[發(fā)明專利]寬波束雙圓極化超表面天線單元、實現(xiàn)方法及相控陣天線

在審

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• 申請日: 2022-09-19
• 公開（公告）號: CN115528424A
• 公開（公告）日: 2022-12-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊琬琛;吳俊宇;李靖豪;車文荃;薛泉
• 申請（專利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類號: H01Q1/50
• 分類號: H01Q1/50;H01Q1/38;H01Q1/48;H01Q15/00;H01Q3/34;H01Q21/00;H01Q21/06
• 代理公司: 廣州市華學(xué)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44245
• 代理人: 王東東

本發(fā)明公開了一種寬波束雙圓極化超表面天線單元、實現(xiàn)方法及相控陣天線，包括天線饋電結(jié)構(gòu)、天線輻射體結(jié)構(gòu)及天線寬波束結(jié)構(gòu)，所述天線饋電結(jié)構(gòu)包括環(huán)形帶狀線、交叉縫隙及金屬化過孔，所述天線輻射體結(jié)構(gòu)包括主超表面及寄生超表面，所述天線寬波束結(jié)構(gòu)包括寄生槽和接地柱。本發(fā)明實現(xiàn)寬增益波束和寬軸比波束的雙圓極化天線。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域，特別涉及一種寬波束雙圓極化超表面天線單元、實現(xiàn)方法及相控陣天線。

背景技術(shù)

隨著無線通信技術(shù)發(fā)展，5G的sub-6G頻段逐漸開始大規(guī)模商用，毫米波頻段由于帶寬更寬，速率更快，受到了廣泛的關(guān)注，成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的研究熱點。其中一個重要的應(yīng)用在于衛(wèi)星通信。由于衛(wèi)星距離地面遠，通信延遲大，通信容量非常有限。為了克服這個問題，目前主流的解決方案是采用毫米波雙圓極化寬角掃描相控陣天線。雙圓極化天線能有效減小多徑效應(yīng)和雨衰，抗干擾較強，是衛(wèi)星通信中主要的天線類型；相控陣天線通常采用平板陣列天線形式，剖面低，通過移相器等組件實現(xiàn)電掃描，克服了傳統(tǒng)機械掃描的慣性，更適合衛(wèi)星與地面低延時通信的需求；寬角掃描可以使得相控陣天線的覆蓋范圍更廣，有效減少覆蓋所需的天線數(shù)量。毫米波雙圓極化寬角掃描相控陣天線的主要指標有帶寬、波束寬度、掃描角度、軸比等，通常要求天線單元具有寬的增益波束寬度和軸比波束寬度，以及自身能實現(xiàn)左旋或右旋圓極化，并基于此拓展成寬角掃描且低軸比的相控陣天線。

為了提升相控陣的寬角掃描和軸比性能，近年來出現(xiàn)了很多先進的技術(shù)方案。在目前已有的方案中，文獻X.Luo et al.,A Scalable Ka-Band 1024-Element TransmitDual-Circularly-Polarized Planar Phased Array for SATCOM Application,in IEEEAccess,vol.8,pp.156084-156095,2020.提出了一種窄帶雙圓極化的相控陣，天線單元采用了兩根工字型縫隙，通過等幅同相激勵疊層切角貼片，以實現(xiàn)雙圓極化，避免使用與半波長相關(guān)的3dB電橋，有利于緊湊組陣。同時，在天線周圍加入了一圈隔離柱，有利于減少單元間的耦合。該相控陣規(guī)模為32×32，由1024個天線單元組成，陣間距為5mm(即30GHz頻率所對應(yīng)波長的0.5倍)，工作在29.5-30GHz，掃描到±60°增益下降4.5dB，但軸比高于8dB，產(chǎn)生圓極化需要同時激勵兩個端口，意味著在同一個時刻只能實現(xiàn)左旋或右旋圓極化，而不能同時實現(xiàn)雙圓極化。天線單元的軸比波寬較窄，雖然采用了子陣旋轉(zhuǎn)的組陣方式，在大角掃描時軸比卻高于8dB，不能滿足實際的應(yīng)用需求。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點與不足，本發(fā)明的目的在于提供一種寬波束雙圓極化超表面天線單元、方法及相控陣天線。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種寬波束雙圓極化超表面天線單元，包括：

天線饋電結(jié)構(gòu)，包括環(huán)形帶狀線、交叉縫隙及金屬化過孔，所述環(huán)形帶狀線印制在第一介質(zhì)基板上，所述第一介質(zhì)基板的下表面設(shè)置下層金屬地板，所述交叉縫隙印制在第二介質(zhì)基板上，所述第二介質(zhì)基板的上表面印制上層金屬地板，所述金屬化過孔位于上層金屬地板和下層金屬地板之間；

天線輻射體結(jié)構(gòu)，包括主超表面及寄生超表面，所述主超表面印制在第三介質(zhì)基板上，所述寄生超表面印制在第四介質(zhì)基板上，主超表面和寄生超表面構(gòu)成疊層超表面；

天線寬波束結(jié)構(gòu)，包括寄生槽和接地柱，所述寄生槽印制在第四介質(zhì)基板上，所述寄生超表面設(shè)置在寄生槽內(nèi)，所述接地柱位于寄生槽和上層金屬地板之間；

所述第一介質(zhì)基板、第二介質(zhì)基板、第三介質(zhì)基板及第四介質(zhì)基板按照由下至上的順序壓合一起。

進一步，所述環(huán)形帶狀線為左右對稱，所述環(huán)形帶狀線的兩端為阻抗變換段，中間環(huán)形部分為輻射段。

進一步，所述交叉縫隙由四根縫隙交叉構(gòu)成，相鄰縫隙間隔45°，所述交叉縫隙為左右對稱結(jié)構(gòu)。