一种基于双透镜结构的天线阵列增益增强结构

1.本发明属于射频通信技术领域，具体涉及一种基于双透镜结构的天线阵列增益增强结构。


背景技术：

2.随着无线通信技术的不断发展，毫米波技术的引入能够满足其高数据速率、高可靠性、低功耗等要求。这其中毫米波天线扮演着重要的角色，因此具有高增益特征的高性能毫米波天线成为了当前研究的重点和难点。现有的提高天线增益的方法有组阵和使用大口径面等技术，但其技术的实现应用不再灵活，且过大的阵间距也会改变天线本身的结构，进而影响天线本身的性能，比如栅瓣等问题的出现。因此，如何在毫米波频段有效通过天线增益增强结构实现天线阵列高增益特性仍然是没有解决的问题。
3.现有技术“a broadband circularly polarized fabry-perot resonant antenna using asingle-layered prs for 5g mimo applications”公开了一种基于高介电常数的部分反射覆层的毫米波增益增强结构，但介质层的厚度和高度均受限于二分之一波长且介质层介质板受制于高介电常数，无法实现天线阵列的高增益特性。
4.现有技术“gain enhancement of a v-band antenna using a fabry-perot cavity with aself-sustained all-metal cap with fss”将全金属螺帽结构形成周期性结构实现了天线在v波段的增益提高，但全金属也带来了造价高和笨重等缺点，且其在无法实现天线阵列的高增益特性的同时还会造成天线增益带宽的变窄。
5.发明名称为“基于单层双面覆层结构的fabry-perot谐振腔宽带高增益微带天线”、公开号为cn109802232a的中国专利申请公开了通过单层双面电磁周期性结构实现天线的增益提高的技术手段，但其同样无法实现毫米波天线阵列的高增益特性。


技术实现要素：

6.本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于双透镜结构的天线阵列增益增强结构，对于毫米波天线能够提升其阵列增益且不改变天线及其阵列的本身特性。
7.本发明所提出的技术问题是这样解决的：
8.一种基于双透镜结构的天线阵列增益增强结构，包括两层透镜；第一层透镜是主镜，采用菲涅尔透镜，用于将球面波转化为平面波，从而实现增益的增强；第二层透镜是副镜，位于天线阵列与主镜之间，用于为天线阵元提供相位补偿；
9.天线阵列的中心与主镜的焦点重合，位于直角坐标系下的原点；在天线阵列与主镜之间为每个天线阵元配置一个副镜；天线阵列所在平面、主镜、副镜与xoy平面平行；
10.天线阵列的中心到主镜面上任意一点的入射波相位为：
[0011][0012]
其中，f是主镜的焦距即焦点到主镜表面的距离，k0为中心频率对应的自由空间波数，x和y分别为主镜表面任意一点的横坐标和纵坐标；
[0013]
指向角度为α0的出射波相位为：
[0014][0015]
则主镜口径面上的需要补偿的相位分布为：
[0016][0017]
其中，为参考相位；
[0018]
电磁波从任意天线阵元所在位置点o'经过对应的副镜，得到相位补偿到达主镜任意一点c的入射波相位为：
[0019][0020]
其中，x'和y'分别为副镜表面上的任意一点的横坐标和纵坐标，d
o'c
为点o'到点c的距离，d为副镜的厚度，θ为点o'和点c的连线与z轴的夹角；
[0021]
从原点o到点c的入射波相位为：
[0022][0023]
其中，d
oc
为原点o到点c的距离；
[0024]
要实现副镜需要补偿的相位分布如下：
[0025][0026]
进一步的，透镜选用质板或者频率选择表面fss作为相位调控载体。
[0027]
