CN117578084A - 一种低剖面全金属折叠透射阵列天线 - Google Patents

一种低剖面全金属折叠透射阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低剖面全金属折叠透射阵列天线，该天线包括馈源喇叭、透射阵列以及极化扭转反射阵列。馈源喇叭放置于极化扭转反射阵列的上表面中心，透射阵列放置于极化扭转反射阵列上方，二者之间通过尼龙柱支撑固定；透射阵列由若干个圆形排列透射单元构成，极化扭转反射阵列由若干个圆形排列极化扭转反射单元构成；透射单元组成的圆形透射阵列与极化扭转反射单元组成的圆形反射阵列大小相同且两圆投影同圆心。本发明折叠透射阵列天线是一种新型的全金属结构，不仅能够降低传统透射阵列天线三分之一的剖面高度，并且即便处于恶劣的空间环境之中，也能够完全消除与电介质基板相关的损耗，可以实现良好的增益带宽和口径效率。

Description

一种低剖面全金属折叠透射阵列天线
技术领域
本发明属于透射阵列天线技术领域，特别是一种低剖面全金属折叠透射阵列天线。
背景技术
高增益阵列天线是远程无线通信系统中的重要组成部分。其中，透射阵列天线由于其重量轻、体积小、没有馈源遮挡和易于加工制造等优点而获得广泛应用。然而，传统的透射阵列天线大多基于电介质基板，当处于恶劣的空间环境中，介质基板所带来的损耗是不可忽略的，这就导致了天线性能的下降，同时介质基板的存在也加大了透射阵列天线的成本。因此，对于成本和工作环境有严格要求的高增益天线来说，全金属结构的透射阵列天线是一种很好的尝试。近年来，国内外学者提出了几种具有全金属结构的透射单元，例如论文“Abdelrahman A H, Elsherbeni A Z, Yang F. Transmitarray antenna designusing cross-slot elements with no dielectric substrate[J]. IEEE Antennas andWireless Propagation Letters, 2014, 13: 177-180.”中设计了一种没有使用电介质基板的四层全金属透射单元，论文“Pham K T, Clemente A, Fourn E, et al. Low-costmetal-only transmitarray antennas at Ka-band[J]. IEEE Antennas and WirelessPropagation Letters, 2019, 18(6): 1243-1247.”中设计了一种C形三层的全金属极化扭转透射单元，论文“Hu W, Dong J, Luo Q, et al. A wideband metal-onlytransmitarray with two-layer configuration[J]. IEEE Antennas and WirelessPropagation Letters, 2021, 20(7): 1347-1351.”中设计了一种双层全金属极化扭转的透射单元等。然而，这些文章中虽然使用了全金属透射单元，但是采用的是三层、四层的结构，有着较高的单元剖面；使用双层全金属透射单元的文章采用的是在透射单元内加金属柱的方法，这种做法会使得天线的成本变高并且加工也会更复杂。因此，需要设计一款双层且不需要加金属柱的全金属透射单元。
另外，空间馈电导致平面透射阵列天线整体的剖面较高。为了解决这个问题，现有技术利用射线追踪原理设计出了折叠透射阵列天线，其在传统透射阵的基础上，利用具有极化选择性、极化扭转且相位可调的透射单元，结合下层极化扭转反射阵列，将馈源和反射阵列共面集成，能够有效地降低透射阵列天线的剖面。例如论文“Fan C, Che W, Yang W,et al. A novel PRAMC-based ultralow-profile transmitarray antenna by usingray tracing principle[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2017, 65(4): 1779-1787.”