CN116365252A - 一种基于结构复合表面的相控阵与反射阵共用的低剖面天线 - Google Patents

一种基于结构复合表面的相控阵与反射阵共用的低剖面天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于结构复合表面的相控阵与反射阵共用的低剖面天线，包括两层基板、上层基板上表面的辐射结构、用来粘合上下层基板的半固化片、下层基板上表面的缝隙耦合馈电结构、下层基板下表面的馈线结构。本发明采用相控阵天线和反射阵天线的结构复合设计，相控阵天线可以实现±45°的扫描范围，反射阵天线采用喇叭天线偏馈，法向辐射的方式，极大的拓展了天线的灵活性。

Description

一种基于结构复合表面的相控阵与反射阵共用的低剖面天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种基于结构复合表面的相控阵与反射阵共用的低剖面天线。
背景技术
在第五代移动通信(5G)中，随着毫米波技术和通信系统的发展，一方面需要通过提升通信频带的频率以拓展频谱、提高通信速率；另一方面，系统功能的多样化也需要通过同时接入多个工作频带(如毫米波频段和Sub-6 GHz)来实现。基于该应用背景，对通信系统中的各个部件都提出了新的要求，天线也是其中之一。在整个通信系统中，天线是比较特殊的一个器件，因为它与开放空间相交互，容易受到外界环境的影响。天线的性能直接决定了整个通信系统的质量。当天线的工作频率较高时，可以快速的传输信息，拓展频谱资源，但同时天线辐射的电磁波波长也更短，更容易受到外界的干扰。例如在远距通信(如卫星通信)中，为了提高通信速率，可用的频段已到达了毫米波，此时由于路径损耗带来的能量损失是极大的。另外，为了满足毫米波通信系统中多频带的需求，要求天线具备同时工作在多个频段的能力，传统上采用多个天线来解决这一问题，但这无疑会极大的增加系统冗杂度。这可以归结为针对天线设计的三个要求：(1)天线工作频率需要覆盖多个频带以实现通信系统的多样化(2)天线具备高辐射增益以对抗路径损耗(3)轻便简洁的天线结构以便于系统集成。
针对以上三个要求，采用基于结构复用技术的多频阵列天线是一个很好的解决方法。在文献“J.Lan,Z.Yu and J.Zhou,"A3.5/28GHz Beam-Steerable Shared-ApertureAntenna Based on Shorting-Vias-Loaded Patch,"2020IEEE MTT-S InternationalWireless Symposium(IWS),2020,pp.1-3,doi:10.1109/IWS49314.2020.9360209.”中，来自东南大学的Ji Lan等人设计了一款工作在3.5/28GHz的双频段结构复用阵列天线，通过多端口的耦合馈电将低频段的贴片天线和高频段的SIW(基片集成波导)缝隙阵列天线实现了结构上的复用，最终得到的天线结构十分紧凑。但该天线在两个频段都是定向辐射，且阵面规模不够大，因此天线的增益仍有一定的提升空间。在文献“Y.Yao,X.Q.Lin,T.Qin,Y.Suand X.Yang,"Shared-Aperture Ka-Band Reflectarray and X-Band Phased Array forBroadband Inter-Satellite Communication,"in IEEE Transactions on Antennas andPropagation,vol.70,no.11,pp.11199-11204,Nov.2022,doi:10.1109/TAP.2022.3209249.”中，来自电子科技大学的姚尧等人提出了一种可以同时工作在Ka波段反射阵和X波段相控阵的共口径阵列天线。反射阵对于X波段是透射效果，因此可以将Ka波段反射阵放置在X波段相控阵的上方进行堆叠，提高了口径复用率。该阵列天线具备高辐射增益、双工作频带、结构简单的优点。最终，该阵列天线中相控阵部分工作在7-11.1GHz，相对带宽45.3％，扫描范围覆盖±45°；反射阵部分工作在26.4-29.6GHz，3dB增益带宽为11.4％。在文献“D.E.Serup,G.F.Pedersen and S.Zhang,"Dual-Band Shared ApertureReflectarray and Patch Antenna Array for S-and Ka-Bands,"in IEEE Transactionson Antennas and Propagation,vol.70,no.3,pp.2340-2345,March 2022,doi:10.1109/TAP.2021.3111171.”