CN115360519B - 基于微金属线结构的高透光率反射阵天线 - Google Patents

基于微金属线结构的高透光率反射阵天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于微金属线结构的高透光率反射阵天线，涉及天线技术领域，包括：衬底，衬底为透明结构；介质层，位于衬底的一侧，介质层为透明结构；反射单元，位于介质层背离衬底的一侧；反射单元包括第一谐振结构和第二谐振结构，第一谐振结构和第二谐振结构均由微金属线形成；沿垂直于衬底的方向，第一谐振结构的正投影为闭合环形，第二谐振结构的正投影为十字型，且第二谐振结构的正投影位于第一谐振结构的正投影的范围内；衬底、介质层和反射单元形成一个反射阵天线单元，通过改变不同反射单元中的第一谐振结构和第二谐振结构的尺寸，改变反射阵天线的反射幅值和反射相位。本申请实现反射阵天线更高的透光率。

Description

基于微金属线结构的高透光率反射阵天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种基于微金属线结构的高透光率反射阵天线。
背景技术
随着卫星通信、微波通信和航空航天技术的发展，高增益天线越来越受到重视。作为新一代高增益天线，反射阵天线由于其剖面低、重量轻、成本低等特点，近年来引起了天线界越来越多的关注。反射阵天线结合了传统反射面天线和微带阵列的许多特点，同时又具有自身独特的优点。
相关技术中，天线在通讯设备中是关键的一环，在多种通讯设备的载体上通常带有光学观察窗口，这部分窗口加载上天线会对视线照成较大的遮挡，从而影响窗口的观察效果。
因此，亟需改善现有技术中反射阵天线对窗口的影响。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于微金属线结构的高透光率反射阵天线。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
第一方面，本申请提供一种基于微金属线结构的高透光率反射阵天线，包括：
衬底，衬底为透明结构；
介质层，位于衬底的一侧，介质层为透明结构；
反射单元，位于介质层背离衬底的一侧；反射单元包括第一谐振结构和第二谐振结构，第一谐振结构和第二谐振结构均由微金属线形成；沿垂直于衬底的方向，第一谐振结构的正投影为闭合环形，第二谐振结构的正投影为十字型，且第二谐振结构的正投影位于第一谐振结构的正投影的范围内；衬底、介质层和反射单元形成一个反射阵天线单元，通过改变不同反射单元中的第一谐振结构和第二谐振结构的尺寸，改变反射阵天线的反射幅值和反射相位。
可选地，还包括：馈源喇叭天线，位于反射阵天线的正上方；
根据馈源喇叭天线辐射至不同的反射阵天线单元的相位差，获取不同的反射阵天线单元中的第一谐振结构和第二谐振结构的尺寸，进一步获取反射阵天线中各反射阵天线单元的排布方式。
可选地，沿垂直于衬底的方向，微金属线的宽度为g，28μm≤g≤50μm。
可选地，沿垂直于衬底的方向，反射阵天线单元的正投影为正方向，且反射阵天线单元的边长为p，7.5mm≤p≤8.5mm。
可选地，沿垂直于衬底的方向，第一谐振结构的正投影包括第一宽度l1和第二宽度w，3.9mm≤l1≤7mm，2.2mm≤w≤4mm。
可选地，沿垂直于衬底的方向，第二谐振结构的正投影的宽度为l2，2.8mm≤l2≤6.75mm。
可选地，沿垂直于衬底的方向，介质层的厚度为t，3.5mm≤t≤4mm，衬底的厚度为t1，0.8mm≤t1≤1.2mm，反射单元3的厚度为t2，0.8mm≤t2≤1.2mm。
可选地，介质层为石英玻璃，石英玻璃的介电常数为3.75，损耗角正切为0.009。
可选地，衬底为氧化铟锡，氧化铟锡的方阻为6ohm/sq。
本发明的有益效果：
