一种超宽带大移相范围的透射阵单元

技术领域

本发明涉及天线领域，特别是一种超宽带大移相范围的透射阵单元。

背景技术

随着通讯技术的发展，无线通信系统需要更大的带宽来满足数据增长和用户需求，因此需要多个天线来覆盖所需的频率和空间范围。单个超宽带波束扫描天线可以取代多天线系统，同时满足多个频段的工作需求，例如一个2-18GHz的超宽带天线可覆盖S波段(2–4 GHz)，C波段 (4–8 GHz)，X 波段(8–12 GHz)和 Ku波段 (12–18 GHz)。超宽带波束扫描天线的实现方式分为路馈阵列和空馈阵列两种实现方式。路馈方式的典型代表是相控阵天线，然而超宽带相控阵天线需要数以百计的T/R组件，不仅结构设计和天线测试复杂，而且成本极高。空馈天线由馈源和阵列组成，它不需要复杂的馈电网络，可以通过无源的方式实现机械波束扫描，加工成本可以大幅度降低，在实际应用中表现出独特的优势。然而，受限于移相单元的工作带宽和移相特性，传统的机械波束扫描透射阵天线工作带宽很窄（一般在30%以下），当前针对超宽带波束扫描透射阵天线的单元设计缺乏研究。另一方面，大多数透射阵天线的焦径比较高，导致剖面较高，为了降低焦径比且不牺牲带宽，需要增加透射阵单元的移相范围。

发明内容

本发明的目的就是提供一种超宽带大移相范围的透射阵单元。用于解决现有技术中现有透射阵单元的工作带宽窄的问题。

一种超宽带大移相范围的透射阵单元，包括接收天线组件和发射天线组件，以及用于连接所述接收天线组件和发射天线组件的移相器组件；

所述接收天线组件和发射天线组件为两个对称设置的双层紧耦合偶极子天线，所述移相器组件包括移相线模块，所述移相线模块包括依次连接的第一移相线、第二移相线和第三移相线；

所述第一移相线的一端与接收天线组件连接，所述第三移相线的一端与发射天线组件连接，所述第二移相线位于所述接收天线组件的接收金属地板与发射天线组件的发射金属地板之间。

可选的，所述第一移相线、第二移相线和第三移相线均为横边与竖边首尾依次连接的平面蜿蜒折叠结构。

可选的，所述移相器组件还包括沿竖直方向设置的第一介质基板，所述接收天线组件和发射天线组件分别安装在所述第一介质基板的下上两端；

所述第一介质基板下部的两侧壁上均开设有第一安装卡槽，两个所述接收金属地板分别嵌入安装在两侧的第一安装卡槽内，所述第一介质基板上部的两侧壁上均开设有第二安装卡槽，两个所述发射金属地板分别嵌入安装在两侧的第二安装卡槽内，所述接收金属地板和发射金属地板均与所述第一介质基板垂直设置，所述接收金属地板与发射金属地板相互平行。

可选的，所述接收天线组件包括接收介质基板，以及关于所述第一介质基板对称设置的两组接收贴片模块；

所述接收贴片模块包括分别设置在所述接收介质基板上下端面的上层接收贴片和下层接收贴片，所述接收介质基板上开设有若干用于连接所述上层接收贴片和下层接收贴片的第一金属通孔。

可选的，所述发射天线组件包括发射介质基板，以及关于所述第一介质基板对称设置的两组发射贴片模块；

所述发射贴片模块包括分别设置在所述发射介质基板上下端面的上层发射贴片和下层发射贴片，所述发射介质基板上开设有若干用于连接所述上层发射贴片和下层发射贴片的第二金属通孔。

可选的，两组移相线模块分别设置在所述第一介质基板的两侧端面上，两组所述接收贴片模块和两组发射贴片模块分别通过两组移相线模块连接；

所述第一移相线的一端穿过所述接收介质基板与下层接收贴片连接，所述第三移相线的一端穿过所述发射介质基板与上层发射贴片连接。

可选的，所述上层接收贴片和下层发射贴片均为矩形贴片，所述下层接收贴片和上层发射贴片均为矩形倒角贴片。

可选的，透射阵单元的移相值为：

φ

式中，φ

φ

式中，k为中心频率的介质内电磁波的传播常数，N

可选的，所述第一介质基板、接收介质基板和发射介质基板材质均为RogersRO4003C，介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本申请的接收天线组件和发射天线组件采用双层紧耦合偶极子天线，在有限尺寸内大幅度拓展了透射阵单元的工作带宽。移相器组件采用了平行双微带线，并分为三段移相线，由于中间的第二移相线封闭于两个金属地板之间，可以多次增加折叠次数，可以大幅增大移相范围。本申请的超宽带大移相范围透射阵单元可用于低成本低剖面超宽带波束扫描透射阵天线设计。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下。