中，国外学者D.E.Serup等人提出了一种将反射阵天线与定向辐射天线阵列的单元在同一层结构上嵌套的结构，从而使天线可以工作在S频段和Ka频段。在这篇文献中，首先是贴片阵列的设计，之后设计了两种反射阵单元，分别用于低频贴片的嵌套和低频阵列空隙处的填充之中，反射阵单元采用多层结构，一方面使反射阵单元的反射相位得到改善，另一方面，拓展了低频贴片阵列的带宽。但是由于反射阵单元采用的是多层结构，因此仍然未能有效地降低天线的剖面，使得天线的成本提高。
发明内容
本发明针对以上的背景需求和存在的技术问题，基于结构复用的天线设计方法，结合相控阵列天线理论和反射阵列天线理论，发明设计了一种基于结构复合表面的相控阵与反射阵共用的低剖面天线。在本发明中，只采用了一种单层的单元结构，就可以同时实现相控阵和反射阵的天线单元设计，在具备高口径复用率的同时还拥有低剖面的优势。经过仿真优化，相控阵工作频段为7.98-9.93GHz(相对带宽为21.77％)，可以覆盖±45°的扫描范围，相控阵的有效峰值增益在9GHz时为21.12dBi，与之对应的辐射效率为89.87％；反射阵天线的3dB增益带宽为25.10-30.51GHz(相对带宽为19.46％)，有效峰值增益在28GHz时为31.42dBi，与之对应的辐射效率为54.02％。
为了实现以上技术目的，本发明通过以下的技术方案实现：
一种基于结构复合表面的相控阵与反射阵共用的低剖面天线，包括两层基板、上层基板上表面的辐射结构、用来粘合上下层基板的半固化片、下层基板上表面的缝隙耦合馈电结构、下层基板下表面的馈线结构。
进一步地，两层基板的材料为RF 35，介电常数为3.5，上层基板厚度为1.524mm，下层基板厚度为0.508mm。
进一步地，所述上层基板上表面的辐射结构包括相控阵单元。
进一步地，所述相控阵单元总数量为9×9，相控阵单元采用三角型布阵。
进一步地，所述相控阵单元由4×4个反射阵单元组成。
进一步地，所述反射阵单元由“回”型的基本结构演变而来，包括外框、内框和中间的空心耶路撒冷环。
进一步地，所述半固化片的材料为RO4350F，介电常数为3.5，厚度为0.1mm。
进一步地，所述半固化片有两层。
进一步地，所述缝隙采用狭长的矩形结构，放置在每一个相控阵单元对称轴的位置。
进一步地，所述下层基板下表面的馈线结构采用SMA到微带线的过渡结构设计，该过渡结构包括SMA的焊盘、接地金属化过孔、中心的微带线结构，SMA的焊盘包围中心的微带线结构，在焊盘上加工有接地金属化过孔，SMA内导体所连接的焊盘逐渐变宽成为微带馈线，使得从SMA接头进入的能量沿微带线通过耦合缝隙传输至相控阵单元，实现相控阵的工作。
与已有技术相比，本发明的优点在于：
1.接近100％的口径复用率和低剖面高度。在本发明中，相控阵和反射阵采取了同一种基本单元，且该基本单元的主要结构只需要一层金属。另外，相控阵天线工作在X波段，反射阵天线工作在Ka波段，覆盖了两个常用的微波毫米波频段。
2.高辐射增益和辐射效率。反射阵的规模为38×38个单元，在28GHz的有效峰值辐射增益为31.42dBi，对应的辐射效率为54.02％；相控阵的规模为9×9个单元，实际馈电的为中间7×7个单元，在9GHz的有效峰值辐射增益为21.12dBi，对应的辐射效率为89.87％。
3.宽工作带宽。相控阵单元采用4×4的基本单元组成，属于一种超表面的结构，并且成功激励起了该结构的模式；反射阵单元采用“回”字型结构和中心的空心耶路撒冷结构组成，具有良好的频率一致性，也有助于宽工作带宽的形成。经过优化，相控阵工作频段为7.98-9.93GHz(相对带宽为21.77％)，反射阵天线的3dB增益带宽为25.10-30.51GHz(相对带宽为19.46％)。
4.本发明采用相控阵天线和反射阵天线的结构复合设计，相控阵天线可以实现±45°的扫描范围，反射阵天线采用喇叭天线偏馈，法向辐射的方式，极大的拓展了天线的灵活性。
附图说明
图1为本发明中结构复用天线阵列基本单元的结构示意图；
图2为本发明中相控阵单元辐射结构的示意图；
图3为本发明中相控阵单元馈电耦合缝隙的示意图；
图4为本发明中相控阵单元SMA焊盘到微带馈线过渡结构的示意图；
图5为本发明中整体阵面中单元排布方式的示意图；
