CN116169477A - 一种基于接收-发射结构的over-2-bit的宽带透射阵列单元、天线及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于接收‑发射结构的over‑2‑bit的宽带透射阵列单元、天线及其使用方法，阵列单元包括接收天线及发射天线，接收天线与发射天线间贯穿有金属通孔，阵列天线包括线极化馈源以及宽带透射阵列单元，线极化馈源位于透射阵列单元中心的上方；其使用方法为：将透射阵列单元的接收天线旋转180°，旋转前后产生1‑bit的0°以及180°两个量化相位；同时调节接收天线和发射天线的两侧枝节与矩形贴片连接的位置，实现了连续的0°‑90°的相移范围，即实现0°‑90°和180°‑270°的over‑2‑bit相移范围；本发明通过旋转接收天线与调节矩形贴片与两侧枝节连接的位置相结合的方式实现over‑2‑bit的相位调节，得到低剖面、低损耗且宽频带的透射阵天线，具有结构简单、宽频带、高口径效率的优点。

Description

一种基于接收-发射结构的over-2-bit的宽带透射阵列单元、 天线及其使用方法
技术领域
本发明属于毫米波透射阵天线技术领域，具体涉及一种基于接收-发射结构的over-2-bit的宽带透射阵列单元、天线及其使用方法。
背景技术
随着无线通信技术的飞速发展，雷达和远距离通信系统均需要高增益天线来提高整个系统的探测能力和远距离传输能力。透射阵天线因其增益高、制作简单、无需复杂的相控阵天线馈电网络、避免反射阵天线的馈电遮挡等优点而备受关注。透射阵天线由馈源和透射阵面组成，其工作原理是将从馈源辐射出的球面波进行相位调节转换成平面波，进而实现指定方向的高增益笔形波束。相位调节主要通过控制每个透射阵单元的透射相位来补偿馈源和透射阵面之间的不同路径长度。理想的情况是为每个单元提供0°-360°之间的连续相位补偿。然而，连续的360°相位覆盖范围通常会造成透射阵天线的高剖面和窄带宽。
近年来，采用量化相位补偿设计的透射阵天线受到越来越多的关注，各种1-bit、2-bit以及3-bit透射阵天线被提出来。
2020年，Fan Wu及Jingxue Wang等学者提出了宽带的低交叉极化的1-bit透射阵天线，单元的接收层与发射层均采用相同的磁电偶极子天线，二者通过金属通孔直接相连。通过将馈电枝节旋转180°实现了0°以及180°两个量化相位。同时通过优化相位补偿方式，实现了低交叉极化水平。测试结果表明，该天线在20-33GHz的频率范围内，峰值增益为25.2dBi，峰值口径效率为28％，并且达到了-35dB的交叉极化水平。由于采用了1-bit的相位补偿方式，使得天线的口径效率较低，在实际应用中会存在一定限制。
2022年，P.Mei及G.F.Pedersen等学者提出了基于多层频率选择表面的2-bit透射阵天线，单元包括五层金属层和四层介质层，通过采用两种不同形式的单元，以及将两种单元的第四层金属层镜像的方式实现了2-bit的0°、90°、180°以及270°四个量化相位。测试结果表明，该天线在22-40GHz的频率范围内，峰值增益为26.1dBi，峰值口径效率为44.7％。通过设计两种不同形式的单元实现相移补偿，增加了设计的复杂度。
2022年，Bing Jie Xiang和Xin Dai等学者提出了基于接收-发射结构的宽带2-bit透射阵天线，单元由接收层、相移层和发射层组成，通过改变相移层的结构以及旋转相移层的方式实现了2-bit的0°、90°、180°以及270°四个量化相位。测试结果表明，该天线在18-30GHz的频率范围内，峰值增益为25.7dBi，3dB增益带宽为38.7％，峰值口径效率为53％。透射阵单元增加了一层移相结构，造成了天线的高剖面。
2020年，F.Foglia Manzillo及A.Clemente等学者提出了D波段的3-bit透射阵天线，接收天线和发射天线通过口径耦合或金属通孔连接的方式实现电磁能量的耦合。通过设计五种不同形式的单元，实现了3-bit的0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°以及315°八个量化相位。测试结果表明，该天线在130-175GHz的频率范围内，峰值增益为32dBi，峰值口径效率为32％。为实现相移补偿，设计了多种形式的单元，增加了设计的难度。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
