CN115064874A - 多波束平面天线 - Google Patents

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CN115064874A CN202210729365.2A CN202210729365A CN115064874A CN 115064874 A CN115064874 A CN 115064874A CN 202210729365 A CN202210729365 A CN 202210729365A CN 115064874 A CN115064874 A CN 115064874A
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李雨键
毕莹瑀
王均宏
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Beijing Jiaotong University
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Beijing Jiaotong University
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Abstract

本发明实施例提供一种多波束平面天线，涉及通信设备技术领域。多波束平面天线包括用于辐射电磁波的馈源、卡塞格伦波束形成器和透镜。卡塞格伦波束形成器设置于馈源的辐射电磁波出射方向，卡塞格伦波束形成器具有卡塞格伦主反射面和设置在卡塞格伦主反射面电磁波出射方向的第一金属平行板组。透镜设置在第一金属平行板组内，透镜远离卡塞格伦主反射面的一侧为弧形面，透镜用于修正多波束平面天线口径场的相位，以使口径场相位分布趋近于线性分布。从而可以降低旁瓣电平以及提高增益、口径效率实现宽角扫描范围内良好的波束辐射性能。

Description

多波束平面天线
技术领域
本发明涉及射频天线技术领域，具体而言，涉及一种多波束平面天线。
背景技术
移动通信的关键技术之一是毫米波多波束天线技术。基于准光类波束形成机理的反射面天线具有结构简单，辐射效率高等优势，常用于实现多波束辐射。
然而，对于多波束反射面天线，由于增大的馈源遮挡效应以及横向偏焦效应，扫描波束的辐射性能会发生恶化，大大限制了反射面天线多波束的扫描范围。
发明内容
本发明的目的包括，例如，提供了一种多波束平面天线，其能够改善波束的辐射性能，实现大角度范围内的多波束覆盖。
本发明的实施例可以这样实现：
第一方面，本发明提供一种多波束平面天线，包括：
用于辐射电磁波的馈源；
卡塞格伦波束形成器，所述卡塞格伦波束形成器设置于所述馈源的辐射电磁波出射方向，所述卡塞格伦波束形成器具有卡塞格伦主反射面和设置在所述卡塞格伦主反射面电磁波出射方向的第一金属平行板组；以及
透镜，所述透镜设置在所述第一金属平行板组内，所述透镜远离所述卡塞格伦主反射面的一侧为弧形面，所述透镜用于修正所述多波束平面天线口径场的相位，以使所述口径场相位分布趋近于线性分布。
在可选的实施方式中，所述透镜为均匀介质板。
在可选的实施方式中，所述透镜包括多个金属柱，多个所述金属柱二维等周期分布，多个所述金属柱中位于外周缘的所述金属柱远离所述卡塞格伦主反射面的一侧形成所述弧形面。
在可选的实施方式中，多个所述金属柱与所述金属平行板中的一个平行板一体成型。
在可选的实施方式中，所述弧形面向着远离所述卡塞格伦主反射面的一侧凸设，所述弧形面的扫掠线为圆锥曲线，所述卡塞格伦主反射面的扫略线为抛物线。
在可选的实施方式中，所述弧形面的扫掠线满足以下公式：
Figure BDA0003712396670000021
