CN115377699B - 基于极化扭转单元的低剖面透射阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于极化扭转单元的低剖面透射阵列天线，包括角锥喇叭天线和透射阵列，阵列包括若干个透射单元，每个透射单元均包括介质基板，上层金属贴片和下层金属贴片。金属贴片为方形结构，上面蚀刻扇形缝隙，通过改变扇型缝隙的角度，实现其对相位的调控。此外通过对下层扇形缝隙的镜像，可以获得360°的相位范围。本发明与加入金属化通孔的透射阵列天线相比，简化了单元结构，增加了带宽；与带有空气层的多层透射阵列天线相比，仅有一层介质基板和两层金属层，减少了空气层，提高了阵列的稳定度，并能有效降低阵列的剖面高度，简化阵列安装过程，避免了由安装精度引入的误差，具有低剖面、高增益等优点。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别是一种基于极化扭转单元的低剖面透射阵列天线。
背景技术
在现代社会中，随着雷达和卫星通信等技术的快速发展，对高增益天线的需求与日俱增。透镜天线具有增益高，波束控制能力强等优点，但是其曲面结构体积较大，剖面较高，无法满足现代通信应用中系统集成的要求。平面微带阵列天线的剖面低，体积小，增益高，但是其复杂的馈电网络导致其损耗较高，影响了天线的性能。平面透射阵列天线结合了透镜天线和平面微带阵列天线的优点，具有增益高、重量轻、结构简单等优点，近年来受到了广泛的关注。但是平面透射阵列天线也存在带宽窄以及多层结构造成的剖面高等缺点。
设计透射阵列时一般采用多层结构的单元设计方法，来获得较好的透射幅度和较大的相位范围。2010年，Ryan Colan G等人在论文“A Wideband Transmitarray UsingDual-Resonant Double Square Rings”中提出了一种四层的双方环谐振单元。2014年，Abdelrahman Ahmed等人在论文“High-gain and broadband transmitarray antennausing triple-layer spiral dipole elements”中提出一种三层的螺旋偶极子单元。2016年，Zhong Xianjiang等人在论文“Design of multiple-polarization transmitarrayantenna using rectangle ring slot elements”中提出了一种三层的矩形槽透射单元。
对于上述提出的单元设计，仍然存在一个显著的问题，多层的结构导致阵列的剖面较高，影响天线的安装精度。为了解决这个问题，国内外学者提出了引入金属化通孔的设计方法。2016年，An Wenxing等人在论文中“A double-layer transmitarray antennausing malta crosses with vias”提出一种基于单层介质基板的透射单元设计，将两层Malta十字形金属贴片分别印制在介质基板的上下表面，由金属化通孔连接。2018年，ZhongXianjiang和Lei Zhiyong在论文中“Design and implementation of a low profilepolarization-reconfigurable transmitarray with linear polarized feed”提出了一种新型的可重构透射阵列，该透射单元由金属化通孔连接印制在上下两层介质基板上的十字形金属贴片。2019年，Yu Shixing等人在论文“Low-profile transmitarray lensantenna of X-band with one layer of substrate and metallic vias”中提出了一种低剖面透射阵列天线，透射单元通过金属化通孔连接印制在单层介质基板上层和下层的正方形分形金属贴片。然而这些加入金属化通孔的低剖面结构，带宽比较窄，并且结构中存在的金属化通孔，增加了结构的复杂度，同时增大了加工难度。
综上所述，目前已有的设计存在剖面高，带宽窄，加工复杂等问题，因此设计一种透射阵列天线，同时满足低剖面，增益高，宽带和易于加工这些要求是十分必要的，且非常具有挑战性。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种基于极化扭转单元的低剖面，高增益和宽带的透射阵列天线。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于极化扭转单元的低剖面透射阵列天线，包括角锥喇叭天线和透射阵列；所述角锥喇叭天线作为馈源，位于透射阵列的正上方；透射阵列包括若干个透射单元，每个透射单元均包括从上至下依次设置的上层金属贴片，介质基板和下层金属贴片；其中上层金属贴片和下层金属贴片分别印制在介质基板的上表面和下表面，上层金属贴片和下层金属贴片为方形结构，且其表面分别蚀刻外半径为R1，内外半径之差为W1，角度为angle的扇形缝隙。
