一种磁电偶极子宽带极化扭转透镜天线及其相位补偿方法

技术领域

本发明涉及无线通信系统天线技术领域，特别是涉及一种磁电偶极子宽带极化扭转透镜天线及其相位补偿方法。

背景技术

透镜天线由于其能发射笔形状的定向波束，对点对点链路、卫星通信和雷达系统、基站回传系统等应用具有实际意义。同时，相比线极化天线，圆极化天线由于具有抗多路径衰减、法拉第旋转效应和极化失配损耗等优点，在许多这些应用中都是必需的。利用介质透镜天线是实现线极化源到高增益圆极化辐射的经典解决方案，但其通常体积和损耗较大，而透射阵列天线具有平面、轻量化、易制作等优点，是实现定向圆极化波束的一种更佳选择。然而，与这些发射阵列相关的一个主要问题是相对窄的带宽，重叠的3-dB增益和AR带宽一般小于20％,仍然有提高的空间。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种磁电偶极子宽带极化扭转透镜天线及其相位补偿方法，用于解决背景技术中提及的技术问题。本发明提出了一种结合透射阵列元件和锥形介质涂覆层块的混合透镜结构，以优化宽带性能和透镜剖面。利用介质包覆的极化扭转磁电偶极子结构，实现了具有更宽相位调节范围的宽带单元。所提出的具有亚波长高度的离散透镜天线可达到47％的工作带宽，所描述的设计在使用线极化馈源的圆极化透镜和透射阵列中实现了最宽的带宽。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种磁电偶极子宽带极化扭转透镜天线，所述透镜天线包括多个天线单元，所述天线单元包括发射天线(15)和接收天线(16)；

所述发射天线(15)包括由上至下依次设置的顶部金属层(2)、第一介质层(3)、第二金属层(4)、第一粘接层(5)、第二介质层(6)、第三金属层(7)，以及设置在所述顶部金属层(2)表面的电偶极子，以及设置在所述发射天线(15)内部的磁偶极子(18)；

所述接收天线(16)包括由上至下依次设置的第四金属层(9)、第三介质层(10)、第三粘接层(11)、第五金属层(12)、第四介质层(13)、底部金属层(14)，以及设置在所述底部金属层(14)表面的电偶极子，以及设置在所述接收天线(16)内部的磁偶极子(18)；

所述发射天线(15)和接收天线(16)通过第二粘接层(8)相连接，并且关于该第二粘接层(8)上下对称；

其中，所述发射天线(15)的顶部设置有锥形介质涂覆层(1)，并且在所述发射天线(15)和接收天线(16)的内部均设置有中心馈电结构(19)，所述的中心馈电结构(19)还包括探针。

进一步的，对于位于所述发射天线(15)中的中心馈电结构(19)，其探针包括印制于所述第二金属层(4)之上的第一条状贴片(193)和印制于所述顶部金属层(2)之上的第二条状贴片(191)，并且在所述第一条状贴片(193)和所述第二条状贴片(191)之间还连接有贯穿第一介质层(3)的金属化盲孔(192)；

所述的中心馈电结构(19)还包括贯穿所述第一介质层(3)、第一粘接层(8)和第二介质层(6)的金属化通孔(194)。

进一步的，所述第一条状贴片(193)的长度要短与第二条状贴片(191)。

进一步的，所述发射天线(15)的电偶极子和所述接收天线(16)的电偶极子具有相同的结构，其包括第一正方形贴片(171)、第二正方形贴片(172)、第三正方形贴片(173)和第四正方形贴片(174)，并且该四个正方形贴片的大小一致；

其中，对于设置在所述发射天线(15)中的电偶极子，其设置在所述顶部金属层(2)的中心位置处；

相应的，对于设置在所述接收天线(16)的电偶极子，其设置在底部金属层(14)的中心位置处。

进一步的，所述的四个正方形贴片呈中心对称设置且互不接触，并且在该四个正方形贴片相互靠近的两个侧边上均设置有金属化过孔。

进一步的，所述的四个正方形贴片的边长为四分之一波导谐振波长；

其中，所述第一介质层(3)、第一粘接层(5)和第二介质层(6)相加的厚度为四分之一波导谐振波长；

相应的，所述第三介质层(10)、第三粘接层(11)和第四介质层(13)相加的厚度同样为四分之一波导谐振波长。

进一步的，所述发射天线中的正方形贴片，其上具有的金属化过孔往延下伸依次贯穿所述第一介质层(3)、第一粘接层(5)、第二介质层(6)、第二粘接层(8)、第三介质层(10)、第三粘接层(11)和第四介质层(13)形成金属化通孔，并且最终连接到其对应的位于接收天线中的正方形贴片上的金属化过孔，实现上部的电偶极子与下部的电偶极子电连接，所述的若干个金属化通孔构成所述磁偶极子(18)。