中设计了一种基于人工磁导体的折叠透射阵列天线，论文“GeY, Lin C, Liu Y. Broadband folded transmitarray antenna based on an ultrathintransmission polarizer[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2018, 66(11): 5974-5981.”中设计了一种宽带折叠透射阵列天线等。然而，现有的折叠透射阵列天线设计均基于介质基板，会带来相应的损耗及成本问题。因此，研究并设计一种低剖面全金属结构折叠透射阵列天线具有一定的新意及现实意义。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种低剖面全金属折叠透射阵列天线，能保证天线实现高增益的同时，大幅地降低天线的剖面和成本。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种低剖面全金属折叠透射阵列天线，所述天线包括馈源喇叭、透射阵列、极化扭转反射阵列、塑料支撑板以及若干根尼龙柱；所述馈源喇叭放置于极化扭转反射阵列的上表面中心，所述透射阵列位于极化扭转反射阵列上方，二者之间通过若干根尼龙柱支撑固定，所述塑料支撑板置于馈源喇叭底部；所述透射阵列包括若干个按圆形排列的透射单元，形成圆环状的透射阵列；所述极化扭转反射阵列包括若干个按圆形排列极化扭转反射单元，形成圆环状的极化扭转反射阵列；所述圆环状的透射阵列与圆环状的极化扭转反射阵列大小相同且投影同圆心。
进一步地，所述透射单元包括第一上金属层、第一下金属层和第一空气层；所述第一上金属层、第一下金属层由上至下依次设置，两者中间由所述第一空气层隔开；所述第一上金属层、第一下金属层均为矩形结构，其上均开设一个“凹”型缝隙，且所述“凹”型缝隙上位于开口底部的两个拐角分别切除一个三角形结构的切角；所述第一上金属层、第一下金属层上的“凹”型缝隙尺寸相同但方向相互正交，用于实现对一个方向的入射波反射，对另一个方向的入射波透射且进行极化扭转。
进一步地，所述“凹”型缝隙靠近所述矩形结构的某一条边设置。
进一步地，所述透射单元进行相位补偿时，所述第一下金属层的方向保持不变，所述第一上金属层通过水平镜像与原状态的单元实现180°的相位差，同时同步改变第一上金属层、第一下金属层上“凹”型缝隙外侧竖边的长度L，实现360°的连续相位变化。
进一步地，所述极化扭转反射单元包括由上至下依次设置的第二上金属层、第二空气层和金属地板；所述第二上金属层、金属地板均为矩形结构，所述上金属层包括四个分布在矩形结构四个拐角的L形金属贴片，且L形金属贴片的两条边分别与矩形结构的相邻两条边平行；四个L形金属贴片大小相同，且其中一个对角的两个L形金属贴片通过栅条相连。
进一步地，所述透射单元之间的间距P=0.53 λ，所述极化扭转反射单元之间的间距P 1=0.4 λ，其中λ为10 GHz对应的自由空间波长。
进一步地，所述“凹”型缝隙外侧竖边的长度L为5.3 mm~7.9 mm，所述第一空气层的厚度H=2.5 mm，所述第二空气层的厚度H 1=6 mm。
进一步地，所述“凹”型缝隙中底部缝隙的宽度W 1=2.8 mm，长度L 1 =12.5 mm；所述“凹”型缝隙开口处的两个臂的宽度均为W 2=2.8 mm，所述三角形结构的切角的斜边长L 2=2mm。
进一步地，所述极化扭转反射单元的参数包括：所述L形金属贴片的宽度D 1=3.8mm，L形金属贴片两条边的长度D 3=1.5 mm；所述栅条的宽度D 2=0.9 mm。
进一步地，所述透射阵列、极化扭转反射阵列的边缘均进行拓展用于安装固定，两者的大小形状相同。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1）本发明中提出的全金属透射单元，可以对一个方向的入射波行反射，另一个方向的入射波透射且实现90°极化扭转，不使用任何的电介质基板，在降低成本的同时，避免了电介质基板在恶劣空间环境下带来的损耗。
2）本发明中提出的全金属极化扭转反射单元，能够较好地实现对入射波的90°极化扭转，不使用任何的电介质基板，在降低成本的同时，避免了电介质基板在恶劣空间环境下带来的损耗。
