CN116805764B - 一种双频透射单元及透射阵列天线 - Google Patents

Abstract

本申请属于天线技术领域，涉及一种双频透射单元及透射阵列天线。双频透射单元包括：接收贴片、介质层以及辐射层；所述接收贴片设在所述介质层的上表面，所述辐射层设在所述介质层的下表面；所述接收贴片以及所述介质层的上表面均为正方形的结构，且所述接收贴片的一边与所述介质层的上表面的一边平行设置；所述接收贴片的中心与所述介质层的上表面的中心不重合；所述接收贴片与所述辐射层相连，以实现双频透射；所述接收贴片关于所述介质层的上表面的一条对称轴呈轴对称分布；所述介质层的上表面的边长为所述接收贴片的边长的两倍。采用本申请能够实现双频透射，且保证天线工作性能。

Description

一种双频透射单元及透射阵列天线

技术领域

本申请涉及天线技术领域，特别是涉及一种双频透射单元及透射阵列天线。

背景技术

波束扫描天线在无线通信、雷达探测等领域具有重要应用。

传统上实现波束扫描的天线主要有相控阵天线。相控阵天线经由放大器和移相器独立控制每个天线单元上的激发电流的振幅和相位，以实现波束扫描的功能。由于相控阵天线需要设计复杂的馈电网络和加载大量的T/R组件，这不可避免地使得相控阵天线具有高成本、高功耗、体积大等缺点。

随着技术的发展，可重构天线由于其低成本、体积小、易于集成、波束灵活可控等优点受到了广泛的关注，采用可重构天线实现波束扫描的技术越来越成熟。

常见的可重构天线主要有反射阵天线和透射阵天线。

反射阵天线由于馈源与反射的波束同在阵列的上侧，馈源对反射波束具有遮挡效应，进而会影响天线工作性能。而透射阵天线一般仅能实现单频段的透射。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种双频透射单元及透射阵列天线，能够实现双频透射，且保证天线工作性能。

一种双频透射单元，包括：接收贴片、介质层以及辐射层；所述接收贴片设在所述介质层的上表面，所述辐射层设在所述介质层的下表面；

所述接收贴片以及所述介质层的上表面均为正方形的结构，且所述接收贴片的一边与所述介质层的上表面的一边平行设置；所述接收贴片的中心与所述介质层的上表面的中心不重合；

所述接收贴片与所述辐射层相连，以实现双频透射。

在一个实施例中，所述接收贴片关于所述介质层的上表面的一条对称轴呈轴对称分布。

在一个实施例中，所述介质层的上表面的边长为所述接收贴片的边长的两倍。

在一个实施例中，所述辐射层包括：第一辐射贴片以及第二辐射贴片；

所述第一辐射贴片为环形结构，所述第二辐射贴片为矩形结构；

所述第二辐射贴片间隔设在所述第一辐射贴片的内部，且所述第二辐射贴片的两端分别采用一个二极管与所述第一辐射贴片相连；

所述第一辐射贴片与所述接收贴片相连。

在一个实施例中，所述第一辐射贴片的外环为长方形结构，所述第一辐射贴片的内环为正方形结构；

所述第一辐射贴片的外环中心与所述第一辐射贴片的内环中心重合，且所述第一辐射贴片的四条外环边分别与所述第一辐射贴片的四条内环边平行。

在一个实施例中，所述第二辐射贴片的中心与所述第一辐射贴片的中心重合；

所述第二辐射贴片为长方形结构，且所述第二辐射贴片的四条边分别与所述第一辐射贴片的四条内环边平行。

在一个实施例中，所述二极管连接所述第一辐射贴片的内环边中点以及所述第二辐射贴片的边长中点。

在一个实施例中，所述介质层包括：从所述接收贴片到所述辐射层方向依次相叠的第一介质板、粘合板以及第二介质板；

所述接收贴片设在所述第一介质板的上表面，所述辐射层设在所述第二介质板的下表面，所述第二介质板的上表面设有地板。

在一个实施例中，还包括：金属管；

所述介质层上设有与所述金属管对应的贯穿孔，所述金属管穿过所述贯穿孔后连接所述接收贴片以及所述辐射层；

所述贯穿孔上对应所述地板处的孔壁上设有环形的沉槽，以作为隔离环，用于所述金属管与所述地板的隔离。

透射阵列天线，包括：馈源以及多个所述的双频透射单元；

多个双频透射单元间隔设置以构成正方形阵列，所述馈源与所述正方形阵列间隔设置。

上述双频透射单元及透射阵列天线，在X和Ku两个频段内都具有较好的透射性能，通过在双频透射单元上加载两个二极管，控制二极管的导通/截止状态，可以实现双频透射单元的1bit相位可重构特性。将该双频透射单元组成16×16二维阵列，通过全波仿真验证了透射阵列天线的透射性能和在两个频段的波束扫描功能，且该透射阵列天线的增益、波束指向等性能优异，能够满足更多无线通信环境的需求。另外，本申请还具有双频工作、高增益、体积小、成本低、波束灵活可调等优势。