1、现有的1-bit透射阵天线相位量化通常会带来3dB左右的增益损失，造成了天线的口径效率一般会比较低。
2、现有的2-bit透射阵天线，为了实现4种相位量化，通常需要设计四种结构不同的单元，或者在接收单元和发射单元之间增加一层相位延迟线结构，通过改变相位延迟线的结构来实现；这种设计会造成透射阵天线的高剖面，增加了设计的复杂程度。
3、现有的3-bit的透射阵天线相位量化需要设计多种结构不同的单元，增加了设计的难度。
解决以上问题及缺陷的难度为：
设计多种单元增加相移补偿范围会增加设计的复杂度，因此只设计单个结构的透射阵单元，简化单元个数和结构，实现over-2-bit的相移补偿存在一定难度；
不增加额外的相移层，降低天线剖面高度，实现低剖面的透射阵天线；
为增大天线单元带宽，可以通过增加宽角阻抗匹配层、改变天线结构等方式，但同时也会增加天线剖面，因此选择一种折衷的方式存在难度。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于接收-发射结构的over-2-bit的宽带透射阵列单元、天线及其使用方法，通过旋转接收天线与调节宽带透射阵列单元中的接收天线和发射天线的矩形贴片与两侧枝节连接的位置相结合的方式，实现over-2-bit的相位调节，得到一种低剖面、低损耗且宽频带的宽带透射阵列天线，本发明降低了天线剖面高度、加工难度和加工成本，其制作工艺简单，可应用于小型化、集成化的通信系统中，具有结构简单、宽频带、高口径效率的优点，且能够满足在毫米波频段的高性能通信需求。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种基于接收-发射结构的over-2-bit的宽带透射阵列单元，包括接收天线1以及发射天线2，所述接收天线1与发射天线2之间贯穿有金属通孔7。
所述接收天线1包括由上至下依次设置的第一金属层3、第一介质层4、第一粘接层5以及第二金属层6，所述接收天线1的辐射结构位于第一介质层4的顶部，由第一金属层3组成。
所述发射天线2包括由上至下依次设置的第二金属层6、第二介质层9以及第三金属层8，发射天线2的辐射结构位于第二介质层9的底部，由第三金属层8组成。
所述第一金属层3以及第三金属层8的结构均包括矩形贴片，矩形贴片的两侧设置呈弯曲结构的枝节，所述矩形贴片偏向x轴负向，矩形贴片和其两侧弯曲的枝节产生耦合，展宽了单元的阻抗带宽。
所述位于第一金属层3至第三金属层8的中心贯穿有金属通孔7。
本发明还提供了一种基于接收-发射结构的over-2-bit的宽带透射阵列单元的天线，包括线极化馈源10以及宽带透射阵列单元，线极化馈源10位于宽带透射阵列单元中心的上方，所述宽带透射阵列天线由N×N个所述宽带透射阵列单元构成，所述N≥2且为整数。
所述线极化馈源10采用宽带的波纹喇叭天线，线极化馈源10的辐射方向朝向宽带透射阵列单元。
本发明还提供了一种基于接收-发射结构的over-2-bit的宽带透射阵列单元的天线的使用方法，包括以下步骤：
步骤1：将宽带透射阵列单元中的接收天线1旋转180°，旋转前后产生1-bit的0°以及180°两个量化相位；
步骤2：同时调节宽带透射阵列单元中的接收天线1和发射天线2的两侧枝节与矩形贴片连接的位置，产生0°-90°的连续相移，从而实现0°-90°和180°-270°的over-2-bit相移范围。
所述宽带透射阵列单元的接收天线1有状态A和状态B两种状态，发射天线有状态A一种状态；所述的状态A是指第一金属层3偏向x轴负向，所述的状态B是指将状态A的第一金属层3旋转180°后偏向x轴正向。
相较于现有技术，本发明的有益效果为：
1、现有的2-bit透射阵天线通过设计两种结构不同的单元，或者在接收单元和发射单元之间增加一层相位延迟线结构实现相位补偿，由于其为单个单元，或缺少相位延迟线结构导致无法实现所需要的相移；而本发明通过旋转接收天线1与调节宽带透射阵列单元中的接收天线1和发射天线2的矩形贴片与两侧枝节连接的位置相结合的方式，来实现所需的相移，避免引入新的单元，从而得到了一种低剖面、低损耗且宽频带的宽带透射阵列天线，本发明降低了天线剖面高度、加工难度和加工成本，制作工艺简单，可应用于小型化、集成化的通信系统中，具有结构简单、宽频带、高口径效率的优点，且能够满足在毫米波频段的高性能通信需求。