3）本发明中提出的一种低剖面全金属折叠透射阵列天线，与传统的透射阵列天线相比，该天线基于射线追踪原理，通过透射阵列和极化扭转反射阵列，可以改变传播路径上的电磁波极化，使得电磁波在传播路径内实现多次反射，改变了来自馈源的电磁波传播路径，使得天线的剖面降低为原来的1/3，同时该天线具有全金属结构，即便处于恶劣的空间环境之中，也能够消除与电介质基板相关的损耗，可以实现良好的增益带宽和口径效率。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1(a)为一个实施例中低剖面全金属折叠透射阵列天线的三维示意图。
图1(b)为一个实施例中低剖面全金属折叠透射阵列天线的侧视图。
图2为一个实施例中低剖面全金属折叠透射阵列天线的透射单元的示意图。
图3(a)为一个实施例中低剖面全金属折叠透射阵列天线的透射单元镜像“凹”型缝隙上金属层形成的状态A示意图。
图3(b)为一个实施例中低剖面全金属折叠透射阵列天线的透射单元镜像“凹”型缝隙上金属层形成的状态B示意图。
图4(a)为一个实施例中低剖面全金属折叠透射阵列天线的极化扭转反射单元的三维示意图。
图4(b)为一个实施例中低剖面全金属折叠透射阵列天线的极化扭转反射单元的俯视图。
图5为一个实施例中低剖面全金属折叠透射阵列天线的透射单元在设计的8 GHz~12 GHz频率范围内镜像后的两种不同状态单元的透射幅度和相位曲线图。
图6为一个实施例中低剖面全金属折叠透射阵列天线的透射单元在改变尺寸及不同入射角两种不同状态的单元的透射幅度和相位曲线图。
图7为一个实施例中低剖面全金属折叠透射阵列天线的透射单元在设计的8 GHz~12 GHz频率范围内，对于不同极化的波的反射幅度和透射幅度曲线图。
图8为一个实施例中低剖面全金属折叠透射阵列天线的极化扭转反射单元在设计的8 GHz~12 GHz频率范围内，在不同入射角的情况下的极化扭转反射幅度和相位曲线图。
图9为一个实施例中低剖面全金属折叠透射阵列天线在10 GHz时的仿真和测量的E面辐射方向图。
图10为一个实施例中低剖面全金属折叠透射阵列天线在10 GHz时的仿真和测量的H面辐射方向图。
图11为一个实施例中低剖面全金属折叠透射阵列天线在工作频带8 GHz~12 GHz的天线增益和天线口径效率随着频率变化的曲线图。
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。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……），则该方向性指示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，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“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。另外，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，也不在本发明要求的保护范围之内。
在一个实施例中，结合图1(a)、图1(b)、图2、图3(a)、图3(b)、图4(a)和图4(b)，提供了一种低剖面全金属折叠透射阵列天线，所述天线包括馈源喇叭1、透射阵列2、极化扭转反射阵列3、塑料支撑板4以及若干根尼龙柱5；所述馈源喇叭1放置于极化扭转反射阵列3的上表面中心，所述透射阵列2位于极化扭转反射阵列3上方，二者之间通过若干根尼龙柱5支撑固定，所述塑料支撑板4置于馈源喇叭1底部；所述透射阵列2包括若干个按圆形排列的透射单元6，形成圆环状的透射阵列2；所述极化扭转反射阵列3包括若干个按圆形排列极化扭转反射单元7，形成圆环状的极化扭转反射阵列3；所述圆环状的透射阵列2与圆环状的极化扭转反射阵列3大小相同且投影同圆心。
这里，采用但不限于尼龙柱5。
进一步地，在其中一个实施例中，所述透射单元6包括第一上金属层8、第一下金属层9和第一空气层10；所述第一上金属层8、第一下金属层9由上至下依次设置，两者中间由所述第一空气层10隔开；所述第一上金属层8、第一下金属层9均为矩形结构，其上均开设一个“凹”型缝隙，且所述“凹”型缝隙上位于开口底部的两个拐角分别切除一个三角形结构的切角；所述第一上金属层8、第一下金属层9上的“凹”型缝隙尺寸相同但方向相互正交，用于实现对一个方向的入射波反射，对另一个方向的入射波透射且进行极化扭转。
