CN116207519A - 一种基于简并模波导的圆极化集成馈源透射阵天线 - Google Patents

一种基于简并模波导的圆极化集成馈源透射阵天线 Download PDF

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CN116207519A CN202310077634.6A CN202310077634A CN116207519A CN 116207519 A CN116207519 A CN 116207519A CN 202310077634 A CN202310077634 A CN 202310077634A CN 116207519 A CN116207519 A CN 116207519A
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Abstract

本发明公开的一种基于简并模波导的圆极化集成馈源透射阵天线，包括阵面和位于阵面下方的平面馈源，平面馈源的相位中心与阵面的焦点重合，阵面包括多个阵面单元，每个阵面单元均包括上段、中段和下段，上段和下段以镜像的方式位于中段的两端，且均为内径线性渐变的喇叭形开口结构，多个阵面单元中包括多种阵面单元，不同种类的阵面单元的中段内径不同，且阵面同时满足费马原理和圆极化辐射的要求；平面馈源为差分馈电的平面口径天线，包括用于馈电的馈电结构、导波波导、喇叭形波导、矩形腔体和位于矩形腔体内的贴片结构，且贴片结构与喇叭形波导连接。阵面无需引入介质材料，且采用平面口径天线作为馈源，可以使整个透射阵天线具有较高的口径效率。

Description

一种基于简并模波导的圆极化集成馈源透射阵天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种基于简并模波导的圆极化集成馈源透射阵天线。
背景技术
近年来，随着毫米波通信研究的持续升温，透射阵天线引起了学术界以及工业界的广泛关注。此类天线通常具有高增益、馈电简单、低馈电损耗等的优点，非常适合用于毫米波频段的各类应用。就极化形式而言，由于圆极化辐射可以有效避免极化失配以及抑制多径效应，因此圆极化的透射阵天线是一个值得研究的方向，在实际中也有很大的应用价值。
圆极化透射阵天线主要由阵面和馈源两部分构成。对于前者，目前已报道的文献中常采用的设计方法主要有两类：第一类为极化器和移相面的组合，如文献[1]-[2]所示，其中极化器用于将馈源发出的线极化波转换为圆极化波，然后再通过移相面实现聚焦波束。第二类为采用收-发结构(Rx-Tx)的单元，其中接收单元(Rx)位于阵面下方，用于接收馈源发出的线极化波，然后再通过发射单元(Tx)产生圆极化辐射，单元移相通常通过改变收、发单元之间的相对夹角来实现，如文献[3]-[4]所示。对于馈源部分，已报道的文献中几乎都采用线极化的喇叭天线作为馈源。针对目前的技术现状，圆极化透射阵天线仍然存在一些不足之处：首先，现有方案中的阵面设计都不可避免的采用了介质材料，而介质材料的引入会导致阵面产生介质损耗。由于透射阵天线的口径效率与阵面损耗息息相关，因此高损耗会导致天线的口径效率降低；其次，喇叭天线普遍存在体积大、重量重、加工困难、成本高、难以与前端电路集成的缺点，这些问题都极大的限制了透射阵天线在实际当中的应用。此外，目前针对圆极化透射阵天线的设计方案相对较少。
文献：
[1]G.B.Wu,Y.-S.Zeng,K.F.Chan,S.-W.Qu,and C.H.Chan,"High-gaincircularly polarized lens antenna for terahertz applications,"IEEE AntennasWireless Propag.Lett.,vol.18,no.5,pp.921-925,May 2019.
[2]M.N.Iqbal,M.F.M.Yusoff,M.K.A.Rahim,M.R.Bin Hamid,Z.Johari,andH.U.Rahman,"Circularly polarized transmitarray antenna design using meanderline polarizer for Ku-band applications,"IEEE Access,vol.9,pp.119598-119612,2021.
