一种基于介质结构的宽带圆极化透射阵天线

1.本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种基于介质结构的宽带圆极化透射阵天线。


背景技术：

2.近年来，随着无线通信技术的不断发展，圆极化透射阵天线受到了学术界以及工业界的广泛关注。这种天线一般具有高定向性、高增益、抗干扰、抗多径效应以及一定程度上避免极化失配的优势,常被广泛应用于卫星通信、导航定位、移动通信等领域。在实际应用当中，宽带天线通常具有通信容量大、传输速率高、频谱利用率高等的优势，因此宽带的圆极化透射阵天线是一个重要的研究方向。
3.为了实现圆极化的透射阵天线，阵列单元需具备两个条件：1、电磁波的两个正交电场分量需幅度相等且相位相差90
°
，以此满足圆极化特性；2、单元需具有移相能力，以此补偿电磁波从馈源到不同单元上的相位差异，从而实现类似平面波的波前，进而实现高增益特性。具体工作时，单元需对两个正交电场分量同时进行相位补偿。
4.目前，常见的圆极化透射阵天线大多采用多层pcb结构，具体方案例如：文献（l. di palma, a. clemente, l. dussopt, r. sauleau, p. potier and p. pouliguen, "circularly polarized transmitarray with sequential rotation in ka-band," ieee trans. antennas propag., vol. 63, no. 11, pp. 5118-5124, nov. 2015.）中采用序列馈电的四单元子阵实现宽带圆极化特性，通过改变上下两个金属贴片之间的相对夹角来实现相位补偿；文献（j. yang et al., "folded transmitarray antenna with circular polarization based on metasurface," ieee trans. antennas propag., vol. 69, no. 2, pp. 806-814, feb. 2021.）采用超材料结构的双层单元，利用u形开槽和切角来实现圆极化辐射，同时通过旋转单元来实现不同的相位补偿；文献（c. tian, y. jiao and g. zhao, "circularly polarized transmitarray antenna using low-profile dual-linearly polarized elements," ieee antennas wireless propag. lett., vol. 16, pp. 465-468, 2017.）和（j. yu, l. chen and x. shi, "a multilayer dipole-type element for circularly polarized transmitarray applications," ieee antennas wireless propag. lett., vol. 15, pp. 1877-1880, 2016.）分别提出一款双层十字缝隙的单元结构和一款偶极子型的三层单元结构，这两款设计均通过改变单元的结构参数来实现移相功能和圆极化辐射。现有的圆极化透射阵天线方案大多存在轴比带宽较窄的缺点，这是由于大多数设计依赖金属结构，工作原理上基于谐振原理所导致的，目前已报道的相关天线所能实现的较宽的轴比带宽一般都在20%左右，在宽带通信应用中存在着轴比带宽不足的缺点。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术存在的缺陷，本发明提出一种基于介质结构的宽带圆极化透射
阵天线，相较于传统方案进一步提升天线的轴比带宽。
6.本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