2、现有的2-bit透射阵天线在接收天线和发射天线之间加入相位延迟线结构，会增加天线的剖面高度；本发明中的宽带透射阵列单元为宽带结构，能够工作在较宽的频带，相移通过辐射结构实现，通过此设计降低天线的剖面，并没有引入相位延迟线结构，利用其两种方法结合调相，增加了只采用一种方法调相的相移，不但减化了单元设计过程以及降低了单元结构设计的难度，还能够实现宽频带、高效率的透射阵天线。
3、在增大单元带宽方面，本发明为了设计宽带的透射阵单元，在单元结构的设计上，通过对比发现，在矩形贴片两侧增加弯曲的枝节，贴片和枝节之间可以产生耦合，能够展宽单元的阻抗带宽。
4、本发明所需金属层数只有3层，易于加工，降低了成本，简单的三层金属层和两层介质层可通过螺丝进行固定，便于组装，避免了多层介质层组装时导致的安装误差，方便使用。
5、本发明仅使用一种拓扑相同但结构不同的透射阵单元，天线结构简单，剖面低，为0.18λ。
6、本发明实现了较宽的工作带宽，天线的阻抗带宽达到了61.54％，能够满足毫米波频段通信的要求，具有较强的应用价值。
7、本发明透射阵天线的最高增益为25.51dBi，1-dB和3-dB增益带宽分别达到26.73％(24.31-31.81GHz)、46.47％(21.13GHz-33.92GHz),口径效率最高可达56.12％，实现了较高的口径效率，提高了天线的通信质量。
附图说明
图1是本发明宽带透射阵列单元的三维结构示意图。
图2是本发明实施例的宽带透射阵列单元结构的两种不同状态；图2(a)为宽带透射阵列单元在状态A下的俯视图；图2(b)为宽带透射阵列单元在状态B下的俯视图。
图3是本发明实施例的宽带透射阵列单元在不同长度l1时的透射幅度与透射相位的仿真结果图。
图4是本发明实施例的宽带透射阵列单元在不同长度l2时的透射幅度与透射相位的仿真结果图。
图5是与本发明实施例原理相同的其他可实现相移的单元结构示意图；其中，图5(a)为单元结构1；图5(b)为单元结构2。
图6是本发明实施例的透射阵天线单元实现180°相位量化的透射幅度与透射相位的仿真结果图。
图7是本发明实施例的透射阵天线单元实现0°-90°连续相移的透射幅度与透射相位的仿真结果图。
图8是本发明实施例的天线相位补偿示意图和接收天线分布示意图；其中，图8(a)为天线相位补偿示意图；图8(b)为接收天线分布示意图。
图9是本发明实施例的线极化馈源10、天线阵列模型及各层结构俯视图；其中，图9(a)为阵列结构图；图9(b)为接收天线1的俯视图；图9(c)为第二金属层6的俯视图；图9(d)为发射天线2的俯视图。
图10是本发明实施例的天线反射系数仿真结果图。
图11是本发明实施例的天线增益和口径效率的仿真结果图。
图12是本发明实施例的天线在19、24、29GHz处仿真方向图；其中，图12(a)为天线在19GHz处的仿真归一化辐射方向图；图12(b)为天线在24GHz处的仿真归一化辐射方向图；图12(c)为天线在29GHz处的仿真归一化辐射方向图。
其中：1、接收天线；2、发射天线；3、第一金属层；4、第一介质层；5、第一粘接层；6、第二金属层；7、金属通孔；8、第三金属层；9、第二介质层；10、线极化馈源。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1和图2所示，一种基于接收-发射结构的over-2-bit的宽带透射阵列单元，包括接收天线1以及发射天线2，宽带透射阵列单元的接收天线1由第一金属层3、第一介质层4、第一粘接层5、第二金属层6组成，发射天线2由第二金属层6、第二介质层9、第三金属层组成8；所述宽带透射阵列单元中的接收天线1的辐射结构由第一金属层3组成，位于第一介质层4的顶部，发射天线2的辐射结构由第三金属层8组成，位于第二介质层9的底部；所述宽带透射阵列单元的接收天线1和发射天线2的辐射结构，即第一金属层3以及第三金属层8均由一个矩形贴片及其两侧弯曲的枝节构成，矩形贴片偏向x轴负向，矩形贴片和其两侧弯曲的枝节产生耦合，展宽了单元的阻抗带宽；所述宽带透射阵列单元中的接收天线1和发射天线2通过金属通孔7连接实现电磁能量的耦合，金属通孔7位于接收天线1和发射天线2的中心，从第一金属层3到第三金属层组成8贯穿整个天线；接收天线1有状态A和状态B两种状态，而发射天线2只有状态A一种状态。
