【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无线通信，尤其应用于5g毫米波通信系统。涉及一种双频双圆极化透射阵列单元、天线及其设计方法。
技术介绍
1、目前，随着无线通信技术的发展，5g毫米波通信系统向着小型化、高频率、大数据传输、多用户通信的趋势发展，双频圆极化天线由于其优秀的方向性，能够在特定的方向上实现更好的信号传输和接收，减少信号的泄露和干扰，使得系统对天线的方位敏感性降低。并且，由于5g毫米波通信系统同时工作在两个频段，并且工作频比较大，例如28ghz/39ghz，相比单独使用两个天线，双频圆极化天线节省了系统占用空间和系统设计的复杂度，使得它的适用性、实用性强，被广泛应用于各类通信基站或者终端等等系统。同时，5g毫米波通信系统因为使用毫米波进行通信，而毫米波信号容易受到障碍物的影响，造成点对点通信质量的降低。透射阵天线可以实现波束赋形，将信号聚集在特定的方向，从而在指定方位提高信号的质量，可以用于解决点对点通信信号质量差的问题。并且，透射阵天线还可以在不同方向上创造多个波束，同时给不同用户传输数据，因此十分适用于5g毫米波通信系统。透射阵还有制作简单、无需复杂的馈电网络、避免馈源天线遮挡等优点，因而近年来备受关注。
2、透射阵天线由馈源和透射阵面组成，其工作原理是将从馈源辐射出的球面波通过相位调节的方式转换成平面波，进而实现指定方向的高增益笔尖波束。相位调节的核心是通过控制每个透射阵单元的透射相位来补偿馈源和透射阵面之间的不同路径长度。理想的情况下，需要实现阵面上每个单元在0°-360°之间的连续相位补偿。然而，实现连续的360°相位
3、2021年redamadi，antonio clemente，ronan sauleau三位学者，提出了一种应用于ka波段卫星通信的双频段双线极化透射阵天线，该天线采用堆叠结构，将高频单元和低频单元上下堆叠，并且正交放置。通过旋转发射单元，得到了1bit的相位移动。经过测量在19.8ghz时，峰值增益为27.1dbi，对应的孔径效率为25.1％。在上行频段中，在28.3ghz时，最大增益为29.9dbi，孔径效率为20.1％。该天线单元，实现了正交的双线极化，但相位移动范围小，天线的副瓣电平会比较高，口径效率低，不适用于需要低副瓣和需要抗干扰能力强的应用环境。
4、2022年，jun hu及hang wong等学者提出了毫米波频段的线极化馈电的多波束圆极化透射阵天线。单元采用接收-发射的结构形式，其中，接收单元和发射单元的结构分别为线极化和圆极化的磁电偶极子，中间层采用基片集成波导结构，接收单元通过口径耦合结构经过基片集成波导实现和发射单元实现能量传输。通过将圆极化单元旋转360°，实现了360°的透射相移。测试结果表明，该天线在20-33ghz的频率范围内，在27ghz处达到峰值增益21.5dbic，此时天线效率为24.8％，同时实现了33.3％(23-32ghz)的3db增益带宽和40.7％(22-33ghz)的3db轴比带宽，实现了±33°内的波束扫描，波束扫描损失为2db。此天线采用了基片集成波导结构，使得天线单元结构复杂，加工难度、加工成本高。
5、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
6、(1)现有的双频带圆极化透射阵天线需要设计高低频单元，各自工作在高低频段，两种单元需要正交排布，单元间距较大，造成天线某一频段口径效率低，通常只有20％左右。
7、(2)现有的透射阵天线，通常需要设计两种结构不同的单元，或者在接收单元和发射单元之间增加一层相位延迟线结构，通过改变相位延迟线的结构来实现。但这种设计会造成透射阵天线的高剖面，且增加了设计的复杂程度。
8、(3)现有的双频双圆极化透射阵天线，频比多数为12ghz/14ghz这样的小频比。不适合5g毫米波通信的28ghz/39ghz这种大频比应用场景；
