CN218940006U - 一种高增益全金属透射阵列天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高增益全金属透射阵列天线，包括馈电天线和透射阵列；馈电天线位于透射阵列的正上方；透射阵列包括若干个透射单元，每个透射单元由三层金属板构成，金属板之间由空气层隔开；金属板上面蚀刻哑铃形缝隙，上层金属板和底层金属板的哑铃形缝隙结构是互相垂直的，中间层金属板的哑铃形缝隙是在上层哑铃形缝隙的基础上旋转±45°获得；这两种单元结构是互为镜像的；这组镜像单元具有极化扭转的功能，可以将线极化入射波的方向改变±90°形成透射波。本实用新型提出的高增益全金属透射阵列天线，在外太空环境下性能稳定，适用性广，成本低廉；可以实现高增益，高效率和宽带特性，与其他透射阵列天线相比性能上有显著的提高。

Description

一种高增益全金属透射阵列天线

技术领域

本实用新型属于天线技术领域，特别涉及一种新型高增益全金属透射阵列天线。

背景技术

随着5G通信技术的发展，人们对于通信性能的要求越来越高，高增益天线作为一种远距离通信的重要组成部分，受到了越来越多的关注。天线性能的优劣在一定程度上会影响整个系统的性能，透镜天线具有扫描角度大，口径效率高好等优点，但是也存在体积大，不易集成等问题；微带阵列具有平面结构，加工简单，辐射波束灵活等优点，但是复杂的馈电网络造成能量损耗较大，辐射效率降低；透射阵列天线作为一种平面高增益阵列天线，结合了透镜天线和微带阵列天线的优点，具有高效率，高增益、重量轻、制作简单等优势，是一种具有广阔发展前景的新型高增益天线。

在传统的透射阵列设计中，一般需要介质基板作为支撑，采用的方法是将金属贴片印制在介质基板上。2018年，AzizAbdul等人提出了一种效率高的双频正交极化透射阵列天线，单元由三层介质基板组成，介质基板由空气层隔开，并在上面印制三个偶极子金属贴片，通过改变三个金属贴片的长度，实现相位的改变。同年，PengYuFeng等人提出了一种工作在Ku波段的透射阵列，单元由四层六角形的介质基板组成，介质基板由空气层隔开，上面印制双六角环形贴片，通过改变六角环的边长提供相位调谐。2020年，WuFan等人提出了一种超1-bit相位的宽带低剖面透射阵列，单元是一种堆叠结构，由三个蚀刻环形槽的金属贴片和将之隔开的两层介质基板组成，没有空气层，降低了剖面高度，通过改变环形槽的间隙角度，提供超1-bit的相位。2021年，SalehWassim等人提出了一种工作在D波段的高增益透射阵列天线，单元是一种堆叠结构，由介质基板及印制的矩形和耶路撒冷形金属贴片组成，通过六组单元实现相位的量化。

全金属透射阵列天线没有引入介质基板，性能受外太空环境的影响较小，且价格便宜，近年来引起了人们的广泛研究。2015年，LiuGuang等人设计了一个高效率的四层全金属透射阵列天线，在金属板上面蚀刻分裂式的双环形槽，通过改变半径的大小，实现360°的相位变化。2017年，WuRuiYuan等人提出了一种高增益双波段的透射阵列，可以工作在12GHz和18GHz两个频段，单元由四层金属板组成，上面蚀刻三个矩形槽，通过改变这三个矩形槽的长度实现相位360°的相位变化。2019年，ZhaoJiaNing等人提出了一种全金属透射阵列天线，单元由四层金属板组成，在金属板上蚀刻十字形槽，金属板之间由空气层隔开，通过改变十字槽的长度，实现相位的调控。2020年Mousavirazi Zahra等人提出了一种工作在28GHz的低剖面全金属透射阵列，单元由四层金属板组成，上面蚀刻‘王’字槽，通过改变槽的长度获得360°的相位。

综上所述，全金属透射阵列天线具有成本低廉，性能稳定，适用于太空应用等优点，因此设计一种高增益，高效率，宽带的全金属透射阵列天线是十分必要的。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种新型高增益全金属透射阵列天线。

实现本实用新型目的的技术解决方案为：一种高增益全金属透射阵列天线，包括馈电天线和透射阵列，馈电天线位于透射阵列的正上方，透射阵列包括若干个透射单元，每个透射单元均包括由上至下依次设置的上层金属板，中间层金属板和底层金属板，金属板之间由高度为H的空气层填充；三个金属板上均蚀刻哑铃形缝隙，哑铃形缝隙包括一个矩形槽，以及分别位于矩形槽两端且关于矩形槽中心相对称的两个扇形槽；矩形槽的中心作为扇形槽的圆心，扇形槽外半径为R₁，内外半径之差为W₁，角度为α，矩形槽的宽度是W₂，W₁<R₁。