[3]L.D.Palma,A.Clemente,L.Dussopt,R.Sauleau,P.Potier,andP.Pouliguen,"Circularly-polarized reconfigurable transmitarray in Ka-bandwith beam scanning and polarization switching capabilities,"IEEETrans.Antennas Propag.,vol.65,no.2,pp.529-540,Feb.2017.
[4]L.Di Palma,A.Clemente,L.Dussopt,R.Sauleau,P.Potier,andP.Pouliguen,"Circularly polarized transmitarray with sequential rotation inKa-band,"IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.63,no.11,pp.5118-5124,Nov.2015.
发明内容
为了解决现有技术中因介质材料的引入而导致的阵面部分介质损耗高、口径效率低问题以及因采用喇叭天线作为馈源而导致的馈源部分体积大、重量重、加工困难、成本高、难以与前端电路集成等至少一个问题，本发明提供了一种基于简并模波导的圆极化集成馈源透射阵天线。
为了实现本发明目的，本发明提供的一种基于简并模波导的圆极化集成馈源透射阵天线，包括阵面和位于阵面下方的平面馈源，平面馈源的相位中心与阵面的焦点重合，
阵面包括多个阵面单元，每个阵面单元均包括上段、中段和下段，上段和下段以镜像的方式位于中段的两端，且均为内径线性渐变的喇叭形开口结构，多个阵面单元中包括多种阵面单元，不同种类的阵面单元的中段内径不同，且阵面同时满足费马原理和圆极化辐射的要求；
平面馈源为差分馈电的平面口径天线，包括用于馈电的馈电结构、导波波导、与导波波导连接的喇叭形波导、矩形腔体和位于矩形腔体内的贴片结构，且贴片结构与喇叭形波导连接。
进一步地，平面馈源垂直照射阵面，并与阵面在水平方向上呈45度夹角。
进一步地，四个贴片结构呈2×2的线性阵列排布。
进一步地，矩形腔体内的贴片结构有多个，每个贴片结构均包括第一微带线、与第一微带线连接的第二微带线和与第二微带线连接的第三微带线，第一微带线与喇叭形波导连接，第二微带线用于调整天线的阻抗匹配，通过改变其长度和宽度能调节天线的阻抗匹配，第三微带线为辐射结构，改变其与第一微带线之间的偏移距离L能实现E面和H面波束宽度的调整。
进一步地，每个阵面单元均为空气填充的矩形波导结构。
进一步地，阵面包括多个以线性形式排列的阵面单元。
进一步地，多个阵面单元包括的多种阵面单元中，不同种类的阵面单元的相位种类不同。
进一步地，多个阵面单元中阵面单元的种类划分采用3-bit相位量化，即具备8种阵面单元。
进一步地，根据费马原理，每个阵面单元所需的移相大小为：
Figure BDA0004066643350000031
其中，x和y表示阵面上某阵面单元的几何中心在x方向和y方向上的坐标，F表示阵面的焦距，
Figure BDA0004066643350000032
表示任意初始相位；阵面单元内存在两个正交的电场模式，即极化简并的TE10和TE01模，它们在单元内的移相大小可分别表示为/>
Figure BDA0004066643350000033
和/>
Figure BDA0004066643350000034
满足费马原理即需令
Figure BDA0004066643350000035
或/>
Figure BDA0004066643350000036
二者之一等于/>
Figure BDA0004066643350000037
为满足圆极化辐射原理，这两个相位还需同时满足下式，
Figure BDA0004066643350000038
进一步地，平面馈源产生的线极化电磁波可以被等幅、同相位分解为两个正交的分量，这两个分量在阵面单元中分别激励极化简并的TE10和TE01模式，它们的相位常数分别为
