一种基于超表面结构的宽带双极化天线单元及相控阵

本发明涉及通信领域，具体涉及一种基于超表面结构的宽带双极化天线单元及相控阵。

背景技术：

相控阵天线在军事和通信领域有着广泛的应用，早期雷达系统中，阵列天线的波束方向固定，需要通过机械扫描控制波束方向，和传统的固定波束阵列相比，相控阵天线能迅速准确地控制波束进行无惯性扫描，在指定的空间内实现同时搜索和跟踪多目标的功能。相控阵天线最初应用于军事雷达中，目的是观测以及跟踪大范围空间内的机体目标。随着无线通信技术的发展，相控阵技术也开始用于民用产品，如汽车防撞雷达、蜂窝通信等。

在通信领域，5g通信已经开始逐步走进人们的生活。为了解决频谱资源短缺问题，5g通信将使用毫米波频段(24.25～29.5ghz)作为工作频段。然而在毫米波频段，电磁波在空间中的传输损耗将大幅增加，采用单个或少数天线单元，增益较低，无法保证信号的正常传输，天线阵列增益高，可以实现远距离信号传输，但波束宽度窄，无法进行宽角度的信号覆盖。因此，设计具有波束扫描功能的相控阵天线对于5g通信十分重要。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明的首要目的是提供一种基于超表面结构的宽带双极化天线单元，本发明能在较低的剖面实现较大的带宽，并实现相控波束扫描。

本发明的次要目的是提供一种相控阵。

本发明的首要目的是采用如下技术方案：

一种基于超表面结构的宽带双极化天线单元，该天线采用ltcc工艺，由上至下包括超表面结构、第一带状馈电线及第二带状馈电线，上述部分均由多层ltcc陶瓷片叠加构成，第一带状馈电线及第二带状馈电线分布在不同层，分别激励+45°和-45°两个极化方向的电磁波，且耦合到位于天线单元上表面的超表面结构，实现电磁波的辐射。

所述第一带状馈电线及第二带状馈电线包括中间的信号线、设置在信号线两侧的金属条带及通孔。

进一步，第一带状馈电线的上方设置十字型缝隙，所述十字型缝隙设置在第一带状馈电线最上层陶瓷片的上表面。

进一步，第二带状馈电线的上方设置工字型缝隙，所述工字型缝隙设置在第二带状馈电线最上层陶瓷片的上表面。

进一步，第一带状馈电线信号线的中间部分为低阻抗线。

进一步，在第二带状馈电线信号线的末端设置低阻抗线。

进一步，所述超表面结构作为双极化天线单元的辐射体，由nⅹn个周期排列的正方形贴片旋转45°构成，呈中心对称。

本发明的次要目的是采用如下技术方案：

一种基于超表面结构的宽带双极化天线单元的相控阵，包括周期排列的所述宽带双极化天线单元。

进一步，每个宽带双极化天线单元的周围设置金属条带及若干个接地金属柱。

进一步，每列m个双极化天线单元，分别由一分m型功分网络馈电，然后通过同轴结构过渡为gcpw馈电。

本发明的有益效果：

本发明采用超表面结构作为辐射单元时，拓宽了天线带宽，工作频带覆盖整个5g毫米波频段(24.25～29.5ghz)；

本发明相控阵单元采用双层带状线馈电，并采用双层缝隙耦合的方式，在天线内实现了较高的极化隔离，工作频带内天线单元的极化隔离度大于45db；

本发明相控阵外接移向器，控制各输入端的相位差，从而实现±50°波束扫描；

本发明天线单元采用ltcc工艺，提供了天线的紧凑度和集成度。

附图说明

图1是本发明的一种超表面结构的宽带双极化天线单元的三维图；

图2(a)是图1的侧视图，图2(b)是图1的俯视图，图2(c)是第一带状馈电线的结构图，图2(d)是第二带状馈电线的结构图。

图3是本发明相控阵的侧视图；

图4(a)是宽带双极化相控阵天线的俯视图，图4(b)是相控阵天线底部结构图，图4(c)是+45°极化馈电网络结构图，图4(d)是-45°极化馈电网络结构图；

图5(a)宽带双极化天线单元的回波损耗和极化隔离度，图5(b)是天线单元的增益和效率，图5(c)是天线单元+45°极化的方向图，图5(d)是天线单元-45°极化的方向图；