进一步的，主镜包括第一介质基板11和第一方形贴片2，第一方形贴片2位于第一介质基板11的下表面，边长为0.4mm，相邻的第一方形贴片2中心周期间距为2.5mm，位于中心的10
×
10的第一方形贴片2缺损。
[0028]
天线阵列中所有天线阵元对应的副镜设计为一个整体，包括第二介质基板1和第二方形贴片3；第二方形贴片位于第二介质基板1的下表面，边长为0.35mm，相邻的第二方形贴片3中心周期间距为2.5mm。
[0029]
阵列天线由4
×
4个天线阵元呈矩形紧密排布而成，每个天线阵元包括寄生贴片7、辐射贴片5、上层介质基板6、下层介质基板4、馈电金属探针8、sma接头9和接地板10；寄生贴片7、上层介质基板6、辐射贴片5、下层介质基板4和接地板10由上至下依次紧密贴合；sma接头9位于接地板10的底部，外导体与接地板10连接，馈电金属探针8穿过下层介质基板4分别连接辐射贴片5和sma接头9的内导体；阵列天线固定安装在不等高地的金属支撑结构12上；
[0030]
第一介质基板11和第二介质基板1之间有1mm的空气间隙；第二介质基板1和上层介质基板6之间有8.8mm的空气间隙。第一介质基板11的尺寸为50mm*50mm，介电常数为2.67，正切角损耗0.0074，厚度为6mm。第二介质基板1的尺寸为25mm*25mm，介电常数为2.67，正切角损耗0.0074，厚度为3.5mm。
[0031]
本发明的有益效果是：
[0032]
本发明所述基于双透镜结构的天线阵列增益增强结构能够有效实现天线阵列的增益提升；实现载体为fss，具有剖面低，低成本的特性；在提升阵列增益的同时不改变天线阵列本身的特性，具有便捷可拆卸的特点。
附图说明
[0033]
图1为本发明所述增益增强结构中主镜的原理示意图；
[0034]
图2为本发明所述增益增强结构的原理示意图；
[0035]
图3为实施例所述增益增强结构的结构示意图；
[0036]
图4为实施例所述天线阵列有无增益增强结构的增益对比图；
[0037]
图5为实施例所述天线阵列在26.5ghz处有无增益增强结构的方向图对比图；
[0038]
图6为实施例所述天线阵列在28ghz处有无增益增强结构的方向图对比图；
[0039]
图7为实施例所述天线阵列在29.5ghz处有无增益增强结构的方向图对比图。
具体实施方式
[0040]
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
[0041]
本实施例提供一种基于双透镜结构的天线阵列增益增强结构，包括两层透镜；第一层透镜是主镜，采用菲涅尔透镜，用于将球面波转化为平面波，从而实现增益的增强；第二层透镜是副镜，位于天线阵列与主镜之间，与天线阵列和主镜平行，用于为天线阵元提供相位补偿。
[0042]
对于主镜，其涉及原理是通过调节透镜口径面上的各点的投射相位，对由空间路径不同而造成的入射波相位差进行补偿，使得透镜的出射波相位相同，从而形成高增益笔形波束。如图1所示，理想点源与主镜的焦点重合，位于直角坐标系下的原点o；主镜与xoy平面平行；点a为透镜上x＝y＝0的点，点c为透镜表面不与a重合的任意一点；α0为理想点源辐射电磁波经透镜后的出射波指向角度；根据等光程差原理，电磁波从原点o经过点a补偿到达点b的路径相位应该与从原点o经过点c补偿到达点d经过的路径相位相同，b和d的连线与透镜的夹角为α0。
[0043]
已知理想点源到主镜面上任意一点的入射波相位为：
[0044][0045]
其中，f是主镜的焦距即焦点到主镜表面的距离，k0为中心频率对应的自由空间波数，x和y分别为主镜表面任意一点的横坐标和纵坐标；
[0046]
指向角度为α0的出射波相位为：
[0047][0048]
则主透镜口径面上的需要补偿的相位分布公式为：
[0049][0050]
其中，为参考相位。
[0051]
