一种基于多模式的一维宽角度扫描相控阵天线

1.本发明属于微波天线领域，具体涉及一种基于多模式的一维宽角度扫描相控阵天线。


背景技术：

2.大角度平面相控阵天线可以在多个方向上发射和接收电磁波，可以快速扫描其覆盖范围内的任何目标，并且可以实现高精度、远距离通信。因此，研究平面相控阵天线的大角度扫描特性对于军用雷达系统和民用无线通信系统都有很好的应用前景，并且具有重要而深远的意义。传统的相控阵天线通常只能扫描固定的范围，其扫描角度一般在
±
50
°
左右，并且其成本相对较高，而大角度相控阵天线则可以覆盖更广泛的区域且具有更低的成本。
3.根据天线阵列方向图乘积定理可知，天线单元的辐射特性对阵列的辐射特性有着决定性的影响。为了实现阵列的大角度扫描，可以选取辐射覆盖范围大的单元。例如在“dual-polarized wide-angle scanning phased array based on mutimode patch elements (guo-feng gao, xiao ding, you-feng cheng and wei shao. ieee antennas and wireless propagation letters, 2019, 18(3) : 546-550)”中，提出了一种新型的多模贴片单元，它通过激励槽蚀矩形贴片的tm
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/tm
01
模式和圆形贴片的tm
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模式，使不同贴片产生不同的模式方向图，并相互补充，进一步扩大了天线单元方向图的波束宽度，并且最终实测结果显示其组成的阵列在增益下降4.5db的范围内具有
±
64
°
的扫描能力。但是其需要激励两种不同的贴片才能构建联合宽波束单元，单元结构设计相对复杂。