进一步地，在其中一个实施例中，所述“凹”型缝隙靠近所述矩形结构的某一条边设置。
进一步地，在其中一个实施例中，所述透射单元6进行相位补偿时，所述第一下金属层9的方向保持不变，所述第一上金属层8通过水平镜像与原状态的单元实现180°的相位差，同时同步改变第一上金属层8、第一下金属层9上“凹”型缝隙外侧竖边的长度L，实现360°的连续相位变化。
进一步地，在其中一个实施例中，所述极化扭转反射单元7包括由上至下依次设置的第二上金属层11、第二空气层13和金属地板12；所述第二上金属层11、金属地板12均为矩形结构，所述上金属层9包括四个分布在矩形结构四个拐角的L形金属贴片，且L形金属贴片的两条边分别与矩形结构的相邻两条边平行；四个L形金属贴片大小相同，且其中一个对角的两个L形金属贴片通过栅条相连。
进一步地，在其中一个实施例中，所述透射单元6之间的间距P=0.53 λ，所述极化扭转反射单元7之间的间距P 1=0.4 λ，其中λ为10 GHz对应的自由空间波长。
进一步优选地，在其中一个实施例中，所述“凹”型缝隙外侧竖边的长度L为5.3 mm~7.9 mm，所述第一空气层10的厚度H=2.5 mm，所述第二空气层13的厚度H 1=6 mm。
进一步优选地，在其中一个实施例中，所述“凹”型缝隙中底部缝隙的宽度W 1=2.8mm，长度L 1 =12.5 mm；所述“凹”型缝隙开口处的两个臂的宽度均为W 2=2.8 mm，所述三角形结构的切角的斜边长L 2=2 mm。
进一步优选地，在其中一个实施例中，所述极化扭转反射单元7的参数包括：所述L形金属贴片的宽度D 1=3.8 mm，L形金属贴片两条边的长度D 3=1.5 mm；所述栅条的宽度D 2=0.9 mm。
进一步地，在其中一个实施例中，所述透射阵列2、极化扭转反射阵列3的边缘均进行拓展用于安装固定，两者的大小形状相同。
作为一种具体示例，在其中一个实施例中，对本发明进行进一步验证说明。
本实施例中，低剖面全金属折叠透射阵列天线，包括馈源喇叭1、透射阵列2、极化扭转反射阵列3、塑料支撑板4以及若干根尼龙柱5。馈源喇叭1放置于极化扭转反射阵列3的上表面中心，透射阵列2放置于极化扭转反射阵列3上方，二者之间通过尼龙柱5支撑固定，塑料支撑板4放置在馈源喇叭1底部；透射阵列2由361个透射单元6构成，极化扭转反射阵列3由995个极化扭转反射单元7构成，透射阵列2、极化扭转反射阵列3为了方便安装固定，在边缘进行拓展以后大小形状相同，阵列直径为400 mm，透射阵列2、极化扭转反射阵列3之间的尼龙柱5高度为107 mm。
由图5和图6可知，透射单元6通过镜像单元的方法形成两种不同的状态，在U形槽的短边长度L为一特性尺寸时，透射幅度相等，且相位相差180°；“凹”型缝隙外侧竖边的长度L在5.3 mm~7.9mm变化范围内，透射单元6透射幅度全部大于-2 dB，并且实现了360°的相位变化，这表明透射单元6有着较好透射的性能。
由图7可知，透射单元6在8 GHz~12 GHz整个频段内对x极化的入射波反射幅度约为0 dB，透射幅度均低于-20 dB；对于y极化的入射波，在9.5 GHz~10.8 GHz频段范围内极化扭转幅度约为0 dB，这表明了此单元有着良好的性能即对x极化的入射波反射，对y极化的入射波透射且极化扭转。
由图8可知，极化扭转反射单元7在8 GHz~12 GHz整个频段在不同入射角的情况下的极化扭转反射幅度接近0 dB，这表明了此单元良好的极化扭转能力，且受入射角变化的影响较小。
由图9和图10可知，低剖面全金属折叠透射阵列天线在10 GHz时，E面和H面的仿真和测量的辐射方向图基本重合。E面的主瓣方向在0°，与设计吻合。E面的测量副瓣电平和交叉极化分别为-17 dB和-20 dB，H面的测量副瓣电平和交叉极化分别为-18 dB和-22 dB。
由图11可知，低剖面全金属折叠透射阵列天线的测量结果得出，在10 GHz的增益为28 dBi，最大口径效率为42%。同时，该全金属折叠透射阵列天线可以实现11%的1-dB增益带宽和22%的3-dB增益带宽。
