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CN116914443B - 一种双频波束扫描透射阵天线 - Google Patents

一种双频波束扫描透射阵天线 Download PDF

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CN116914443B CN202311181609.9A CN202311181609A CN116914443B CN 116914443 B CN116914443 B CN 116914443B CN 202311181609 A CN202311181609 A CN 202311181609A CN 116914443 B CN116914443 B CN 116914443B
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Abstract

本发明公开了一种双频波束扫描透射阵天线，包括透射阵和馈源天线，所述的透射阵包括两个透镜，两个透镜与馈源天线同轴；透镜包括透镜层，透镜层包括基板和附在基板上的贴片层，贴片层包括多个透射单元，多个透射单元包括复数个高频透射单元和复数个低频透射单元；复数个高频透射单元按M行、N列的矩阵布置，复数个低频透射单元按（M‑1）行、（N‑1）列的矩阵布置，低频透射单元与高频透射单元交错间隔布置；两个透镜中的一个为定透镜，另一个为可旋转的动透镜。本发明的双频波束扫描透射阵天线增益损失较小、扫描角度较宽。

Description

一种双频波束扫描透射阵天线
技术领域
本发明涉及透射阵天线，尤其涉及一种双频波束扫描透射阵天线。
背景技术
对于下一代的无线通信系统已经不仅仅局限于地面间基站通信，空天地一体化通信进程已然成为了必然趋势，其中6G技术在这一进程中扮演着不可或缺的角色。相对于频率较低的Ka波段、Ku波段等通信，6GTHz通信因其宽带、高增益、小尺寸等优势引发众多关注。近年来，出现了许多基于超表面的高增益和波束扫描天线。同时，聚焦天线在近场通信，以及无线输能等点对点，点对多点的应用中也发挥着重要的作用，各种类型的聚焦天线快速发展。且天线扫描功能也成为天线发展的至关重要的一部分，天线扫描可以让天线在小的频段扫描尽量大的范围，实现多角度，多区域覆盖。可以实现天线多个角度的多个方位扫描功能也越来越引发人们的关注。
透射阵天线（Transmitarray Antenna）是一种新型的电磁辐射天线，它是由一系列小的透明单元单元组成的阵列，这些单元单元通过调整它们的相位和振幅来控制电磁波的辐射方向和波束宽度。透射阵天线可以用于射频（RF）和毫米波（mmWave）频段，通常用于无线通信、雷达和卫星通信等应用。相比于传统的天线，透射阵天线具有更高的辐射效率和更大的带宽，同时也更容易集成在复杂的系统中。此外，透射阵天线的低剖面和轻量化设计也是其优点之一，这使得它们可以被广泛应用于各种空间有限的场景，如移动设备和卫星通信系统。
相比于反射阵天线，透射阵天线没有馈源遮挡问题，可以更好的传输所需要的信息。传统的透射阵波束扫描天线、多数是基于馈源结构相对旋转实现扫描功能，在各个频段调整馈源相对位置以及对应的相对相位，通过算数平均，叠加出所需要的相位，实现多角度扫描的效果。这样的馈源天线所需要占据的空间较大，且有时扫描不够精准。
现阶段大部分都在研究单频段高增益透射阵天线类型，能实现频段和功能往往会有局限，所以THz透射阵通常需要天线具备多频段多功能特性。因此，设计满足THz频段需求的双频双极化波束扫描天线已然成为了必然趋势。
