CN115642405A

CN115642405A - 一种覆盖全Ka波段的宽带圆极化集成馈源透射阵天线

Info

Publication number: CN115642405A
Application number: CN202211140957.7A
Authority: CN
Inventors: 马自龙; 肖新风
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2022-09-19
Filing date: 2022-09-19
Publication date: 2023-01-24

Abstract

本发明公开了一种覆盖全Ka波段的宽带圆极化集成馈源透射阵天线，包括阵面和集成馈源，集成馈源的相位中心与阵面的焦点重合，垂直照射阵面，并与阵面在水平方向上形成45度夹角，其中：阵面包括多个不同尺寸的以线性形式排列的阵面单元，每个阵面单元均包括两个正交设置的第一介质板和第二介质板，第一介质板和第二介质板的高度相同但厚度不同；集成馈源包括堆叠的第一PCB板和第二PCB板，第一PCB板上设置有基片集成波导并开设有耦合缝隙，第二PCB板上设置有基片集成波导腔体以及设置在基片集成波导腔体四周的环形金属贴片。本发明能够实现较宽的轴比带宽和增益带宽，并具有低剖面、重量轻、易加工、低成本的优点。

Description

一种覆盖全Ka波段的宽带圆极化集成馈源透射阵天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种覆盖全Ka波段的宽带圆极化集成馈源透射阵天线。

背景技术

近年来，5G毫米波通信因其高速率、低延时、大连接等的优点，引起了学术界以及工业界的广泛关注。相比微波通信，由于工作频率的升高，电磁波在空气中传播时会面临很高的损耗，因此，毫米波频段的天线往往需要具有高增益的特性。与此同时，频率升高会导致天线的物理尺寸变小，这使得天线的加工难度增加，尤其是对于天线阵列这种涉及复杂馈电网络的结构，设计难度和加工难度都大幅度增加。面对这些问题，透射阵天线无疑是一种很好的解决方案。其馈电方式为空间馈电，无需复杂的馈电网络，在降低设计及加工难度的同时具有低馈电损耗的优点。此外，由于其工作原理类似于棱镜天线，所以天然具有高增益的特性。

目前，对于透射阵天线的研究仍然存在一些需要改进的方面。首先，就极化形式而言，圆极化透射阵天线的研究相对较少，而且已报道的相关设计普遍存在带宽较窄的问题，这主要体现在轴比带宽和增益带宽两个方面。目前已报道的设计中轴比带宽一般不超过25％，3-dB增益带宽则更窄(C.Tian，Y.Jiao and G.Zhao，″Circularly polarizedtransmitarray antenna using low-profile dual-linearly polarized elements，″IEEE An tennas Wireless Propag.Lett.，vol.16，pp.465-468，2017)。其次，传统的透射阵天线一般采用喇叭天线作为馈源，然而喇叭天线普遍存在体积大、重量重、加工难度高、成本高等的缺点，非常不利于实际的工程应用。

发明内容

为了解决现有技术中存在的传统圆极化透射阵天线轴比带宽和增益带宽较窄、传统圆极化透射阵天线中馈源部分体积大、重量重、加工难度高、成本高等问题，本发明提出一种覆盖全Ka波段的宽带圆极化集成馈源透射阵天线，阵面单元采用十字形的介质传输线作为基本单元结构，可以保证阵面单元在宽带范围内相移的稳定性，从而能够实现较宽的轴比带宽和增益带宽，采用集成馈源替代传统的喇叭馈源，其工作带宽可以与宽带阵面相匹配，具有低剖面、重量轻、易加工、低成本的优点。

为了实现本发明目的，本发明提供的一种覆盖全Ka波段的宽带圆极化集成馈源透射阵天线，包括阵面和集成馈源，集成馈源的相位中心与阵面的焦点重合，垂直照射阵面，并与阵面在水平方向上形成45度夹角，其中：

阵面包括多个不同尺寸的以线性形式排列的阵面单元，每个阵面单元均包括两个正交设置的第一介质板和第二介质板，第一介质板和第二介质板的高度相同但厚度不同；

集成馈源包括堆叠的第一PCB板和第二PCB板，第一PCB板上设置有基片集成波导并开设有耦合缝隙，第二PCB板上设置有基片集成波导腔体以及设置在基片集成波导腔体四周的环形金属贴片。

