基于单元波束异构的毫米波宽角扫描相控阵天线制造技术

本发明专利技术提供的非倾斜波束平面口径列阵元，包括上层基板，上层基板上设置有辐射结构，辐射结构包括金属背腔、拓扑结构金属贴片、第一寄生贴片和调谐缝隙；金属地板，所述金属地板位于上层基板的底面，所述金属地板上开设有耦合缝隙；中层基板，中层基板位于金属地板下方；以及底层基板，所述底层基板的底面上设置有与所述耦合缝隙组成馈电结构的微带线，且所述微带线上靠近耦合缝隙的一侧设置有调谐枝节。还提供有倾斜波束平面口径列阵元以及由非倾斜波束平面口径列阵元和倾斜波束平面口径列阵元组成相控阵天线。通过引入具有不同方向图的单元，组成阵列，使各个阵元具有不同方向图，为相控阵提供更大的设计自由度，从而实现更优异的扫描性能。的扫描性能。的扫描性能。

【技术实现步骤摘要】
基于单元波束异构的毫米波宽角扫描相控阵天线


[0001]本专利技术属于雷达及通信领域，涉及一种具备宽角扫描能力的相控阵天线，尤其涉及基于单元波束异构的毫米波宽角扫描相控阵天线。

技术介绍

[0002]5G技术的快速发展，使得毫米波相控阵天线备受关注。为克服毫米波频段的超高路径损耗问题以及实现空间全覆盖，5G毫米波频段主要采用大规模MIMO以及波束赋形技术。其中，宽角扫描相控阵天线是波束赋形的关键，其性能的好坏对于毫米波系统而言至关重要。
[0003]现有宽角扫描相控阵技术的研究，大部分采用了展宽阵元波束、提高阵元间隔离度、方向图可重构技术等方式来实现。Ji Y等在《Reconfigurable Phased
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Array Antenna Using Continuously Tunable Substrate Integrated Waveguide Phase Shifter[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2019,67(11):6894
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6908》中提出了一种可重构相控阵天线，其中包含连续可调的SIW移相器。通过采用多谐振孔耦合方案，天线单元实现了宽带特性和理想的辐射性能。SIW移相器设计为易于与天线集成，可提供较大的相位变化范围。最终，天线单元组成1
×
4的阵列后，可实现的阻抗带宽为16.1％，波束扫描角度最大可达
±
45
°
，SLL低于
>‑
12dB，增益高达11dBi。当扫描角度最大时，相比于天线增益最大辐射方向，增益扫描下降4dB，性能较为优良。尽管该方案中的移相器具有较好的性能，但是天线阵列扫描角度过小，且大角度扫描时增益下降严重，无法满足更宽角度的扫描需求。Zhao Z等在《Microstrip Phased Array Antenna With Small Element Space for 5G Millimeter
‑
Wave Applications[C].2020IEEE 3rd International Conference on Electronic Information and Communication Technology(ICEICT).IEEE,2020》中提出了一种紧凑型双层广角扫描1
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4微带贴片阵列，工作频率为28GHz。贴片周围加载了带容性金属化过孔，以减小天线单元的尺寸，并起到了展宽波束宽度的作用。阵元间距仅为0.34λ0(@28GHz)，U形去耦结构被引入到相邻的之间天线单元间以减少相互耦合。最终实现天线主波束可以在27.55
‑
28.59GHz的频带内从
‑
50
°
到+50
°
进行扫描，增益波动小于3dB，适用于广角扫描应用。但该方案虽然实现了较宽的扫描角度及较好的增益平坦度，但其天线带宽过窄，无法满足毫米波宽带的应用需求。
[0004]在现有方案中，大多相控阵扫描天线都基于相同的单元以及馈电进行设计，阵列的设计自由度低且实现的天线扫描角度都较窄，无法满足宽角扫描应用。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中相控阵扫描天线由于单元相同而导致相控阵的设计自由度受限，扫描波束范围受限等问题，本专利技术提供基于单元波束异构的毫米波宽角扫描相控阵天线。
[0006]本专利技术提供的基于单元波束异构的毫米波宽角扫描相控阵天线，包括多个具有不
同方向图的列阵元，其中，通过对列阵元的波束的倾角进行调节以获得不同方向图。
[0007]进一步地，多个所述列阵元中包括至少一个非倾斜波束平面口径列阵元和至少一个倾斜波束平面口径列阵元，所述非倾斜波束平面口径列阵元的波束不倾斜，所述倾斜波束平面口径列阵元的波束具有倾角。
