据权利要求1所述的高频毫米波低剖面透射阵列天线，其特征在于，所述第一透射单元包括第三介质基板(12)、第四介质基板(14)、第五金属贴片(15)、第六金属贴片(16)、第七金属贴片(17)和第二粘接层(13)；其中，所述第五金属贴片位于第三介质基板的上表面，所述第六金属贴片位于第二粘接层和第四介质基板之间，所述第七金属贴片位于第四介质基板的下表面；
所述第二透射单元包括第三介质基板(12)、第四介质基板(14)、第八金属贴片(18)、第九金属贴片(19)、第十金属贴片(20)和第二粘接层(13)；其中，所述第八金属贴片位于第三介质基板的上表面，所述第九金属贴片位于第二粘接层和第四介质基板之间，所述第十金属贴片位于第四介质基板的下表面；
所述第三透射单元包括第三介质基板(12)、第四介质基板(14)、第十一金属贴片(21)、第十二金属贴片(22)和第二粘接层(13)；其中，所述第十一金属贴片位于第三介质基板上表面，所述第十二金属贴片位于第四介质基板的下表面；
所述第四透射单元包括第三介质基板(12)、第四介质基板(14)、第十三金属贴片(23)和第二粘接层(13)；其中，所述第十三金属贴片位于第二粘接层和第四介质基板之间；
所述第五透射单元包括第三介质基板(12)、第四介质基板(14)、金属结构(24)和第二粘接层(13)；其中，所述金属结构位于第三介质基板的上表面，由外层金属环和内层金属贴片构成；
所述第六透射单元包括第三介质基板(12)、第四介质基板(14)、第一十字金属贴片(25)、第二十字金属贴片(26)、第三十字金属贴片(27)和第二粘接层(13)；其中，所述第一十字金属贴片位于第三介质基板上表面，所述第二十字金属贴片位于第二粘接层和第四介质基板之间，所述第三十字金属贴片位于第四介质基板的下表面；
所述第七透射单元包括第三介质基板(12)、第四介质基板(14)、第十四金属贴片(28)、第十五金属贴片(29)、第十六金属贴片(30)和第二粘接层(13)；其中，所述第十四金属贴片位于第三介质基板上表面，所述第十五金属贴片位于第二粘接层和第四介质基板之间，所述第十六金属贴片位于第四介质基板的下表面；
所述第八透射单元包括第三介质基板(12)、第四介质基板(14)、第十七金属贴片(31)、第十八金属贴片(32)、第十九金属贴片(33)和第二粘接层(13)；其中，所述第十七金属贴片位于第三介质基板的上表面，所述第十八金属贴片位于第二粘接层和第四介质基板之间，所述第十九金属贴片位于第四介质基板的下表面。
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