传统的透射阵天线扫描增益损失在2～5dB以内，增益损失随着扫描角度的增加增益效果会有所下降，且扫描角度较窄。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种增益损失较小、扫描角度较宽的双频波束扫描透射阵天线。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种双频波束扫描透射阵天线，包括透射阵和馈源天线，所述的透射阵包括两个透镜，两个透镜与馈源天线同轴；透镜包括透镜层，透镜层包括基板和附在基板上的贴片层，贴片层包括多个透射单元，多个透射单元包括复数个高频透射单元和复数个低频透射单元；复数个高频透射单元按M行、N列的矩阵布置，复数个低频透射单元按（M-1）行、（N-1）列的矩阵布置，低频透射单元与高频透射单元交错间隔布置；两个透镜中的一个为定透镜，另一个为可旋转的动透镜。
以上所述的双频波束扫描透射阵天线，透镜包括复数个所述的透镜层，复数个透镜层层叠布置；贴片层为铜箔层，透镜层的铜箔层朝向馈源天线；两个透镜之间包括气隙，低频透射单元的中心点位于相邻4个高频透射单元对角线的交叉点；基板为圆形，所述的矩阵是四角去角的切角矩阵。
以上所述的双频波束扫描透射阵天线，高频透射单元为五星形，五星形的高频透射单元包括5个T字形的枝节，5个T字形枝节竖槽的下端相互连接；5个T字形枝节的横槽为同心的圆弧；低频透射单元包括圆环槽和布置在圆环槽内部的十字槽。
以上所述的双频波束扫描透射阵天线，高频透射单元的直径为高频频段波长的0.38～0.43倍，低频透射单元圆环槽内径为低频频段波长的0.08～0.13倍。
以上所述的双频波束扫描透射阵天线，两个透镜中，定透镜靠近馈源天线，动透镜远离馈源天线；所述的透镜层为4个，所述的基板为罗杰斯板材，基板的厚度为2mm，气隙的厚度为0.5mm；馈源天线的口径面距定透镜的距离为18.85mm，馈源天线的焦距为21.85mm；高频透射单元矩阵的行距为1.15 mm，列距为1.15 mm，低频透射单元矩阵的行距为1.15mm，列距为1.15 mm。
以上所述的双频波束扫描透射阵天线，所述的低频为90GHz，所述的高频为140GHz。
以上所述的双频波束扫描透射阵天线，高频透射单元的外径为0.82～0.94mm ，T字形枝节竖槽的宽度为0.12mm；横槽的宽度为0.10mm，横槽对应的圆心角为55°；横槽两端侧边内收，夹角为90°；低频透射单元圆环槽的内径为0.28～0.44mm，圆环槽的宽度为0.1mm；十字槽的外径为0.18～0.28mm，十字槽的槽宽为0.15mm。
以上所述的双频波束扫描透射阵天线，透射单元的相位补偿值；
其中，是透射阵的第i行、第j列透射单元的补偿相位，k0为中心频率处的电磁波空间传播常数，/>是馈源天线到第i行、第j列透射单元的路程，L是馈源天线的口径面距定透镜中心的距离，/>为透镜中心单元的初始相位值。
以上所述的双频波束扫描透射阵天线，偏转公式：；
其中，是透射单元的相位补偿值，/>是电磁波在自由空间中的传播常数，L是馈源天线的口径面距定透镜中心的距离，/>、/>和/>分别为透射单元的空间坐标值，/>为自定义的电磁波偏转角度。以上所述的双频波束扫描透射阵天线，动透镜相对于定透镜旋转的范围为0°～90°，通过两个透镜的相对旋转，实现透射阵天线的扫描功能。
本发明的波束扫描透射阵天线不旋转馈源，通过旋转动透镜，实现两个频段的扫描效果。利用里斯利棱镜原理，通过动透镜的相对旋转，使得天线可以在两个波段实现相同的波束扫描效果。透射阵天线两个频段增益都提高了10dB以上，且增益损耗在2.5dB以内，波束扫描角度较宽，可以应用于需要多通道多容量信道场景中。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例双频波束扫描透射阵天线的主视图。
图2是图1中Ⅰ部位的局部放大图。
图3是本发明实施例透射阵透镜的俯视图。