附图说明

图1为一个实施例中双频透射单元的立体示意图；

图2为一个实施例中双频透射单元的尺寸图，其中，(a)为接收贴片的尺寸图，(b)为辐射层的尺寸图；

图3为一个实施例中双频透射单元工作在状态1和状态2的透射损耗；

图4为一个实施例中双频透射单元工作在状态1和状态2的透射相位；

图5为一个实施例中双频透射单元工作在状态1和状态2的相位差；

图6为一个实施例中透射阵列天线的立体示意图；

图7为一个实施例中透射阵列天线偏转0°时的编码；

图8为一个实施例中透射阵列天线以理论编码偏转0°的三维远场方向图结果；

图9为一个实施例中透射阵列天线工作在11.0GHz时以理论编码偏转30°的二维远场方向图结果；

图10为一个实施例中透射阵列天线工作在11.0GHz时以理论编码偏转45°的二维远场方向图结果；

图11为一个实施例中透射阵列天线工作在13.3GHz时以理论编码偏转30°的二维远场方向图结果；

图12为一个实施例中透射阵列天线工作在13.3GHz时以理论编码偏转45°的二维远场方向图结果。

附图标记：

接收贴片11，金属管12，隔离环13；

二极管21，第二辐射贴片22，第一辐射贴片23；

第一介质板31，第二介质板32，粘合板33，地板34。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

需要说明，本申请实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本申请中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，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。在本申请的描述中，“多组”的含义是至少两组，例如两组，三组等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

另外，本申请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，也不在本申请要求的保护范围之内。

本申请提供了一种双频透射单元，如图1所示，在一个实施例中，包括：从上到下依次相叠的接收贴片、介质层以及辐射层，还包括：金属管。

接收贴片设在介质层的上表面，具体的设置方式属于现有技术，如接收贴片印制在介质层的上表面。

介质层设在接收贴片与辐射层之间，包括：从接收贴片到辐射层方向依次相叠的第一介质板、粘合板、地板以及第二介质板。接收贴片设在第一介质板的上表面，辐射层设在第二介质板的下表面；粘合板设在第一介质板以及第二介质板之间，可以采用半固化片；第二介质板的上表面也就是粘合板与第二介质板之间设有地板。介质层上设有与金属管对应的贯穿孔，贯穿孔上对应地板处的孔壁上设有环形的沉槽，以作为隔离环，用于金属管与地板的隔离，避免金属管传递的射频信号被地板短路。

辐射层设在介质层的下表面。

金属管穿过贯穿孔后连接接收贴片以及辐射层。优选地，金属管连接的是接收贴片上对应介质层上表面中心的点以及辐射层的中心。

在本实施例中，接收贴片以及介质层的上表面均为正方形的结构，且接收贴片的一边与介质层的上表面的一边平行设置；接收贴片的中心与介质层的上表面的中心不重合；接收贴片与辐射层相连，以实现双频透射。

优选地，接收贴片关于介质层的上表面的一条对称轴呈轴对称分布，也就是说，接收贴片中心与介质层上表面中心的连线平行于接收贴片的两条对边，以实现对馈源照射的水平极化方向的能量的接收。

进一步优选地，介质层的上表面的边长为接收贴片的边长的两倍，以使得馈源照射到接收贴片的能量更加集中，减少馈源照射到天线单元（即双频透射单元）的能量损耗。

上述双频透射单元，设置了偏置的接收贴片，以实现透射；同时将接收贴片设置为正方形结构，以实现双频；另外，通过切换双频透射单元上集成在辐射层的PIN二极管的导通/截止状态，进而改变双频透射单元的工作状态，使得双频透射单元在10.95-11.05GHz和13.05-13.58GHz两个频段均具有1bit相位可重构特性，从而实现1bit可编程双频透射单元，具有广泛的应用前景。

优选地，辐射层包括：第一辐射贴片、第二辐射贴片以及两个二极管。

第一辐射贴片为环形结构。进一步优选地，第一辐射贴片的外环为长方形结构，第一辐射贴片的内环为正方形结构；第一辐射贴片的外环中心与第一辐射贴片的内环中心重合，且第一辐射贴片的四条外环边分别与第一辐射贴片的四条内环边平行。