本实施例所述高增益的平面透镜天线设计中，采用令α0＝0
°
的相位分布方式。基于上述公式推导，可以得到主镜需要补偿的相位分布。
[0052]
对于天线阵列来说，理想点源不止一个，因此需要针对每个偏离焦点位置的天线阵元额外设计一个透镜，进行相应的相位补偿。如图2所示，本实施例的增益增强结构采用双层透镜，来对天线阵列进行增益的增强。双层透镜的增益增强结构模型如图2所示。
[0053]
天线阵列的中心与主镜的焦点重合，位于直角坐标系下的原点o；在天线阵列与主
镜之间为每个天线阵元配置一个副镜；天线阵列所在平面、主镜、副镜与xoy平面平行；
[0054]
根据等光程差原理，电磁波从任意天线阵元所在位置点o'经过对应的副镜taa’得到相位补偿到达主镜任意一点c的路径相位应该与从原点o到达点c经过的路径相同。
[0055]
电磁波从任意天线阵元所在位置点o'经过对应的副镜taa’，得到相位补偿到达主镜任意一点c的入射波相位为：
[0056][0057]
其中，x'和y'分别为副镜taa’表面上的任意一点的横坐标和纵坐标，d
o'c
为点o'到点c的距离，d为副镜taa’的厚度，θ为点o'和点c的连线与z轴的夹角；
[0058]
从原点o到点c的入射波相位为：
[0059][0060]
其中，d
oc
为点o到点c的距离；
[0061]
要实现副镜需要补偿的相位分布如下：
[0062][0063]
通过上述推导可以分别得到两层透镜的相位补偿值，实际案例中，通常选用介质板或者频率选择表面fss作为相位调控载体。考虑到fss具有剖面低，易加工的特点，本发明采用fss作为移相透射单元。
[0064]
本实施例将双透镜增益增强结构应用于毫米波叠层天线，用于实现毫米波频段宽带高增益，其侧视图如图3所示。
[0065]
本实施例中，主镜包括第一介质基板11和第一方形贴片2，第一方形贴片2位于第一介质基板11的下表面，边长为0.4mm，相邻的第一方形贴片2中心周期间距为2.5mm，位于中心的10
×
10的第一方形贴片2缺损。
[0066]
天线阵列中所有天线阵元对应的副镜设计为一个整体，包括第二介质基板1和第二方形贴片3；第二方形贴片位于第二介质基板1的下表面，边长为0.35mm，相邻的第二方形贴片3中心周期间距为2.5mm。
[0067]
本实施例中，阵列天线由4
×
4个天线阵元呈矩形紧密排布而成，每个天线阵元包括寄生贴片7、辐射贴片5、上层介质基板6、下层介质基板4、馈电金属探针8、sma接头9和接地板10；寄生贴片7、上层介质基板6、辐射贴片5、下层介质基板4和接地板10由上至下依次紧密贴合；sma接头9位于接地板10的底部，外导体与接地板10连接，馈电金属探针8穿过下层介质基板4分别连接辐射贴片5和sma接头9的内导体。
[0068]
第一介质基板11和第二介质基板1之间有1mm的空气间隙；第二介质基板1和上层介质基板6之间有8.8mm的空气间隙。第一介质基板11的尺寸为50mm*50mm，介电常数为2.67，正切角损耗0.0074，厚度为6mm。第二介质基板1的尺寸为25mm*25mm，介电常数为2.67，正切角损耗0.0074，厚度为3.5mm。
[0069]
阵列天线固定安装在不等高地的金属支撑结构12上。
[0070]
图4为实施例所述天线阵列有无增益增强结构的增益对比图；图5为实施例所述天
线阵列在26.5ghz处有无增益增强结构的方向图对比图；图6为实施例所述天线阵列在28ghz处有无增益增强结构的方向图对比图；图7为实施例所述天线阵列在29.5ghz处有无增益增强结构的方向图对比图。从图中可以看出，与无毫米波增强结构参考贴片阵列相比，天线阵列的峰值增益提高了3db。可以看出本实施例所述双透镜增益增强结构在毫米波频段实现了天线阵列增益增强目的，证明了本实施例所述增益增强结构的有效性。
