一种宽带高效率极化旋转透射阵天线的制作方法

1.本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种宽带高效率极化旋转透射阵天线。


背景技术：

2.天线作为通信系统前端的关键器件，其性能直接关系着整个通信系统的性能。随着以5g、物联网为代表的无线通信技术的全面推进，迫切需要开发合适其应用场景的高增益天线组件。透射阵天线是一种常见的应用于毫米波的高增益天线，其凭借平面化的结构和高增益的性能，成为了近年来业界研究与应用的热点。
3.透射阵天线由透射阵及馈源天线组成，其中透射阵还是一个由大量透射阵单元组成的阵列。其辐射原理大致如下：馈源辐射出的类球面波到达透射阵下表面不同单元的路程不同，因此产生了相位差，透射阵各单元通过相位补偿尽可能消除这个相位差，使得电磁波的波前相位经过透射阵的调控后尽可能地均匀，从而实现高增益辐射。
4.目前，基于透射阵单元的不同形式，透射阵天线主要分为四类。第一类透射阵天线采用多层频率选择表面单元，这种结构往往需要三层及以上的金属层，每一层金属印刷在介质基板上，每层介质基板之间有空气层。通过改变单元的物理尺寸来实现相位补偿，为了尽可能地补偿相位，这类透射阵单元的调相能力需要达到360
°
。第二类是接收-再辐射型，其单元大多采用三层结构，中间为共用的金属接地板。馈源天线的入射波照射到天线单元的下表面，电磁波能量由下表面的贴片接收，经过金属匹配层（一般为金属板或者金属钉梢）的传输，然后通过上表面的贴片透射到馈源另一侧的自由空间中。通过引入电控器件，这类天线往往应用于方向图可重构、波束扫描。第三类是双层透射阵天线，这类透射阵仅需两层金属与一层介质基板，上下两层金属结构相同，通过引入多个金属化通孔可以提高透射幅度，通过改变单元的物理尺寸来实现相位补偿。这类天线加工成本低，剖面低和重量轻，但增益带宽较窄。第四类是极化旋转透射阵，这类透射阵采用三层结构，上下表面为正交放置的极化选择栅格，中间层为调相单元。
5.上述第一类和第三类透射阵天线的透射阵单元尺寸往往为半波长左右，其相位补偿都是通过改变单元结构物理尺寸实现，且移相范围要尽可能满足360
°
。而第四类透射阵天线的单元只也是通过改变单元的物理尺寸实现，但只需实现180
°
，因此在同样的频率下，其尺寸可以做得更小。在同样大小的口径下，透射阵单元尺寸越小，则可以设计的单元数量越多，所以用来实现相位补偿的离散点数越多，相位补偿能力越强，最后辐射出来的电磁波波前更均匀，即增益越高。第三类透射阵天线的单元尺寸也在半波长左右，为了实现可重构而引入了有源器件，所以这类天线的口径效率往往很低。