技术实现要素：

4.本发明基于以上技术背景提出了一种基于多模式的一维宽角度扫描相控阵天线，该天线只需要激励一种贴片就能够产生两种模式，使得两种模式相互补充就能够实现较宽的波束宽度。同时，该天线还具有体积小，结构简单，成本低的优势，对现存通信系统的兼容及未来系统的紧凑化发展具有重要价值。
5.围绕所要解决的技术问题，本发明采取的技术方案是：
6.一种基于多模式的一维宽角度扫描相控阵天线，包括多个相同的天线单元，这些单元将会按照相同的间距排列成一维线阵；每个单元包括金属贴片部分、介质基板、四周的金属过孔、馈电部分及金属地板，其特征在于：金属贴片包含中间金属贴片和方环金属贴片两部分；馈电部分采用同轴馈电的方式，由smp接头和金属探针两部分组成；所述介质基板上方覆有尺寸相同的金属贴片单元，下方为蚀刻圆孔的金属地板。
7.进一步地，所述介质基板材料通常为低损耗的高频板材，数量无限制。
8.进一步地，所述的金属过孔以间隔为0.6mm的距离排布在金属贴片四周，且位于方环金属贴片的中心的金属过孔穿过介质基板连接金属地板与方环贴片。
9.进一步地，所述金属探针穿过介质基板，上方连接中间金属辐射贴片，下方穿过金
属地板蚀刻的圆孔，并与smp接头的内部探针焊接在一起，使得电流通过接头传向金属辐射贴片。
10.进一步地，在电流流经中间金属贴片时，根据所设计的结构，能够同时激励tm
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/tm
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和tm
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两种模式，使这两种模式相互补充，就能够拓宽单元的波束宽度。
11.进一步地，所述的天线单元按照相同的间距沿x轴或y轴进行排列，同时为了减小天线间的互相影响和干扰，单元间距约为半个波长。
12.相比于现有技术，本发明的有益效果：
13.1.本发明提出了一种基于多模式的一维宽角度扫描相控阵天线，具有体积小、重量轻、结构简单紧凑等优点。
14.2.本发明通过同轴馈电的方式激励一种金属贴片，即可产生tm
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/tm
10
和tm
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两种模式，使其方向图相互补充，进而有效的拓宽了扫描角度。
附图说明
15.图1本发明实施例中阵列天线俯视图。
16.图2本发明实施例中阵列天线侧视图。
17.图3本发明实施例中阵列天线单元上层贴片截面视图。
18.图4本发明实施例中阵列天线单元下层金属地板截面视图。
19.图5本发明实施例中阵列天线单元s参数仿真图。
20.图6本发明实施例中改进型圆形金属贴片表面电流图。
21.图7本发明实施例中改进型圆形金属贴片激励的两种模式方向图。
22.图8本发明实施例中阵列天线单元e面辐射方向图。
23.图9本发明实施例中阵列天线单元h面辐射方向图。
24.图10本发明实施例中阵列天线的波束扫描辐射方向图。
具体实施方式
25.为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明内容作进一步说明。本实施例为一种基于多模式的一维宽角度扫描相控阵天线，工作频点选取28ghz。
26.一种基于多模式的一维宽角度扫描相控阵天线，其俯视图和侧视图分别如图1和图2所示，9个相同的天线单元按照相同的间距沿y轴正向排列成一维阵列。阵列整体是由四部分组成，包括上层金属辐射贴片层1、中间介质层2、下层金属地板3以及馈电部分，并且四周的金属过孔4穿过中间介质层连接了上层方环贴片5和下层金属地板3，馈电部分的金属探针6贯穿中间介质层2，连接上层改进型圆形金属辐射贴片7并穿过下层金属地板蚀刻的圆孔8，与smp接头9用焊锡焊接在一起。
27.本实施例中采用的天线单元依然是包含四层，其中上层金属贴片由中间改进型圆形金属贴片7和四周方环金属贴片5组成。上层贴片的截面示意图如图3所示。其中改进型圆形金属贴片是在圆形贴片的基础上进行变化的。在原有的圆形贴片圆心的45
°
、135
°
、225
°
和315
°
方向且距离圆心1.7mm处各蚀刻一块更小的圆形贴片，并在原有的圆形贴片中心蚀刻一个c型圆环，圆环开口朝向y轴正向。在馈电时，改进型圆形金属贴片会在蚀刻的c型圆
环的剩余部分激励出tm
01
模式，同时又会因为四周蚀刻的圆孔激励出tm
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模式，贴片的c形开口是可以调整tm
01
模式和tm
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模式之间的比例，通过优化，可以使两种模式相互补充，即会拓宽单元波束宽度。下层金属地板层的截面示意图如图4所示，四周有金属过孔4连接，同时金属探针6穿过金属地板中间蚀刻的圆孔8，且圆孔内填满了与介质基板相同的材料，这避免了金属地板与金属探针的相互接触。单元上层的方环金属贴片5和四周的金属过孔4是为了减弱单元间的耦合作用。
28.图5为本实施例中的天线单元的s参数仿真曲线，从曲线中可以看到在28ghz此单元出现了较好的谐振，曲线的对称性较好，s参数在28ghz的值低于-25db，满足设计要求。
29.图6为馈电时，改进型圆形金属贴片表面电流分布图，此时表面电流关于y轴对称，电流流经蚀刻的c型圆环的开口时会激励产生tm
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模式，电流在沿贴片周边流经四周蚀刻的圆孔时又会激励出tm
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模式。
30.图7为改进型圆形金属贴片所激励出的tm
01
和tm
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模式方向图，这些模式的辐射模式为理论远场模式，当调整出比较适合的参数以后，就可以使两种模式达到一种平衡，使单元具有较宽的波束宽度。
31.图8、图9给出了本实施例中的天线单元被激励时的方向图，从图中可以看出，在e面单元增益下降3db的范围内，其波束宽度为130.6
°
；在h面单元增益下降3db范围内，其波束宽度为158.2
°
，这说明贴片所激励的两种模式相互结合，实现了方向图的相互补充，很好的拓宽了单元的波束宽度，这也验证了图7。
32.图10为本实施例由天线单元在y轴正向等间距排列成的一维线阵的波束扫描的结果，按照一维线阵的相位计算公式，对不同端口施加不同的相位，就能够使天线显示不同角度的扫描结果，结果显示在
±
60
°
以内天线有着较好的扫描结果，同时在此扫描角度范围内增益下降最大约为2.4db。
33.综上所述，本实施例以多模理论为基础，提出了一种结构简单且易实现的单元结构，只需激励单元的一个贴片就可产生两种不同的模式tm
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和tm
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，使两种模式方向图相互结合，即可实现方向图的相互补充，得到的结果显示单元在e面有着约130
°
的波束宽度，在h面有着约158
°
的波束宽度。并以此单元为基础设计了一维线阵，波束扫描结果显示其在
±
60
°
范围内扫描时，增益下降最大约为2.4db，较为平坦，适用于大角度相控阵扫描。
34.上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，只用于对本发明进行具体的描述，使熟悉该项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明内容所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于多模式的一维宽角度扫描相控阵天线，其特征在于，包括馈电部分、介质基板、金属贴片部分、四周金属过孔及金属地板；所述金属贴片包含中间金属贴片和方环金属贴片两部分；馈电部分采用同轴馈电的方式，由smp接头和金属探针两部分组成；所述介质基板上方覆有尺寸相同的金属贴片单元，下方为蚀刻圆孔的金属地板。2.根据权利要求1所述的基于多模式的一维宽角度扫描相控阵天线，其特征在于，所述金属过孔以间隔为0.6mm的距离排布在金属贴片四周，且位于方环金属贴片的中心的金属过孔穿过介质基板连接金属地板与方环贴片。3.根据权利要求1所述的基于多模式的一维宽角度扫描相控阵天线，其特征在于，所述金属探针穿过介质基板，上方连接中间金属辐射贴片，下方穿过金属地板蚀刻的圆孔，并与smp接头的内部探针焊接在一起，使得电流通过接头传向金属辐射贴片。4.根据权利要求3所述的基于多模式的一维宽角度扫描相控阵天线，其特征在于，在电流流经中间金属贴片时，根据所设计的结构，能够同时激励tm
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和tm
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两种模式，使这两种模式相互补充，就能够拓宽单元的波束宽度。5.根据权利要求4所述的基于多模式的一维宽角度扫描相控阵天线，其特征在于，所述的天线单元按照相同的间距沿x轴或y轴进行排列，同时为了减小天线间的互相影响和干扰，单元间距约为半个波长。6.一种通信设备，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述的基于多模式的一维宽角度扫描相控阵天线。

技术总结
本发明公开了一种基于多模式的一维宽角度扫描相控阵天线，该天线包括馈电部分、介质基板、辐射贴片部分、四周金属过孔及金属地板。所述馈电部分包括SMP接头和金属探针，采用同轴馈电的方式。本发明所提出的宽角度扫描相控阵天线可以在只激励一个贴片的情况下产生TM


技术研发人员：赵加宁 董永真 李芳
受保护的技术使用者：桂林理工大学
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/10/11