9、(4)现有的部分透射阵采用同一单元实现双频段工作，但是不能对双频实现超过1bit的相位补偿，造成口径效率较低，两个频段都在20％左右。
10、(5)现有的双频带圆极化透射阵天线主要使用折叠天线的方式实现，结构复杂，成本高，加工难度大，装配复杂。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种双频双圆极化透射阵列单元、天线及其设计方法。同时，本专利技术还提供了一种适用于双频双圆极化透射阵列天线相位补偿的策略。
2、首先，本专利技术是这样实现的：针对双频双圆极化透射阵列单元，所述双频双圆极化透射阵列单元包括发射天线以及接收天线，发射天线以及接收天线之间贯穿有金属盲孔；天线单元通过改变接收天线辐射结构的尺寸以及旋转发射天线的方式，实现相位移动。针对双频双圆极化透射阵天线，首先按接收天线工作频段的中心频点需要的阵面相位分布为基础，确定天线单元的排布以及接收天线的尺寸。通过计算高频段与低频段的阵面相位分布，与中心频点阵面相位分布做差，得到发射天线需要旋转的角度，按照这些角度，对应的旋转每一个单元的发射天线，从而确定最终的双频双圆极化透射阵天线的完整结构。
3、发射天线由第一金属层、第一介质层、第一粘结层、第二金属层、第二介质层、第三金属层组成；接收天线由第四金属层、第三介质层、第二粘结层、第三金属层组成；发射天线和接收天线共用第三金属层作为地板，接收天线的辐射结构位于第三介质层的底部，由第四金属层组成；第二金属层至第四金属层的中心贯穿有金属盲孔；金属盲孔的尺寸和位置是为了最小化接收和发射天线之间的干扰而特别设计的。
4、进一步，所述发射天线包括由上至下依次设置的第一金属层、第一介质层、第一粘接层、第二金属层以及第二介质层；发射天线的辐射结构位于第一介质层的顶部和第二介质层的顶部，由第一金属层和第二金属层组成。
5、进一步，所述接收天线包括由上至下依次设置的第三金属层，第二粘接层，第三介质层，第四金属层；接收天线的辐射结构位于第三介质层的底部，由第四金属层组成；第四金属层是开u形槽的矩形贴片，通过u形开槽，展宽了单元的阻抗带宽，同时在u形槽的两个角处做切角处理，使得传输幅度的损耗更低。
6、进一步，所述第一金属层是一个矩形贴片，中间开圆形孔，且矩形的一组对角进行切角处理，未切角的一组对角，将角变成短枝节，并且贴片绕z轴旋转45°；第二金属层是一个矩形贴片，中间开半环形槽，未切断部分朝向x轴正向，并且一组对角做切角处理；在贴片未切断部分的中点处，连接一条短枝节，中点关于y轴对称的点处，连接一条短枝节；第一金属层和第二金属层的具体几何形状和尺寸是为了优化高频段和低频段的天线轴比性能而设计的；通过计算和旋转发射天线的角度，确保了高频段和低频段的阵面相位分布与中心频点的阵面相位分布的差异最小。
7、本专利技术的另一目的在于提供一种基本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种双频双圆极化透射阵列单元，其特征在于，包括发射天线以及接收天线，发射天线以及接收天线之间贯穿有金属盲孔；天线单元通过改变接收天线辐射结构的尺寸以及旋转发射天线的方式，进行相位移动；针对双频双圆极化透射阵天线，首先按接收天线工作频段的中心频点需要的阵面相位分布为基础，确定天线单元的排布以及接收天线的尺寸；通过计算高频段与低频段的阵面相位分布，与中心频点阵面相位分布做差，得到发射天线需要旋转的角度，按照这些角度，对应的旋转每一个单元的发射天线，从而确定最终的双频双圆极化透射阵天线。
2.如权利要求1所述的双频双圆极化透射阵列单元，其特征在于，所述双频双圆极化透射阵列单元的发射天线以及接收天线之间贯穿有金属盲孔；