图1为本发明透射阵单元的结构示意图。

图2为本发明透射阵单元的正视图。

图3为本发明移相器组件的结构示意图。

图4为本发明发射天线组件的俯视图。

图5为本发明接收介质基板的结构示意图。

图6为本发明发射介质基板的结构示意图。

图7为本发明双层紧耦合偶极子天线的等效电路图。

图8为本发明偶极子天线介质基板尺寸变化时的仿真S11曲线图。

图9为本发明偶极子天线贴片与边缘距离变化时的仿真S11曲线图。

图10为本发明偶极子天线端口阻抗变化时的仿真S11曲线图。

图11为本发明双层紧耦合偶极子天线最优尺寸的仿真S11曲线图。

图12为本发明透射阵单元的传输系数随移相器线宽w

图13为本发明透射阵单元传输系数幅度随L

图14为本发明透射阵单元传输系数相位随L

图中：1-接收天线组件；101-接收金属地板；102-接收介质基板；103-上层接收贴片；104-下层接收贴片；105-第一金属通孔；106-第一矩形通孔；2-发射天线组件；201-发射金属地板；202-发射介质基板；203-上层发射贴片；204-下层发射贴片；205-第二金属通孔；206-第二矩形通孔；3-移相器组件；301-第一移相线；302-第二移相线；303-第三移相线；304-第一介质基板；305-第一安装卡槽；306-第二安装卡槽；307-矩形凸台；dy为接收介质基板和发射介质基板的长度；dx为接收介质基板和发射介质基板的宽度；L

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2和图3所示的一种超宽带大移相范围的透射阵单元，包括接收天线组件1和发射天线组件2，以及用于连接所述接收天线组件1和发射天线组件2的移相器组件3；

所述接收天线组件1和发射天线组件2为两个对称设置的双层紧耦合偶极子天线，所述移相器组件3包括移相线模块，所述移相线模块包括依次连接的第一移相线301、第二移相线302和第三移相线303；

所述第一移相线301的一端与接收天线组件1连接，所述第三移相线303的一端与发射天线组件2连接，所述第二移相线302位于所述接收天线组件1的接收金属地板101与发射天线组件2的发射金属地板201之间。

在本实施例中，接收天线组件1接收馈源的入射电磁波，并将其转换为移相线上的电磁信号；同理，发射天线组件2将移相线上的电磁信号变换为自由空间的出射电磁波；移相器组件3负责提供足够的相位偏移。

如图1、图2、图3和图4所示，所述第一移相线301、第二移相线302和第三移相线303均为横边与竖边首尾依次连接的平面蜿蜒折叠结构。

在本实施例中，第一移相线301、第二移相线302和第三移相线303都由蚀刻在第一介质基板304的平行双导线实现，由于第二移相线302封闭在接收金属地板101和发射金属地板201之间，与其他结构互不干扰，因此，第二移相线302的蜿蜒折叠的折叠次数可以无限增加。

在本实施例中，透射阵单元的移相值为：

φ

式中，φ

φ

式中，k为中心频率的介质内电磁波的传播常数，N

如图1、图2和图3所示，所述移相器组件3还包括沿竖直方向设置的第一介质基板304，所述接收天线组件1和发射天线组件2分别安装在所述第一介质基板304的下上两端；

所述第一介质基板304下部的两侧壁上均开设有第一安装卡槽305，两个所述接收金属地板101分别嵌入安装在两侧的第一安装卡槽305内，所述第一介质基板304上部的两侧壁上均开设有第二安装卡槽306，两个所述发射金属地板201分别嵌入安装在两侧的第二安装卡槽306内，所述接收金属地板101和发射金属地板201均与所述第一介质基板304垂直设置，所述接收金属地板101与发射金属地板201相互平行。

如图1、图2、图3、图4和图5所示，所述接收天线组件1包括接收介质基板102，以及关于所述第一介质基板304对称设置的两组接收贴片模块；

所述接收贴片模块包括分别设置在所述接收介质基板102上下端面的上层接收贴片103和下层接收贴片104，所述接收介质基板102上开设有若干用于连接所述上层接收贴片103和下层接收贴片104的第一金属通孔105。

如图1、图2、图3、图4和图6所示，所述发射天线组件2包括发射介质基板202，以及关于所述第一介质基板304对称设置的两组发射贴片模块；

所述发射贴片模块包括分别设置在所述发射介质基板202上下端面的上层发射贴片203和下层发射贴片204，所述发射介质基板202上开设有若干用于连接所述上层发射贴片203和下层发射贴片204的第二金属通孔205。