所述接收天线1和发射天线2共用第二金属层6。
本发明实施例中，宽带透射阵列单元的轮廓呈矩形。
本发明还提供了一种基于接收-发射结构的over-2-bit的宽带透射阵列单元的天线，包括线极化馈源10以及宽带透射阵列单元，线极化馈源10位于宽带透射阵列单元中心的上方，所述宽带透射阵列天线由N×N个所述宽带透射阵列单元构成，所述N≥2且为整数，本实施例中采用的是透射阵列个数为20×20。
所述线极化馈源10采用宽带的波纹喇叭天线，线极化馈源10的辐射方向朝向宽带透射阵列单元。
所述第一介质层4以及第二介质层9采用Taconic TSM-DS，第一粘接层5采用FR27-0040-43F。
本发明还提供了一种基于接收-发射结构的over-2-bit的宽带透射阵列单元的天线的使用方法，包括以下步骤：
步骤1：将宽带透射阵列单元中的接收天线1旋转180°，旋转前后产生1-bit的0°以及180°两个量化相位；
步骤2：同时调节宽带透射阵列单元中的接收天线1和发射天线2的两侧枝节与矩形贴片连接的位置，产生0°-90°的连续相移，从而实现0°-90°和180°-270°的over-2-bit相移范围。
采用两种方式相结合进行相位补偿避免引入额外的相移层，降低了天线剖面。
所述宽带透射阵列单元的接收天线1有状态A和状态B两种状态，发射天线有状态A一种状态；所述的状态A是指第一金属层3偏向x轴负向，所述的状态B是指将状态A的第一金属层3旋转180°后偏向x轴正向。
如图2(a)、图2(b)所示，本发明提供的一种基于接收-发射结构的over-2-bit的宽带透射阵列单元，在实现透射相移的方式上，不仅可以通过同时调节接收天线1和发射天线2中的枝节与矩形贴片相连的位置w1实现，也可以通过改变枝节长度l1和l2实现一定的相移范围。
如图3所示，当l1的长度从1.65mm-1.85mm变化的过程中，透射幅度大于-1.5dB，在24GHz处产生了25°的相移。
如图4所示，当l2的长度从1.2mm-1.6mm变化的过程中，透射幅度大于-1.51dB，在24GHz处产生了25°的相移。
除此之外，本发明可以实现相移的单元结构还有多种：
例如，如图5(a)所示，将贴片两侧枝节连接起来的结构形式；如图5(b)所示，将矩形贴片两侧进行切角的结构形式。
如图6所示，本发明给出了本发明的宽带透射阵列单元将接收天线1旋转180°前后的透射幅度与透射相位的仿真结果，旋转前后分别对应图2(a)的状态A和图2(b)的状态B，可以看出，在18.2-32GHz的宽频段范围内两种状态下透射幅度均大于-1dB，透射损耗小，而且产生了180°的量化相位，相移曲线互相平行，线性度较好。
如图7所示，本发明给出了透射阵天线单元同时调节接收天线1和发射天线2枝节与矩形贴片相连的位置w1时透射幅度与透射相位的仿真结果，当w1从0.65mm-1.6mm变化的过程中，透射幅度始终大于-1.1dB，透射相移范围为90°，具有良好的单元性能。
如图8(a)、图8(b)所示，分别给出了阵列相位补偿方案和阵列中接收天线分布示意图，对于0°-90°的相位分布在单元图2(a)的状态A下进行连续的相位补偿，对于90°-180°的相位分布量化为90°进行补偿，对应于单元的图2(a)的状态A，对于180°-270°的相位分布在单元图2(b)的状态B下进行连续的相位补偿，对于270°-360°的相位分布量化为270°进行补偿，对应于单元的图2(b)的状态B。
如图9所示，给出了本发明天线阵列模型及各层结构的俯视图，图9(a)为阵列结构图，对上述天线单元进行组阵，透射阵列的轮廓为矩形，阵列个数为20×20，采用宽带的波纹喇叭作为馈源，放置在天线的接收侧；图9(b)为接收天线1的俯视图，接收天线1有两种状态，矩形贴片两侧枝节位置不同；图9(c)为第二金属层6的俯视图，第二金属层6开孔实现了接收天线1和发射天线2之间能量的传输；图9(d)为发射天线2的俯视图，发射天线2只有一种状态，矩形贴片两侧枝节位置不同。
图10给出了本发明天线反射系数的仿真结果图，可以看出本发明天线在18-34GHz频带内反射系数小于-10dB，相对阻抗带宽达到了61.54％。
图11给出了本发明天线增益和口径效率的仿真结果图，可以看出本发明天线最高增益为25.51dBi，1-dB和3-dB增益带宽分别达到26.73％(24.31-31.81GHz)、46.47％(21.13GHz-33.92GHz),口径效率最高可达56.12％。
