CN117060090B - 一种宽带圆极化平面集成馈源透射阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种宽带圆极化平面集成馈源透射阵天线，包括阵面和平面馈源，阵面包括多种不同尺寸的以线性形式排列的阵面单元，阵面单元包括介质块和位于介质块两侧的金属平板，平面馈源包括堆叠的四层PCB板，分别定义为第一PCB板、第二PCB板、第三PCB板和第四PCB板，第一PCB板上设置基片集成波导且开设有第一耦合缝隙，第二PCB板上设置有一分四路功分器，且每一路相应设置有纵向的第二耦合缝隙，第三PCB板上相应于一分四路功分器的每一路的末端均开设有横向缝隙，第四PCB板上设置有贴片以及围绕贴片的腔体。能够解决现有技术中存在的传统圆极化透射阵天线带宽窄、馈源部分体积大、重量重、加工难度大、成本高、难集成等问题。

Description

一种宽带圆极化平面集成馈源透射阵天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别涉及基于介质加载平行板波导结构的宽带圆极化平面集成馈源透射阵天线。
背景技术
透射阵天线是一种将光学原理和天线阵列理论相结合的天线类型，其采用空间馈电的方式由馈源照射阵面从而将电磁波的球面波前转换为平面波前，进而实现聚焦波束。此类天线无需复杂的馈电网络，具有低损耗、高增益的优点，近年来引起了学术界以及工业界的广泛关注。
目前，对于透射阵天线的研究仍然存在一些亟待改进的地方。首先，大多数透射阵天线通常采用喇叭天线作为馈源，然而喇叭天线往往存在体积大、重量重、加工难度大、成本高、难集成的缺点，这些问题极大的限制了透射阵天线在实际当中的应用。其次，已报道的透射阵天线大多为线极化的设计，圆极化设计相对较少。与此同时，已报道的圆极化透射阵天线普遍存在轴比带宽窄的问题，较少有大于25%轴比带宽的设计提出。基于现有的文献，如（F. Wei, J. -W. Hao, L. Xu, and X. Shi, “A circularly polarized 3-Dprinted dielectric transmitarray antenna at millimeter-wave band,” IEEEAntennas Wireless Propag. Lett., vol. 20, no. 7, pp. 1264–1268, Jul. 2021.）、（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.）、（L. D. Palma,A. Clemente, L. Dussopt, R. Sauleau, P. Potier, and P. Pouliguen, “Circularlypolarized transmitarray with sequential rotation in Ka-band,” IEEE Trans.Antennas Propag., vol. 63, no. 11, pp. 5118–5124, Nov. 2015.）、（J. Yang, S. T.Chen, M. Chen, J. C. Ke, M. Z. Chen, C. Zhang, R. Yang, X. Li, Q. Cheng, andT. J. Cui, “Folded transmitarray antenna with circular polarization based onmetasurface,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 69, no. 2, pp. 806–814, Feb.2021）,可以将导致窄带问题的原因主要归结为两点：其一，阵面单元的工作原理基于谐振模式，而谐振型结构本身的工作带宽通常都较窄；其二，阵面单元设计中没有对圆极化相位控制进行讨论。在圆极化透射阵天线中，阵面部分需要同时实现移相和极化转换两个功能，前者用于实现聚焦波束，后者用于实现线极化至圆极化的转换，因此，每个阵面阵面单元需支持两个正交的线极化模式，不同阵面单元内两个模式的移相相位需满足费马原理（Fermat’s principle），同时两个模式之间的相位差需为90度。现有文献中仅讨论了阵面单元移相问题，对于圆极化相位的控制罕有提及，普遍技术方法为在每个阵面单元内采用相同的极化转换结构（如切角贴片、椭圆介质块等），这种方法虽然也可以实现极化转换，但是无法精确控制每个阵面单元内正交模式之间的相位差为90度，因此整个天线的轴比带宽受限。