图4是本发明实施例透镜贴片层的局部放大图。
图5是本发明实施例高频透射单元的结构图。
图6是本发明实施例低频透射单元的结构图。
图7是本发明实施例高频透射单元的尺寸图。
图8是本发明实施例低频透射单元的尺寸图。
图9是本发明实施例透射系数及相位效果与频率的关系图。
图10是本发明实施例高频透射单元的尺寸与相位的关系图。
图11是本发明实施例低频透射单元的尺寸与相位的关系图。
图12是本发明实施例90GHz时扫描角度随两个透射阵旋转角度的变化情况图。
图13是本发明实施例140GHz时扫描角度随两个透射阵旋转角度的变化情况图。
具体实施方式
本发明实施例双频波束扫描透射阵天线的结构和原理如图1至图13所示。
本发明实施例双频波束扫描透射阵天线包括透射阵100和馈源天线200，透射阵包括透镜100A和100B，透镜100A为定透镜，透镜100B为可旋转的动透镜。
透镜100A和透镜100B与馈源天线200同轴（Z轴）布置，定透镜100A靠近馈源天线200，动透镜100B远离馈源天线200，透镜100A和透镜100B之间有一层气隙300。
透镜100A和100B分别由4个同轴层叠的透镜层组成，每个透镜层由基板10和附在基板10上的贴片层20构成，贴片层20为铜箔层，透镜层的贴片层20（铜箔层）朝向馈源天线200。
每个透镜的贴片层20上有641透射单元，641个透射单元中包括441个高频透射单元30和200个低频透射单元40。441个高频透射单元30按21行×21列的矩阵布置，400个低频透射单元40按20行×20列的矩阵布置，低频透射单元40与高频透射单元30交错间隔布置，低频透射单元40的中心点位于相邻4个高频透射单元30对角线39的交叉点。基板10为圆形，为了适应圆形的基板10，高频透射单元30的矩阵是四角去角的切角矩阵。
利用低频透射单元40与高频透射单元30的交错放置，可以减少交叉极化影响，实现两个频段独立电流相互的影响程度较小，适合应用于THz低频通信。
高频透射单元30为五星形，五星形的高频透射单元30包括5个T字形的枝节31，5个T字形枝节31竖槽31A的下端相互连接。5个T字形枝节31的横槽31B为同心的圆弧。低频透射单元40包括圆环槽41和布置在圆环槽41内部的十字槽42。
高频透射单元30由耶路撒冷十字改进，十字改为五星结构，利用挖槽实现中间空间的扩大，可以在增加高频透射单元透射系数的同时不影响低频透射单元40的透射和相位性能。低频透射单元40是圆环型结构的改进结构，普通圆环结构虽然可以实现较好透射系数，但相位做多层都不满足360°的相位分布。通过在圆环中间加载十字槽42，可以有效提高天线高频相位，满足透镜尽量少层实现360°的相位效果。且天线高频透射单元与低频透射单元之间相互影响较少，不对称结构使两个晶胞之间相互影响较小，可以提高天线之间的隔离度，满足双频透射阵天线的需求，实现了天线覆盖90/140GHz双频段，同时透射系数在两个相对频段大于0.85，相位满足360°。透镜的设计和天线制作方便快捷。
本实施例的低频为90GHz，高频为140GHz，90 GHz电磁波的波长约为3.33毫米，而140 GHz电磁波的波长约为2.14毫米。
高频透射单元30的直径与高频频段波长相关，为高频频段波长的0.38～0.43倍，低频透射单元40圆环槽41内径与低频频段波长相关，为低频频段波长的0.08～0.13倍。
基板10采用罗杰斯板材，基板10的厚度H1为2mm，气隙300的厚度H2为0.5mm。馈源天线200的口径面距定透镜顶面中心的距离L为18.85mm。天线的焦径比为0.85，馈源天线200的焦距F为21.85mm。高频透射单元30矩阵的行距R1为1.15 mm，列距C1为1.15 mm，低频透射单元40矩阵的行距R2为1.15 mm，列距C2为1.15 mm。