进一步地，还包括转接头，转接头用于给集成馈源馈电。

进一步地，第一介质板和第二介质板的厚度W1和W2的选取需遵循费马原理和圆极化辐射原理，其中：

根据费马原理，集成馈源辐射的电磁波在经过阵面后需具有平面波的波前，因此，每个阵面单元所需的移相大小为：

式中，x和y表示阵面上某点在x方向和y方向上的坐标，f表示阵面的焦距，λ表示自由空间波长，

表示任意初始相位；

表示点(x，y)处的移相大小，阵面单元内存在两个正交的电场模式，其在单元内的移相大小可分别表示为

和

满足费马原理即需令

或

二者之一等于

为满足圆极化辐射原理，

和

同时满足

借助全波仿真软件进行参数扫描即可得出满足以上两个条件的厚度W₁和W₂。

进一步地，阵面采用3D打印技术一体成型。

进一步地，耦合缝隙开设在波导短路端处。

进一步地，基片集成波导腔体呈矩形。

进一步地，调整每个阵面单元的介质板的厚度参数，能改变每个阵面单元内相应分量的移相大小。

进一步地，环形金属贴片为矩形环。

与现有技术相比，本发明至少能够实现以下有益效果：

本发明通过采用十字形介质板的单元结构，利用介质传输线的真时延特性，实现了宽带的透射阵阵面设计。同时，基于基片集成波导技术提出了一种宽带的集成馈源设计，相比传统的喇叭馈源，集成馈源具有低剖面、重量轻、易加工、低成本的优点。性能上，本发明具有宽带(可覆盖整个Ka波段)、高增益、工作频带内性能稳定的优点。

附图说明

为了更清楚地说明发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，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的附图，其中：

图1是本发明实施例提供的一种覆盖全Ka波段的宽带圆极化集成馈源透射阵天线的结构示意图。

图2是本发明实施例中阵面单元的结构示意图。

图3是本发明实施例中集成馈源的结构示意图。

图4是本发明实施例集成馈源中第一PCB板的结构示意图。

图5是本发明实施例集成馈源中第二PCB板的结构示意图。

图6是本发明实施例中集成馈源的S参数和频率之间的关系曲线示意图。

图7是本发明实施例中集成馈源的增益性能示意图。

图8是本发明实施例中集成馈源在E面和H面的中心频率处的方向图。

图9是本发明实施例中透射阵天线的S参数和频率之间的关系曲线示意图。

图10是本发明实施例中透射阵天线的轴比性能示意图。

图11是本发明实施例中透射阵天线的增益性能示意图。

图12是本发明实施例中透射阵天线的在E面和H面的中心频率处的方向图。

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、完整的描述，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都是本发明保护的范围。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本发明，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的组件或操作而已，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提供的一种覆盖全Ka波段的宽带圆极化集成馈源透射阵天线，如图1所示，所述天线包括阵面11和集成馈源13。集成馈源13的相位中心与阵面11的焦点重合，垂直照射阵面11，并与阵面11在水平方向上形成45度夹角。集成馈源13由转接头14进行馈电。直角坐标系的建立如图1至图5所示，坐标系xy平面与阵面11平行，x轴和y轴分别平行于阵面11的两个边，z轴指向电磁波垂直入射至阵面的方向。

在本发明的其中一些实施例中，转接头14为标准波导与基片集成波导之间的转换结构。

阵面11包括多个、不同尺寸、以线性形式排列的阵面单元12。请参阅图2，每个阵面单元12包括两个正交放置的第一介质板21和第二介质板22，二者高度相同，均为H，厚度不同，分别为W₁和W₂。

每个单元的高度H可采用经验值，一般为3个自由空间波长。第一介质板21和第二介质板22的厚度W₁和W₂的选取需遵循：1)费马(Fermat’s principle)原理；2)圆极化辐射原理。首先，根据费马原理，集成馈源13辐射的电磁波在经过阵面11后需具有平面波的波前，因此，每个阵面单元12所需的移相大小为：