本发明提供的一种基于微金属线结构的高透光率反射阵天线，包括多个阵列排布的反射阵天线单元，每个反射阵天线单元包括依次排布的衬底、介质层和反射单元，其中，衬底和介质层均为透明结构，能够实现反射阵天线的高透光率；此外，反射单元包括第一谐振结构和第二谐振结构，第一谐振结构和第二谐振结构均由微金属线形成，可以理解的是，微金属线的尺寸较小，其排布在介质层的上方，不会影响反射阵天线的透光率；如此，实现反射阵天线更高的透光率。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的反射阵天线单元的一种结构示意图；
图2是本发明实施例提供的反射阵天线单元的一种俯视图；
图3是本发明实施例提供的反射阵天线单元的一种主视图；
图4是本发明实施例提供的仿真实验的一种结构示意图；
图5是本发明实施例提供的反射阵天线单元的相位排布的一种示意图；
图6是本发明实施例提供的反射阵天线单元的相位排布一意种仿真模型图；
图7是本发明实施例提供的仿真反射阵天线的E面方向图；
图8是本发明实施例提供的仿真反射阵天线的H面方向图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
现有技术中，为减小天线占用其他组件的面积，提升天线的整体集成度，将天线设置为透明天线；现有的透明天线包括两种，一种是基于透明导电材料，如采用氧化铟锡(ITO)，从而使得天线具有一定的透光率；另一种是采用金属网格结构来替代传统金属，金属网格占空比较低，以提高天线的透光率；不论是基于透明导电材料还是金属网格结构，可实现的透光率都较低，通常低于60％，要想实现更高的透光率就需要牺牲电导率，导致更大的损耗；而基于导电材料和金属网格结构的方法，使得透明天线的损耗较大，辐射效率远低于纯金属结构。
有鉴于此，本申请提供一种基于微金属线结构的高透光率反射阵天线，其中，反射阵天线的结构采用透明结构，能够保证高透过率；此外，反射阵天线单元中的反射单元3采用微金属结构，能够保证反射单元3不影响反射阵天线的透过率。
请参见图1～3，图1是本发明实施例提供的反射阵天线单元的一种结构示意图，图2是本发明实施例提供的反射阵天线单元的一种俯视图，图3是本发明实施例提供的反射阵天线单元的一种主视图，本申请所提供的一种基于微金属线结构的高透光率反射阵天线，包括：
衬底1，衬底1为透明结构；
介质层2，位于衬底1的一侧，介质层2为透明结构；
反射单元3，位于介质层2背离衬底1的一侧；反射单元3包括第一谐振结构3-1和第二谐振结构3-2，第一谐振结构3-1和第二谐振结构3-2均由微金属线形成；沿垂直于衬底1的方向，第一谐振结构3-1的正投影为闭合环形，第二谐振结构3-2的正投影为十字型，且第二谐振结构3-2的正投影位于第一谐振结构3-1的正投影的范围内；衬底1、介质层2和反射单元3形成一个反射阵天线单元，通过改变不同反射单元3中的第一谐振结构3-1和第二谐振结构3-2的尺寸，改变反射阵天线的反射幅值和反射相位。
具体而言，请继续参见图1～图3所示，本实施例中提供的基于微金属线结构的高透光率反射阵天线，包括多个阵列排布的反射阵天线单元，每个反射阵天线单元包括依次排布的衬底1、介质层2和反射单元3，其中，衬底1和介质层2均为透明结构，能够实现反射阵天线的高透光率；此外，反射单元3包括第一谐振结构3-1和第二谐振结构3-2，第一谐振结构3-1和第二谐振结构3-2均由微金属线形成，可以理解的是，微金属线的尺寸较小，其排布在介质层2的上方，不会影响反射阵天线的透光率；如此，实现反射阵天线更高的透光率。
需要说明的是，图1～图3所示实施例仅示意性示出了衬底1、介质层2和反射单元3的相对位置关系，并不代表其实际尺寸。
在本申请的一种可选地实施例中，还包括：馈源喇叭天线，位于反射阵天线的正上方；
根据馈源喇叭天线辐射至不同的反射阵天线单元的相位差，获取不同的反射阵天线单元中的第一谐振结构3-1和第二谐振结构3-2的尺寸，进一步获取反射阵天线中各反射阵天线单元的排布方式。