一种磁电偶极子宽带极化扭转透镜天线的相位补偿方法，所述相位补偿方法具体包括如下步骤：

将发射天线的中心馈电结构以90°为间隔进行旋转由此产生圆极化发射波束，而接收天线和锥形介质涂覆层相互配合使用来达到相位补偿的作用

本发明的有益效果是：

本发明提出的该离散圆极化透镜天线阵列可达到一个较宽的3-dB增益和AR重叠带宽(47％),远远超过现今同使用线极化馈源激励的圆极化透镜和透射阵天线，且只具有亚波长厚度剖面相对较低，且本发明所提出天线是基于标准的PCB工艺，加工简单，成本较低，利于扩展成阵列和大量生产。

附图说明

图1为实施例1中提供的一种磁电偶极子宽带极化扭转透镜天线，其单个天线单元的结构示意图；

图2为实施例1中提供的一种磁电偶极子宽带极化扭转透镜天线，其单个天线单元的分层结构示意图；

图3为实施例1中提供的完整的中心馈电结构的结构示意图；

图4为实施例1中提供的一种磁电偶极子宽带极化扭转透镜天线，其单个天线单元传输系数的仿真示意图；

图5为实施例1中提供的一种磁电偶极子宽带极化扭转透镜天线，其单个天线单元传输系数相对于锥形介质涂覆层的剖面高度变化的仿真示意图；

图6为实施例2中提供的基于4x4阵列的磁电偶极子宽带极化扭转透镜天线的中心馈电结构逆时针旋转放置方法的示意图；

图7为实施例2中提供的四种相位补偿方案的相位分布图，其中，图7a为天线单元中发射天线部分的相位分布图，图7b为基于1比特相位补偿方案下的接收天线部分的相位分布图，图7c为基于2比特相位补偿方案下的接收天线部分的相位分布图，图7d为基于超2比特相位补偿方案下的接收天线部分的相位分布图，图7e为基于全相位调整偿方案下的接收天线部分的相位分布图，图7f为基于2比特相位补偿方案下的锥形介质涂覆层厚度变化的仿真示意图，图7g为基于超2比特相位补偿方案下的锥形介质涂覆层厚度变化的仿真示意图，图7h为基于全相位调整偿方案下的锥形介质涂覆层厚度变化的仿真示意图；

图8为实施例2中提供的实物图；

图9为实施例2中提供的四种相位补偿方案关于增益和轴比带宽的仿真结果比较图；

图10为实施例2中提供的一种磁电偶极子宽带极化扭转透镜天线在26GHz处仿真的归一化辐射方向图；

图11为实施例2中提供的一种磁电偶极子宽带极化扭转透镜天线在26GHz处实测的归一化辐射方向图；

图12为实施例2中提供的一种磁电偶极子宽带极化扭转透镜天线关于增益和轴比的仿真和实测结果图；

附图中：

1-锥形介质涂覆层、2-顶部金属层、3-第一介质层、4-第二金属层、5-第一粘接层、6-第二介质层、7-第三金属层、8-第二粘接层、9-第四金属层、10-第三介质层、11-第三粘接层、12-第五金属层、13-第四介质层、14-底部金属层、15-发射天线、16-接收天线、171-第一正方形贴片、172-第二正方形贴片、173-第三正方形贴片、174-第四正方形贴片、18-磁偶极子、19-接收天线的中心馈电结构、191-第二条状贴片、192-金属化盲孔、193-第一条状贴片、194-金属化通孔、20-圆形槽、21-发射天线的中心馈电结构。

具体实施方式

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

实施例1

参见图1-图5，本实施例提供一种磁电偶极子宽带极化扭转透镜天线，该天线包括多个天线单元，其中每个天线单元包括由上至下依次设置的锥形介质涂覆层1、顶部金属层2、第一介质层3、第二金属层4、第一粘接层5、第二介质层6、第三金属层7、第二粘接层8、第四金属层9、第三介质层10、第三粘接层11、第五金属层12、第四介质层13和底部金属层1。

顶部金属层2、第一介质层3、第二金属层4、第一粘接层5、第二介质层6、第三金属层7，以及设置在顶部金属层2表面的电偶极子，以及设置在发射天线15内部的磁偶极子18构成该透镜天线单元的发射天线15。

第四金属层9、第三介质层10、第三粘接层11、第五金属层12、第四介质层13、底部金属层14，以及设置在底部金属层14表面的电偶极子，以及设置在接收天线16内部的磁偶极子18构成该透镜天线单元的接收天线16。