L3表示为圆锥曲线的离心率，p表示圆锥曲线的焦距，z表示卡塞格伦主反射面的扫掠线的顶点为坐标原点的坐标系上的纵坐标，y表示卡塞格伦主反射面的扫掠线的顶点为坐标原点的坐标系上的横坐标，其中，横坐标的坐标轴为卡塞格伦主反射面过顶点的切线，纵坐标的坐标轴为卡塞格伦主反射面的扫略线的对称轴。
在可选的实施方式中，所述透镜靠近所述卡塞格伦主反射面的一侧为直面。
在可选的实施方式中，所述透镜的高度由所述透镜的中心分别向着靠近所述卡塞格伦主反射面的一侧和远离所述卡塞格伦主反射面的一侧递减。
在可选的实施方式中，所述馈源包括依次设置的板端连接器、波导阵列短路端、馈电网络和波导阵列，所述板端连接器用于天线信号输入；
所述波束形成器还具有第二金属平行板组、第三金属平行板组和卡塞格伦副反射面，所述第一金属平行板组、所述第二金属平行板组和所述第三金属平行板组均两两平行设置，所述卡塞格伦副反射面形成于所述第二金属平行板组和所述第三金属平行板组的一端，所述卡塞格伦主反面形成于所述第二金属平行板组与所述第一金属平行板组之间，且所述卡塞格伦副反射面和所述卡塞格伦主反射面相对设置，所述第三平行板设置于所述波导阵列的电磁波辐射路径，由所述波导阵列辐射的电磁波进入所述第三金属平行板组后经所述卡塞格伦副反射面反射至所述第二金属平行板组内，进入所述第二金属平行板组内的辐射电磁波经所述卡塞格伦主反射面反射至所述第一金属平行板组内；
所述第三平行金属板的间距由中间分别向着波导阵列和卡塞格伦副反射面的两侧变小。
在可选的实施方式中，所述多波束平面天线还包括辐射结构，所述辐射结构设置于所述金属平行板组辐射波束出射的一侧，且所述辐射结构与所述第一金属平行板组呈夹角设置，所述辐射结构为张开的金属板组，且所述金属板组向着远离所述第一金属平行板组的方向张开的开口增大。
本发明实施例提供的多波束平面天线的有益效果包括：
由于反射面波束扫描是通过馈源横向偏焦来实现的，但是横向偏焦距离较大时会导致多波束平面天线的口径场非线性的相位分布，从而使天线的辐射性能降低。本申请通过在第一平行金属板组内设置透镜，透镜可以改善口径场内的相位，使得非线性的相位分布更趋近于线性分布，从而可以降低旁瓣电平以及提高增益、口径效率实现宽角扫描范围内良好的波束辐射性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明实施例提供的多波束平面天线的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的多波束平面天线的纵向剖视结构示意图；
图3为本发明实施例提供的多波束平面天线的横向剖视结构示意图；
图4为本发明实施例提供的多波束平面天线的内部射线轨迹图；
图5为本发明实施例提供的多波束平面天线的第一部分端口的反射系数结果图；
图6为本发明实施例提供的多波束平面天线的第二部分端口的反射系数结果图；
图7为本发明实施例提供的多波束平面天线的第三部分端口的反射系数结果图；
图8为本发明实施例提供的多波束平面天线的在28G频点下仿真和实测结果图；
图9为本发明实施例提供的多波束平面天线的在34G频点下仿真和实测结果图；
图10为本发明实施例提供的多波束平面天线的在40G频点下仿真和实测结果图；
图11为本发明实施例提供的多波束平面天线的第一部分端口的增益结果图；
图12为本发明实施例提供的多波束平面天线的第二部分端口的增益结果图；
图13为本发明实施例提供的多波束平面天线的-3dB波束投影图；
图14为本发明实施例提供的多波束平面天线的双天线结构及覆盖示意图。