具体而言，本实施例中提供的基于微金属线结构的高透光率反射阵天线还包括馈源喇叭天线，其位于反射阵天线的正上方，馈源喇叭天线辐射出的电磁波射向反射阵天线单元，由于射向不同反射阵天线单元的相位不同，需要设计反射阵天线单元的排布方式，以补偿相位差，使得射向各个反射阵天线单元的相位相同；此外，通过调整反射阵天线单元的排布方式，进一步调整反射幅值和反射相位，使得反射阵天线可以实现360度的相移，并且反射损耗低于2.8dB。
在本申请的一种可选地实施例中，馈源喇叭天线垂直于反射阵天线，为防止馈源喇叭天线对反射阵天线辐射的遮挡，将反射阵天线辐射的主波束反向指向30度；如此，保证反射阵天线的品质。
在本申请的一种可选地实施例中，沿垂直于衬底1的方向，微金属线的宽度为g，28μm≤g≤50μm。
具体而言，为避免微金属线不影响反射阵天线的透光率，将第一谐振结构3-1和第二谐振结构3-2采用微金属线，保证反射阵天线的透光率。
在本申请的一种可选地实施例中，沿垂直于衬底1的方向，反射阵天线单元的正投影为正方向，且反射阵天线单元的边长为p，7.5mm≤p≤8.5mm。
在本申请的一种可选地实施例中，沿垂直于衬底1的方向，第一谐振结构3-1的正投影包括第一宽度l1和第二宽度w，3.9mm≤l1≤7mm，2.2mm≤w≤4mm。
在本申请的一种可选地实施例中，沿垂直于衬底1的方向，第二谐振结构3-2的正投影的宽度为l2，2.8mm≤l2≤6.75mm。
在本申请的一种可选地实施例中，沿垂直于衬底1的方向，介质层2的厚度为t，3.5mm≤t≤4mm，衬底1的厚度为t1，0.8mm≤t1≤1.2mm，反射单元3的厚度为t2，0.8mm≤t2≤1.2mm。
在本申请的一种可选地实施例中，介质层2为石英玻璃，石英玻璃的介电常数为3.75，损耗角正切为0.009。
具体而言，本实施例中介质层2采用石英玻璃，能够保证介质层2的透光性。
在本申请的一种可选地实施例中，衬底1为氧化铟锡，氧化铟锡的方阻为6ohm/sq。
具体而言，本实施例中的衬底1为氧化铟锡，能够保证反射阵天线的透光性。
在本申请的一种可选地实施例中，请参见图4～图6所示，图4是本发明实施例提供的仿真实验的一种结构示意图，图5是本发明实施例提供的反射阵天线单元的相位排布的一种示意图，图6是本发明实施例提供的反射阵天线单元的相位排布一意种仿真模型图，采用反射阵天线进行仿真实验，通过调整反射单元3中第一谐振结构3-1和第二谐振结构3-2的尺寸，可实现完整的360度相位变化，在12.5GHz-13.5GHz-14.5GHz之间实现回波损耗小于2.8dB；图4显示了在12.5GHz、13.5GHz和14.5GHz的法向入射波下模拟的反射幅度和相位随K和l2的变化，该图显示反射相位在191.5到-168.6之间变化，幅度在13.5GHz中心频率处大于-2.4dB；图3中的相位响应具有良好的线性度，可以得到反射幅值和相位相对稳定，峰值回波损耗仅为2.8dB，并且始终实现完整的360相移。在30度和50度斜入射范围波下的最大相位误差分别为21.8和31.2。
请参见图7～图8所示，图7是本发明实施例提供的仿真反射阵天线的E面方向图，图8是本发明实施例提供的仿真反射阵天线的H面方向图，通过仿真实验，仿真出的中心频率处(13.5GHz)可实现增益为24.3dBi，半功率波束宽度为9.9度，副瓣电平低于22.5dB，仿真出的天线总效率为41.2％。
通过上述的仿真实验，在保证反射阵天线的辐射的前提下，大大提升了反射阵天线的透光率，传统透明反射阵天线的透光率损失主要在于顶层谐振层，而顶层谐振层理论透光率高达97％，最终结构的透光率决于衬底1和地板的透光率，理论透光率超过84％，实测样品透光率达到82％；而采用本申请的反射阵天线能够有效克服以上缺陷，达到较高的透光率。