发射天线15和接收天线16通过第二粘接层8相连接，并且关于该第二粘接层8上下对称，在本实施例中，发射天线15和接收天线16具有相同的结构。

需要说明的是，除了上述的结构之外，在本实施例中，发射天线15上端还设有锥形介质涂覆层1，该锥形介质涂覆层1可以设置在接收天线16底部，也可以不设置在接收天线16的底部，在本实施例中并不限定；在发射天线15和接收天线16的内部均设置有中心馈电结构19，中心馈电结构19还包括探针。

还需要说明的是，在本实施例中，发射天线的中心馈电结构21和接收天线的中心馈电结构19结构基本相同，并且均包括金属化通孔和探针，其结构具体如图3所示，图3中的中心馈电结构，其上半部分为发射天线的中心馈电结构21，其下半部分为接收天线的中心馈电结构。

还需要说明的是，在本实施例中，上部的探针在本实施例中可能会以下部的探针指向为起点，以90°为基准发生逆时针旋转，比如是：0°、90°、180°或者270°，当然也可以不存在夹角，也即是，上部的探针和下部的探针重合，具体有没有夹角，并且夹角为多少，在本实施例并不限定。因此，当上部的探针和下部的探针重合时，发射天线的中心馈电结构21和接收天线的中心馈电结构19结构关于第二粘接层8上下对称。

具体的说，在本实施例中，发射天线的中心馈电结构19包括印制于第二金属层4之上的第一条状贴片193和印制于顶部金属层2之上的第二条状贴片191，并且在第一条状贴片193和第二条状贴片191之间还连接有贯穿第一介质层3的金属化盲孔192和贯穿第一介质层3、第一粘接层5和第二介质层6的金属化通孔194。在本实施例中，第二条状贴片191的长度要长于第一条状贴片193。

具体的说，在本实施例中，中心馈电结构19用来激励磁电偶极子天线。

具体的说，在本实施例中，发射天线15中的电偶极子包括第一正方形贴片171、第二正方形贴片172、第三正方形贴片173和第四正方形贴片174；该四个正方形贴片的大小一致，且设置在顶部金属层2中心位置处。并且，在本实施例中，这四个正方形贴片呈中心对称设置且互不接触，并且在该四个正方形贴片相互靠近的两个侧边上均设置有金属化过孔。

具体的说，在本实施例中，这四个正方形贴片的边长为四分之一波导谐振波长；第一介质层3、第一粘接层5和第二介质层6相加的厚度为四分之一波导谐振波长。

更具体的说，在本实施例中，接收天线16中的电偶极子具有与上述相同的结构。

具体的说，发射天线15中的正方形贴片，其上具有的金属化过孔往延下伸依次贯穿第一介质层3、第一粘接层5、第二介质层6、第二粘接层8、第三介质层10、第三粘接层11和第四介质层13形成金属化通孔，并且最终连接到其对应的位于接收天线中的正方形贴片上的金属化过孔，实现上部的电偶极子与下部的电偶极子电连接，该若干个金属化通孔构成磁偶极子18。

实施例2

参见图6-图12，本实施例提供一种磁电偶极子宽带极化扭转透镜天线的相位补偿方法，在本实施例中，为了实现由线极化到圆极化波的转化，发射天线15的中心馈电结构19的探针可以90°为间隔进行旋转，由此产生圆极化发射波束，而接收天线16和锥形介质涂覆层1相互配合使用来达到相位补偿的作用。

具体的说，在本实施例中，本专利提出并对比分析了四种相位补偿方案，分别为1比特、2比特、超2比特和全相位调整的相位补偿方案，其中，在1比特相位补偿方案中没有用到上述的锥形介质涂覆层1，其余三种相位补偿方案都同时用到了接收天线16馈电探针指向的旋转和锥形介质涂覆层1厚度的变化。

具体的说，在本实施例中，在2比特和超2比特相位补偿方案中采用相同的最大相位延迟。然而，在2比特方案中，只有两个离散的相位调整，即0°和90°，而后者通过允许使用锥形介质涂覆层的连续厚度变化，展示了一个超过2比特的相位调整。在全相位调整方案中，通过进一步增加涂覆层的剖面，允许锥形介质涂覆层1的厚度连续变化，由此实现了0°和180°之间的任意介质相位调整。最后本专利通过对比这四种方案，综合了轴比带宽，天线增益和锥形介质涂覆层1的厚度等因素，最后采纳了超2比特相位补偿方案。

为了验证本发明提供的一种磁电偶极子宽带极化扭转透镜天线的可实施性，首先利用商用全波仿真软件对公开的一种磁电偶极子宽带极化扭转透射单元模型进行了仿真。

如图4所示的仿真结果表明，本专利所提供天线单元在21-33GHz频段内具有较高的宽带传输效率，插入损耗小于1dB。接收天线馈电结构的探针180度旋转只会导致反向传输相位，而不会改变传输幅度。当x方向入射的波被转化成y方向出射波时，极化变换也被证明是合理的，且交叉极化分量的电平始终低于-45dB。

