CN117134115A - 基于圆极化天线单元的太赫兹相控阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于圆极化天线单元的太赫兹相控阵天线，属于射频前端技术领域。其包括集成在共面波导上的16个圆极化天线单元、16个MEMS四位分布式移相器和15个威尔金森功分器，由信号探针馈电；信号探针通过15个威尔金森功分器分成16路分别通过MEMS四位分布式移相器与圆极化天线单元连接；所述MEMS四位分布式移相器与圆极化天线单元一一对应。本发明作为小尺寸射频器件，可以应用到多种应用场景；整体结构涉及的功分器，移相器和高性能天线单元等器件均可工作于太赫兹波段，可单独应用于其它通信系统。

Description

基于圆极化天线单元的太赫兹相控阵天线
技术领域
本发明涉及一种基于圆极化天线单元的太赫兹相控阵天线，主要应用在太赫兹相控阵通信系统等，属于射频前端器件技术领域。
背景技术
近年来，相控阵在雷达和通信系统等领域得到了广泛的应用。
相控阵通过组合单独制造的组件、天线元件、移相器、功率分配器等来实现。然而，这些组件的混合增加了天线系统的尺寸。此外，这种技术引入了寄生效应，连接器损耗以及增加封装成本。在这一点上，MEMS是一种器件小型化的技术，其不仅适用于开关、移相器和可调谐电容器等应用，而且还可用于整个收发器通信系统的单片制造，成本更低，消除了上述混合系统的缺点。而且相较于半导体器件，MEMS器件在太赫兹频段低插入损耗，高线性度等特性使其更适合应用在太赫兹通信系统中，可以减小馈点线路中的损耗，增加相控阵天线的辐射增益。
为了扩展相控阵天线扫描角度；宽波束，宽轴比波束的圆极化天线也是十分重要的，将其作为相控阵天线的天线单元，可以有效扩大扫描角度，实现宽角扫描，且轴比满足圆极化要求。
采用MEMS分布式移相器作为移相方案，并采用宽波束圆极化天线作天线单元，提出了一种太赫兹波段的相控阵天线解决方案。
发明内容
为了实现背景技术中的解决方案，本发明设计了一种基于圆极化天线单元的太赫兹相控阵天线，可以满足高辐射增益，宽扫描角度，尺寸小的要求。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于圆极化天线单元的太赫兹相控阵天线，包括集成在共面波导上的16个圆极化天线单元12、16个MEMS四位分布式移相器11和15个威尔金森功分器13，由信号探针14馈电；信号探针14通过15个威尔金森功分器13分成16路分别通过MEMS四位分布式移相器11与圆极化天线单元12连接；所述MEMS四位分布式移相器11与圆极化天线单元12一一对应；
圆极化天线单元12、MEMS四位分布式移相器11、威尔金森功分器13和信号探针14均位于中间介质层18上表面；中间介质层18下表面为金属地结构17；
圆极化天线单元12由威尔金森功分器和方形贴片28组成，威尔金森功分器包括隔离电阻23和相位差90°的两段微带线21和22；两段微带线的末端分别连接在方形贴片的其中一相邻边上，威尔金森功分器对方形贴片进行双端口馈电，其近方形贴片微带线部分宽度变窄；所述方形贴片28与两个馈电端口相邻的两个角上均有扇形切角；
方形贴片的另一相邻边均设有矩形枝节，两个的矩形枝节长宽相等，均连接在方形贴片边的中间位置。
进一步的，两个扇形切角处于方形贴片的对角，且两个扇形切角的半径不同。
进一步的，16个圆极化天线单元12分为2列，每列8个，组成2×8阵列天线，两列天线单元是镜像对称；两列天线单元馈电处分别与对应的MEMS四位分布式移相器11相连，分布式移相器经过15个威尔金森功分器将十六路信号经过相同的电长度并为一路，连接信号探针馈电端口14。
本发明具有如下优点：
a可以工作在太赫兹频段，应用在太赫兹相控阵天线通信系统。
b是圆极化天线阵列，且可实现高增益宽角波束扫描，波束扫描分辨率高；是一种在太赫兹波段实现波束扫描相控阵的解决方案。
