毫米波宽波束DRA、宽角波束扫描相控阵及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种毫米波宽波束DRA、宽角波束扫描相控阵及其设计方法，所述DRA由DR和位于DR正下方的微带耦合缝隙组成，本发明专利技术通过设置缝隙、DR的尺寸使不可激励的DRA TE

【技术实现步骤摘要】
毫米波宽波束DRA、宽角波束扫描相控阵及其设计方法


[0001]本专利技术涉及毫米波无线通信领域，尤其涉及一种毫米波宽波束DRA、宽角波束扫描相控阵及其设计方法。

技术介绍

[0002]在毫米波无线通信系统中，电磁波的传输损耗是严重的，它将极大地限制信号的传输距离。为解决这一问题，带有宽角波束扫描功能的高增益相控阵作为一种有效的解决方案被提出。因此，具有简单结构、小尺寸和宽波束宽度的毫米波天线单元被极度渴望。
[0003]与微带天线和偶极天线等金属天线相比，介质谐振器天线(dielectric resonator antenna，简称DRA)由于不存在导体损耗，因而具有更高的辐射效率。此外，由于DRA三维的结构和丰富的工作模式，它具有更高的设计自由度，因此越来越引起人们对其应用在天线领域的兴趣。同时，已经有很多有效的方法被提出来展宽DRA的波束宽度。例如，基于互补天线的概念，有方案中的宽波束DRA被设计通过叠加由DRA模式实现的磁偶极子和由小地平面或单极子实现的电偶极子的辐射场，并且它们在E面和H面都实现了超过120
°
的宽的半功率波束宽度(HPBW)。通过精心选择具有互补方向图的DRA模式，包括高阶模式(HOM)，以产生约200
°
的宽波束，但代价是使用相对复杂的DRA结构，如阶梯形DRA和弧形DRA。尽管有方案中结合了基模和相邻HOM的宽波束DRA具有简单的结构，但其辐射性能在很大程度上取决于地板的大小，从而限制了其应用。因此，目前大多数DRA由于其大的占地面积、不规则的结构或特定的地板而不适用于构建宽角波束扫描相控阵。
[0004]幸运的是，基于寄生加载技术的宽波束DRA单元已经被提出，它们实现了性能优异的宽角波束扫描相控阵。具体而言，有方案通过加载金属环和电介质板，DRA单元实现了E面172
°
和H面149
°
的宽波束宽度，九单元H面线性相控阵可以从
‑
72
°
扫描至+72
°
，增益波动为0.9dB，然而，这种寄生加载策略迫使在原始DRA中引入了额外的结构，从而不希望地增加了天线单元和阵列的复杂性。此外，常见的方向图可重构技术也成功地用于DRA相控阵的设计中，通过控制由两个不同端口激发的TE模式和TM模式之间的相位差，该DRA用两个倾角为
±
66
°
的波束重构了其E面方向图，基于这种相位控制的方向图可重构DRA单元，构建了无源的四单元相控阵，其波束扫描范围为
±
81
°
，然而，这个四单元阵列包括了八个输入端口和四个额外的移相器。其他类似方案尽管由方向图可重构的DRA单元构建的相控阵也可以实现好的宽角波束扫描性能，但需要额外的有源控制电路来控制波束指向，这使得整个天线系统变得复杂，尤其是对于大规模的毫米波相控阵来说。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述实现宽角波束扫描相控阵存在的占地面积大或者结构复杂的缺陷，提供一种不需要任何寄生结构和额外有源控制电路且具有紧凑尺寸和宽波束的毫米波宽波束DRA、宽角波束扫描相控阵及其设计方法。
[0006]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0007]一方面，构造1、一种毫米波宽波束DRA的设计方法，其特征在于，所述DRA由DR和位于DR正下方的微带耦合缝隙组成，所述方法包括：
[0008]DR初始尺寸设计步骤：以TE
112
模式的谐振频率靠近给定的工作频率f0为目标，确定DR的初始尺寸；
[0009]缝隙初始尺寸设计步骤：以缝隙模式的谐振频率靠近给定的工作频率f0为目标，确定缝隙的初始尺寸；
[0010]尺寸调节步骤：以TE
112
模式的谐振频率靠近缝隙模式的谐振频率为目标，调节缝隙的尺寸或/和DR的尺寸以实现宽波束特性。
[0011]进一步地，在本专利技术所述的毫米波宽波束DRA的设计方法中，所述DR初始尺寸设计步骤具体包括：设计一个断面为方形的DR，DR的初始边长a和高度h均设置为0.27λ0，其中λ0表示f0处电磁波在真空中的波长。