3.如权利要求1所述的双频双圆极化透射阵列单元，其特征在于，所述发射天线包括由上至下依次设置的第一金属层、第一介质层、第一粘接层、第二金属层以及第二介质层；发射天线的辐射结构位于第一介质层的顶部和第二介质层的顶部，由第一金属层和第二金属层组成。
4.如权利要求1所述的双频双圆极化透射阵列单元，其特征在于，所述接收天线包括由上至下依次
5.如权利要求2所述的双频双圆极化透射阵列单元，其特征在于，所述第一金属层是一个矩形贴片，中间开圆形孔，且矩形的一组对角进行切角处理，未切角的一组对角，将角变成短枝节，并且矩形贴片绕Z轴旋转45°；第二金属层是一个矩形贴片，中间开半环形槽，未切断部分朝向X轴正向，并且一组对角做切角处理；在贴片未切断部分的中点处，连接一条短枝节，中点关于Y轴对称的点处，连接一条短枝节。
6.一种基于权利要求1～5任意一项所述的双频双圆极化透射阵列单元的天线，其特征在于，所述天线包括线极化馈源以及双频双圆极化透射阵列单元，线极化馈源位于双频双圆极化透射阵列单元中心的上方，双频双圆极化透射阵列天线由N×N个双频双圆极化透射阵列单元构成，N≥2且为整数。
7.如权利要求6所述的天线，其特征在于，所述线极化馈源采用宽带的波纹喇叭天线，线极化馈源的辐射方向朝向双频双圆极化透射阵列天线。
8.一种如权利要求6所述天线的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：
9.如权利要求7所述的设计方法，其特征在于，所述双频双圆极化透射阵列单元的接收天线有状态A和状态B两种状态，状态A是第四金属层偏向y轴负向，状态B是指将状态A的第四金属层旋转180°后偏向y轴正向；在相位补偿时需要依据单元的状态和补偿的策略，当波束指向阵面法相时，阵面上每个单元需要的相位补偿Φ(xi,yi)由公式(1)计算得到：
10.如权利要求9所述的设计方法，其特征在于，通过改变接收天线的U形状槽的尺寸，调整f0处阵面的相位，再按照计算出来的ΔΦ1和ΔΦ2旋转发射天线，使得阵面同时满足Φ1和Φ2的相位分布。
...【技术特征摘要】
1.一种双频双圆极化透射阵列单元，其特征在于，包括发射天线以及接收天线，发射天线以及接收天线之间贯穿有金属盲孔；天线单元通过改变接收天线辐射结构的尺寸以及旋转发射天线的方式，进行相位移动；针对双频双圆极化透射阵天线，首先按接收天线工作频段的中心频点需要的阵面相位分布为基础，确定天线单元的排布以及接收天线的尺寸；通过计算高频段与低频段的阵面相位分布，与中心频点阵面相位分布做差，得到发射天线需要旋转的角度，按照这些角度，对应的旋转每一个单元的发射天线，从而确定最终的双频双圆极化透射阵天线。
2.如权利要求1所述的双频双圆极化透射阵列单元，其特征在于，所述双频双圆极化透射阵列单元的发射天线以及接收天线之间贯穿有金属盲孔；
3.如权利要求1所述的双频双圆极化透射阵列单元，其特征在于，所述发射天线包括由上至下依次设置的第一金属层、第一介质层、第一粘接层、第二金属层以及第二介质层；发射天线的辐射结构位于第一介质层的顶部和第二介质层的顶部，由第一金属层和第二金属层组成。
4.如权利要求1所述的双频双圆极化透射阵列单元，其特征在于，所述接收天线包括由上至下依次设置的第三金属层，第二粘接层，第三介质层，第四金属层；接收天线的辐射结构位于第三介质层的底部，由第四金属层组成；第四金属层是开u形槽的矩形贴片，通过u形开槽，展宽了单元的阻抗带宽，同时在u形槽的两个角处做切角处理。
5.如权利要求2所述的双频双圆极化透射阵列单元，其特征在于，所述第一金属层是一个矩形贴片，中间开圆形孔...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨博翔，刘东超，陈华，张天龄，
申请(专利权)人：苏州欣天盛科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。