高频透射单元30的外径D1为0.82～0.94mm ，T字形枝节31竖槽31A的宽度B1为0.12mm。横槽31B的宽度B2为0.10mm，横槽31B对应的圆心角为55°。横槽31B两端侧边内收，横槽31B两端侧边的夹角为90°。低频透射单元40圆环槽41的内径D2为0.28～0.44mm，圆环槽41的宽度B3为0.1mm。十字槽42的端部为同心圆弧，十字槽42的外径D3为0.18～0.28mm，十字槽42的槽宽B4为0.15mm。
定透镜支透射单元的相位补偿值；
其中，是定透镜的第i行、第j列透射单元的相位补偿值，k0为中心频率处的电磁波空间传播常数，/>是馈源天线到第i行、第j列透射单元的路程，L是馈源天线的口径面距定透镜顶面中心的距离，/>为透镜中心单元的初始相位值。
透镜100A 4个同轴层叠透镜层的相位相同，透镜层的各透射单元根据对应的透射单元的相位补偿值确定结构尺寸。
动透镜支透射单元的相位补偿值；
其中，是定透镜的XY坐标系中，的第/>行、第/>列透射单元的相位补偿值，F是馈源天线焦距，λ为中心频率所对应的波长，对于双频透射阵天线，在两个频段有两个不同的中心频率，低频中心频率为90GHz，高频中心频率为140GHz。
动透镜可以设定射单元的相位沿X轴方向不变，此时，公式中的/>。即，透射单元的相位补偿值还可以通过以下的偏转公式得到：/>；
其中，是透射单元的相位补偿值，/>是电磁波在自由空间中的传播常数，L是馈源天线的口径面距定透镜中心的距离，/>、/>和/>分别为透射单元的空间坐标值，/>为自定义的电磁波偏转角度，例如/>可以设定为20°。
动透镜100B相对于定透镜100A旋转的范围为0°～90°，通过两个透镜的相对旋转，实现透射阵天线的扫描功能。两个透镜之间的相对角度隔一个角度会偏转一个方向。如动透镜100B与定透镜100A相对旋转角度为15°，则电磁波通过透射阵后，偏转的角度为10°左右；动透镜100B与定透镜100A相对旋转角度为30°时，则电磁波通过透射阵后，偏转的角度为20°左右；动透镜100B与定透镜100A相对旋转角度为45°时，则电磁波通过透射阵后，偏转的角度为30°左右；动透镜100B与定透镜100A相对旋转角度为60°时，则电磁波通过透射阵后，偏转的角度为35°左右。
双频单元通过相对旋转和调整上下距离，共口径的形式实现双频透射阵天线波束扫描功能可以有效的改善天线馈源空间大小且不损失扫描角度及增益损失。
传统的透射阵扫描增益损失在2～5dB以内，增益损失随着扫描角度的增加增益效果会有所下降，且扫描角度较窄，本发明以上实施例的透射阵天线增益损失可以维持在2dB以内，扫描角度也可以达到40°左右，实现较宽的扫描效果。
本发明以上实施例的双频波束扫描透射阵天线，通过矩形喇叭200馈电，电磁波透过上透镜聚焦到下透镜，先实现偏转功能，通过下透镜的相对旋转，能够很好的实现透射阵聚束及波束扫描效果。透镜由四层罗杰斯板材组成，可以实现高频段较低损耗，通过调节透射阵的相位及两个透镜之间相对距离，使天线有很好的聚束及扫描效果，保证天线信息的多点高质量稳定传输。
图9说明了本发明实施例的透射阵天线的透射系数和相位参数以及在两个频段各个旋转角度下的波束扫描效果，从图中可以看出透射阵天线在两个频段内透射系数高于-1dB，相位在360°左右，可以很好的满足透射阵天线所需要的透射系数和相位效果。
图10至图11为本发明实施例的透射阵天线的尺寸与相位关系图，从图10至图11可以看出两个频段之间相位在各个尺寸之间互不影响。
图12至图13为本发明实施例的透射阵天线的扫描效果图，两个频段内扫描增益可以达到19.5/21.3dBi左右，增益损耗在-2dB左右，优于父老传统的双频波束扫描透射阵天线。