[0008]进一步地，所述非倾斜波束平面口径列阵元，包括：
[0009]上层基板，所述上层基板上设置有辐射结构，所述辐射结构包括金属背腔、拓扑结构金属贴片、第一寄生贴片和调谐缝隙，所述金属背腔包括金属条带和接地的金属化过孔，所述拓扑结构金属贴片包括多个依次相连的金属贴片，调谐缝隙开设在上层基板上；
[0010]金属地板，所述金属地板位于上层基板的底面，所述金属地板上开设有耦合缝隙；
[0011]中层基板，所述中层基板位于金属地板下方；以及
[0012]底层基板，所述底层基板的底面上设置有与所述耦合缝隙组成馈电结构的微带线，且所述微带线上靠近耦合缝隙的一侧设置有调谐枝节；
[0013]其中，所述倾斜波束平面口径列阵元的结构是在所述非倾斜波束平面口径列阵结构的基础上，还包括附加口径辐射结构，所述附加口径辐射结构包括多个第二寄生贴片，设置在所述上层基板长度方向上的任意一侧，且通过改变第二寄生贴片的尺寸及个数来调节波束倾斜的大小。
[0014]进一步地，调谐缝隙开设在上层基板上且位于拓扑结构金属贴片内。
[0015]进一步地，微带线的接口处设置有焊盘。
[0016]进一步地，多个第二寄生贴片用于控制口径场分布，产生相位滞后。
[0017]进一步地，当附加口径辐射结构位于所述上层基板长度方向上的其中一侧时，波束向左倾斜，当附加口径辐射结构位于所述上层基板长度方向上的另外一侧时，波束向右倾斜。
[0018]进一步地，每个所述列阵元均为由微带缝隙耦合馈电的微带贴片天线，其中，通过对某至少一个微带贴片天线上的贴片进行折叠以得到倾斜的口径面。
[0019]进一步地，将所述列阵元倾斜以得到倾斜的口径面，所述倾斜的角度可调。
[0020]进一步地，每个所述列阵元为由同轴中心馈电的基片集成波导缝隙阵。与现有技术相比，本专利技术能够实现的有益效果至少如下：
[0021]1、本专利技术提出了一种新的扫描相控阵，通过引入具有不同方向图的单元，组成阵列，即“异构相控阵”。为得到不同的列阵元方向图，本专利技术采用基于多个具有不同波束倾角的列阵元类型组成相控阵。在此基础上，基于电磁场叠加原理研究了宽角扫描异构相控阵方向图优化综合方法，通过优化列阵元激励幅度相位，利用各列阵元方向图不同带来的自由度，实现波束扫描性能地进一步提升。
[0022]2、在横向平面上，平面口径列阵元的波束可根据需要可被设计成具有不同倾角。本专利技术采用了行波激励辐射方案，以正色散模式传播的行波沿传播方向会产生相位滞后，如果行波在传播过程中辐射，那么辐射波束就会朝向行波的传播方向。根据这一原理，通过在基本的平面口径列阵元结构上横向口径上引入梯度相位分布，在列阵元一侧增加“附加口径辐射结构”，让表面波行波由列阵元“流向”附加口径辐射结构并同时辐射，就可实现产生倾角可控波束。
附图说明
[0023]图1是本专利技术实施例提供的列阵元异构示意图，其中，图(a)是列阵元结构异构的示意图，图(b)是列阵元布局异构的示意图，图(c)是本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于单元波束异构的毫米波宽角扫描相控阵天线，其特征在于，包括多个具有不同方向图的列阵元，其中，通过对列阵元的波束的倾角进行调节以获得不同方向图。2.根据权利要求1所述的基于单元波束异构的毫米波宽角扫描相控阵天线，其特征在于，多个所述列阵元中包括至少一个非倾斜波束平面口径列阵元和至少一个倾斜波束平面口径列阵元，所述非倾斜波束平面口径列阵元的波束不倾斜，所述倾斜波束平面口径列阵元的波束具有倾角。3.根据权利要求2所述的基于单元波束异构的毫米波宽角扫描相控阵天线，其特征在于，所述非倾斜波束平面口径列阵元，包括：上层基板(1)，所述上层基板(1)上设置有辐射结构，所述辐射结构包括金属背腔(2)、拓扑结构金属贴片(3)、第一寄生贴片(12)和调谐缝隙(4)，所述金属背腔(2)包括金属条带和接地的金属化过孔，所述拓扑结构金属贴片(3)包括多个依次相连的金属贴片，调谐缝隙(4)开设在上层基板(1)上；金属地板(5)，所述金属地板(5)位于上层基板(1)的底面，所述金属地板(5)上开设有耦合缝隙(6)；中层基板(7)，所述中层基板(7)位于金属地板(5)下方；以及底层基板(8)，所述底层基板(8)的底面上设置有与所述耦合缝隙(6)组成馈电结构的微带线(9)，且所述微带线(9)上靠近耦合缝隙(6)的一侧设置有调谐枝节(10)；其中，所述倾斜波束平面口径列阵元的结构是在所述非倾斜波束平面口径列阵结构的基础上，还包括附加口径辐射结构，所述附加口径辐射结构包括多个第二寄生贴片(...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛泉，肖瑾，廖绍伟，车文荃，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：