发明内容
为了解决现有技术中存在的传统圆极化透射阵天线带宽窄、馈源部分体积大、重量重、加工难度大、成本高、难集成等问题，本发明提供一种宽带圆极化平面集成馈源透射阵天线。首先，该天线中阵面单元采用介质加载的平行板波导结构，通过激励正交的TEM和TE1模式行波来实现圆极化辐射，每个阵面单元内的移相相位和模式之间的相位差均做到了精确控制，整个阵面可以实现较宽的轴比带宽。其次，本发明提出了一种宽带的高增益平面馈源，其基于基片集成波导结构，具有可以与宽带阵面相匹配的带宽特性，可替代传统的喇叭馈源，具有低剖面、重量轻、易加工、易集成、低成本的优点。
为了实现本发明目的，本发明提供的一种宽带圆极化平面集成馈源透射阵天线，包括阵面和平面馈源，平面馈源位于阵面的中心轴上，相位中心与阵面的焦点重合，并与阵面1在水平方向上呈45度夹角，且平面馈源垂直照射阵面，其中：
阵面包括多种不同尺寸的以线性形式排列的阵面单元，阵面单元包括介质块和位于介质块两侧的金属平板，工作时，阵面单元内同时激励TEM和TE1模式，且或/>等于/>，/>，/>和/>分别表示TEM模和TE1模从入射阵面开始到到达给定等相位面之间的相位变化大小，/>为该单元所需的移相相位；
平面馈源包括堆叠的四层PCB板，分别定义为第一PCB板、第二PCB板、第三PCB板和第四PCB板，第一PCB板上设置基片集成波导且开设有第一耦合缝隙，第二PCB板上设置有一分四路功分器，且每一路相应设置有纵向的第二耦合缝隙，第三PCB板上相应于一分四路功分器的每一路的末端均开设有横向缝隙，第四PCB板上设置有贴片以及围绕贴片的腔体。
进一步地，介质块的截面呈矩形。
进一步地，阵面单元的截面为正方形，边长为p，介质块高度为，介质块末端至金属平板末端的高度为/>，设定某个等相位面，其距离金属平板末端的高度为/>，/>的大小可以为任意值，其中，边长p需满足以下公式，以保证TE1模式可以被激励，
其中，表示平行板波导中TE1模的截止频率，/>和/>分别表示空气和介质中的磁导率，/>和/>分别表示空气和介质中的介电常数。
进一步地，工作时，每个阵面单元所需的移相相位为
其中，x和y分别表示阵面上某点在x方向和y方向上的坐标，f表示阵面的焦距，λ表示自由空间波长，表示任意初始相位；
在确定了每个阵面单元所需的移相大小后，借助全波仿真软件分别对每个阵面单元中的参数和/>进行参数扫描，能够同时满足/>或/>等于/>且的/>和/>数值即为所需的高度参数。
进一步地，工作时，当平面馈源由标准波导馈电后，产生45度极化的线极化电磁波，其可以被分解为两个幅度相同且极化方向正交的分量，即x、y极化的两个电场分量，在阵面单元中分别以TEM模和TE1模传播，它们在空气和介质中的相位常数分别为
其中，和/>分别表示TEM模式在空气和介质中的相位常数，/>和分别表示TE1模式在空气和介质中的相位常数，/>为阵面单元中平行板间距，/>，为工作频率；
两种模式的相位变化分别可由下面两式表示：
其中，为空气中电磁波的相位常数，于是，模式间的相位差为
因此，在工作频率、介质材料以及阵面单元截面大小确定的情况下，各个相位常数可以被确定，通过调整参数和/>即可实现圆极化所需的90度相位差，同时，通过联合调整参数/>、/>以及/>即可实现移相相位控制，即/>或/>等于/>。
进一步地，阵面中每一行内的介质和金属板分别一体成型，整个阵面以“金属板-介质-金属”的形式通过侧面的螺丝孔进行组装连接。
进一步地，平面馈源与阵面之间的焦距f根据焦径比参数确定，焦径比范围为0.5-0.8。
进一步地，第一层PCB板上，第一耦合缝隙开设在距离短路终端四分之一波长处。
进一步地，第二PCB板上，每个第二耦合缝隙相应开设在每一路距离短路终端四分之一波长处。
进一步地，第四PCB板上设置有4个贴片，以2×2的形式排列，以实现较高的馈源增益。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、原理上，采用了介质加载的平行板波导结构作为阵面阵面单元，通过激励平板波导的TEM模和TE1模这两个行波模式实现圆极化辐射，对移相相位和圆极化相位都进行了精确控制。