Figure BDA0004066643350000039
Figure BDA00040666433500000310
f为天线的中心频率，βTE10和βTE01分别表示TE10和TE01模式在阵面单元中段内的相位常数，a、b分别为阵面单元的中段内径的长和宽，μ0和ε0分别表示空气中的磁导率和介电常数，则
两种模式在波导的中段的相位变化分别为：
Figure BDA00040666433500000311
Figure BDA00040666433500000312
模式间的相位差为：
Figure BDA0004066643350000041
式中，h为阵面单元的中段的高度；
通过调整参数a、b、h来使阵面同时满足费马原理和圆极化辐射的要求。
与现有技术相比，本发明能够实现的有益效果至少如下：
1、阵面单元采用空气填充的矩形波导结构，不引入介质损耗，因此具有极低的透射损耗。
2、馈源为单层平面馈源，增益高，带宽宽，可在性能上替代传统喇叭天线，又具有低成本，轻质量，低剖面，易集成的优点。
3、在一个实施例中，整个透射阵天线性能优异，增益为29.3dBic，带宽为17.7％，口径效率高达49.4％，技术水平上优于目前的圆极化透射阵天线。
4、本发明提出的平面口径天线可与所提出的阵面搭配使用，可以使整个透射阵天线具有较高的口径效率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于简并模波导的圆极化集成馈源透射阵天线的整体结构示意图。
图2是本发明实施例中阵面单元的结构示意图。
图3是本发明实施例中馈源的正面结构示意图。
图4是本发明实施例中馈源的背面结构示意图。
图5是本发明实施例中贴片结构的结构示意图。
图6是本发明实施例中各个阵面单元的TE10模式的透射损耗示意图。
图7是本发明实施例中各个阵面单元的TE01模式的透射损耗示意图。
图8是本发明实施例平面馈源的阻抗匹配特性示意图。
图9的(a)和(b)图分别是本发明实施例平面馈源的中心频率处的E面方向图和H面方向图。
图10是本发明实施例平面馈源的增益随频率变化的示意图。
图11是本发明实施例中透射阵天线的阻抗匹配特性示意图。
图12是本发明实施例中透射阵天线的轴比特性示意图。
图13是本发明实施例中透射阵天线的中心频率30GHz的X-Z面方向图。
图14是本发明实施例中透射阵天线的中心频率30GHz的Y-Z面方向图。
图15是本发明实施例中透射阵天线的增益特性示意图。
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。
请参阅图1-5，本发明提供的一种基于简并模波导的圆极化集成馈源透射阵天线，包括阵面1和位于阵面1下方的平面馈源2两部分，支架3用于将两者固定在一起。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1平行，x轴和y轴分别平行于阵面1的两个边，z轴指向电磁波垂直入射至阵面的方向。平面馈源2垂直照射阵面1，并与阵面1在水平方向(XY平面)上成45度夹角。平面馈源2的相位中心与阵面1的焦点重合。
阵面2包括多个以线性形式排列的阵面单元4，多个阵面单元4中包括多种阵面单元，不同阵面单元的中段内径不同，且阵面1同时满足费马原理和圆极化辐射的要求；在本发明的其中一些实施例中，每个阵面单元4均为空气填充的矩形波导结构，如图2所示，每个阵面单元4均包括上、中、下三段，其中，上、下两段为内径线性渐变的喇叭形开口结构，以镜像的方式位于中段的两端。
整个阵面需要360度的连续移相，那么就需要对应的阵面单元来实现，理论上这个阵面单元数目是无穷多个的，区分阵面单元的种类是按照相位种类来确定的。在本发明的其中一些实施例中，阵面单元4的种类为八种，采用的方案是3-bit相位量化，即对应8种阵面单元，可以理解的是，在其他实施例中，阵面单元的种类可以少于或多于8种。
其中，对应于3-bit相位量化，每个阵面单元4的外横截面均为正方形，整体尺寸为0.9λ0×0.9λ0×4.6λ0，λ0表示中心频率处的自由空间波长。