图标：100-多波束平面天线；110-馈源；111-板端连接器；113-波导阵列短路端；115-馈电网络；117-波导阵列；130-卡塞格伦波束形成器；131-卡塞格伦主反射面；133-第一金属平行板组；135-第二金属平行板组；137-第三金属平行板组；139-卡塞格伦副反射面；150-透镜；151-弧形面；153-金属柱；155-直面；170-辐射结构。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
请参考图1，本实施例提供了一种多波束平面天线100包括用于辐射电磁波的馈源110、卡塞格伦波束形成器130和透镜150。所述卡塞格伦波束形成器130设置于所述馈源110的辐射电磁波出射方向，所述卡塞格伦波束形成器130具有卡塞格伦主反射面131和设置在所述卡塞格伦主反射面131电磁波出射方向的第一金属平行板组133。所述透镜150设置在所述第一金属平行板组133内，所述透镜150远离所述卡塞格伦主反射面131的一侧为弧形面151，所述透镜150用于修正所述多波束平面天线100口径场的相位，以使所述口径场相位分布趋近于线性分布。
由于反射面波束扫描是通过馈源110横向偏焦来实现的，但是横向偏焦距离较大时会导致多波束平面天线100的口径场非线性的相位分布，从而使天线的辐射性能降低。本申请通过在第一平行金属板组内设置透镜150，透镜150可以改善口径场内的相位，使得非线性的相位分布更趋近于线性分布，从而可以降低旁瓣电平以及提高增益、口径效率实现宽角扫描范围内良好的波束辐射性能。采用单天线结构或者双天线结构形成一到两组宽角扫描的扇形波束，即可实现大角度范围的无线电波覆盖。
需要说明的是，口径场为天线口径面上的电场，口径面为天线最后出射的面。
具体的，透镜150用于降低口径场相位分布同相同扫描角度时理想线性相位分布之间的标准差，使得口径场相位分布更趋近于线性分布，从而避免了由于高次项相位误差所导致的波束性能恶化问题，改善了宽角扫描波束辐射性能。天线口径场相位分布相对于理想线性分布的标准差表示为：
Figure BDA0003712396670000061
其中，φ(y)为所述天线口径场相位分布，φ0(y)为相同扫描角度时理想线性的相位分布，n为口径面离散点数，yi为口径面对应点的横坐标。
在本实施例中，所述透镜150包括多个金属柱153，多个所述金属柱153二维等周期地设置于第一金属平行板组133内，多个所述金属柱153中位于外周缘的所述金属柱153远离所述卡塞格伦主反射面131的一侧形成所述弧形面151。
需要说明的是，二维等周期设置是指多个所述金属柱153的截面相同、排布间距相同的方式设置在同一平面内。
在本实施例中，所有的金属柱153均为等边六棱柱，其边长相同，只是每一排的高度不同。
在本申请的另外一些实施例中，透镜150也可以是均匀介质板，例如在第一金属平行板中填充一段具有相同等效介电常数的树脂结构。
本申请将通过弧形面151调控出射射线使其更趋近于平行射线，即降低口径面上非线性相位分布的误差，达到改善大角度扫描波束辐射性能的目标。继而实现宽带内稳定的宽角扫描。使用多个金属柱153二维等周期排布更能容易形成合适的介电常数、实现等周期排布以及可以更好的实现圆锥曲线几何参数。
在本实施例中，多个所述金属柱153与所述第一金属平行板组133中的一个平行板一体成型。便于透镜150的制造、加工和装配。
在本实施例中，所述弧形面151向着远离所述卡塞格伦主反射面131的一侧凸设，所述弧形面151的扫掠线为圆锥曲线，所述卡塞格伦主反射面131的扫略线为抛物线。
在本实施例中，透镜150靠近所述卡塞格伦主反射面131的一侧为直面155，即靠近卡塞格伦主反射面131一侧的一行金属柱153呈直线排布。宽度与辐射口径相等。
在本实施例中，所述弧形面151的扫掠线满足以下公式：
Figure BDA0003712396670000071
