CN116207502B - 一种双频亚太赫兹圆极化波束扫描透镜天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双频亚太赫兹圆极化波束扫描透镜天线，包括馈源和透镜阵列，透镜阵列包括基板、发射贴片金属层和接收贴片金属层，基板包括上层介质板、中层介质板、下层介质板和金属地；接收贴片金属层包括复数个按XY方向阵列布置的高频极化接收单元和复数个按XY方向阵列布置的低频极化接收单元；发射贴片金属层包括与高频极化接收单元数量相同的高频极化发射单元和与低频极化接收单元数量相同的低频极化发射单元，高频极化发射单元与高频极化接收单元沿Z轴方向对应布置，两者通过第一金属柱连接；低频极化发射单元与低频极化接收单元沿Z轴方向对应布置，两者通过第二金属柱连接。本发明的降低了透镜阵列结构的复杂性和制作成本。

Description

一种双频亚太赫兹圆极化波束扫描透镜天线
技术领域
本发明涉及透镜天线，尤其涉及一种双频亚太赫兹圆极化波束扫描透镜天线。
背景技术
透镜天线是指一种能够通过电磁波，将点源或线源的球面波或柱面波转换为平面波从而获得笔形、扇形或其他形状波束的天线。通过适当设计透镜表面形状和位置分布，可以改变输出电磁波的相位以获得辐射口径上的笔形波束。
近年来由于平面透镜天线以其平面结构、重量轻、制造简单、成本低并具有潜力实现高增益受到了广泛的关注。对于卫星通信，采用低轮廓高增益天线双频特性是上行和下行通信非常需要的。虽然线极化（LP）天线在许多应用中都很有用，但圆极化(CP)天线在许多应用中都是首选 如应用在卫星通信，室内通信系统，室外通信系统，广播服务和户外移动平台。虽然6G现在还未确定具体的频段，但目前来看将很大概率会使用太赫兹频段，也就是100GHz-10THz，太赫兹频段是一个频率要比5G高出许多的频段，并且6G网络的“致密化”程度也将达到前所未有的水平。
在目前的研究中，虽然已经提出了一部分的平面透镜天线并且具有一部分的功能，但其还是存在着诸多问题。
1）大部分平面透镜天线透镜单元具备360°的相位补偿，是通过多层介质板结合空气层实现的。但这种结构一般至少要3-4层空气层、较多层的介质板以及金属贴片。增加了结构复杂性以及制作成本。此外，在太赫兹频段，其波长短将会使得空气层的间距非常小，控制制备精确度的难度大。
2）双频透射阵天线的实现原理与其单频透射阵天线的实现原理类似。但是，由于实现单元360°的相位差与其频段的波长有关，在一个双频透射阵天线中，难以实现两个不同频段的相位补偿不产生相互影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、制作成本较低的双频亚太赫兹圆极化波束扫描透镜天线。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种双频亚太赫兹圆极化波束扫描透镜天线，包括馈源和透镜阵列，透镜阵列包括基板、发射贴片金属层和接收贴片金属层，基板包括上层介质板、中层介质板、下层介质板和金属地，中层介质板夹在上层介质板与下层介质板之间，金属地附在上层介质板的底面上；发射贴片金属层附在上层介质板的顶面上，接收贴片金属层附在下层介质板的底面上；接收贴片金属层包括复数个按XY方向阵列布置的高频极化接收单元和复数个按XY方向阵列布置的低频极化接收单元，低频极化接收单元与高频极化接收单元交错间隔布置；发射贴片金属层包括复数个发射单元，发射单元包括与高频极化发射单元数量相同的高频极化发射单元和与低频极化接收单元数量相同的低频极化发射单元，高频极化发射单元与高频极化接收单元沿Z轴方向对应布置，两者通过穿过基板的第一金属柱连接；低频极化发射单元与低频极化接收单元沿Z轴方向对应布置，两者通过穿过基板的第二金属柱连接。