而由如图5的仿真结果可以看出，当采用较厚的介质时，传输效率普遍降低，而采用锥形设计可以减少阻抗的失配，提高传输效率。当介质涂覆层厚度小于3.5mm(本设计中采用的最大介质厚度)时，在大多数工作频率上，天线单元的插入损耗保持在小于2dB的水平。相位延迟随介质涂覆层高度的增加而增加，在较宽的频率范围内，相位曲线几乎相互平行。但可以看到，较大的相位调节范围是以增加介质剖面高度、更大的介质损耗和更严重的阴影遮挡效应为代价的。当介质剖面较厚，相位变化范围较大时，天线的增益带宽和AR带宽不一定同时得到提高。因此，相位调节范围和相位补偿方案的设计应适当，以平衡天线增益、透镜剖面高度和工作带宽三种指标。

接下来具体说明本实施例提出的相位补偿方法，图6给出了一种实现从线极化到圆极化波的发射天线中心馈电结构逆时针旋转放置结构图，如图所示，本专利采用4×4子阵列的顺序旋转方案，每个发射单元分别旋转0°、90°、180°和270°，选择这种结构是因为它具有交叉极化抵消和增强AR带宽的优点。

图7给出了发射天线旋转布局和相应的四种相位补偿方案的相位分布图，从图中可以看到：

在1比特相位补偿的情况下，不添加介质涂覆层，相位调谐完全依赖于接收天线馈电探针的180度旋转；

对于大于1比特分辨率的方案，同时利用了接收天线馈电探针的旋转和介质涂覆层厚度的调整；

在2比特和2比特以上相位方案中采用相同的介质最大相位延迟。然而，在2比特方案中，只有两个离散的介质相位调整，即0°和90°,而后者通过允许使用介质涂覆层的连续厚度变化，展示了一个超过2比特的相位调整；

在全相位调整方案中，通过进一步增加涂层的轮廓，允许厚度连续变化，实现0°和180°之间的任意介质相位调整。

图9给出了四种相位补偿方案关于增益和轴比带宽的仿真结果比较图，结果显示：

无介质涂覆层的1比特方案设计性能较差，轴比带宽最小，增益最低；

其他三种方案的最大增益和增益带宽基本相同。尽管2比特相位方案的增益略高于其他两种方案，但在更高的频率下，其轴比变得不那么令人满意；

超过2比特和全相位方案显示非常接近的天线性能，但更小的透镜厚度将使超2比特相位设计更具实际意义；

所以本实施例采用超2位相位补偿方案，实现了最优的轴比、最接近最佳的天线增益和相对较低的透镜剖面高度。

四种相位补偿方案具体的比较如表1所示：

表1

如图7所述，为了验证设计理念，本专利设计、制作并测量了一个由16×16单元组成的透镜实物。透射阵天线部分采用多层PCB工艺，介质涂覆层采用3D打印技术(εr＝3，损耗正切为0.03的Stratasys VeroWhitePlus材料)构建。两个装配部件通过相互堆叠而形成一体。馈源喇叭天线(XB-GH34，北京西宝有限公司提供)的工作频率为20至33GHz，放置在天线的接收侧。喇叭在工作频带提供大约19dBi的增益。焦距直径比为1.1，以保持-10dB的边缘照射。

在远场暗室中对该透镜天线进行了测试，图10和图11绘制了26GHz时的仿真辐射方向图和实测辐射方向图，可以看到交叉极化水平远低于-20dB，且由仿真图可以很好地预测出实测主波束的形状和旁瓣的位置，所以总的来说，仿真和实测之间的差异是不显著的，有较好的吻合度。

仿真和实测的轴比和天线增益如图12所示。测量的轴比值较小，在整个测试频率范围内始终低于3db。在26GHz的中心频率处观察到21.5dBic的峰值增益。3-dB增益带宽达到47％，覆盖频率范围为20.5-33GHz。3-dB轴比和增益变化均持续的重叠频段为20.5-33GHz，带宽为47％。已经远远超过现今同使用线极化馈源激励的圆极化透镜和透射阵天线，具有良好的性能。而整个透镜结构的插入损耗可以通过从仿真的方向性中减去测量增益来估计，在工作频带内平均约为1.5dB。

具体的说，本实施例实物制造所需的第一介质层3、第二介质层6、第三介质层10和第四介质层13可以采用材质为Rogers 4350B的介质基板，且第一介质层3和第四介质层13厚度为0.101mm,第二介质层6和第三介质层10厚度为0.762mm；第一粘接层2、第二粘接层8和第三粘接层11可以采用厚度为0.1mm的两张粘贴片Rogers 4450F粘接而成。且该磁电偶极子宽带极化扭转透射阵且采用PCB工艺，加工简单，成本较低，利于扩展成阵列和大量生产。

本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。