技术实现要素：

6.本发明旨在提供一种宽带高效率极化旋转透射阵天线，很好的解决了上述问题，其对透射阵单元进行设计，要求透射阵单元能够实现极化旋转同时提供相位补偿，同时采用了新颖的加载寄生枝节的极化旋转单元，其透射相位随尺寸的变化曲线能在较宽的带宽
内保持平行，因此具有宽带的性能。
7.本发明的技术方案是一种宽带高效率极化旋转透射阵天线，包括透射阵和设置在透射阵正下方的馈源喇叭，所述透射阵由28x28个透射阵单元组成，所述透射阵单元包括由上至下依次层叠设置的顶层金属、上层介质基板、中层金属、下层介质基板和底层金属，所述顶层金属和底层金属为极化栅格，所述顶层金属与底层金属相互正交放置，所述中层金属为极化扭转结构，所述中层金属包括主枝节和寄生枝节。
8.进一步的，所述透射阵单元周期性长度为2.5mm，上层介质基板和下层介质基板的厚度均为1.524mm，相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。
9.进一步的，所述顶层金属包括4个均匀排布的极化栅格，宽度为0,3mm，所述底层金属包括4个均匀排布的极化栅格，所述顶层金属上的极化栅格与顶层金属上的极化栅格正交放置。
10.进一步的，所述主枝节和寄生枝节的宽度均为0.3mm，寄生枝节的长度固定为1.2mm。
11.进一步的，所述寄生枝节包括相互垂直设置的两个d3段。
12.进一步的，所述主枝节包括相互垂直设置的两个d2段，两个所述d2段端部均垂直连接有d1段。
13.进一步的，所述主枝节d1段的长度变化范围为1.7-0.3mm，所述主枝节d2段的长度变化范围为2.2-1.9mm。
14.进一步的，所述透射阵口径为70x70mm。
15.进一步的，所述馈源喇叭的口径为20x15mm，所述馈源喇叭放置在透射阵正下方66.5mm处，即焦距为66.5mm，焦径比为0.95。
16.本发明的有益效果是：1) 该天线采用了新颖的加载寄生枝节的极化旋转单元，其透射相位随尺寸的变化曲线能在较宽的带宽内保持平行，因此具有宽带的性能；2) 该天线采用的单元其周期性长度仅四分之一波长，比业界绝大多数透射阵单元都小，透射阵在相同口径下可以放置数量更多的该单元，因此用该单元所设计的透射阵其相位补偿能力更强；3) 该天线实现了高效率辐射，最大口径效率达71.3%，且在26.5-38ghz（35.7%）的范围内口径效率大于50%；4) 该天线实现了宽带辐射，1db增益带宽为30.4-38.48ghz（23.5%）、3db增益带宽为26.5-40ghz（40.6%）。
附图说明
17.图1 为本发明中的透射阵单元结构图；图2 为本发明中的顶层金属的极化栅格俯视图；图3 为本发明重的中层金属的俯视图；图4 为本发明的透射相位随d1段长度改变的曲线；图5为本发明的透射相位随d2段长度改变的曲线；图6 为本发明的透射幅度随d1段长度改变的曲线；
图7 为本发明的透射幅度随d2段长度改变的曲线；图8 为本发明的透射阵的整体结构示意图；图9 为本发明的透射阵天线整体结构示意图；图10为本发明的透射阵天线中层金属（极化扭转单元）俯视图；图11为本发明的透射阵天线顶层金属（极化选择栅格）俯视图；图12为 本发明的透射阵天线e面方向图（30ghz）；图13为本发明的透射阵天线h面方向图（30ghz）；图14 为本发明的透射阵天线峰值增益变化图；图15 为本发明的透射阵天线口径效率变化图。
18.图中：1、上层介质基板；2、下层介质基板；3、上层金属；4、主枝节；5、寄生枝节；6、中层金属；7、下层金属；8、馈源喇叭。
具体实施方式
19.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
20.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
22.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
23.此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
24.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