以上所述的双频亚太赫兹圆极化波束扫描透镜天线，低频极化接收单元包括矩形的金属贴片，低频极化接收单元的长轴方向沿X轴方向布置；低频极化接收单元的中部包括Π形的透槽，低频极化发射单元Π形透槽的开口朝向X轴方向；高频极化接收单元包括矩形的金属贴片，高频极化接收单元的长轴方向沿Y轴方向布置；高频极化接收单元的中部包括Π形的透槽，高频极化接收单元Π形透槽的开口朝向Y轴方向；低频极化接收单元的长度大于高频极化接收单元的长度，低频极化接收单元的宽度大于高频极化接收单元的宽度。
以上所述的双频亚太赫兹圆极化波束扫描透镜天线，高频极化接收单元的中心点位于相邻4个低频极化接收单元对角线的交叉点；高频极化发射单元的形状和尺寸与高频极化接收单元的形状和尺寸相同，低频极化发射单元的形状和尺寸与低频极化接收单元的形状和尺寸相同；高频极化发射单元的中心点通过第一金属柱与高频极化接收单元的中心点连接，低频极化发射单元的中心点通过第二金属柱与低频极化接收单元的中心点连接。
以上所述的双频亚太赫兹圆极化波束扫描透镜天线，低频极化发射单元矩形贴片的四角部位包括倒角，高频极化发射单元矩形贴片的四角部位包括倒角;高频极化发射单元绕第一金属柱的轴线相对于高频极化接收单元转动，实现相位补偿；低频极化发射单元绕第二金属柱的轴线相对于低频极化接收单元转动，实现相位补偿。
以上所述的双频亚太赫兹圆极化波束扫描透镜天线，左旋极化的相位补偿值和右旋极化的相位补偿值/>通过以下公式求得：
；
；
其中，为电磁波在自由空间中的传播常数，/>和/>为发射单元在XY坐标系中的坐标值，/>为主波束与Z轴的夹角，/>为主波束在XY平面投影与X轴的夹角，/>为馈源的焦距，/>为馈源距发射贴片金属层顶面中心的距离。
以上所述的双频亚太赫兹圆极化波束扫描透镜天线，上层介质板和下层介质板的介电常数为2.90～2.98，中层介质板的介电常数为2.70～2.78。
以上所述的双频亚太赫兹圆极化波束扫描透镜天线，所述的馈源为矩形波导喇叭，矩形波导喇叭竖直地布置在透镜阵列的下方，朝向透镜阵列；双频透镜天线低频工作时，矩形波导喇叭口径面的长轴与低频极化接收单元的长轴平行，双频透镜天线高频工作时，矩形波导喇叭口径面的长轴与高频极化接收单元的长轴平行。
以上所述的双频亚太赫兹圆极化波束扫描透镜天线，低频极化接收单元的长度为对应低频频段波长的四分之一，高频极化接收单元的长度为对应高频频段波长的四分之一。
本发明双频亚太赫兹圆极化波束扫描透镜天线的透镜阵列包括基板、发射贴片金属层和接收贴片金属层，基板包括上层介质板、中层介质板、下层介质板和金属地，降低了透镜阵列结构的复杂性以及制作成本。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例双频亚太赫兹圆极化波束扫描透镜天线的主视图。
图2是本发明实施例双频亚太赫兹圆极化波束扫描透镜天线的俯视图。
图3是本发明实施例双频亚太赫兹圆极化波束扫描透镜天线的仰视图。
图4是本发明实施例双频亚太赫兹圆极化波束扫描透镜天线的立体图。
图5是图2中Ⅰ部位的局部放大图。
图6是图3中Ⅱ部位的局部放大图。
图7是本发明实施例透镜阵列的局部剖视结构图。
图8是本发明实施例透镜单个单元的透射系数图。
图9是本发明实施例透镜单个单元的低频相位差图。
图10是本发明实施例透镜单个单元的高频相位差图。
图11是本发明实施例低频阵列未扫描时的波束图。
图12是本发明实施例高频阵列未扫描时的波束图。
图13是本发明实施例低频波束扫描方向图。
图14是本发明实施例高频波束扫描方向图。
图15是本发明实施例低频极化接收单元的尺寸图。