图6(a)是不扫描时相控阵天线+45°极化方向各端口的有源回损，图6(b)是不扫描时相控阵天线-45°极化方向各端口的有源回损，图6(c)是不扫描时相控阵天线的增益和效率，图6(d)是不扫描时相控阵天线相邻子阵间的隔离度；

图7(a)是相控阵天线+45°极化中心频率的方向图，图7(b)是相控阵天线-45°极化中心频率的方向图；

图8(a)是相控阵天线+45°极化方向波束扫描时的方向图，图8(b)是相控阵天线-45°极化方向波束扫描时的方向图；

图9(a)是相控阵天线波束扫描时+45°极化各端口的有源回损，图9(b)是相控阵天线波束扫描时+45°极化各端口的有源回损。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1及图2(a)所示，一种基于超表面结构的宽带双极化天线单元，作为相控阵的单元，该天线单元采用ltcc工艺，整个天线是由多层ltcc陶瓷片1叠加构成，层数不固定，可以根据需要选择层数，具体包括超表面结构及两条带状馈电线，所述两条带状馈电线独立分布在不同层，相互正交，分别激励+45°和-45°两个极化方向。

如图2(b)所示，本实施例中由15(l1-l15)层结构尺寸相同的陶瓷片叠加构成，在最上层陶瓷片设置超表面结构，超表面结构的下方设置第一金属地板7，其中l1-l9层构成超表面结构的介质基板，在l1陶瓷片的上表面设置超表面结构14，所述超表面结构作为双极化天线单元的辐射体，由nⅹn个周期排列的正方形贴片旋转45°构成，呈中心对称。

如图2(c)及图2(d)所示，两条带状馈电线均包括信号线、金属条带5及通孔4。

第一带状馈电线2位于l10-l12层，第一带状馈电线包括设置在陶瓷片中间的第一信号线、设置在第一信号线两侧的第一通孔及第一金属条带构成，所述第一信号线位于第11层陶瓷片的上表面，第一金属条带位于第11层和第12层的上表面，第一通孔贯穿三层陶瓷片，且位于第一金属条带上，作用是连接上下两层金属条带和金属地板，沿着金属条带放置。所述第一信号线由三段依次连接构成，其中，中间那段为低阻抗线10，用于阻抗匹配。

在第一带状馈电线的上方设置沿45°十字型缝隙，所述十字形缝隙具体由两条窄缝8、9相互正交构成。所述十字形缝隙设置在第一金属地板7上，所述第一金属地板设置在第10层陶瓷片的上表面。所述第一金属条带的一部分沿着信号线和十字形缝隙边缘设置，并和信号线和十字形缝隙保持一定距离，作用是将电磁波限制在一定范围内，另一部分是在水平和垂直方向延伸出去，用于抑制介质中产生的谐振。第一信号线的末端垂直于十字缝隙的一条分支，且位于该分支中心的下方。第一信号线激励该分支产生+45度极化的电磁波。

所述第二带状馈电线3位于第一带状馈电线的下方，位于l13-l15层陶瓷片，包括中间的第二信号线、第二金属条带及第二通孔，所述第二通孔及第二金属条带的设置与第一带状馈电线相同，第二信号线位于第14层陶瓷片的上表面，第二金属条带位于第14层和第15层陶瓷片上表面。所述第二信号线包括三段依次连接构成，最后一段为第二低阻抗线13，用于阻抗匹配。

所述第13层陶瓷片上表面设有第二金属地板12，所述第二金属地板刻工字型缝隙11，所述工字型缝隙沿着+45°，所述工字型缝隙垂直于十字形缝隙的一条窄缝，与另一条窄缝平行。

所述第二信号线的末端垂直于工字型缝隙，并从其中心的下方穿过。

所述第一信号线及第二信号线是互相垂直的。

第二带状馈电线激励工字型缝隙，工字型缝隙中的电磁场可以耦合到十字型缝隙中的窄缝9，产生-45°极化方向的电磁波，十字型缝隙将电磁波耦合到天线上表面的超表面结构14，超表面结构作为天线的辐射体，可以实现电磁波的辐射。