[0012]进一步地，在本专利技术所述的毫米波宽波束DRA的设计方法中，所述缝隙初始尺寸设计步骤具体包括：在介质基板的顶部地板上设计一个位于所述DR正下方的缝隙，缝隙的长度的初始尺寸被设置为l
s
＝0.5λ
g1
，缝隙的宽度的初始尺寸被设置为w
s
＝0.05λ
g1
，其中λ
g1
表示f0处电磁波在DR中的波长。
[0013]进一步地，在本专利技术所述的毫米波宽波束DRA的设计方法中，所述尺寸调节步骤具体包括：观察DR内场在工作频率f0处的分布是否呈现出类似于TE
112
模式的环形场，越接近环形场则判定TE
112
模式的谐振频率越靠近缝隙模式的谐振频率。
[0014]进一步地，在本专利技术所述的毫米波宽波束DRA的设计方法中，所述方法还包括：在介质基板的底部设计阶梯型的微带线；
[0015]所述尺寸调节步骤还包括：调节微带线的尺寸以实现阻抗匹配。
[0016]二方面，构造一种毫米波宽波束DRA，基于前述方法设计得到。
[0017]三方面，构造一种宽角波束扫描相控阵的设计方法，包括：
[0018]基于权利要求1
‑
6任一项所述方法设计得到DRA，将多个设计得到的DRA按照预设间隔距离呈一字型等间距排开形成线性相控阵；
[0019]以TE
112
模式的谐振频率靠近缝隙模式的谐振频率为目标，对DRA的间隔、DR尺寸、缝隙尺寸进行微调以实现宽角波束扫描特性。
[0020]进一步地，在本专利技术所述的宽角波束扫描相控阵的设计方法中，预设间隔距离是0.47λ0，λ0表示f0处电磁波在真空中的波长。
[0021]进一步地，在本专利技术所述的宽角波束扫描相控阵的设计方法中，所述线性相控阵具体为H面相控阵，所述缝隙的长度方向平行于多个DRA的排布方向，微带线整体呈“I”字形垂直于所述缝隙，所述微带线自介质基板的与所述缝隙平行的侧边以宽度w1沿所述缝隙的中垂线的投影延伸长度l1之后宽度缩小到w2，并以宽度w2沿原来的延伸方向继续延伸至越过微带线的长度为l2；
[0022]或者所述线性相控阵具体为E面相控阵，所述缝隙的长度方向垂直于多个DRA的排布方向，微带线整体呈“7”字形，所述微带线自介质基板的与所述缝隙垂直的侧边偏离所述缝隙的位置以宽度w1沿与所述缝隙的长度方向平行的方向延伸长度l1之后宽度缩小到w2，并以宽度w2沿沿原来的延伸方向继续延伸至所述缝隙的中垂线的投影位置后转向90
°
沿所述缝隙的中垂线的投影延伸至越过微带线的长度为l2。
[0023]四方面，构造一种宽角波束扫描相控阵，基于前述方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种毫米波宽波束DRA的设计方法，其特征在于，所述DRA由DR和位于DR正下方的微带耦合缝隙组成，所述方法包括：DR初始尺寸设计步骤：以TE
112
模式的谐振频率靠近给定的工作频率f0为目标，确定DR的初始尺寸；缝隙初始尺寸设计步骤：以缝隙模式的谐振频率靠近给定的工作频率f0为目标，确定缝隙的初始尺寸；尺寸调节步骤：以TE
112
模式的谐振频率靠近缝隙模式的谐振频率为目标，调节缝隙的尺寸或/和DR的尺寸以实现宽波束特性。2.根据权利要求1所述的毫米波宽波束DRA的设计方法，其特征在于，所述DR初始尺寸设计步骤具体包括：设计一个断面为方形的DR，DR的初始边长a和高度h均设置为0.27λ0，其中λ0表示f0处电磁波在真空中的波长。3.根据权利要求1所述的毫米波宽波束DRA的设计方法，其特征在于，所述缝隙初始尺寸设计步骤具体包括：在介质基板的顶部地板上设计一个位于所述DR正下方的缝隙，缝隙的长度的初始尺寸被设置为l
s
＝0.5λ
g1
，缝隙的宽度的初始尺寸被设置为w
s
＝0.05λ
g1
，其中λ
g1
表示f0处电磁波在DR中的波长。4.根据权利要求1所述的毫米波宽波束DRA的设计方法，其特征在于，所述尺寸调节步骤具体包括：观察DR内场在工作频率f0处的分布是否呈现出类似于TE
112
模式的环形场，越接近环形场则判定TE
112
模式的谐振频率越靠近缝隙模式的谐振频率。5.根据权利要求3所述的毫米波宽波束DRA的设计方法，其特征在于，所述方法还包括：在介质基板的底部设计阶梯型的微带线；所...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘咏梅，肖志明，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：