进一步地，所述扇形缝隙的角度angle可调，用以实现透射单元的线性相位变化，角度angle的变化范围是176°到226°。
进一步地，所述扇形缝隙的圆心角位于上层金属贴片的中心，且从上层金属贴片的俯视角度，以其中心为原点建立坐标系，扇形缝隙的圆心角与圆弧中间点的连线始终沿着y轴正方向。
进一步地，所述上层金属贴片和下层金属贴片的尺寸相同，且两者上的扇形缝隙结构相互垂直，其中下层金属贴片上的扇形缝隙结构是在上层金属贴片扇形缝隙结构的基础上旋转±90°获得。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1)与带有空气层的多层透射阵列天线相比，该天线阵列仅有一层介质基板和两层金属贴片，减少了空气层，有效降低了阵列的剖面高度。
2)本发明与加入金属化通孔的透射阵列天线相比，增加了带宽，简化了单元结构，易于加工。
3)本发明提出的阵列天线的剖面高度为3mm，仅有0.1个自由空间波长，实现了天线的低剖面设计，能有效减小高增益天线在系统中所占空间，有利于系统集成。
4)本发明提出的基于极化扭转的透射单元结构，下层的扇形缝隙结构是在上层扇形缝隙的基础上，逆时针旋转90°，得到状态A，可以实现0°至180°的相位范围；顺时针旋转90°，得到状态B，可以实现0°至-180°的相位范围，因此可获得总共360°的移相范围。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明基于极化扭转单元的低剖面透射阵列天线示意图。
图2为本发明基于极化扭转单元的低剖面透射阵列天线的透射单元示意图，其中图 2(a)为透射单元的三维示意图，图2(b)为俯视图，图2(c)为底视图。
图3为本发明基于极化扭转单元的低剖面透射阵列天线的透射单元状态A和状态B示意图，其中图3(a)为透射单元状态A，图3(b)为透射单元状态B。
图4为本发明基于极化扭转单元的低剖面透射阵列天线的透射单元，在设计频率10GHz处，透射系数和相移随金属贴片上扇形缝隙角度angle变化的曲线图。
图5为本发明基于极化扭转单元的低剖面透射阵列天线，在10GHz处E面和H面的测量与仿真归一化辐射方向图，其中图5(a)为E面的测量与仿真归一化辐射方向图，图5(b)为H面的测量与仿真归一化辐射方向图。
图6为本发明基于极化扭转单元的低剖面透射阵列天线，在9.5GHz，10GHz，10.8GHz处E面和H面的测量归一化辐射方向图，其中图6(a)为透射阵列天线在 9.5GHz，10GHz，10.8GHz处E面的测量归一化辐射方向图，图6(b)为透射阵列天线在9.5GHz，10GHz，10.8GHz处H面的测量归一化辐射方向图。
图7为本发明基于极化扭转单元的低剖面透射阵列天线仿真和测量的增益及口径效率随频率变化的曲线图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，结合图1至图2，本发明基于极化扭转单元的低剖面透射阵列天线，包括角锥喇叭天线1和透射阵列2；所述角锥喇叭天线1作为馈源，位于透射阵列2的正上方；透射阵列2包括若干个透射单元3，每个透射单元3均包括从上至下依次设置的上层金属贴片5，介质基板4和下层金属贴片6；其中上层金属贴片5和下层金属贴片6分别印制在介质基板4的上表面和下表面，上层金属贴片5和下层金属贴片6 为方形结构，且其表面分别蚀刻外半径为R1，内外半径之差为W1，角度为angle的扇形缝隙。
进一步地，在其中一个实施例中，所述扇形缝隙的角度angle可调，用以实现透射单元3的线性相位变化，角度angle的变化范围是176°到226°。
优选地，结合图3，所述扇形缝隙的圆心角位于上层金属贴片5的中心，且从上层金属贴片5的俯视角度，以其中心为原点建立坐标系，扇形缝隙的圆心角与圆弧中间点的连线始终沿着y轴正方向。金属贴片5和6的尺寸一样，上层和下层扇形缝隙结构是互相垂直的。下层的扇形缝隙在上层扇形缝隙的基础上，逆时针旋转90°，得到State A 所示的结构，顺时针旋转90°，得到State B所示的结构。
进一步地，在其中一个实施例中，所述透射单元之间的间距P＝0.4λ，其中λ为所设定中心频率对应的自由空间波长。
进一步地，在其中一个实施例中，所述R1＜P/2，W1<R1。