其中，x和y表示阵面11上某点在x方向和y方向上的坐标，f表示阵面11的焦距，λ表示自由空间波长，

表示任意初始相位；

表示点(x，y)处的移相大小，即为每个阵面单元12所需的移相大小。阵面单元12内存在两个正交的电场模式，其在单元内的移相大小可分别表示为

和

满足费马原理即需令

或

二者之一等于

另一方面，为满足圆极化辐射原理，这两个相位还需同时满足下式，

借助全波仿真软件Ansys HFSS进行参数扫描即可得出满足以上两个条件的W₁和W₂。

在本发明的其中一些实施例中，阵面11的加工采用3D打印技术一体成型，电介质材料的相对介电常数为2.9，损耗角正切为0.01。

集成馈源13为双层PCB板结构，包括堆叠的第一PCB板32和第二PCB板33，并由端口31进行馈电，如图3所示。第一PCB板32上设置有一段基片集成波导，在波导短路端处开设有一个耦合缝隙41，如图4所示。第二PCB板33上设置有一个矩形的基片集成波导腔体52，在基片集成波导腔体52的四周设置有环形金属贴片51，如图5所示。耦合缝隙41的作用为将电磁波耦合至基片集成波导腔体52当中，并由基片集成波导腔体52进行辐射。通过调整环形金属贴片51的环宽可以调整馈源的波束宽度。

在本发明的其中一些实施例中，第一PCB板32和第二PCB板33的厚度分别为1.295mm和1.575mm。基板材料的介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。

当前述实施例提供的集成馈源透射阵天线工作时，电磁信号通过转接头14馈入集成馈源13，然后由集成馈源13产生45度线极化的电磁波入射至阵面11。该线极化波可以通过矢量分解得到两个正交的等幅同相位分量。由于阵面单元12中的第一介质板21和第二介质板22厚度不同，所以阵面单元12可以被视作为一个各向异性结构，其可以使入射波的两个分量在传播过程中具有不同的相位常数。在经过一定的传播距离后，入射波的两个分量之间的相位差可以达到90度，从而实现圆极化辐射。类似的，通过调整每个阵面单元12内介质板的厚度参数，可以改变每个阵面单元12内相应分量的移相大小，从而使电磁波在出射时满足费马原理，实现聚焦波束。

在本发明的其中一些实施例中，采用业内通常使用的3-bit方案对阵面11中各单元所需的移相大小进行量化处理，即将0-360°离散为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°八种相位，并据此设计八种不同尺寸的单元。这些单元中第一介质板21和第二介质板22的厚度W₁和W₂如表格1所示。

图6至图8所示为本发明实施例中集成馈源的各性能结果。该集成馈源13可在26.5GHz到40GHz的频带范围内实现低于-10dB的阻抗匹配，如图6所示，阻抗带宽大于40.6％，具有较宽的工作带宽。图7所示为本发明实施例中的集成馈源13的增益性能，在阻抗带宽内(26.5-40GHz)平均增益为9.2dB，增益波动为±0.75dB，说明该集成馈源13具有稳定的辐射性能。图8所示为本发明实施例中集成馈源13在中心频率处的方向图，可见该集成馈源13具有较低的交叉极化水平和良好的单向辐射性能。

图9至图12所示为整个本发明实施例中透射阵天线的各性能结果。图9为透射阵天线的阻抗带宽，该天线在26.5GHz到40GHz的频带范围内可实现低于-10dB的阻抗匹配，说明该天线具有较宽的阻抗带宽。轴比性能如图10所示，从26.5GHz到40GHz的频带范围内轴比低于3dB，轴比带宽大于40.6％，可覆盖整个Ka波段，该带宽远高于目前的技术水平。增益特性如图11所示，在工作频带(26.5GHz-40GHz)内，最大增益为22.8dBic，增益波动小于3dB，说明该天线在带内增益性能稳定，3-dB增益带宽同样可覆盖整个Ka波段。图12为中心频率处的方向图，天线旁瓣低于-15dB，说明该透射阵天线可实现聚焦波束，具有低旁瓣的特性。综上所述，该天线具有宽带、高增益、工作频带内辐射性能稳定的优点。

本发明前述实施例提供的一种覆盖全Ka波段的宽带圆极化集成馈源投射阵天线中的阵面单元采用十字形的介质传输线作为基本单元结构，由于介质传输线具有真时延特性，所以可以保证阵面单元在宽带范围内相移的稳定性，从而实现较宽的轴比带宽和增益带宽。其次，本发明提出了一种宽带的平面馈源，其工作带宽可以与宽带阵面相匹配，可替代传统的喇叭馈源，具有低剖面、重量轻、易加工、低成本的优点。另一方面，根据3GPP组织划定的5G毫米波频段，其中的n257、n260、n261等频段均位于Ka波段范围内，因此工作带宽覆盖整个Ka波段可以增加天线在实际应用当中的灵活性。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。