2、设计上，采用了宽带、高增益的平面馈源来取代传统的喇叭馈源，具有低剖面、重量轻、易加工、低成本、易集成的优点。
3、性能上，整个透射阵天线具有宽轴比带宽（31%，8.5 GHz-11.6 GHz）、高增益（21.25±1.55dBic）、工作频带内性能稳定的优点，高于目前的技术水平。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种宽带圆极化平面集成馈源透射阵天线的结构示意图。
图2是本发明实施例中的阵面单元的结构示意图。
图3是本发明实施例中的馈源结构示意图。
图4是本发明实施例中的第一PCB板上的结构示意图。
图5是本发明实施例中的第二PCB板上的结构示意图。
图6是本发明实施例中的第三PCB板上的结构示意图。
图7是本发明实施例中的第四PCB板上的结构示意图。
图8是本发明实施例中的平面馈源的|S11|与频率的关系示意图。
图9是本发明实施例中的平面馈源的E面和H面在中心频率的方向图。
图10是本发明实施例中的平面馈源的增益随频率变化的示意图。
图11是本发明实施例中的透射阵天线的|S11|与频率的关系示意图。
图12是本发明实施例中的透射阵天线的轴比性能示意图。
图13是本发明实施例中的透射阵天线在x-z面、y-z面的中心频率的方向图。
图14是本发明实施例中的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。
本发明提供了一种一种宽带圆极化平面集成馈源透射阵天线。如图1所示，该天线包括一个阵面1和一个平面平面馈源2。平面馈源2位于阵面1的中心轴上，相位中心与阵面1的焦点重合，并与阵面1在水平方向上呈45度夹角，垂直照射阵面1。
阵面1包括8种、多个、不同尺寸的阵面单元3，阵面单元间以线性形式排列。图2所示为阵面单元3的结构示意图，包括两个平行的金属平板5和一段矩形的介质块4。阵面单元3的截面为正方形，边长为p，介质块高度为，介质块末端至金属平板5末端的高度为/>。此外，设定某个等相位面，其距离金属平板5末端的高度为/>，/>的大小可以为任意值。其中，边长p需满足以下公式，以保证TE1模式可以被激励，
其中，表示平行板波导中TE1模的截止频率，/>和/>分别表示空气和介质中的磁导率，/>和/>分别表示空气和介质中的介电常数。
阵面工作时，阵面单元内同时激励TEM和TE1模式，根据费马原理（Fermat’sprinciple），每个阵面单元所需的移相相位为
其中，x和y分别表示阵面1上某点在x方向和y方向上的坐标，f表示阵面1的焦距，λ表示自由空间波长，表示任意初始相位；/>表示点/>处所需的移相大小。直角坐标系建立如图1至7所示，坐标系xy平面与阵面1平行，坐标原点位于阵面的几何中心处，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。
在确定了每个阵面单元3所需的移相大小后，借助全波仿真软件Ansys HFSS分别对每个阵面单元3中的参数和/>进行参数扫描，能够同时满足：1）/>或/>等于/>；2）/>的/>和/>数值即为所需的高度参数，其中，/>和/>分别表示TEM模和TE1模从入射阵面开始到到达给定等相位面之间的相位变化大小。
阵面1的工作原理如下：当平面馈源2由标准波导馈电后，产生45度极化的线极化电磁波，其可以被分解为两个幅度相同且极化方向正交的分量，即x、y极化的两个电场分量，在阵面单元3中分别以TEM模和TE1模传播，它们在空气和介质中的相位常数分别为
其中，和/>分别表示TEM模式在空气和介质中的相位常数，/>和分别表示TE1模式在空气和介质中的相位常数，/>为阵面单元中平行板间距，/>，为工作频率。
两种模式的相位变化分别可由下面两式表示：
其中，为空气中电磁波的相位常数。于是，模式间的相位差为
由该式可见，在工作频率、介质材料以及阵面单元截面大小确定的情况下，各个相位常数可以被确定，通过调整参数和/>即可实现圆极化所需的90度相位差。同时，通过联合调整参数/>、/>以及/>即可实现移相相位控制，即/>或/>等于/>。