进一步地，所述扇形槽的角度α可变，用以实现透射单元的线性相位变化，且α＜180°。

进一步地，所述矩形槽的中心与上层金属板的中心重合。

进一步地，所述上层金属板，中间层金属板和底层金属板的尺寸相同，均为方形结构，厚度为T＝0.4mm。

进一步地，所述上层金属板和底层金属板的哑铃形缝隙结构互相垂直的，中间层金属板上的哑铃形缝隙是在上层金属板哑铃形缝隙的基础上，旋转±45°获得。

进一步地，所述若干个透射单元周期性分布。

进一步地，所述透射单元之间的间距P＝0.3λ，其中λ为设定中心频率对应的自由空间波长。

进一步地，所述R₁<P/2。

本实用新型与现有技术相比，其显著优点为：1)本实用新型与基于介质基板的透射阵列天线相比，外太空环境下性能较为稳定，适用性广，成本低廉。2)本实用新型提出的基于极化扭转的全金属透射单元结构，上层金属板和底层金属板的哑铃形缝隙结构是互相垂直的，中间层金属板的哑铃形缝隙是在上层金属板哑铃形缝隙的基础上，旋转±45°获得。这两种单元结构是互为镜像的，具有极化扭转的功能，可以将线极化入射波的方向改变±90°形成透射波，获得360°的移相范围。3)新型高增益全金属透射阵列天线，可以实现高增益，高效率和宽带，与其他透射阵列天线相比性能上有显著的提高。

下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述。

附图说明

图1为本实用新型高增益全金属透射阵列天线示意图，其中图1(a)为全金属透射阵列天线结构图，图1(b)为图1(a)中矩形框的放大示意图。

图2为本实用新型高增益全金属透射阵列天线的透射单元示意图，其中图2(a)为透射单元的三维示意图，图2(b)为俯视图。

图3为本实用新型高增益全金属透射阵列天线的透射单元的两种状态，图3(a)为StateA结构，图3(b)为StateB结构。

图4为本实用新型高增益全金属透射阵列天线的透射单元，在设计频率10GHz处，透射系数和相移随扇形槽角度α变化的曲线图。

图5为本实用新型高增益全金属透射阵列天线,在10GHz处E面和H面的仿真归一化辐射方向图，其中图5(a)为E面的仿真归一化辐射方向图，图5(b)为H面的仿真归一化辐射方向图。

图6为本实用新型高增益全金属透射阵列天线,在9.5GHz，10GHz，10.5GHz处E面和H面的仿真归一化辐射方向图，其中图6(a)为透射阵列天线在9.5GHz，10GHz，10.5GHz处E面的仿真归一化辐射方向图，图6(b)为透射阵列天线在9.5GHz，10GHz，10.5GHz处H面的仿真归一化辐射方向图。

图7为本实用新型高增益全金属透射阵列天线,仿真的增益及口径效率随频率变化的曲线图。

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。

需要说明，若本实用新型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。

在一个实施例中，结合图1和图2，提供了一种高增益全金属透射阵列天线，包括馈电天线1和透射阵列2，馈电天线1位于透射阵列2的正上方，透射阵列2包括若干个透射单元3，每个透射单元3均包括由上至下依次设置的上层金属板4，中间层金属板5和底层金属板6，金属板之间由高度为H的空气层填充；三个金属板上均蚀刻哑铃形缝隙，哑铃形缝隙包括一个矩形槽，以及分别位于矩形槽两端且关于矩形槽中心相对称的两个扇形槽；矩形槽的中心作为扇形槽的圆心，扇形槽外半径为R₁，内外半径之差为W₁，角度为α，矩形槽的宽度是W₂，W₁<R₁。

进一步地，在其中一个实施例中，所述扇形槽的角度α可变，用以实现透射单元3的线性相位变化，且α＜180°。

进一步地，在其中一个实施例中，所述矩形槽的中心与上层金属板4的中心重合。

进一步地，在其中一个实施例中，所述上层金属板4，中间层金属板5和底层金属板6的尺寸相同，均为方形结构，厚度为T＝0.4mm。

进一步地，在其中一个实施例中，所述上层金属板4和底层金属板6的哑铃形缝隙结构互相垂直的，中间层金属板5上的哑铃形缝隙是在上层金属板4哑铃形缝隙的基础上，旋转±45°获得，旋转+45°形成如图3(a)的StateA结构，旋转-45°形成如图3(b)的StateB结构。