7.一种基于介质结构的宽带圆极化透射阵天线，包括透射阵阵面和馈源；其中，透射阵阵面包括8种、多个、不同尺寸的以线性形式排列的阵面单元；馈源为宽带线极化天线；馈源位于透射阵阵面的中心轴上，垂直照射透射阵阵面，并与透射阵阵面在水平方向上形成45度夹角。
8.进一步地，阵面单元包括自上而下顺次连接的介质块、支撑结构和匹配结构；介质块、支撑结构和匹配结构均为长方体，介质块在其中线位置处设置有长方体的开槽，开槽高度和宽度分别与介质块的高度和宽度相同，开槽厚度为w；透射阵阵面中，相邻的阵面单元之间通过支撑结构相互连接，在加工时整个透射阵阵面一体成型。
9.进一步地，阵面单元为各向异性结构，在x方向和y方向上具有不同的结构特征，电磁波在其中传播时会在x方向和y方向上具有不同的传播常数，在经过一定距离后，电磁波在x方向和y方向上的两个分量即可实现90度的相位差，从而实现圆极化辐射；直角坐标系定义如下：xy平面与支撑结构平行，x轴指向介质块开槽厚度w的方向，y轴指向介质块的宽度方向， z轴指向电磁波传播方向，坐标原点位于馈源辐射口径的中心点处。
10.进一步地，借助全波仿真软件分别对每个阵面单元进行参数扫描，使电磁波在阵面单元x方向和y方向上的两个分量之间获得90度相位差的厚度值即为介质块中间开槽厚度w。
11.进一步地，阵面单元中，介质块不同的高度h使得电磁波从透射阵阵面出射时获得不同的相位延迟，从而实现移相功能；每个阵面单元所需的移相大小由光学中的等光程差原理确定；类似于传统的棱镜设计，馈源辐射的电磁波在经过透射阵阵面后具有平面波的波前，进而实现高增益的辐射；每个阵面单元所需的移相大小具体如下：；其中，x和y分别表示透射阵阵面上某点在x方向和y方向上的坐标，f表示透射阵阵面的焦距，λ表示自由空间波长，φ0表示任意初始相位；表示点处的移相大小，即为每个阵面单元所需的移相大小；在确定了每个阵面单元（13）所需的移相大小后，借助全波仿真软件分别对每个阵面单元（13）的高度进行参数扫描，使经过阵面单元（13）出射的电磁波获得所需移相大小所对应的高度值即为阵面单元（13）的介质块（21）高度h。
12.进一步地，阵面单元沿x方向和y方向的尺寸均为0.6倍波长，为尽量实现紧凑的透射阵设计，该尺寸为优化后的最小单元尺寸。
13.进一步地，透射阵阵面全部由电介质材料制成。
14.进一步地，透射阵阵面可通过3d打印工艺、cnc工艺或注塑工艺实现。
15.进一步地，馈源采用宽带的线极化双脊喇叭天线，工作频段为6-18 ghz。
16.进一步地，馈源和透射阵阵面之间的焦距与透射阵阵面口径最大尺寸的比值，即焦径比参数，焦径比参数在0.6-0.8之间。
17.相比于现有技术，本发明的优点在于：本发明采用全介质的结构，提出一款宽带的圆极化透射阵天线设计。原理上，该天线为行波形式的圆极化天线，不受限于传统设计当中的谐振原理，因此具有较宽的轴比带宽，带宽可达51.8%，远优于目前的技术水平。此外，该天线在工作频带内性能稳定，具有高增益的特点。
附图说明
18.图1是本发明实施例提供的一种基于介质结构的宽带圆极化透射阵天线的示意图。
19.图2是本发明实施例提供的一种基于介质结构的宽带圆极化透射阵天线的单元全视图。
20.图3是本发明实施例提供的一种基于介质结构的宽带圆极化透射阵天线的单元侧视图。
21.图4是本发明实施例提供的一种基于介质结构的宽带圆极化透射阵天线的阻抗匹配特性示意图。
22.图5是本发明实施例提供的一种基于介质结构的宽带圆极化透射阵天线的轴比特性示意图。
23.图6是本发明实施例提供的一种基于介质结构的宽带圆极化透射阵天线的中心频率xz平面方向图。
24.图7是本发明实施例提供的一种基于介质结构的宽带圆极化透射阵天线的中心频率yz平面方向图。
25.图8是本发明实施例提供的一种基于介质结构的宽带圆极化透射阵天线的增益特性示意图。
具体实施方式
26.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图并举实施例，对本发明的具体实施进行详细说明。