l3表示为圆锥曲线的离心率，p表示圆锥曲线的焦距，z表示卡塞格伦主反射面131的扫掠线的顶点为坐标原点的坐标系上的纵坐标，y表示卡塞格伦主反射面131的扫掠线的顶点为坐标原点的坐标系上的横坐标，其中，横坐标的坐标轴为卡塞格伦主反射面131过顶点的切线，纵坐标的坐标轴为卡塞格伦主反射面131的扫略线的对称轴。
固定圆锥曲线两侧z值不变，离心率越小，焦距越小，l3越大，表示圆锥曲线曲率越大，入射射线由此折射后的偏移角度也越大。通过设计合适的介电常数以及圆锥曲线几何参数，可以调控出射射线使其更趋近于平行射线，即降低口径面上非线性相位分布的误差，达到改善大角度扫描波束辐射性能的目标。继而实现宽带内稳定的宽角扫描。
在本实施例中，所述透镜150的高度由所述透镜150的中心分别向着靠近所述卡塞格伦主反射面131的一侧和远离所述卡塞格伦主反射面131的一侧递减。从而可以实现透镜150与空气填充的第一金属平行板组133匹配。
在本实施例中，多个金属柱153每一行的高度相同，每一列的高度间的一个金属柱153的高度最高，两侧的高度逐渐递减。当然在本申请的另外一些实施例中，也可以是填充的树脂材料高度由中间向两侧渐降。
在本实施例中，所述馈源110包括依次设置的板端连接器111、波导阵列短路端113、馈电网络115和波导阵列117，所述板端连接器111用于天线信号输入。所述波束形成器还具有第二金属平行板组135、第三金属平行板组137和卡塞格伦副反射面139，所述第一金属平行板组133、所述第二金属平行板组135和所述第三金属平行板组137均两两平行设置，所述卡塞格伦副反射面139形成于所述第二金属平行板组135和所述第三金属平行板组137的一端，所述卡塞格伦主反射面131形成于所述第二金属平行板组135与所述第一金属平行板组133之间，且所述卡塞格伦副反射面139和所述卡塞格伦主反射面131相对设置，所述第三金属平行板组137设置于所述波导阵列117的电磁波辐射路径，由所述波导阵列117辐射的电磁波进入所述第三金属平行板组137后经所述卡塞格伦副反射面139反射至所述第二金属平行板组135内，进入所述第二金属平行板组135内的辐射电磁波经所述卡塞格伦主反射面131反射至所述第一金属平行板组133内。第三平行金属板的间距由中间分别向着波导阵列117和塞格伦副反射面的两侧变小。
在本实施例中，第三金属平行板组137的间距由中间分别向着波导阵列117和塞格伦副反射面的两侧变小，可以实现阻抗的匹配。
在本实施例中，卡塞格伦主反射面131的扫掠线为抛物线，其函数为满足以下公式：
y2＝4fmz；
其中，fm为抛物线焦距，焦距越大，主反射面曲率更小；y表示和z表示卡塞格伦主反射面131的扫掠线的顶点为坐标原点的坐标系上的纵坐标，y表示卡塞格伦主反射面131的扫掠线的顶点为坐标原点的坐标系上的横坐标，其中，横坐标的坐标轴为卡塞格伦主反射面131过顶点的切线，纵坐标的坐标轴为卡塞格伦主反射面131的扫略线的对称轴。
卡塞格伦副反射面139的扫掠线为双曲线，满足以下公式：
Figure BDA0003712396670000091
其中，fs为双曲线焦距，e为双曲线离心率，根据卡塞格伦反射面工作原理，双曲线一侧焦点与主反射面焦点重合，另一侧焦点位置摆放馈源110，柱面波经由位于焦点位置的馈源110发出，经由卡塞格伦副反射面139以及卡塞格伦主反射面131反射后，在卡塞格伦主反射面131口径处将转化为平面波，继而形成高增益的窄波束。此外，当馈源110相对于焦点位置横向偏移一定距离后，横向偏焦效应将导致波束指向角度发生偏移，固定卡塞格伦双反射面结构，馈源110横向偏焦距离越大，形成的波束扫描角度也越大，但与此同时，由于口径面上场的相位分布相对于理想线性相位分布的差异也越来越大，导致大角度的扫描波束辐射性能恶化，具体表现为上升的旁瓣电平以及下降的增益。