不同种类的阵面单元4的中段内径a×b不同，具体尺寸的选择可由全波仿真软件ANSYS HFSS仿真得出，筛选原则需满足1)费马(Fermat’s principle)原理；2)圆极化辐射原理。
首先，根据费马原理，每个阵面单元4所需的移相大小为：
Figure BDA0004066643350000051
其中，x和y表示阵面1上某阵面单元的几何中心在x方向和y方向上的坐标，F表示阵面1的焦距，
Figure BDA0004066643350000061
表示任意初始相位；阵面单元4内存在两个正交的电场模式，即极化简并的TE10和TE01模，它们在单元内的移相大小可分别表示为/>
Figure BDA0004066643350000062
和/>
Figure BDA0004066643350000063
满足费马原理即需令/>
Figure BDA0004066643350000064
或/>
Figure BDA0004066643350000065
二者之一等于/>
Figure BDA0004066643350000066
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，
Figure BDA0004066643350000067
平面馈源2为单层PCB结构，在本发明的其中一些实施例中，图3和图4所示分别为平面馈源2的正面和背面结构，PCB板厚为1.575mm，材料为Rogers RT/duroid 5880，介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。
平面馈源2为差分馈电的平面口径天线，包括一个馈电结构5、两段导波波导6、两段喇叭形波导7、一个矩形腔体8和四个贴片结构9，导波波导6和喇叭形波导7连接。其中，在本发明的其中一些实施例中，四个贴片结构9以2×2的形式排列，镜像分布于矩形腔体8内。
请参阅图5，在本发明的其中一些实施例中，每个贴片结构9包括级联的一段第一微带线10、一段第二微带线11和一段第三微带线12。贴片结构9中的第一微带线10与喇叭形波导7连接，用于实现贴片与波导结构之间的电气连接，第二微带线11用于调整天线的阻抗匹配，通过改变其长度和宽度可调节天线的阻抗匹配，第三微带线12为辐射结构，通过改变其与第一微带线10之间的偏移距离L可实现E面和H面波束宽度的调整。
在本发明的其中一些实施例中，平面馈源2由WR-28型号的同轴-波导转换器于馈电结构5处进行馈电。
工作原理上，馈电结构5在工作原理上类似于E面T型结波导功分器，可将电磁波分为两路等幅、反相位的信号。该差分信号经由导波波导6传输至喇叭形波导7，再由喇叭形波导7等幅分配至四个贴片结构9，最后辐射至大气。由于四个贴片结构9镜像排列，因此差分电磁波可在+z方向相长干涉，实现单向辐射来照射阵面1。平面馈源2采用差分馈电可使得馈源的相位中心更加稳定，与馈源结构的几何中心重合。矩形腔体8的作用为抑制介质板内的表面波，从而使电磁能量更加集中。
由于平面馈源2与阵面1之间具有45°的相对夹角，因此，根据矢量分解原理，平面馈源2产生的线极化电磁波可以被等幅、同相位分解为两个正交的分量。这两个分量在阵面单元4中分别激励极化简并的TE10和TE01模式，它们的相位常数分别为
Figure BDA0004066643350000071
Figure BDA0004066643350000072
其中，f为天线的中心频率，βTE10和βTE01分别表示TE10和TE01模式在阵面单元中段内的相位常数，a、b分别为阵面单元4的中段内径的长和宽，μ0和ε0分别表示空气中的磁导率和介电常数。于是，两种模式在波导的中段的相位变化分别为：
Figure BDA0004066643350000073
Figure BDA0004066643350000074
其中，h为阵面单元的中段的高度。于是，模式间的相位差为：
Figure BDA0004066643350000075