27.在下面的描述中结合具体图示阐述了技术方案以便充分理解本发明申请。但是本发申请能够以很多不同于在此描述的的其他方法来实施，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所做类似推广实施例，都属于本发明保护的范围。
28.实施例：一种基于介质结构的宽带圆极化透射阵天线，如图1所示，包括透射阵阵面11和馈源12；其中，透射阵阵面11包括8种、多个、不同尺寸的以线性形式排列的阵面单元13；馈源12为宽带线极化天线；馈源12位于透射阵阵面11的中心轴上，垂直照射透射阵阵面11，并与透射阵阵面
ghz）内，最大增益为23.9 dbic，增益波动为
±
1.55 db，说明该天线在带内增益性能稳定。综上所述，本发明具有轴比带宽宽、高增益、工作频带内辐射性能稳定的优点。
40.实施例2：一种基于介质结构的宽带圆极化透射阵天线，如图1所示，包括透射阵阵面11和馈源12；其中，透射阵阵面11包括8种、多个、不同尺寸的以线性形式排列的阵面单元13；馈源12为宽带线极化天线；馈源12位于透射阵阵面11的中心轴上，垂直照射透射阵阵面11，并与透射阵阵面11在水平方向上形成45度夹角。
41.图2和图3所示分别为阵面单元13的全视图和侧视图，阵面单元13包括自上而下顺次连接的介质块21、支撑结构22和匹配结构23；介质块21、支撑结构22和匹配结构23均为长方体，介质块21在其中线位置处设置有长方体的开槽，开槽高度和宽度分别与介质块21的高度和宽度相同，开槽厚度为w；透射阵阵面11中，相邻的阵面单元13之间通过支撑结构22相互连接，在加工时整个透射阵阵面11一体成型。
42.透射阵天线的焦径比参数可以灵活调整以适应不同剖面高度的应用场景；实施例2中采用0.6的焦径比，其它参数与实施例1相同。
43.实施例3：一种基于介质结构的宽带圆极化透射阵天线，如图1所示，包括透射阵阵面11和馈源12；其中，透射阵阵面11包括8种、多个、不同尺寸的以线性形式排列的阵面单元13；馈源12为宽带线极化天线；馈源12位于透射阵阵面11的中心轴上，垂直照射透射阵阵面11，并与透射阵阵面11在水平方向上形成45度夹角。
44.图2和图3所示分别为阵面单元13的全视图和侧视图，阵面单元13包括自上而下顺次连接的介质块21、支撑结构22和匹配结构23；介质块21、支撑结构22和匹配结构23均为长方体，介质块21在其中线位置处设置有长方体的开槽，开槽高度和宽度分别与介质块21的高度和宽度相同，开槽厚度为w；透射阵阵面11中，相邻的阵面单元13之间通过支撑结构22相互连接，在加工时整个透射阵阵面11一体成型。
45.实施例3中采用0.8的焦径比，其它参数与实施例1相同。
46.如图4至图8所示，在不同焦径比的情况下，本发明天线性能基本不变，仍然具有明显的宽带和高增益特性。在轴比带宽方面，实施例2的轴比带宽为53.6%（8.2 ghz-14.1 ghz），实施例3的轴比带宽为42.7%（8.9 ghz-13.6 ghz）。增益方面，实施例2的带内最大增益为24.1 dbic，实施例3的带内最大增益为23.4 dbic。
47.以上公开的本技术优选实施例只是用于帮助理解本发明及核心思想。对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体应用场景和实施操作上均会有改变之处，本说明书不应理解对本发明的限制。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

技术特征：