图16是本发明实施例高频极化接收单元的尺寸图。
具体实施方式
本发明实施例双频亚太赫兹圆极化波束扫描透镜天线的结构和原理如图1至图16所示，包括作为馈源的矩形波导喇叭200和透镜阵列100，矩形波导喇叭200竖直地布置在透镜阵列100的下方，朝向透镜阵列100。
透镜阵列100包括基板10、发射贴片金属层20和接收贴片金属层30，基板10包括上层介质板11、金属地12、中层介质板13和下层介质板14。中层介质板13夹在上层介质板11与下层介质板14之间，金属地12附在上层介质板11的底面上。发射贴片金属层20附在上层介质板11的顶面上，接收贴片金属层30附在下层介质板14的底面上。接收贴片金属层30包括多个按XY方向阵列布置的高频极化接收单元30A和多个按XY方向阵列布置的低频极化接收单元30B，低频极化接收单元30B与高频极化接收单元30A交错间隔布置，组成接收阵列。发射贴片金属层20包括按阵列布置的多个发射单元，发射单元包括与高频极化接收单元30A数量相同的高频极化发射单元20A 和与低频极化接收单元30B数量相同的低频极化发射单元20B，高频极化发射单元20A 与高频极化接收单元30A沿Z轴方向对应布置，两者通过穿过基板10的第一金属柱15连接。低频极化发射单元20B与低频极化接收单元30B沿Z轴方向对应布置，两者通过穿过基板10的第二金属柱16连接。
低频极化接收单元30B采用矩形的金属贴片31，低频极化接收单元30B的长轴方向沿X轴方向布置。低频极化接收单元30B的中部有一个Π形的透槽32，低频极化发射单元20BΠ形透槽32的开口l向X轴方向。高频极化接收单元30A采用矩形的金属贴片33，高频极化接收单元30A的长轴方向沿Y轴方向布置。高频极化接收单元30A的中部有一个Π形的透槽34，高频极化接收单元30AΠ形透槽34的开口朝向Y轴方向。低频极化接收单元30B的长度大于高频极化接收单元30A的长度，低频极化接收单元30B的宽度大于高频极化接收单元30A的宽度。
高频极化接收单元30A的中心点位于相邻4个低频极化接收单元30B两根对角线35的交叉点。
高频极化发射单元20A采用的金属贴片23的形状和尺寸与高频极化接收单元30A金属贴片33的形状和尺寸相同，区别只是高频极化发射单元20A 金属贴片23矩形的四角部位都有一个倒角24。低频极化发射单元20B金属贴片21的形状和尺寸与低频极化接收单元30B金属贴片31的形状和尺寸相同，区别只是低频极化发射单元20B 金属贴片21矩形的四角部位都有一个倒角22。高频极化发射单元20A 的中心点通过第一金属柱15与高频极化接收单元30A的中心点连接，低频极化发射单元20B的中心点通过第二金属柱16与低频极化接收单元30B的中心点连接。
低频极化接收单元30B的尺寸和高频极化接收单元30A的尺寸分别如图15和图16所示，低频极化接收单元30B的长度L1为低频段（90GHz）四分之一的波长，L1=0.8mm。高频极化接收单元30A的长度L3为高频段（140GHz）四分之一的波长，L3=0.51mm。
如图15所示，低频极化接收单元30B的宽度B1=0.327mm。低频极化接收单元30BΠ形透槽32的长度L2=0.27mm，宽度B2=0.25mm，透槽32的槽宽B3=0.038mm。
如图16所示，高频极化接收单元30A的宽度B4=0.20mm。高频极化接收单元30AΠ形透槽34的长度L4=0.225mm，宽度B5=0.14mm，透槽34的槽宽B6=0.0286mm。
高频极化发射单元20A 分别绕第一金属柱15的轴线相对于高频极化接收单元30A转动，实现相位补偿。低频极化发射单元20B分别绕第二金属柱16的轴线相对于低频极化接收单元30B转动，实现相位补偿。高频极化发射单元20A相对于高频极化接收单元30A转动的角度由相位补偿值决定。低频极化发射单元20B相对于低频极化接收单元30B转动的角度也由相位补偿值决定。