综上，本发明低剖面全金属折叠透射阵列天线基于射线追踪原理，通过透射阵列和极化扭转反射阵列，可以改变传播路径上的电磁波极化，使得电磁波在传播路径内实现多次反射，改变了来自馈源的电磁波传播路径，使得天线的剖面降低为原来的1/3，同时该天线具有全金属结构，即便处于恶劣的空间环境之中，也能够消除与电介质基板相关的损耗，在降低成本的同时，可以实现良好的增益带宽和口径效率。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低剖面全金属折叠透射阵列天线，其特征在于，所述天线包括馈源喇叭（1）、透射阵列（2）、极化扭转反射阵列（3）、塑料支撑板（4）以及若干根尼龙柱（5）；所述馈源喇叭（1）放置于极化扭转反射阵列（3）的上表面中心，所述透射阵列（2）位于极化扭转反射阵列（3）上方，二者之间通过若干根尼龙柱（5）支撑固定，所述塑料支撑板（4）置于馈源喇叭（1）底部；所述透射阵列（2）包括若干个按圆形排列的透射单元（6），形成圆环状的透射阵列（2）；所述极化扭转反射阵列（3）包括若干个按圆形排列极化扭转反射单元（7），形成圆环状的极化扭转反射阵列（3）；所述圆环状的透射阵列（2）与圆环状的极化扭转反射阵列（3）大小相同且投影同圆心。
2.根据权利要求1所述的低剖面全金属折叠透射阵列天线，其特征在于，所述透射单元（6）包括第一上金属层（8）、第一下金属层（9）和第一空气层（10）；所述第一上金属层（8）、第一下金属层（9）由上至下依次设置，两者中间由所述第一空气层（10）隔开；所述第一上金属层（8）、第一下金属层（9）均为矩形结构，其上均开设一个“凹”型缝隙，且所述“凹”型缝隙上位于开口底部的两个拐角分别切除一个三角形结构的切角；所述第一上金属层（8）、第一下金属层（9）上的“凹”型缝隙尺寸相同但方向相互正交，用于实现对一个方向的入射波反射，对另一个方向的入射波透射且进行极化扭转。
3.根据权利要求2所述的低剖面全金属折叠透射阵列天线，其特征在于，所述“凹”型缝隙靠近所述矩形结构的某一条边设置。
4.根据权利要求3所述的低剖面全金属折叠透射阵列天线，其特征在于，所述透射单元（6）进行相位补偿时，所述第一下金属层（9）的方向保持不变，所述第一上金属层（8）通过水平镜像与原状态的单元实现180°的相位差，同时同步改变第一上金属层（8）、第一下金属层（9）上“凹”型缝隙外侧竖边的长度L，实现360°的连续相位变化。
5.根据权利要求4所述的低剖面全金属折叠透射阵列天线，其特征在于，所述极化扭转反射单元（7）包括由上至下依次设置的第二上金属层（11）、第二空气层（13）和金属地板（12）；所述第二上金属层（11）、金属地板（12）均为矩形结构，所述上金属层（9）包括四个分布在矩形结构四个拐角的L形金属贴片，且L形金属贴片的两条边分别与矩形结构的相邻两条边平行；四个L形金属贴片大小相同，且其中一个对角的两个L形金属贴片通过栅条相连。
6.根据权利要求5所述的低剖面全金属折叠透射阵列天线，其特征在于，所述透射单元（6）之间的间距P=0.53 λ，所述极化扭转反射单元（7）之间的间距P 1=0.4 λ，其中λ为10 GHz对应的自由空间波长。
7.根据权利要求6所述的低剖面全金属折叠透射阵列天线，其特征在于，所述“凹”型缝隙外侧竖边的长度L为5.3 mm~7.9 mm，所述第一空气层（10）的厚度H=2.5 mm，所述第二空气层（13）的厚度H 1=6 mm。
8.根据权利要求7所述的低剖面全金属折叠透射阵列天线，其特征在于，所述“凹”型缝隙中底部缝隙的宽度W 1=2.8 mm，长度L 1 =12.5 mm；所述“凹”型缝隙开口处的两个臂的宽度均为W 2=2.8 mm，所述三角形结构的切角的斜边长L 2=2 mm。
9.根据权利要求8所述的低剖面全金属折叠透射阵列天线，其特征在于，所述极化扭转反射单元（7）的参数包括：所述L形金属贴片的宽度D 1=3.8 mm，L形金属贴片两条边的长度D 3=1.5 mm；所述栅条的宽度D 2=0.9 mm。
10.根据权利要求1所述的低剖面全金属折叠透射阵列天线，其特征在于，所述透射阵列（2）、极化扭转反射阵列（3）的边缘均进行拓展用于安装固定，两者的大小形状相同。
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