在本实施例中，接收天线组件1和发射天线组件2偶极子均采用折叠结构设计，即通过第一金属通孔105连接上层接收贴片103和下层接收贴片104，通过第二金属通孔205连接上层发射贴片203和下层发射贴片204，延长了电流的路径长度，在有限尺寸内降低了工作频率。

在本实施例中，接收天线组件1和发射天线组件2尺寸相同并对称设置，两个对称设置的双层紧耦合偶极子天线需要在周期边界下设计，因此确定合适的周期尺寸非常重要；在本实施中，接收介质基板102和发射介质基板202的长度dy设计大，目的是为后续的移相器组件3的设计留出空间，接收介质基板102和发射介质基板202的宽度dx设计小，目的是提高斜入射性能。

如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，两组移相线模块分别设置在所述第一介质基板304的两侧端面上，两组所述接收贴片模块和两组发射贴片模块分别通过两组移相线模块连接；

定义上层接收贴片103、下层接收贴片104、上层发射贴片203和下层发射贴片204靠近第一介质基板304的一侧为前侧，所述第一移相线301的一端穿过所述接收介质基板102与下层接收贴片104前侧连接，所述第三移相线303的一端穿过所述发射介质基板202与上层发射贴片203前侧连接。

在本实施例中，第一介质基板304的上下侧壁上均设置有矩形凸台307，接收介质基板102和发射介质基板202中部分别开设有第一矩形通孔106和第二矩形通孔206，安装时，将两侧的矩形凸台307分别插入第一矩形通孔106和第二矩形通孔206中，实现第一介质基板304与接收介质基板102和发射介质基板202的安装。

在本实施例中，所述第一介质基板304、接收介质基板102和发射介质基板202材质均为Rogers RO4003C，介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027。

在本实施例中，接收介质基板102与接收金属地板101以及发射介质基板202和发射金属地板201之间的距离均为h

如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，所述上层接收贴片103和下层发射贴片204均为矩形贴片，所述下层接收贴片104和上层发射贴片203均为矩形倒角贴片。

在本实施例中，下层接收贴片104和上层发射贴片203的矩形贴片前侧两端均设置有倒角，形成由前侧梯形和后侧矩形构成的矩形倒角贴片，下层接收贴片104的梯形部分用于实现下层接收贴片104与第一移相线301一端端口的过渡和匹配，上层发射贴片203的梯形部分用于实现上层发射贴片203与第三移相线303一端端口的过渡和匹配，矩形倒角贴片的矩形部分用于调节天线的工作频率和带宽。

在本实施例中，上层接收贴片103和下层接收贴片104后侧与接收介质基板102侧壁的间距以及上层发射贴片203和下层发射贴片204后侧与发射介质基板202侧壁的间距相同，均为fL。

对上述的透射阵单元进行仿真：

S1：所述接收天线组件1和发射天线组件2的双层紧耦合偶极子天线的等效电路如图7所述，图7中端口2和传输线1代表自由空间，阻抗均为377Ω；传输线2代表距离h

接收天线组件1的两个下层接收贴片104或发射天线组件2的两个上层发射贴片203等效为电感L

如图8所示，双层紧耦合偶极子天线有两个谐振点，当接收介质基板102和发射介质基板202的长度dy从16mm变化到20mm时，高频谐振点逐渐变低；因此，长度dy影响双层紧耦合偶极子天线的高频谐振点。

如图9所示，固定长度dy不变，当距离fL从0.2mm增大到0.6mm时，即双层紧耦合偶极子天线矩形倒角贴片的矩形部分长度dL从4.75减小到4.35，双层紧耦合偶极子天线的低频谐振点变高。因此，长度dL影响低频谐振点。

如图10所示，将双层紧耦合偶极子天线的端口阻抗值port从50欧姆变化到150欧姆时，双层紧耦合偶极子天线的带宽和反射系数变化较大。因此双层紧耦合偶极子天线的最佳端口阻抗是100Ω，经过多轮迭代优化，偶极子天线的最佳尺寸为：dy=16mm，dx=12mm，fL=0.4mm。如图11所示，在最佳尺寸下，偶极子天线在3.8GHz~13.7GHz相对带宽113%的频率范围内S11低于-10dB。

S2：为了确定移相器的线宽w

由透射阵单元的移相值φ

如图13所示，在4.68GHz~13.58 GHz相对带宽97.5%的频率范围内，对于不同长度L

如图14所示，在中心频率9GHz，透射阵单元的移相范围达到1051°，在4.68 GHz~13.58 GHz的频率范围内，透射阵单元可实现线性相移特性。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。