由以上式子，可以看出：两种模式在阵面单元4内的相位变化可通过改变波导内径a、b以及高度h来实现，通过调整这三个结构参数即可使阵面1同时满足费马原理和圆极化辐射的要求。由于在透射阵设计中，所有对于相位的讨论均为单元之间的相对相位，并且不同阵面单元4中上、下两段结构均相同，因此，这里仅需考虑中段结构对于相位的影响即可，上、下两段结构主要起电磁波的过渡作用，对相位变化几乎无影响。
在本发明的其中一些实施例中，采用13×13的阵面排布，共计169个单元，口径大小为117mm×117mm，焦距为117mm，焦径比等于1。阵面1加工采用金属3D打印技术，阵面单元4的最小壁厚为0.3mm。阵面1的相位量化采用3-bit方案，即将一个周期360°离散为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°，八种阵面单元4的中段内径a和b如表1所示。八种阵面单元4中TE10和TE01模式的透射损耗分别如图6和图7所示，可以看出在天线工作频带(27.3-32.6GHz，17.7％)内，平均损耗约为0.4dB，该指标远优于目前的技术水平。
表1
Figure BDA0004066643350000081
天线性能方面，平面馈源2的性能如图8至图10所示。图8为阻抗匹配特性，该平面馈源2在26.7-33.6GHz的频带范围内可实现低于-10dB的宽带匹配，带宽约23％。中心频率处的E面和H面方向图如图9所示，可见该馈源具有良好的单向辐射特性。同时，两个面的3-dB波束宽度接近，说明该平面馈源2可在阵面上实现相对均匀的照射。图10所示为增益随频率变化的示意图，可见该平面馈源2具有较高的增益，峰值增益为15.5dBi，带内增益稳定，波动小于3dB。
整个透射阵天线的性能如图11至图15所示。其中，图11为透射阵天线的阻抗匹配特性，其在27-33GHz的频带范围内可实现低于-10dB的阻抗匹配，具有宽带特性。轴比特性如图12所示，在27.3-32.6GHz的频带范围内轴比低于3dB，轴比带宽约为17.7％。图13和图14分别为中心频率30GHz的E面和H面方向图，天线旁瓣低于-18dB，即实现高增益的同时也具有低旁瓣的特性。图15为增益特性，在工作频带(27.3-32.6GHz)内，最大增益为29.3dBic，且3dB增益带宽覆盖工作带宽，带内增益性能稳定。同时带内最大口径效率高达49.4％，具有很高的口径效率。
本发明前述实施例提供的透射阵天线，其阵面部分采用空气填充的矩形波导结构，利用矩形波导的极化简并特性，通过激励TE10和TE01这两个模式来构成圆极化辐射所需的两个正交线极化分量。由于不涉及介质材料，因此阵面部分没有介质损耗，进而具有较高的口径效率。对于馈源部分，传统的平面口径天线尚未有应用于透射阵馈源的设计，本发明提出的平面口径天线可与所提出的阵面搭配使用，E面和H面的3-dB波束宽度相近，可为阵面提供较为均匀的电磁波照射，进一步提升口径效率，该馈源具有低剖面、重量轻、易加工、易集成、低成本的优点，可取代传统的喇叭天线馈源。
综上所述，该透射阵天线轴比带宽宽、增益高、具有很高的口径效率，整体性能优于目前的圆极化透射阵天线。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或采用现有技术加以实现。
以上所述仅为本发明的优先实施例，而非对本发明作任何形式上的限制。本领域的技术人员可在上述实施例的基础上施以各种等同的更改和改进，凡在权利要求范围内所做的等同变化和修饰，均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于简并模波导的圆极化集成馈源透射阵天线，其特征在于，包括阵面(1)和位于阵面(1)下方的平面馈源(2)，平面馈源(2)的相位中心与阵面(1)的焦点重合，
阵面(1)包括多个阵面单元(4)，每个阵面单元均包括上段、中段和下段，上段和下段以镜像的方式位于中段的两端，且均为内径线性渐变的喇叭形开口结构，多个阵面单元(4)中包括多种阵面单元，不同种类的阵面单元的中段内径不同，且阵面(1)同时满足费马原理和圆极化辐射的要求；