如图12(a)、图12(b)和图12(c)所示，分别给出了本发明天线在低、中、高三个不同频点19GHz、24GHz、29GHz处的E面和H面的仿真辐射方向图，可以发现，交叉极化分量均低于-30dB，具备了稳定的方向图和较好的法向辐射性能。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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，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，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明解决以上问题及缺陷的意义在于：
1、本发明低剖面、低损耗且宽频带的透射阵天线可以解决毫米波频段通信发展的需求，当前的bit透射阵的口径效率比较低；
2、本发明降低剖面高度、加工难度和加工成本，制作工艺简单，可应用于小型化、集成化的通信系统中。
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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于接收-发射结构的over-2-bit的宽带透射阵列单元，其特征在于：包括接收天线(1)以及发射天线(2)，所述接收天线(1)与发射天线(2)之间贯穿有金属通孔(7)。
2.根据权利要求1所述的一种基于接收-发射结构的over-2-bit的宽带透射阵列单元，其特征在于：所述接收天线(1)包括由上至下依次设置的第一金属层(3)、第一介质层(4)、第一粘接层(5)以及第二金属层(6)，所述接收天线(1)的辐射结构位于第一介质层(4)的顶部，由第一金属层(3)组成。
3.根据权利要求1所述的一种基于接收-发射结构的over-2-bit的宽带透射阵列单元，其特征在于：所述发射天线(2)包括由上至下依次设置的第二金属层(6)、第二介质层(9)以及第三金属层(8)，发射天线(2)的辐射结构位于第二介质层(9)的底部，由第三金属层(8)组成。
4.根据权利要求2或3所述的一种基于接收-发射结构的over-2-bit的宽带透射阵列单元，其特征在于：所述第一金属层(3)以及第三金属层(8)的结构均包括矩形贴片，矩形贴片的两侧设置呈弯曲结构的枝节，所述矩形贴片偏向x轴负向，矩形贴片和其两侧弯曲的枝节产生耦合，展宽了单元的阻抗带宽。
5.根据权利要求2或3所述的一种基于接收-发射结构的over-2-bit的宽带透射阵列单元，其特征在于：所述位于第一金属层(3)至第三金属层(8)的中心贯穿有金属通孔(7)。
6.基于权利要求1至5任意一种基于接收-发射结构的over-2-bit的宽带透射阵列单元的天线，其特征在于：包括线极化馈源(10)以及权利要求1至5所述的任意一种宽带透射阵列单元，所述线极化馈源(10)位于宽带透射阵列单元中心的上方，所述宽带透射阵列天线由N×N个所述宽带透射阵列单元构成，所述N≥2且为整数。
7.根据权利要求6所述的一种基于接收-发射结构的over-2-bit的宽带透射阵列单元的天线，其特征在于：所述线极化馈源(10)采用宽带的波纹喇叭天线，线极化馈源(10)的辐射方向朝向宽带透射阵列单元。
8.根据权利要求6至7任意一种天线的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：将宽带透射阵列单元中的接收天线1旋转180°，旋转前后产生1-bit的0°以及180°两个量化相位；
步骤2：同时调节宽带透射阵列单元中的接收天线1和发射天线2的两侧枝节与矩形贴片连接的位置，产生0°-90°的连续相移，从而实现0°-90°和180°-270°的over-2-bit相移范围。
9.根据权利要求8所述天线的使用方法，其特征在于：所述宽带透射阵列单元的接收天线(1)有状态A和状态B两种状态，发射天线有状态A一种状态；所述的状态A是第一金属层(3)偏向x轴负向，所述的状态B是指将状态A的第一金属层(3)旋转180°后偏向x轴正向。
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