在本实施例中，左旋极化的相位补偿值；右旋极化的相位补偿值两者的计算方法不同，可以分别通过以下公式求得
。
。
其中，为电磁波在自由空间中的传播常数，/>和/>分别为为发射单元在XY坐标系中的坐标值，/>为主波束与Z轴的夹角， />为主波束在XY平面投影与X轴的夹角，/>为馈源的焦距，/>为馈源距发射贴片金属层20顶面中心的距离。
如波束沿着z轴正方向射出， 和/>则分别为0°。若透镜阵列的波束在XOZ平面上距离z轴正方向有30°的偏转角，则/>和/>则分别为30°和0°。
当透镜天线需要阵列实现左旋极化的功能时,就通过第一个公式计算所需要的相位补偿值，当透镜天线需要阵列实现右旋极化的功能时,就通过第二个公式计算所需要的相位补偿值，然后通过单元实现所计算出来的相位补偿即可得到所需要的左旋极化。和/>的单位为deg，通过计算得到/>的值，即将对应的高频极化发射单元20A或低频极化发射单元20B顺时针旋转与相同的值的角度即可（右旋圆极化），同理左旋圆极化即逆时针旋转。
最后，通过求出不同的波束偏转角度（-30°到+30°）的所需的相位补偿值后，对其取平均值，作为最终的相位补偿结果。
上层介质板11和下层介质板14的介电常数为2.94，中层介质板13的介电常数为2.74。
双频透镜天线低频（90GHz）工作时，矩形波导喇叭200口径面的长轴与低频极化接收单元30B的长轴平行，双频透镜天线高频（140GHz）工作时，矩形波导喇叭200口径面的长轴与高频极化接收单元30A的长轴平行。
图8至图10为对模拟将不同的极化方向（X/Y极化）照射到透镜单个单元时的透射系数以及其相位差。从图8至图10可以看到当馈X极化方向的电磁场时只有90GHz时的透射系数大于0.6，在140GHz上时的透射系数小于0.2；同样，当模拟Y极化方向的电磁场时可以看到只有140GHz上的透射系数大于0.6，在90GHz上的透射系数无限接近于0。因此可以得到不同频段之间的耦合较小。
从图11中可得在90GHz频段实现了线极化向左旋极化的转换，在140GHz频段实现了线极化向右旋圆极化的转换。并且两种极化可以独立控制。且旁瓣差均大于-16，其性能良好。
图12为进行±30°波束扫描时，增益衰减<3dBc，其性能良好。
本发明以上实施例的双频亚太赫兹圆极化波束扫描透镜天线在实现双频双圆极化独立控制的方式上，与传统的方法不同，采用的是在两个相同的介质板（Arlon CLTE-XT）中间夹着一个其他介电常数的介质板（Taconic FR-28 />），以此来代替常用的平面透镜组成方式：介质板加空气层，降低了结构的复杂性以及制作成本。
其次，通过在介质板的底部设置金属贴片接收层，在介质板的顶部设置金属贴片发射层，在其之间的介质板上附金属铜以此来实现隔绝接收端与发射端之间耦合影响的效果，同时可以通过旋转发射端口的金属贴片的角度来实现0～360°的相位补偿的效果。
另外，为了使组阵后的旁瓣降低以及减低不同频段之间的耦合影响。本发明使不同频段的极化方向相互正交，即X极化与Y极化；低频段实现了线极化向左旋极化的转换，高频段实现了线极化向右旋圆极化的转换。两种极化可以独立控制。
最后，通过对实现不同波束的相位差进行求权取平均值，以此来降低阵列进行波束扫描时的增益损耗以及增加扫描的角度。

Claims (8)