图6为本发明中整体阵面的结构示意图；
图7为本发明中反射阵单元反射相位随放缩比例的变化曲线图；
图8为本发明中反射阵在28GHz处E面和H面的辐射方向图；
图9为本发明中反射阵峰值辐射增益随频率变化曲线图；
图10(a)为本发明中相控阵扫描角为Theta＝0°、Phi＝0°时的回波损耗随频率变化的曲线图；
图10(b)为本发明中相控阵扫描角为Theta＝0°、Phi＝0°时E面和H面的辐射方向图；
图11(a)为本发明中相控阵扫描角为Theta＝45°、Phi＝0°时的回波损耗随频率变化的曲线图；
图11(b)为本发明中相控阵扫描角为Theta＝45°、Phi＝0°时E面和H面的辐射方向图；
图12(a)为本发明中相控阵扫描角为Theta＝45°、Phi＝90°时的回波损耗随频率变化的曲线图；
图12(b)为本发明中相控阵扫描角为Theta＝45°、Phi＝90°时E面和H面的辐射方向图。
具体实施方式
本发明的目的是实现一种基于结构复合表面的相控阵与反射阵共用的低剖面天线，包括两层基板、上层基板上表面的辐射结构、用来粘合上下层基板的半固化片、下层基板上表面的缝隙耦合馈电结构、下层基板下表面的馈线结构。基板的材料为RF 35，介电常数为3.5，上层基板厚度为1.524mm，下层基板厚度为0.508mm；半固化片的材料为RO4350F，介电常数为3.5，厚度为0.1mm，为了使上下层基板粘合更为牢靠，选用了两层半固化片。
所述上层基板的上表面为辐射结构，该辐射结构的最小单元由“回”型的基本结构演变而来，在“回”型结构的中间位置，加载了中心掏空的耶路撒冷十字环结构。通过保持该最小单元的外框不变，调控该最小单元内框和耶路撒冷十字环的大小，可以获得覆盖360°的反射相位，用来实现反射阵天线的设计。另一方面，相控阵单元由4×4个最小单元组成，由于最小单元的外框尺寸未发生变化，所以可以激励起4×4贴片单元的超表面工作模式，有助于提升工作带宽。最终，阵面由38×38个最小单元组成反射阵的规模，其中每4×4个最小单元为一个相控阵单元，因此，相控阵单元总数量为9×9，相控阵单元采用三角型布阵，为了优化相控阵边缘单元的回波损耗，实际馈电的相控阵单元为中间的7×7个。
所述半固化片用来粘合上下层基板，实现层压板的效果，有助于提升精度。
所述下层基板的上表面为缝隙耦合的馈电结构，该馈电结构主要是为了激励相控阵单元，缝隙采用狭长的矩形结构，放置在每一个相控阵单元对称轴的位置。一共有9×9个，同样的，只有中间的7×7个缝隙被激励馈电。
所述下层基板下表面的馈线结构主要由微带馈线实现，为了便于SMA连接头的焊接，设计了一个SMA到微带线的过渡结构。该过渡结构主要包括了SMA的焊盘，SMA内导体所连接的焊盘逐渐变宽成为微带馈线，使得从SMA接头进入的能量可以沿微带线通过耦合缝隙传输至相控阵单元，实现相控阵的工作。
为使本发明的上述目的、优点和特征能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
图1为本发明中设计的基本单元，同时也是反射阵的单元。图1(a)为原始大小的单元结构，图1(b)为结构缩小至原来的0.5倍的结构示意图。其中1表示反射阵单元的大小，在单元尺寸放缩时，反射阵单元的外框2、内框3和中间的空心耶路撒冷环4中线宽保持不变。如此便可利用基本单元的外框2设计主动辐射的天线。
图2为本发明中设计的相控阵单元辐射结构的示意图，从图中可以看出，相控阵单元5是由4×4个反射阵单元所组成的。由于在反射阵单元放缩的过程中，单元的外框2未发生改变，因此该4×4的反射阵单元共同组成了一个超表面天线子阵。经过验证，随着反射阵单元中间结构3和4的放缩，不会对该子阵的性能产生影响。这说明反射阵单元的模式和天线子阵的模式之间有着很高的隔离度。
图3为本发明中相控阵单元的馈电缝隙结构，该结构放置在下层基板的上表面。耦合缝隙7处于金属贴片6对称轴的位置。
图4为本发明中相控阵单元SMA焊盘到下层基板下表面微带馈线过渡结构的示意图，该结构放置在下层基板的下表面。SMA的焊盘10包围了中心的微带线结构8，为了SMA接头良好接地，在焊盘10上加工了接地金属化过孔9，整体的单元尺寸如11所示。
图5为本发明中整体阵面中单元排布方式的示意图，在该示意图中反射阵单元12已按照单元移相相位、馈源位置和照射角度进行了放缩尺寸的调制，一共有38×38个单元；相控阵单元13由4×4个反射阵单元组成，采用如图所示的三角布阵，相控阵单元一共有9×9个，为了优化端口的回波损耗，只有中心的7×7个单元被激励；