1.一种基于介质结构的宽带圆极化透射阵天线，其特征在于，包括透射阵阵面（11）和馈源（12）；其中，透射阵阵面（11）包括8种、多个、不同尺寸的以线性形式排列的阵面单元（13）；馈源（12）为宽带线极化天线；馈源（12）位于透射阵阵面（11）的中心轴上，垂直照射透射阵阵面（11），并与透射阵阵面（11）在水平方向上形成45度夹角。2.根据权利要求1所述的一种基于介质结构的宽带圆极化透射阵天线，其特征在于，阵面单元（13）包括自上而下顺次连接的介质块（21）、支撑结构（22）和匹配结构（23）；介质块（21）、支撑结构（22）和匹配结构（23）均为长方体，介质块（21）在其中线位置处设置有长方体的开槽，开槽高度和宽度分别与介质块（21）的高度和宽度相同，开槽厚度为w；透射阵阵面（11）中，相邻的阵面单元（13）之间通过支撑结构（22）相互连接，在加工时整个透射阵阵面（11）一体成型。3.根据权利要求2所述的一种基于介质结构的宽带圆极化透射阵天线，其特征在于，阵面单元（13）为各向异性结构，在x方向和y方向上具有不同的结构特征，电磁波在其中传播时会在x方向和y方向上具有不同的传播常数，在经过一定距离后，电磁波在x方向和y方向上的两个分量即可实现90度的相位差，从而实现圆极化辐射；直角坐标系定义如下：xy平面与支撑结构（22）平行，x轴指向介质块（21）开槽厚度w的方向，y轴指向介质块（21）的宽度方向， z轴指向电磁波传播方向，坐标原点位于馈源（12）辐射口径的中心点处。4.根据权利要求2所述的一种基于介质结构的宽带圆极化透射阵天线，其特征在于，借助全波仿真软件分别对每个阵面单元（13）进行参数扫描，使电磁波在阵面单元（13）x方向和y方向上的两个分量之间获得90度相位差的厚度值即为介质块（21）中间开槽厚度w。5.根据权利要求3所述的一种基于介质结构的宽带圆极化透射阵天线，其特征在于，阵面单元（13）中，介质块（21）不同的高度h使得电磁波从透射阵阵面（11）出射时获得不同的相位延迟，从而实现移相功能；而每个阵面单元（13）所需的移相大小由光学中的等光程差原理确定；馈源（12）辐射的电磁波在经过透射阵阵面（11）后具有平面波的波前，进而实现高增益的辐射；每个阵面单元（13）所需的移相大小具体如下：；其中，x和y分别表示透射阵阵面（11）上某点在x方向和y方向上的坐标，f表示透射阵阵面（11）的焦距，λ表示自由空间波长，φ0表示任意初始相位；表示点处的移相大小，即为每个阵面单元（13）所需的移相大小；在确定了每个阵面单元（13）所需的移相大小后，借助全波仿真软件分别对每个阵面单元（13）的高度进行参数扫描，使经过阵面单元（13）出射的电磁波获得所需移相大小所对应的高度值即为阵面单元（13）的介质块（21）高度h。6.根据权利要求3所述的一种基于介质结构的宽带圆极化透射阵天线，其特征在于，阵
面单元（13）沿x方向和y方向的尺寸均为0.6倍波长。7.根据权利要求1所述的一种基于介质结构的宽带圆极化透射阵天线，其特征在于，透射阵阵面（11）全部由电介质材料制成。8.根据权利要求1所述的一种基于介质结构的宽带圆极化透射阵天线，其特征在于，透射阵阵面（11）可通过3d打印工艺、cnc工艺或注塑工艺实现。9.根据权利要求1所述的一种基于介质结构的宽带圆极化透射阵天线，其特征在于，馈源（12）采用宽带的线极化双脊喇叭天线，工作频段为6-18 ghz。10.根据权利要求1~9任一项所述的一种基于介质结构的宽带圆极化透射阵天线，其特征在于，馈源（12）和透射阵阵面（11）之间的焦距与透射阵阵面（11）口径最大尺寸的比值，即焦径比参数，焦径比参数在0.6-0.8之间。

技术总结
本发明公开了一种基于介质结构的宽带圆极化透射阵天线。所述透射阵天线包括透射阵阵面和馈源；其中，透射阵阵面包括8种、多个、不同尺寸的以线性形式排列的阵面单元；馈源为宽带线极化天线；馈源位于透射阵阵面的中心轴上，垂直照射透射阵阵面，并与透射阵阵面在水平方向上形成45度夹角。本发明采用全介质的结构，提出一款宽带的圆极化透射阵天线设计。原理上，该天线为行波形式的圆极化天线，不受限于传统设计当中的谐振原理，因此具有较宽的轴比带宽，带宽可达51.8%，远优于目前的技术水平。此外，该天线在工作频带内性能稳定，具有高增益的特点。益的特点。益的特点。


技术研发人员：马自龙 肖新风
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2022.02.08
技术公布日：2022/3/8