1.一种双频亚太赫兹圆极化波束扫描透镜天线，包括馈源和透镜阵列，其特征在于，透镜阵列包括基板、发射贴片金属层和接收贴片金属层，基板包括上层介质板、中层介质板、下层介质板和金属地，中层介质板夹在上层介质板与下层介质板之间，金属地附在上层介质板的底面上；发射贴片金属层附在上层介质板的顶面上，接收贴片金属层附在下层介质板的底面上；接收贴片金属层包括复数个按XY方向阵列布置的高频极化接收单元和复数个按XY方向阵列布置的低频极化接收单元，低频极化接收单元与高频极化接收单元交错间隔布置；发射贴片金属层包括复数个发射单元，发射单元包括与高频极化接收单元数量相同的高频极化发射单元和与低频极化接收单元数量相同的低频极化发射单元，高频极化发射单元与高频极化接收单元沿Z轴方向对应布置，两者通过穿过基板的第一金属柱连接；低频极化发射单元与低频极化接收单元沿Z轴方向对应布置，两者通过穿过基板的第二金属柱连接。
2.根据权利要求1所述的双频亚太赫兹圆极化波束扫描透镜天线，其特征在于，不同频段的极化方向相互正交，低频极化发射单元矩形贴片的四角部位包括倒角，高频极化发射单元矩形贴片的四角部位包括倒角;低频极化接收单元包括矩形的金属贴片，低频极化接收单元的长轴方向沿X轴方向布置；低频极化接收单元的中部包括Π形的透槽，低频极化发射单元Π形透槽的开口朝向X轴方向；高频极化接收单元包括矩形的金属贴片，高频极化接收单元的长轴方向沿Y轴方向布置；高频极化接收单元的中部包括Π形的透槽，高频极化接收单元Π形透槽的开口朝向Y轴方向；低频极化接收单元的长度大于高频极化接收单元的长度，低频极化接收单元的宽度大于高频极化接收单元的宽度。
3.根据权利要求2所述的双频亚太赫兹圆极化波束扫描透镜天线，其特征在于，高频极化接收单元的中心点位于相邻4个低频极化接收单元对角线的交叉点；高频极化发射单元的形状和尺寸与高频极化接收单元的形状和尺寸相同，低频极化发射单元的形状和尺寸与低频极化接收单元的形状和尺寸相同；高频极化发射单元的中心点通过第一金属柱与高频极化接收单元的中心点连接，低频极化发射单元的中心点通过第二金属柱与低频极化接收单元的中心点连接。
4.根据权利要求3所述的双频亚太赫兹圆极化波束扫描透镜天线，其特征在于，高频极化发射单元绕第一金属柱的轴线相对于高频极化接收单元转动，实现相位补偿；低频极化发射单元绕第二金属柱的轴线相对于低频极化接收单元转动，实现相位补偿；通过高频极化发射单元和低频极化发射单元分别实现不同频段之间的作用，独立控制两个不同的频段，实现左旋极化或者右旋极化。
5.根据权利要求4所述的双频亚太赫兹圆极化波束扫描透镜天线，其特征在于，左旋极化的相位补偿值和右旋极化的相位补偿值/>通过以下公式求得：
；
；
其中，为电磁波在自由空间中的传播常数，/>和/>为发射单元在XY坐标系中的坐标值，/>为主波束与Z轴的夹角， />为主波束在XY平面投影与X轴的夹角，/>为馈源的焦距，/>为馈源距发射贴片金属层顶面中心的距离；求出不同的波束偏转角度的所需的相位补偿值后，对其取求权平均值，作为最终的相位补偿结果。
6.根据权利要求1所述的双频亚太赫兹圆极化波束扫描透镜天线，其特征在于，上层介质板和下层介质板的介电常数为2.90～2.98，中层介质板的介电常数为2.70～2.78。
7.根据权利要求1所述的双频亚太赫兹圆极化波束扫描透镜天线，其特征在于，所述的馈源为矩形波导喇叭，矩形波导喇叭竖直地布置在透镜阵列的下方，朝向透镜阵列；双频透镜天线低频工作时，矩形波导喇叭口径面的长轴与低频极化单元的长轴平行，双频透镜天线高频工作时，矩形波导喇叭口径面的长轴与高频极化接收单元的长轴平行。
8.根据权利要求1所述的双频亚太赫兹圆极化波束扫描透镜天线，其特征在于，低频极化接收单元的长度为对应低频频段波长的四分之一，高频极化接收单元的长度为对应高频频段波长的四分之一。
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