在本实施例中，第三金属平行板组137和第二金属平行板组135共用一个金属平行板，第二金属平行板和第三金属平行板共用一个金属平行板。
请参照图1、图2和图12，在本实施例中，所述多波束平面天线100还包括辐射结构170，所述辐射结构170设置于所述金属平行板组辐射波束出射的一侧，且所述辐射结构与所述第一金属平行板组呈夹角设置，所述辐射结构170为张开的金属板组，且所述金属板组向着远离所述第一金属平行板组133的方向张开的开口增大。
需要说明的是，辐射结构与第一金属平行板组呈夹角设置是为了改变波束的指向，使天线可以根据实际应用场景实现所需的波束覆盖范围。例如，采用两个相同的天线以背对背形式放置，同时将连接辐射结构的金属板组向下倾斜，从而可以实现方位面内大范围且密集的电波覆盖。
在本实施例中，波导阵列中两个相邻的波导等幅同相馈电，以激励卡塞格伦波束形成器130以形成一个扫描波束，同一波导由相邻两个波束共用，波导阵列117由两组开关电路控制。波导阵列117由微带到脊波导转接结构集成到电路板中，继而通过开关电路控制，以实现将两个馈电端口转换为一个输入端口，对应一个辐射波束。波导阵列117位于同一平面上，不同横向偏焦位置的馈源110用于形成水平面上的不同指向的扫描波束。
在本申请的一些实施例中也可以使用一个多波束平面线结构实现端向辐射，也可以使用两个具有相同馈源110、卡塞格伦波束形成器130以及透镜150，连接辐射结构170的金属平行板弯折相同角度，两天线以背对形式放置，指向相反。
请参照图5、图6和图7，由仿真和测试结果可以看出在整个工作频段，仿真结果及测试结果一致性较高，|Smm|(m＝1-11)均低于-9dB，同时，对称分布的两端口之间传输系数测试值均小于-20dB,非对称分布的两端口之间传输系数更小，因此证明了该天线具有较高的端口隔离度。天线工作带宽约35％，工作在Ka频段，具备宽带特性。
请参照图8、图9和图10，其中，短划线为仿真结果，实线为测试结果，由于结构对称性，这里只给出了相互独立的11个辐射波束的测试方向图。可以看到，测试结果与仿真结果相吻合，扫描角度达±60°，波束间交叉电平均高于-3dB，旁瓣电平测试结果均小于-9dB，交叉极化电平值均小于-20dB，测试结果验证了天线具备良好的宽角扫描性能，且在整个工作频段内性能稳定。
请参照图11和图12，增益的测试结果与仿真结果一致性较好，增益测试结果最高达18.1dBi，每个端口对应增益变化在-3dB以内，辐射性能稳定。
请参照图13，由该图可以看出，基于本发明提出的宽角扫描多波束平面天线100，采用单天线结构即可实现较大范围的方位面电波覆盖，可用于室内无线通信等应用场景
请参照图14，是本发明实施例提供的基于宽角扫描多波束平面天线100的双天线结构电波覆盖方案。通过将连接辐射结构170的金属平行板弯折一定角度而改变天线在E面的波束指向以及覆盖范围，通过采用两个具有相同馈电结构、相同卡塞格伦波束形成器130以及相同平面透镜150，且辐射结构170倾斜角度相同的天线以背对形式放置，可产生两组宽角扫描的扇形波束，以进一步增大电波覆盖的范围。
综上所述，本发明实施例提供的多波束平面天线100的工作原理和有益效果包括：
本申请通过在第一平行金属板组内设置透镜150，透镜150可以改善口径场内的相位，使得非线性的相位分布更趋近于线性分布，从而可以降低旁瓣电平以及提高增益、口径效率实现宽角扫描范围内良好的波束辐射性能，并且结构更简单，且具备宽带特性以及稳定的辐射特性，易于加工，可以应用于室内通信或无线热点场景中以实现大角度范围的无线电波覆盖。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种多波束平面天线，其特征在于，包括：
用于辐射电磁波的馈源；