25.如图1所示，本发明公开了一种宽带高效率极化旋转透射阵天线，包括透射阵和设置在透射阵正下方的馈源喇叭8，所述透射阵由28x28个透射阵单元组成，所述透射阵单元包括由上至下依次层叠设置的顶层金属、上层介质基板1、中层金属6、下层介质基板2和底层金属，所述顶层金属和底层金属为极化栅格，所述顶层金属与底层金属相互正交放置，所述中层金属6为极化扭转结构，所述中层金属包括主枝节4和寄生枝节5。
26.首先进行透射阵单元的设计，所设计的单元结构如图1所示。透射阵单元包括由上至下依次层叠设置的顶层金属、上层介质基板1、中层金属6、下层介质基板2和底层金属，透射阵单元周期性长度为2.5mm，仅四分之一波长（中心频率为30ghz），上层介质基板1和下层介质基板2的厚度均为1.524mm，相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。顶层金属和底层金属为极化栅格，相互正交放置，可以实现极化选择功能。假设电磁波由下方入射，如果入射波沿x极化，则能通过底层金属的极化栅格，随后经过中层金属6的调控相位实现相位补偿，同时将x极化扭转为y极化，最后透过顶层金属的极化栅格辐射出去。如果入射波沿y极化，则能不通过底层金属的极化栅格。
27.顶层金属如图2所示，每个顶层金属单元有4个均匀排布的极化栅格，宽度w0为0.3mm。底层金属的极化栅格与顶层金属的极化栅格结构相同，区别仅在于其相对于顶层金属的极化栅格正交放置。中层金属6为极化扭转结构，它由主枝节4和寄生枝节5组成，能将入射电磁波的极化扭转90
°
，同时通过调节主枝节4的长度能够实现相位补偿。所述寄生枝节5包括相互垂直设置的两个d3段。如图3所示，所述主枝节4包括相互垂直设置的两个d2段，两个所述d2段端部均垂直连接有d1段。通过引入寄生枝节5可是拓展单元的工作带宽，进而提高整个透射阵天线的增益带宽。主枝节4和寄生枝节5的宽度均为0.3mm，寄生枝节5的长度固定为1.2mm。主枝节4的d1段长度变化范围为1.7-0.3mm，可以实现0-140
°
范围内的相位补偿，其透射相位随d1段长度变化的曲线如图4所示。随后，主枝节4的d2段部分长度从2.2mm减小至1.9mm，能够实现40
°
的相位补偿，如图5所示。从图4、5可以看出，所设计的单元的透射相位随尺寸的变化曲线在27ghz-38ghz范围内保持平行，因此能够在较宽的频率范围内实现一致的相位调控，具有宽带的良好性能。相位随尺寸的变化具有连续性，改变d1段的长度可实现[0，140
°
]范围内的相位补偿，改变d2段的长度能实现[140
°
，180
°
]范围内的相位补偿。通过将主枝节4和寄生枝节5旋转90
°
能天然引入180
°
相位差，再改变d1段、d2段的长度便可实现[180
°
，360
°
]范围内的相位补偿。改变主枝节4d1段、d2段的长度对应的透射幅度变化如图6、7所示，可以看到在整个ka波段（26.5-40ghz）其透射损耗均小于2.75db。
[0028]
所设计的透射阵天线结构如图8、9所示。天线由28x28单元的透射阵和馈源喇叭8构成。透射阵由28x28个透射阵单元组成，口径为70x70mm，馈源喇叭8口径为20x15mm，放置在透射阵正下方66.5mm处，即焦距为66.5mm，焦径比为0.95。透射阵的中层金属6的俯视图如图10所示，透射阵的顶层金属的俯视图如图11所示，底层金属与顶层金属正交放置，这里就不予展示了。所设计的透射阵天线在30ghz出的e面、h面方向图如图12、13所示，增益为26.1dbi，副瓣电平为-20db，交叉极化为-25db。峰值增益如图14所示，最大峰值增益为27.2dbi（36ghz），1db增益带宽为30.4-38.48ghz（23.5%）、3db增益带宽为26.5-40ghz（40.6%），相较于馈源喇叭8，透射阵天线提升增益约11db。口径效率如图15所示，在30ghz处的口径效率为66.1%，最大口径效率为71.3%（31.5ghz），在26.5-38ghz（35.7%）的范围内大于50%。可以看出所设计的透射阵天线具有宽带高效率的优异性能。
[0029]
本发明的一种宽带高效率极化旋转透射阵天线。其透射阵由28x28个极化旋转单元组成。首先对透射阵单元进行设计，要求透射阵单元能够实现极化旋转同时提供相位补偿。在透射阵单元的设计过程中，需要实现宽带的性能，本发明采用了加载寄生枝节5的方案。设计好单元过后，设计馈源喇叭8，然后设计透射阵，选择合适的口径和焦径比（焦距与透射阵边长之比）以达到最佳性能。
[0030]
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。