平面馈源(2)为差分馈电的平面口径天线，包括用于馈电的馈电结构(5)、导波波导(6)、与导波波导(6)连接的喇叭形波导(7)、矩形腔体(8)和位于矩形腔体(8)内的贴片结构(9)，且贴片结构(9)与喇叭形波导(7)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于简并模波导的圆极化集成馈源透射阵天线，其特征在于：平面馈源(2)垂直照射阵面(1)，并与阵面(1)在水平方向上呈45度夹角。
3.根据权利要求1所述的一种基于简并模波导的圆极化集成馈源透射阵天线，其特征在于：矩形腔体(8)内的贴片结构(9)有四个，每个贴片结构(9)均包括第一微带线(10)、与第一微带线(10)连接的第二微带线(11)和与第二微带线(11)连接的第三微带线(12)，第一微带线(10)与喇叭形波导(7)连接，第二微带线(11)用于调整天线的阻抗匹配，通过改变其长度和宽度能调节天线的阻抗匹配，第三微带线(12)为辐射结构，改变其与第一微带线(10)之间的偏移距离L能实现E面和H面波束宽度的调整。
4.根据权利要求3所述的一种基于简并模波导的圆极化集成馈源透射阵天线，其特征在于：四个贴片结构(9)呈2×2的线性阵列排布。
5.根据权利要求1所述的一种基于简并模波导的圆极化集成馈源透射阵天线，其特征在于：每个阵面单元(4)均为空气填充的矩形波导结构。
6.根据权利要求1所述的一种基于简并模波导的圆极化集成馈源透射阵天线，其特征在于：阵面(1)包括多个以线性形式排列的阵面单元(4)。
7.根据权利要求1所述的一种基于简并模波导的圆极化集成馈源透射阵天线，其特征在于：多个阵面单元(4)包括的多种阵面单元中，不同种类的阵面单元的相位种类不同。
8.根据权利要求7所述的一种基于简并模波导的圆极化集成馈源透射阵天线，其特征在于：多个阵面单元(4)中阵面单元的种类划分采用3-bit相位量化，即具备8种阵面单元。
9.根据权利要求1-8任一所述的一种基于简并模波导的圆极化集成馈源透射阵天线，其特征在于：根据费马原理，每个阵面单元(4)所需的移相大小为：
Figure FDA0004066643340000021
其中，x和y表示阵面(1)上某阵面单元的几何中心在x方向和y方向上的坐标，F表示阵面(1)的焦距，
Figure FDA0004066643340000022
表示任意初始相位；阵面单元(4)内存在两个正交的电场模式，即极化简并的TE10和TE01模，它们在单元内的移相大小可分别表示为/>
Figure FDA0004066643340000023
和/>
Figure FDA0004066643340000024
满足费马原理即需令/>
Figure FDA0004066643340000025
或/>
Figure FDA0004066643340000026
二者之一等于/>
Figure FDA0004066643340000027
为满足圆极化辐射原理，这两个相位还需同时满足下式，
Figure FDA0004066643340000028
/>
10.根据权利要求9所述的一种基于简并模波导的圆极化集成馈源透射阵天线，其特征在于：平面馈源(2)产生的线极化电磁波可以被等幅、同相位分解为两个正交的分量，这两个分量在阵面单元(4)中分别激励极化简并的TE10和TE01模式，它们的相位常数分别为
Figure FDA0004066643340000029
Figure FDA00040666433400000210
f为天线的中心频率，βTE10和βTE01分别表示TE10和TE01模式在阵面单元中段内的相位常数，a、b分别为阵面单元(4)的中段内径的长和宽，μ0和ε0分别表示空气中的磁导率和介电常数，则
两种模式在波导的中段的相位变化分别为：
Figure FDA00040666433400000211
Figure FDA0004066643340000031
模式间的相位差为：
Figure FDA0004066643340000032
式中，h为阵面单元的中段的高度；
通过调整参数a、b、h来使阵面(1)同时满足费马原理和圆极化辐射的要求。
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