理想情况下，整个透射阵阵面的移相范围为360°连续移相，在本发明的其中一些实施例中，采用业内通常使用的3-bit方案，即将0-360°离散为45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°、360°，并据此设计8种不同尺寸组合的阵面单元，参数和/>的值根据全波仿真软件Ansys HFSS得出，具体数值如表1所示。具体设计时，分别对移相值处于[0，45°]、[45°，90°]、[90°，135°]、[135°，180°]、[180°，225°]、[225°，270°]、[270°，315°]、[315°，360°]这些区间的阵面单元，用相移45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°、360°量化。
表1
加工时，阵面1中每行相邻阵面单元的矩形介质块4和金属平板5分别一体成型。加工后阵面1的组装通过图1中阵面边缘处的通孔6以螺丝固定。在本发明的其中一些实施例中，介质部分采用3D打印技术实现，电介质材料的相对介电常数为2.9，损耗角正切为0.01。金属部分为铝合金薄板，厚度为0.5mm。实际应用中可灵活选择介质和金属材料以及相应的加工工艺。平面馈源2与阵面1之间的焦距可根据实际情况确定，一般以焦径比参数，即焦距与阵面口径最大尺寸的比值作为选择依据，常用焦径比范围为0.5-0.8，在本发明的其中一些实施例中，选择焦径比为0.7，焦距155 mm，口径最大尺寸216 mm。
阵面1所包括的阵面单元3的数目可灵活调整，在本发明的其中一些实施例中，采用81个阵面单元，以9×9的形式排列。
如图3所示，平面馈源2由四层PCB板堆叠而成，定义为第一PCB板7、第二PCB板8、第三PCB板9和第四PCB板10，在本发明的其中一些实施例中，每层板厚为3.048mm，基板材料为Rogers RT/duroid 6002，介电常数2.94，损耗角正切0.0012。各层结构分别由图4至图7给出，金属部分表示为灰色。第一层PCB板7上设置基片集成波导，距离短路终端四分之一波长处开设有一个纵向的第一耦合缝隙11。第二PCB板8上设置一个宽带的一分四路功分器，每一路距离短路终端四分之一波长处开设有一个纵向的第二耦合缝隙12。第三PCB板9中相应于一分四路功分器的每一路末端开设有一个横向缝隙13。第四PCB板10上设置有四个矩形的贴片14，以2×2的形式排列，四周环绕一个由导电通孔构成的腔体15。第一耦合缝隙11和第二耦合缝隙12的作用为将电磁波从下层PCB板耦合至上层PCB板，横向缝隙13用于激励矩形的贴片14，矩形贴片14为主要的辐射结构，腔体15用于防止在PCB板上产生表面波，同时提高馈源增益。
天线性能方面，图8至图10为平面馈源的性能示意图。其中，图8所示为平面馈源的|S11|，该馈源在8.3 GHz到12 GHz的频带范围内可实现低于-10 dB的宽带匹配，带宽大于37%。图9所示为平面馈源在中心频率的方向图，可见该馈源具有良好的单向辐射性能，E面和H面的半功率波束宽度分别为52°和46°，说明在两个主平面具有相近的波束宽度，适合作为透射阵的馈源天线。图10所示为平面馈源的增益随频率变化的示意图，可见该馈源增益稳定，在阻抗带宽（8.3-12 GHz）范围内增益波动小于3 dB。
图11至图14为整个透射阵天线的性能示意图。其中，图11为透射阵天线的|S11|，其在8.3 GHz到12 GHz的频带范围内可实现低于-10 dB的阻抗匹配，具有宽带特性。轴比性能如图12所示，从8.5 GHz 到 11.6GHz的频带范围内轴比低于3 dB，轴比带宽31%，说明天线在很宽的频带范围内都具有圆极化的辐射特性，该带宽高于目前的技术水平。图13为中心频率的方向图，天线旁瓣低于-15 dB，说明该透射阵天线实现聚焦波束的同时具有低旁瓣的特性。增益特性如图14所示，在工作频带（8.5 GHz-11.6 GHz）内，最大增益为22.8dBic，增益波动为±1.55 dB，说明该天线在带内增益性能稳定。综上所述，该天线具有轴比带宽宽、高增益、工作频带内辐射性能稳定的优点。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种宽带圆极化平面集成馈源透射阵天线，其特征在于，包括阵面（1）和平面馈源（2），平面馈源（2）位于阵面（1）的中心轴上，相位中心与阵面（1）的焦点重合，并与阵面（1）在水平方向上呈45度夹角，且平面馈源（2）垂直照射阵面（1），其中：