进一步优选地，在其中一个实施例中，所述介质基板4采用单层介质结构，厚度H为3mm，仅为0.1个自由空间波长，介电常数为2.2。
如图4为透射单元在10GHz的透射幅度和相位随扇形缝隙角度angle变化的曲线图，透射幅度始终大于-2dB，State A可以实现0°到180°的相位范围，State B相位与StateA相位相差180°，可以实现0°到-180°的相位范围，总共可以实现360°的相位范围，具有良好的单元性能。
作为一种具体示例，在其中一个实施例中，对本发明做进一步详细说明。
本实施例基于极化扭转单元的低剖面透射阵列天线包括角锥喇叭天线1和透射阵列 2；所述角锥喇叭天线1作为馈源，位于透射阵列2的正上方；具体位置为：角锥喇叭与透射阵列2的竖直距离为177mm。本实施例中，透射阵列2口径面尺寸为276mm×276 mm，包括529个透射单元3；每个透射单元3均包括介质基板4，上层金属贴片5和下层金属贴片6；上层金属贴片5和下层金属贴片6分别印制在介质基板4的上表面和下表面。其中，介质基板4的介电常数为2.2，厚度H为3mm，透射单元3之间的间距 P＝12mm；金属贴片5和6为正方形结构，上面蚀刻外半径为R1，内外半径之差为W1，角度为angle的扇形缝隙，其外半径R1＝5mm，内外半径之差为W1＝2.5mm。扇形缝隙的角度angle可变，用以实现透射单元3的线性相位变化，角度angle的变化范围是176°到226°。
由图5可知，该透射阵列天线在设计频率10GHz，E面和H面的仿真和测量的辐射方向图吻合良好，E面的副瓣电平和交叉极化分别为-20dB和-26dB，H面的副瓣电平和交叉极化分别为-24dB和-26dB。
由图6可知，该透射阵列天线在不同频率下E面和H面的测量的方向图都比较合理。在不同频点处，天线波束的指向和形状均较为稳定，阵列天线副瓣和交叉极化始终分别低于-20dB和-23dB。
图7为该透射阵列天线随频率变化的增益以及口径效率的测量与仿真曲线图，最大增益为26.5dBi，对应的口径效率是43.7％。同时，该透射阵列天线可以实现13％的1-dB相对增益带宽。
综上，本发明提出的基于单层介质基板极化扭转的透射单元，在低剖面情况下实现大于-2dB的透射幅度以及360°相移范围，简化了结构，降低了成本，同时避免了多层介质基板组装时导致的安装误差以及现有低剖面单层介质基板设计中所需的金属化通孔，具有低剖面、增益高、宽带化及结构简单等优点。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于极化扭转单元的低剖面透射阵列天线，其特征在于，包括角锥喇叭天线(1)和透射阵列(2)；所述角锥喇叭天线(1)作为馈源，位于透射阵列(2)的正上方；透射阵列(2)包括若干个透射单元(3)，每个透射单元(3)均包括从上至下依次设置的上层金属贴片(5)，介质基板(4)和下层金属贴片(6)；其中上层金属贴片(5)和下层金属贴片(6)分别印制在介质基板(4)的上表面和下表面，上层金属贴片(5)和下层金属贴片(6)为方形结构，且其表面分别蚀刻外半径为R1，内外半径之差为W1，角度为angle的扇形缝隙；所述上层金属贴片(5)和下层金属贴片(6)的尺寸相同，且两者上的扇形缝隙结构相互垂直，其中下层金属贴片(6)上的扇形缝隙结构是在上层金属贴片(5)扇形缝隙结构的基础上旋转±90°获得。
2.根据权利要求1所述的基于极化扭转单元的低剖面透射阵列天线，其特征在于，所述扇形缝隙的角度angle可调，用以实现透射单元(3)的线性相位变化，角度angle的变化范围是176°到226°。
3.根据权利要求1或2所述的基于极化扭转单元的低剖面透射阵列天线，其特征在于，所述扇形缝隙的圆心角位于上层金属贴片(5)的中心，且从上层金属贴片(5)的俯视角度，以其中心为原点建立坐标系，扇形缝隙的圆心角与圆弧中间点的连线始终沿着y轴正方向。
4.根据权利要求3所述的基于极化扭转单元的低剖面透射阵列天线，其特征在于，所述若干个透射单元(3)周期性分布。
5.根据权利要求4所述的基于极化扭转单元的低剖面透射阵列天线，其特征在于，所述透射单元(3)之间的间距P＝0.4λ，其中λ为所设定中心频率对应的自由空间波长。
6.根据权利要求5所述的基于极化扭转单元的低剖面透射阵列天线，其特征在于，所述R1＜P/2，W1<R1。
7.根据权利要求5或6所述的基于极化扭转单元的低剖面透射阵列天线，其特征在于，所述介质基板(4)采用单层介质结构,厚度H为3mm，仅为0.1个自由空间波长，介电常数为2.2。
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