进一步地，在其中一个实施例中，所述若干个透射单元3周期性分布。

进一步地，在其中一个实施例中，所述透射单元3之间的间距P＝0.3λ，其中λ为设定中心频率对应的自由空间波长。

进一步地，在其中一个实施例中，所述R₁<P/2。

结合图4，透射单元在10GHz的透射幅度和相位随扇形槽角度α变化的曲线，透射幅度始终大于-2dB，StateA可以实现180°的相位范围，StateB相位与StateA相位相差180°，总共可以实现360°的相位范围。

作为一种具体示例，在其中一个实施例中，对本实用新型进行进一步详细说明。

本实施例新型高增益全金属透射阵列天线包括馈源天线1和透射阵列2；馈源天线1，位于透射阵列2的正上方；具体位置为：馈源天线1与透射阵列2的竖直距离为121mm。本实施例中，透射阵列2口径面尺寸为189mm×189mm，包括441个透射单元3；每个透射单元3均包括三层金属板4，5和6，厚度T＝0.4mm；金属板均为方形结构，尺寸一样，上面蚀刻哑铃形缝隙，哑铃形缝隙是由两个上下对称的扇形槽，和中间用于连接的矩形槽组成，扇形槽外半径R₁＝4.2mm，内外半径之差W₁＝1.8mm，角度α的变化范围是106°到139°，矩形槽的宽度是W₂＝1mm；单元间距为P＝9mm，金属板之间的空气层高度为H＝4mm。

由图5可知，该透射阵列天线在设计频率10GHz，E面的副瓣电平和交叉极化分别为-26.4dB和-26.6dB，H面的副瓣电平和交叉极化分别为-24.7dB和-26.6dB。

由图6可知，该透射阵列天线在不同频率下E面和H面的测量的方向图都比较合理。在不同频点处，天线波束的指向和形状均较为稳定，阵列天线副瓣和交叉极化始终低于-19dB和-27dB。

图7为该透射阵列天线随频率变化的增益以及口径效率的测量与仿真曲线图，最大增益为24.4dBi，对应的口径效率是56.3％。同时，该透射阵列天线的1-dB相对增益带宽是10.6％。

综上，本实用新型基于极化扭转的全金属透射单元，通过改变扇形槽的角度实现相位的调控，在透射幅度大于-2dB的情况下，互为镜像的两个结构StateA和StateB可以实现360°相移范围，基于提出的透射单元组成的透射阵列，可以实现高增益，高效率和宽带特性，与其他透射阵列相比，具有性能上的显著优点。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型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实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高增益全金属透射阵列天线，包括馈电天线(1)和透射阵列(2)，馈电天线(1)位于透射阵列(2)的正上方，其特征在于，透射阵列(2)包括若干个透射单元(3)，每个透射单元(3)均包括由上至下依次设置的上层金属板(4)，中间层金属板(5)和底层金属板(6)，金属板之间由高度为H的空气层填充；三个金属板上均蚀刻哑铃形缝隙，哑铃形缝隙包括一个矩形槽，以及分别位于矩形槽两端且关于矩形槽中心相对称的两个扇形槽；矩形槽的中心作为扇形槽的圆心，扇形槽外半径为R₁，内外半径之差为W₁，角度为α，矩形槽的宽度是W₂，W₁<R₁。

2.根据权利要求1所述的高增益全金属透射阵列天线，其特征在于，所述扇形槽的角度α可变，用以实现透射单元(3)的线性相位变化，且α＜180°。

3.根据权利要求1或2所述的高增益全金属透射阵列天线，其特征在于，所述矩形槽的中心与上层金属板(4)的中心重合。

4.根据权利要求1所述的高增益全金属透射阵列天线，其特征在于，所述上层金属板(4)，中间层金属板(5)和底层金属板(6)的尺寸相同，均为方形结构，厚度为T＝0.4mm。

5.根据权利要求1所述的高增益全金属透射阵列天线，其特征在于，所述上层金属板(4)和底层金属板(6)的哑铃形缝隙结构互相垂直的，中间层金属板(5)上的哑铃形缝隙是在上层金属板(4)哑铃形缝隙的基础上，旋转±45°获得。

6.根据权利要求1所述的高增益全金属透射阵列天线，其特征在于，所述空气层的高度H为4mm。

7.根据权利要求1所述的高增益全金属透射阵列天线，其特征在于，所述若干个透射单元(3)周期性分布。

8.根据权利要求1或7所述的高增益全金属透射阵列天线，其特征在于，所述透射单元(3)之间的间距P＝0.3λ，其中λ为设定中心频率对应的自由空间波长。

9.根据权利要求1所述的高增益全金属透射阵列天线，其特征在于，所述R₁<P/2。

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