阵面（1）包括多种不同尺寸的以线性形式排列的阵面单元（3），阵面单元（3）包括介质块（4）和位于介质块（4）两侧的两个平行的金属平板（5），工作时，阵面单元内同时激励TEM和TE1模式，且或/>等于/>，/>，/>和/>分别表示TEM模和TE1模从入射阵面开始到到达给定等相位面之间的相位变化大小，/>为该单元所需的移相相位；
平面馈源（2）包括堆叠的四层PCB板，分别定义为第一PCB板（7）、第二PCB板（8）、第三PCB板（9）和第四PCB板（10），第一PCB板（7）上设置基片集成波导且开设有第一耦合缝隙（11），第二PCB板（8）上设置有一分四路功分器，且每一路相应设置有纵向的第二耦合缝隙（12），第三PCB板（9）上相应于一分四路功分器的每一路的末端均开设有横向缝隙（13），第四PCB板（10）上设置有贴片（14）以及围绕贴片（14）的腔体（15）；
阵面（1）中每一行内的介质块和金属平板分别一体成型，整个阵面以“金属平板-介质块-金属平板”的形式通过侧面的螺丝孔（6）进行组装连接；
工作时，当平面馈源（2）由标准波导馈电后，产生45度极化的线极化电磁波，其被分解为两个幅度相同且极化方向正交的分量，分别为x、y极化的两个电场分量，在阵面单元（3）中分别以TEM模和TE1模传播，它们在空气和介质中的相位常数分别为
其中，和/>分别表示TEM模式在空气和介质中的相位常数，/>和/>分别表示TE1模式在空气和介质中的相位常数，/>为阵面单元中两个平行的金属平板间距，，/>为工作频率；
两种模式的相位变化分别由下面两式表示：
其中，为空气中电磁波的相位常数，于是，模式间的相位差为
因此，在工作频率、介质材料以及阵面单元截面大小确定的情况下，各个相位常数也被确定，通过调整参数和/>即可实现圆极化所需的90度相位差，同时，通过联合调整参数、/>以及/>即可实现移相相位控制，即/>或/>等于/>；阵面单元（3）的截面为正方形，边长为p，介质块高度为/>，介质块（4）末端至金属平板（5）末端的高度为/>，设定某个等相位面，其距离金属平板（5）末端的高度为/>。
2.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化平面集成馈源透射阵天线，其特征在于，介质块（4）的截面呈矩形。
3.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化平面集成馈源透射阵天线，其特征在于，边长p需满足以下公式，以保证TE1模式能被激励，
其中，表示两个平行金属平板板波导中TE1模的截止频率，/>和/>分别表示空气和介质中的磁导率，/>和/>分别表示空气和介质中的介电常数。
4.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化平面集成馈源透射阵天线，其特征在于，工作时，每个阵面单元所需的移相相位为
其中，x和y分别表示阵面（1）上某点在x方向和y方向上的坐标，f表示阵面的焦距，λ表示自由空间波长，表示任意初始相位；
在确定了每个阵面单元所需的移相大小后，借助全波仿真软件分别对每个阵面单元中的参数和/>进行参数扫描，能够同时满足/>或/>等于/>且的/>和/>数值即为所需的高度参数。
5.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化平面集成馈源透射阵天线，其特征在于，平面馈源（2）与阵面（1）之间的焦距f根据焦径比参数确定，焦径比范围为0.5-0.8。
6.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化平面集成馈源透射阵天线，其特征在于，第一层PCB板（7）上，第一耦合缝隙（11）开设在距离短路终端四分之一波长处。
7.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化平面集成馈源透射阵天线，其特征在于，第二PCB板（8）上，每个第二耦合缝隙（12）相应开设在每一路距离短路终端四分之一波长处。
8.根据权利要求1-7任一所述的一种宽带圆极化平面集成馈源透射阵天线，其特征在于，第四PCB板（10）上设置有4个贴片，以2×2的形式排列。
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