本发明提供的一种基于微金属线结构的高透光率反射阵天线，包括多个阵列排布的反射阵天线单元，每个反射阵天线单元包括依次排布的衬底、介质层和反射单元，其中，衬底和介质层均为透明结构，能够实现反射阵天线的高透光率；此外，反射单元包括第一谐振结构和第二谐振结构，第一谐振结构和第二谐振结构均由微金属线形成，可以理解的是，微金属线的尺寸较小，其排布在介质层的上方，不会影响反射阵天线的透光率；如此，实现反射阵天线更高的透光率。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于微金属线结构的高透光率反射阵天线，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底为透明结构，所述衬底为氧化铟锡；
介质层，位于所述衬底的一侧，所述介质层为透明结构，所述介质层为石英玻璃；
反射单元，位于所述介质层背离所述衬底的一侧，所述衬底、所述介质层和所述反射单元依次层叠设置，所述介质层位于所述衬底和所述反射单元之间；所述反射单元包括第一谐振结构和第二谐振结构，所述第一谐振结构和所述第二谐振结构均由微金属线形成；沿垂直于所述衬底的方向，所述第一谐振结构的正投影为闭合环形，所述第二谐振结构的正投影为十字型，且所述第二谐振结构的正投影位于所述第一谐振结构的正投影的范围内；所述衬底、所述介质层和所述反射单元形成一个反射阵天线单元，通过改变不同反射单元中的第一谐振结构和第二谐振结构的尺寸，改变所述反射阵天线的反射幅值和反射相位。
2.根据权利要求1所述的基于微金属线结构的高透光率反射阵天线，其特征在于，还包括：馈源喇叭天线，位于所述反射阵天线的正上方；
根据所述馈源喇叭天线辐射至不同的所述反射阵天线单元的相位差，获取不同的所述反射阵天线单元中的第一谐振结构和第二谐振结构的尺寸，进一步获取反射阵天线中各反射阵天线单元的排布方式。
3.根据权利要求1所述的基于微金属线结构的高透光率反射阵天线，其特征在于，沿垂直于所述衬底的方向，所述微金属线的宽度为g，28μm≤g≤50μm。
4.根据权利要求1所述的基于微金属线结构的高透光率反射阵天线，其特征在于，沿垂直于所述衬底的方向，所述反射阵天线单元的正投影为正方向，且所述反射阵天线单元的边长为p，7.5mm≤p≤8.5mm。
5.根据权利要求1所述的基于微金属线结构的高透光率反射阵天线，其特征在于，沿垂直于所述衬底的方向，所述第二谐振结构的正投影的宽度为l 2，2.8mm≤l 2≤6.75mm。
6.根据权利要求1所述的基于微金属线结构的高透光率反射阵天线，其特征在于，沿垂直于所述衬底的方向，所述介质层的厚度为t，3.5mm≤t≤4mm，所述衬底的厚度为t 1，0.8mm≤t 1≤1.2mm，所述反射单元3的厚度为t 2，0.8mm≤t 2≤1.2mm。
7.根据权利要求1所述的基于微金属线结构的高透光率反射阵天线，其特征在于，所述石英玻璃的介电常数为3.75，损耗角正切为0.009。
8.根据权利要求1所述的基于微金属线结构的高透光率反射阵天线，其特征在于，所述氧化铟锡的方阻为6ohm/sq。
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Transparent and Broadband Diffusion Metasurface With High Transparency and High Shielding Effectiveness Using Metallic Mesh;Jianzhong Chen;《IEEE Access》;全文 *
基于光透明薄膜的微带天线研究;王明丽;《中国优秀硕士学位论文全文数据库》;全文 *

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CN115360519A (zh) 2022-11-18

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