图6为本发明中整体阵面14的结构示意图。
图7为反射阵单元的反射相位随放缩尺寸的变化，可以看到，当反射阵单元的放缩尺寸由0.5增加到1.0时，反射阵单元的反射相位覆盖了360°，且曲线整体的下降趋势平缓，有利于减小加工误差，提高辐射效率。
图8为反射阵在28GHz时E面和H面的方向图，在28GHz的有效峰值辐射增益为31.42dBi，对应的辐射效率为54.02％。
图9为反射阵峰值辐射增益随频率变化曲线，其3dB增益带宽为25.10-30.51GHz(相对带宽为19.46％)。
图10(a)为本发明中相控阵扫描角为Theta＝0°、Phi＝0°时的回波损耗随频率变化的曲线，图中选取的端口位于四分之一平面的对角线上，其工作频段为7.98-9.93GHz(相对带宽为21.77％)；图10(b)为本发明中相控阵工作频率为9GHz，扫描角为Theta＝0°、Phi＝0°时E面和H面的辐射方向图，有效峰值辐射增益为21.12dBi，对应的辐射效率为89.87％；图11(a)为相控阵扫描角为Theta＝45°、Phi＝0°时的回波损耗随频率变化的曲线；图11(b)为相控阵扫描角为Theta＝45°、Phi＝0°时E面和H面的辐射方向图，此时的有效峰值增益为19.47dBi；图12(a)为相控阵扫描角为Theta＝45°、Phi＝90°时的回波损耗随频率变化的曲线；图12(b)为相控阵扫描角为Theta＝45°、Phi＝90°时E面和H面的辐射方向图，此时的有效峰值增益为19.38dBi。
本发明的优势在于：(1)通过相控阵天线和反射阵天线的结构复合设计，极大的拓展了天线的灵活性。相控阵天线工作在X波段，可以实现±45°的扫描范围，反射阵天线工作在28GHz，采用定向辐射。(2)较宽的工作带宽、高辐射效率和增益。(3)本发明中设计了一种单层的可以同时作为反射阵和相控阵的单元，使最终的阵列天线达到了接近100％的口径复用率和很低的剖面高度。

Claims (10)

1.一种基于结构复合表面的相控阵与反射阵共用的低剖面天线，其特征在于，包括两层基板、上层基板上表面的辐射结构、用来粘合上下层基板的半固化片、下层基板上表面的缝隙耦合馈电结构、下层基板下表面的馈线结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于结构复合表面的相控阵与反射阵共用的低剖面天线，其特征在于：两层基板的材料为RF 35，介电常数为3.5，上层基板厚度为1.524mm，下层基板厚度为0.508mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于结构复合表面的相控阵与反射阵共用的低剖面天线，其特征在于：所述上层基板上表面的辐射结构包括相控阵单元。
4.根据权利要求3所述的一种基于结构复合表面的相控阵与反射阵共用的低剖面天线，其特征在于：所述相控阵单元总数量为9×9，相控阵单元采用三角型布阵。
5.根据权利要求4所述的一种基于结构复合表面的相控阵与反射阵共用的低剖面天线，其特征在于：所述相控阵单元由4×4个反射阵单元组成。
6.根据权利要求5所述的一种基于结构复合表面的相控阵与反射阵共用的低剖面天线，其特征在于：所述反射阵单元由“回”型的基本结构演变而来，包括外框、内框和中间的空心耶路撒冷环。
7.根据权利要求1所述的一种基于结构复合表面的相控阵与反射阵共用的低剖面天线，其特征在于：所述半固化片的材料为RO4350F，介电常数为3.5，厚度为0.1mm。
8.根据权利要求1或7所述的一种基于结构复合表面的相控阵与反射阵共用的低剖面天线，其特征在于：所述半固化片有两层。
9.根据权利要求1所述的一种基于结构复合表面的相控阵与反射阵共用的低剖面天线，其特征在于：所述缝隙采用狭长的矩形结构，放置在每一个相控阵单元对称轴的位置。
10.根据权利要求1所述的一种基于结构复合表面的相控阵与反射阵共用的低剖面天线，其特征在于：所述下层基板下表面的馈线结构采用SMA到微带线的过渡结构设计，该过渡结构包括SMA的焊盘、接地金属化过孔、中心的微带线结构，SMA的焊盘包围中心的微带线结构，在焊盘上加工有接地金属化过孔，SMA内导体所连接的焊盘逐渐变宽成为微带馈线，使得从SMA接头进入的能量沿微带线通过耦合缝隙传输至相控阵单元，实现相控阵的工作。
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