卡塞格伦波束形成器，所述卡塞格伦波束形成器设置于所述馈源的辐射电磁波出射方向，所述卡塞格伦波束形成器具有卡塞格伦主反射面和设置在所述卡塞格伦主反射面电磁波出射方向的第一金属平行板组；以及，
透镜，所述透镜设置在所述第一金属平行板组内，所述透镜远离所述卡塞格伦主反射面的一侧为弧形面，所述透镜用于修正所述多波束平面天线的口径场的相位，以使口径场相位分布趋近于线性分布。
2.根据权利要求1所述的多波束平面天线，其特征在于，所述透镜为均匀介质板。
3.根据权利要求1所述的多波束平面天线，其特征在于，所述透镜包括多个金属柱，多个所述金属柱二维等周期分布，多个所述金属柱中位于外周缘的所述金属柱远离所述卡塞格伦主反射面的一侧形成所述弧形面。
4.根据权利要求3所述的多波束平面天线，其特征在于，多个所述金属柱与所述第一金属平行板组中的一个平行板一体成型。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的多波束平面天线，其特征在于，所述弧形面向着远离所述卡塞格伦主反射面的一侧凸设，所述弧形面的扫掠线为圆锥曲线，所述卡塞格伦主反射面的扫略线为抛物线。
6.根据权利要求5所述的多波束平面天线，其特征在于，所述弧形面的扫掠线满足以下公式：
Figure FDA0003712396660000011
L3为圆锥曲线顶点到抛物面顶点的距离，el表示为圆锥曲线的离心率，p表示圆锥曲线的焦距，z表示卡塞格伦主反射面的扫掠线的顶点为坐标原点的坐标系上的纵坐标，y表示卡塞格伦主反射面的扫掠线的顶点为坐标原点的坐标系上的横坐标，其中，横坐标的坐标轴为卡塞格伦主反射面过顶点的切线，纵坐标的坐标轴为卡塞格伦主反射面的扫略线的对称轴。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的多波束平面天线，其特征在于，所述透镜靠近所述卡塞格伦主反射面的一侧为直面。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的多波束平面天线，其特征在于，所述透镜的高度由所述透镜的中心分别向着靠近所述卡塞格伦主反射面的一侧和远离所述卡塞格伦主反射面的一侧递减。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的多波束平面天线，其特征在于，所述馈源包括依次设置的板端连接器、波导阵列短路端、馈电网络和波导阵列，所述板端连接器用于天线信号输入；
所述波束形成器还具有第二金属平行板组、第三金属平行板组和卡塞格伦副反射面，所述第一金属平行板组、所述第二金属平行板组和所述第三金属平行板组均两两平行设置，所述卡塞格伦副反射面形成于所述第二金属平行板组和所述第三金属平行板组的一端，所述卡塞格伦主反面形成于所述第二金属平行板组与所述第一金属平行板组之间，且所述卡塞格伦副反射面和所述卡塞格伦主反射面相对设置，所述第三金属平行板组设置于所述波导阵列的电磁波辐射路径，由所述波导阵列辐射的电磁波进入所述第三金属平行板组后经所述卡塞格伦副反射面反射至所述第二金属平行板组内，进入所述第二金属平行板组内的辐射电磁波经所述卡塞格伦主反射面反射至所述第一金属平行板组内；
所述第三金属平行板组的间距由中间分别向着所述波导阵列和所述卡塞格伦副反射面的两侧变小。
10.根据权利要求1-4中任一项所述的多波束平面天线，其特征在于，所述多波束平面天线还包括辐射结构，所述辐射结构设置于所述第一金属平行板组辐射波束出射的一侧，且所述辐射结构与所述第一金属平行板组呈夹角设置，所述辐射结构为张开的金属板组，且所述金属板组向着远离所述第一金属平行板组的方向张开的开口增大。
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