c结构简单、制造方便，作为太赫兹射频器件，其符合工艺制造要求，可以应用。
d作为小尺寸射频器件，可以应用到多种应用场景。
e整体结构涉及的功分器，移相器和高性能天线单元等器件均可工作于太赫兹波段，可单独应用于其它通信系统。
附图说明
图1是本发明实施例的整体结构俯视图；
图2是本发明实施例的整体结构侧视图；
图3是本发明实施例的圆极化天线单元结构示意图；
图4是本发明实施例的圆极化天线单元反射系数S11曲线示意图；
图5是本发明实施例的圆极化天线单元工作频率下在相互垂直的两个俯仰面上的辐射方向图；
图6是本发明实施例的圆极化天线单元工作频率下在相互垂直的两个俯仰面上的轴比曲线图；
图7是本发明实施例的圆极化天线单元在最大增益处的轴比曲线图；
图8是本发明实施例的相控阵天线在工作频率处的波束扫描辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图1-8和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
基于圆极化天线单元的太赫兹相控阵天线，包括16个圆极化天线单元，16个MEMS四位分布式移相器，15个威尔金森功分器，他们集成在共面波导上，由信号探针馈电。它们位于中间介质层上表面，且中间介质层下表面为金属地结构。
进一步地，所述的圆极化天线单元，由威尔金森功分器和方形贴片组成，威尔金森功分器包括相位差90°的21，22两段微带线和隔离电阻，对方形贴片进行双端口馈电，其靠近贴片部分微带线宽度变窄。方形贴片长宽相等，其与两个馈电端口相邻的两个角上有半径不同的圆形切角，与两个端口所在边相对的矩形边上有两个小矩形突起，矩形突起长宽相等，位置位于方形贴片边长正中。
进一步地，所述的太赫兹相控阵天线，16个圆极化天线单元分为2列，每列8个，组成2×8阵列天线，第二列天线单元是由第一列中心对称得到；两列天线单元馈电处分别与16个MEMS四位分布式移相器相连，分布式移相器又经过15个威尔金森功分器将十六路信号经过相同的电长度并为一路，连接信号探针馈电端口。
进一步地，所述的太赫兹相控阵天线，天线部分由微带线馈电；分布式移相器，威尔金森功分器和馈电端口集成在共面波导上。
参照图1到图3，本实施例移相器单元包括探针馈电端口14，威尔金森功分器13，MEMS四位分布式移相器11，圆极化贴片天线单元12，中间介质层18，底层金属地17；金属地结构17位于最下方，其上为介质层18，其他结构均位于器件顶层。
探针馈电端口14经过共面波导传输线和15个威尔金森功分器将输入信号分为相位，幅度相等的16路信号；将这16路信号分别馈入16个MEMS分布式移相器，相位相同的信号经过不同状态的移相器输出信号相位发生变化，馈入16个圆极化天线单元。相控阵天线通过对天线单元的相位控制实现波束扫描。
为了增加相控阵的波束扫描角度和提高辐射增益，圆极化天线采用威尔金森功分器双馈贴片天线，为了拓展天线单元轴比波束宽度，扩展带宽，方形贴片上挖有两个大小不一的圆形切角，且在两个边上增加了尺寸相等的矩形枝节。改变圆形切角，矩形枝节和贴片尺寸对天线单元的匹配效果，波束宽度，轴比特性等性能均有影响。
为了减小损耗，金属材料采用电阻率小的金属，如铝、铜、金等，介质基底18采用在太赫兹频段损耗小的材料，如石英玻璃。
功分器结构，移相器结构，天线单元圆形切角，矩形枝节，贴片尺寸等参数会对相控阵天线的波束扫描角度，扫描分辨率，辐射增益，轴比特性等产生重要影响，具体表现为：
a)威尔金森功分器13的结构尺寸直接影响线路损耗，优化到合适的尺寸可以显著提高相控阵辐射增益；
b)MEMS分布式移相器11结构设计影响天线单元馈电相位步长，进而影响相控阵天线扫描分辨率，本专利采用四位分布式移相器，可以实现16种状态，步长为22.5°的相移；
c)天线单元贴片12尺寸影响天线工作频率，方形贴片边长越长，工作频率越低；