第二辐射贴片为矩形结构，且与接收贴片相连，第二辐射贴片间隔设在第一辐射贴片的内部。进一步优选地，第二辐射贴片的中心与第一辐射贴片的中心重合；第二辐射贴片为长方形结构，且第二辐射贴片的四条边分别与第一辐射贴片的四条内环边平行。更进一步优选地，第二辐射贴片的长边长度为短边长度的三倍，以提升双频透射单元的各项工作性能。

二极管可以采用PIN二极管，二极管的两端分别与第一辐射贴片的内环以及第二辐射贴片的外环相连，也就是说，第一辐射贴片的内环以及第二辐射贴片的外环之间具有两个对称的间隙，两个二极管各设在一个间隙上，即两个二极管的一个对应端连接第一辐射贴片内环的两个对边，另一个对应端连接第二辐射贴片外环的两个对边，二极管连接的这四条边彼此平行。优选地，二极管的两端连接第一辐射贴片的内环边中点以及第二辐射贴片的边长中点，且两个二极管的极性相反。

在本实施例中，接收贴片在接收天线上方的射频信号后，通过金属管将射频信号传递到辐射层，通过改变两个二极管的工作状态（控制二极管的通断，使：一个二极管导通，同时另一个二极管截止），实现180°相位差，来实现双频透射单元的1bit相位可重构。

需要说明：接收贴片、地板、辐射层以及金属管均由金属材料制成。

如图2所示，在一个具体的实施例中，第一介质板与第二介质板均采用介电常数为3.66且损耗角正切为0.0037的RogersRO4350B材料制成，厚度均为0.762mm。粘合板采用介电常数为3.7且损耗角正切为0.004的RogersRO4450F材料制成，厚度为0.2mm。

具体尺寸如下：，/>，/>，/>，，/>，/>，/>。

当左边二极管导通，右边二极管关闭时，定义天线工作在状态1；当左边二极管关闭，右边二极管导通时，定义天线工作在状态2。

如图3至图5所示的双频透射单元工作在状态1和状态2的透射性能图，其中，图3为双频透射单元工作在状态1和状态2的透射损耗，图4为双频透射单元工作在状态1和状态2的透射相位，图5为双频透射单元工作在状态1和状态2的相位差。

由图3至图5可以看出：本申请的双频透射单元工作在10.95-11.05GHz以及13.05-13.58GHz时，两种状态（状态1和状态2）下的透射损耗均大于-3dB，且两种状态下的相位差始终保持在180°；这意味着双频透射单元工作在上述两个频段内的损耗较低，能够正常工作，且状态1和状态2具有1bit相位可重构特性。

本申请还提供了一种透射阵列天线，在一个实施例中，包括：馈源以及多个双频透射单元。

馈源可以采用喇叭天线，为多个双频透射单元构成的透射阵列提供能量。

多个双频透射单元间隔设置以构成正方形透射阵列，馈源与正方形透射阵列间隔设置。

上述透射阵列天线，具有1bit相位可重构特性，是一种可编程的波束扫描透射阵列天线，将多个双频透射单元组成二维阵列，馈源照射二维阵列上侧的接收贴片后，透射阵列天线将能量传递到二维阵列下侧，并通过改变二维阵列中双频透射单元的状态分布，可以透射出不同角度的波束，对波束具有透射能力，且能够在X和Ku两个频段均实现波束扫描功能，使得天线具有更加广泛的应用场景。

如图6所示，在一个具体的实施例中，多个双频透射单元组成了一个16×16的二维阵列，以形成透射阵列天线。验证该透射阵列天线对波束的透射能力以及在两个频段的波束扫描能力。

验证该透射阵列天线对波束的透射能力：

如图7所示透射阵列天线偏转0°时的编码，通过计算波束理论偏转角度的编码，对工作在状态1和状态2的两种双频透射单元进行排列组合。在全波仿真软件中按照该编码排列两种不同工作状态的双频透射单元并组成透射阵列天线，对透射阵列天线的远场方向图进行计算，验证理论上透射阵列天线偏转0°方向图的全波仿真结果。

如图8所示透射阵列天线以理论编码偏转0°的三维远场方向图结果，透射阵列天线的偏转角度分别为0°，与理论值吻合，且最大增益达到了18.6dBi，天线的性能良好；同时，透射阵列天线的上方在接收馈源照射的能量后，下方能够透射并形成主波束，由于波束与馈源不在透射阵列天线的同一侧，有效地避免了馈源对波束的遮挡效应，能够实现波束不同角度的偏转。

验证该透射阵列天线在两个频段的波束扫描能力：

通过计算波束理论偏转角度的编码，对工作在状态1和状态2的两种双频透射单元进行排列组合，可以实现天线在空间的波束扫描。

如图9所示透射阵列天线工作在11.0GHz时以理论编码偏转30°的二维远场方向图结果，透射阵列天线的偏转角度分别为30°，与理论值吻合，且最大增益达到了16.3dBi，天线的性能良好。