本发明以上实施例的波束扫描透射阵天线具有双频段扫描效果，不同于传统的透射阵天线，本发明以上实施例的波束扫描透射阵天线不旋转馈源，通过旋转动透镜，实现两个频段的扫描效果。利用里斯利棱镜原理，动透镜100B使用偏转透射阵，定透镜100A使用单聚焦透射阵，通过线性相位聚束一个轴上的波束，通过动透镜的相对旋转，使得天线可以在两个波段实现相同的波束扫描效果。透射阵天线两个频段增益都提高了10dB以上，且增益损耗在2.5dB以内，实现了很好的波束扫描效果，扫描角度较宽，可以应用于需要多通道多容量信道场景中。

Claims (9)

1.一种双频波束扫描透射阵天线，包括透射阵和馈源天线，其特征在于，所述的透射阵包括两个透镜，两个透镜与馈源天线同轴；透镜包括透镜层，透镜层包括基板和附在基板上的贴片层，贴片层包括多个透射单元，多个透射单元包括复数个高频透射单元和复数个低频透射单元；复数个高频透射单元按M行、N列的矩阵布置，复数个低频透射单元按（M-1）行、（N-1）列的矩阵布置，低频透射单元与高频透射单元交错间隔布置；两个透镜中的一个为定透镜，另一个为可旋转的动透镜；
透射单元的相位补偿值；
其中，是透射阵的第i行、第j列透射单元的相位补偿值，k0为中心频率处的电磁 波空间传播常数，是馈源天线到第i行、第j列透射单元的路程，L是馈源天线的口径面 距定透镜中心的距离，为透镜中心单元的初始相位值。
2.根据权利要求1所述的双频波束扫描透射阵天线，其特征在于，透镜包括复数个所述的透镜层，复数个透镜层层叠布置；贴片层为铜箔层，透镜层的铜箔层朝向馈源天线；两个透镜之间包括气隙，低频透射单元的中心点位于相邻4个高频透射单元对角线的交叉点；基板为圆形，所述的矩阵是四角去角的切角矩阵。
3.根据权利要求1所述的双频波束扫描透射阵天线，其特征在于，高频透射单元为五星形，五星形的高频透射单元包括5个T字形的枝节，5个T字形枝节竖槽的下端相互连接；5个T字形枝节的横槽为同心的圆弧；低频透射单元包括圆环槽和布置在圆环槽内部的十字槽。
4.根据权利要求3所述的双频波束扫描透射阵天线，其特征在于，高频透射单元的直径为高频频段波长的0.38～0.43倍，低频透射单元圆环槽内径为低频频段波长的0.08～0.13倍。
5.根据权利要求2所述的双频波束扫描透射阵天线，其特征在于，两个透镜中，定透镜靠近馈源天线，动透镜远离馈源天线；所述的透镜层为4个，所述的基板为罗杰斯板材，基板的厚度为2mm，气隙的厚度为0.5mm；馈源天线的口径面距定透镜的距离为18.85mm，馈源天线的焦距为21.85mm；高频透射单元矩阵的行距为1.15 mm，列距为1.15 mm，低频透射单元矩阵的行距为1.15 mm，列距为1.15 mm。
6.根据权利要求1所述的双频波束扫描透射阵天线，其特征在于，所述的低频为90GHz，所述的高频为140GHz。
7.根据权利要求3所述的双频波束扫描透射阵天线，其特征在于，高频透射单元的外径为0.82～0.94mm ，T字形枝节竖槽的宽度为0.12mm；横槽的宽度为0.10mm，横槽对应的圆心角为55°；横槽两端侧边内收，夹角为90°；低频透射单元圆环槽的内径为0.28～0.44mm，圆环槽的宽度为0.1mm；十字槽的外径为0.18～0.28mm，十字槽的槽宽为0.15mm。
8.根据权利要求1所述的双频波束扫描透射阵天线，其特征在于，偏转公式：；
其中， 是透射单元的相位补偿值，/>是电磁波在自由空间中的传播常数，L是馈源天线的口径面距定透镜中心的距离，/>和/>分别为透射单元的空间坐标值，为自定义的电磁波偏转角度。
9.根据权利要求1所述的双频波束扫描透射阵天线，其特征在于，动透镜相对于定透镜旋转的范围为0°～90°，透射阵天线通过两个透镜的相对旋转，实现透射阵天线的扫描功能。
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