d)天线单元12的两个圆形切角24，26尺寸影响轴比特性，优化后可实现宽轴比带宽，宽轴比波束宽度；
e)天线单元12的两个矩形枝节25，27尺寸影响匹配效果，优化后可实现宽阻抗带宽；
因此选择合适的天线单元尺寸，MEMS分布式移相器设计对提升该相控阵天线性能具有重要意义，同时不同的需求对应不同的结构。
该太赫兹相控阵天线在这里选择一种尺寸组合进行实施例说明，下面数据单位为微米：
当图1结构的尺寸为：
结构15＝19120，结构16＝10230；
当图3结构的尺寸为：
结构24＝10，结构25＝30，结构26＝65，结构27＝20，结构28＝524；
介质层18厚度为50，金属层厚度为1。
移相器的工作中心频率为140GHz。
此时天线单元的S11曲线仿真图为：
图4中显示的是该圆极化天线单元的S11曲线，显示该天线在130-150GHz的频率范围内回波损耗S11均小于-16dB。
此时圆极化天线单元在垂直的两个俯仰面方向图为：
图5中显示的是该天线在方位角0°和90°两个俯仰面的辐射方向图，显示其在工作频率处最大增益达到5dB,半功率波束宽度超过90°，右旋圆极化增益比左旋圆极化高约24dB,前后比达到23dB。
此时圆极化天线单元在垂直的两个俯仰面轴比曲线为：
图6中是该天线在方位角0°和90°两个俯仰面的轴比特性，可以看出其在工作频率处，在两个俯仰面3dB轴比波束宽度均超过180°；
图7显示其在最大增益处轴比频率曲线，可以看到在135GHz到150GHz该天线在最大增益处轴比均小于3dB。
此时相控阵天线的波束扫描增益方向图为：
图8显示了该相控阵天线在工作频率处的波束扫描方向图，发现通过改变移相器状态，可以实现-45°到+45°的波束扫描；且相对于每个天线单元输入的能量，最大增益均超过13dB,中间波束最大增益超过15dB。
上述仅为一个例子，若想得到不同中心频率下的相控阵天线，可以根据具体实施方式调整不同参数，应用在不同的通信系统。

Claims (3)

1.基于圆极化天线单元的太赫兹相控阵天线，其特征在于，包括集成在共面波导上的16个圆极化天线单元(12)、16个MEMS四位分布式移相器(11)和15个威尔金森功分器(13)，由信号探针(14)馈电；信号探针(14)通过15个威尔金森功分器(13)分成16路分别通过MEMS四位分布式移相器(11)与圆极化天线单元(12)连接；所述MEMS四位分布式移相器(11)与圆极化天线单元(12)一一对应；
圆极化天线单元(12)、MEMS四位分布式移相器(11)、威尔金森功分器(13)和信号探针(14)均位于中间介质层(18)上表面；中间介质层(18)下表面为金属地结构(17)；
圆极化天线单元(12)由威尔金森功分器和方形贴片(28)组成，威尔金森功分器包括隔离电阻(23)和相位差90°的两段微带线(21和22)；两段微带线的末端分别连接在方形贴片的其中一相邻边上，威尔金森功分器对方形贴片进行双端口馈电，其近方形贴片微带线部分宽度变窄；所述方形贴片(28)与两个馈电端口相邻的两个角上均有扇形切角；
方形贴片的另一相邻边均设有矩形枝节，两个的矩形枝节长宽相等，均连接在方形贴片边的中间位置。
2.根据权利要求1所述的基于圆极化天线单元的太赫兹相控阵天线，其特征在于，两个扇形切角处于方形贴片的对角，且两个扇形切角的半径不同。
3.根据权利要求1所述的基于圆极化天线单元的太赫兹相控阵天线，其特征在于，16个圆极化天线单元(12)分为2列，每列8个，组成2×8阵列天线，两列天线单元是镜像对称；两列天线单元馈电处分别与对应的MEMS四位分布式移相器(11)相连，分布式移相器经过15个威尔金森功分器将十六路信号经过相同的电长度并为一路，连接信号探针馈电端口(14)。
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