如图10所示透射阵列天线工作在11.0GHz时以理论编码偏转45°的二维远场方向图结果，透射阵列天线的偏转角度分别为45°，与理论值吻合，且最大增益达到了15.9dBi，天线的性能良好。

如图11所示透射阵列天线工作在13.3GHz时以理论编码偏转30°的二维远场方向图结果，透射阵列天线的偏转角度分别为30°，与理论值吻合，且最大增益达到了19.4dBi，天线的性能良好。

如图12所示透射阵列天线工作在13.3GHz时以理论编码偏转45°的二维远场方向图结果，透射阵列天线的偏转角度分别为45°，与理论值吻合，且最大增益达到了18.9dBi，天线的性能良好。

以上数据仅给出了16×16二维的透射阵列天线工作在11.0GHz和13.3GHz时波束偏转不同角度的远场方向图，实际上，双频透射单元组成的透射阵列天线在10.95-11.05GHz和13.05-13.58GHz这两个工作频带范围内均能实现波束扫描功能，在此不再赘述。

综上，本申请提出了一种1bit可编程双频透射天线单元，在X和Ku两个频段内都具有较好的透射性能，通过在双频透射单元上加载两个二极管，控制二极管的导通/截止状态，可以实现双频透射单元的1bit相位可重构特性。将该双频透射单元组成16×16二维阵列，通过全波仿真验证了透射阵列天线的透射性能和在两个频段的波束扫描功能，且该透射阵列天线的增益、波束指向等性能优异，能够满足更多无线通信环境的需求。另外，本申请还具有双频工作、高增益、体积小、成本低、波束灵活可调等优势。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种双频透射单元，其特征在于，包括：接收贴片、介质层以及辐射层；所述接收贴片设在所述介质层的上表面，所述辐射层设在所述介质层的下表面；

所述接收贴片以及所述介质层的上表面均为正方形的结构，且所述接收贴片的一边与所述介质层的上表面的一边平行设置；所述接收贴片的中心与所述介质层的上表面的中心不重合；

设置了偏置的接收贴片，以实现透射；同时将接收贴片设置为正方形结构，以实现双频；所述接收贴片与所述辐射层相连，以实现双频透射。

2.根据权利要求1所述的双频透射单元，其特征在于，所述接收贴片关于所述介质层的上表面的一条对称轴呈轴对称分布。

3.根据权利要求2所述的双频透射单元，其特征在于，所述介质层的上表面的边长为所述接收贴片的边长的两倍。

4.根据权利要求1至3任一项所述的双频透射单元，其特征在于，所述辐射层包括：第一辐射贴片以及第二辐射贴片；

所述第一辐射贴片为环形结构，所述第二辐射贴片为矩形结构；

所述第二辐射贴片间隔设在所述第一辐射贴片的内部，且所述第二辐射贴片的两端分别采用一个二极管与所述第一辐射贴片相连；

所述第一辐射贴片与所述接收贴片相连。

5.根据权利要求4所述的双频透射单元，其特征在于，所述第一辐射贴片的外环为长方形结构，所述第一辐射贴片的内环为正方形结构；

所述第一辐射贴片的外环中心与所述第一辐射贴片的内环中心重合，且所述第一辐射贴片的四条外环边分别与所述第一辐射贴片的四条内环边平行。

6.根据权利要求5所述的双频透射单元，其特征在于，所述第二辐射贴片的中心与所述第一辐射贴片的中心重合；

所述第二辐射贴片为长方形结构，且所述第二辐射贴片的四条边分别与所述第一辐射贴片的四条内环边平行。

7.根据权利要求6所述的双频透射单元，其特征在于，所述二极管连接所述第一辐射贴片的内环边中点以及所述第二辐射贴片的边长中点。

8.根据权利要求1至3任一项所述的双频透射单元，其特征在于，所述介质层包括：从所述接收贴片到所述辐射层方向依次相叠的第一介质板、粘合板以及第二介质板；

所述接收贴片设在所述第一介质板的上表面，所述辐射层设在所述第二介质板的下表面，所述第二介质板的上表面设有地板。

9.根据权利要求8所述的双频透射单元，其特征在于，还包括：金属管；

所述介质层上设有与所述金属管对应的贯穿孔，所述金属管穿过所述贯穿孔后连接所述接收贴片以及所述辐射层；

所述贯穿孔上对应所述地板处的孔壁上设有环形的沉槽，以作为隔离环，用于所述金属管与所述地板的隔离。

10.透射阵列天线，其特征在于，包括：馈源以及多个权利要求1至9任一项所述的双频透射单元；

多个双频透射单元间隔设置以构成正方形阵列，所述馈源与所述正方形阵列间隔设置。