该工字型缝隙位于十字型缝隙6正下方，相隔三层ltcc陶瓷片1，并平行于窄缝9。

所述基于超表面结构的宽带双极化天线，两条带状馈电线由于分布在不同层，所以不会产生耦合。而窄缝8和窄缝9的电场互相正交，也不会产生串扰，所以这种激励方式下极化隔离很高。

实施例2

一种宽带双极化天线单元构成的相控阵，相控阵侧面示意图如图3、图4(a)-图4(d)所示，由多层陶瓷片叠放设置，本实施例2中由17层陶瓷片构成，l1～l9是天线部分，l10～l12是+45°极化方向的馈电网络，l13～l15是-45°极化方向的馈电网络，l16～l17是为了测试引出的gcpw馈线。

本实施例相控阵天线由4×4个宽带双极化天线单元构成的阵列，每个超表面结构周围设置隔离带15，所述隔离带由金属条带和接地通孔构成，该隔离带的作用是降低天线单元间的互耦。

也就是说，如果相控阵是由mⅹn个宽带双极化天线单元构成，每列由m个双极化天线单元，则分别由一分m型功分网络馈电。

每列4个天线单元组成1×4的子阵16，分别由一分四t型功分网络17馈电，两个极化方向的功分网络如图4(c)、图4(d)所示，功分网络均为带状线，通过同轴结构18过渡为gcpw馈线19,所述同轴结构18是将带状线的中心信号线和gcpw的信号线通过同轴探针20相连，同轴探针周围再加上一圈金属通孔21，模拟同轴的外壁，从而减少能量泄露，尽可能地减小转接处的损耗。所述gcpw馈线可以直接连接接头，用于测试。

根据波束扫描原理，给每个子阵施加等幅但不同相的激励信号，相邻子阵之间的相位差ψ相等，通过波束控制电路改变相位差，便可以实现水平方向上的波束扫描。

所述ltcc陶瓷片的介电常数εr均为[2.2，10.2]，厚度均为[0.02λ，0.2λ]，其中λ为自由空间波长。

本实施例的宽带双极化超表面天线单元，具体尺寸如下：

超表面单元的方形贴片尺寸a为[0.05λ,0.1λ]，方形贴片之间的间距g为[0.005λ,0.05λ]，第一带状馈电线上的低阻抗线长度l1为[0.01λ,0.1λ]，宽度w1为[0.01λ,0.05λ]，缝隙1的长度sl1为[0.1λ,0.3λ]，缝隙的长度sl2为[0.1λ,0.2λ]，缝隙的长度sl3为[0.1λ,0.3λ]，第二带状馈电线上的低阻抗线长度l2为[0.05λ,0.2λ]，宽度w2为[0.01λ,0.05λ]，其中λ为自由空间波长。

结合图5(a)～图5(d)，1端口工作频带为23.8～30.3ghz，阻抗带宽约24％，2端口工作频带为23.3～30ghz,阻抗带宽约25.1％，带宽较宽，可以覆盖5g毫米波通信的24.25-29.5ghz频段。工作频带内极化隔离度大于45db，具有高隔离特性。整个工作频带的增益可达6db以上，天线效率可达90％以上。两个极化方向的方向图均对称，交叉极化低于-28db。

结合图6(a)～图6(d)，当阵列扫描角为0°时，每个端口的馈电等幅同相，波束最大方向指向边射方向，在24.25～29.5ghz频带内，阵元间的隔离度高于21db，耦合较弱，两个极化方向的有源回损均低于-10db，增益为13.2～15.5db，天线效率高于60％。

结合图7(a)-图7(b)，两个极化方向的主极化方向图均对称，交叉极化低于-30db，前后比可达28db以上。

保持激励信号幅度不变，改变各馈电端口的相位，便可以实现相控扫描。结合图8(a)-图8(b)，两个极化方向中心频点(27ghz)的扫描角均可达到50°，且扫描50°范围内，增益损耗小于3db。

结合图9(a)-图9(b)，在扫描50°范围内，中心阵元两个极化方向的有源回损在24.25～29.5ghz工作频带内均低于-10db。

本发明可以通过改变输入信号的相位，从而改变波束指向，在5g通信设备中具有广阔的前景，同时具有尺寸小，集成度高的优点。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。