[0071]
以上是向熟悉本发明领域的技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，上述实施例是为了帮助读者理解该发明的原理，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。本领域的技术人员可根据此发明权利要求书中公开的技术思路做出一些不脱离本发明核心实质的变更。上述这些都应被视为本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于双透镜结构的天线阵列增益增强结构，其特征在于，包括两层透镜；第一层透镜是主镜，采用菲涅尔透镜，用于将球面波转化为平面波，从而实现增益的增强；第二层透镜是副镜，位于天线阵列与主镜之间，用于为天线阵元提供相位补偿；天线阵列的中心与主镜的焦点重合，位于直角坐标系下的原点；在天线阵列与主镜之间为每个天线阵元配置一个副镜；天线阵列所在平面、主镜、副镜与xoy平面平行；天线阵列的中心到主镜面上任意一点的入射波相位为：其中，f是主镜的焦距即焦点到主镜表面的距离，k0为中心频率对应的自由空间波数，x和y分别为主镜表面任意一点的横坐标和纵坐标；指向角度为α0的出射波相位为：则主镜口径面上的需要补偿的相位分布为：其中，为参考相位；电磁波从任意天线阵元所在位置点o'经过对应的副镜，得到相位补偿到达主镜任意一点c的入射波相位为：其中，x'和y'分别为副镜表面上的任意一点的横坐标和纵坐标，d
o'c
为点o'到点c的距离，d为副镜的厚度，θ为点o'和点c的连线与z轴的夹角；从原点o到点c的入射波相位为：其中，d
oc
为原点o到点c的距离；要实现副镜需要补偿的相位分布如下：2.根据权利要求1所述的基于双透镜结构的天线阵列增益增强结构，其特征在于，透镜选用质板或者频率选择表面fss作为相位调控载体。3.根据权利要求1所述的基于双透镜结构的天线阵列增益增强结构，其特征在于，主镜包括第一介质基板(11)和第一方形贴片(2)，第一方形贴片(2)位于第一介质基板(11)的下表面，边长为0.4mm，相邻的第一方形贴片(2)中心周期间距为2.5mm，位于中心的10
×
10的第一方形贴片(2)缺损；天线阵列中所有天线阵元对应的副镜设计为一个整体，包括第二介质基板(1)和第二方形贴片(3)；第二方形贴片位于第二介质基板(1)的下表面，边长为0.35mm，相邻的第二方形贴片(3)中心周期间距为2.5mm；阵列天线由4
×
4个天线阵元呈矩形紧密排布而成，每个天线阵元包括寄生贴片(7)、辐
射贴片(5)、上层介质基板(6)、下层介质基板(4)、馈电金属探针(8)、sma接头(9)和接地板(10)；寄生贴片(7)、上层介质基板(6)、辐射贴片(5)、下层介质基板(4)和接地板(10)由上至下依次紧密贴合；sma接头(9)位于接地板(10)的底部，外导体与接地板(10)连接，馈电金属探针(8)穿过下层介质基板(4)分别连接辐射贴片(5)和sma接头(9)的内导体；阵列天线固定安装在不等高地的金属支撑结构(12)上；第一介质基板(11)和第二介质基板(1)之间有1mm的空气间隙；第二介质基板(1)和上层介质基板(6)之间有8.8mm的空气间隙；第一介质基板(11)的尺寸为50mm*50mm，介电常数为2.67，正切角损耗0.0074，厚度为6mm；第二介质基板(1)的尺寸为25mm*25mm，介电常数为2.67，正切角损耗0.0074，厚度为3.5mm。

技术总结
本发明公开了一种基于双透镜结构的天线阵列增益增强结构，属于射频通信技术领域。本发明所述增益增强结构包括两层透镜；第一层透镜是主镜，采用菲涅尔透镜，用于将球面波转化为平面波，从而实现增益的增强；第二层透镜是副镜，位于天线阵列与主镜之间，用于为天线阵元提供相位补偿。本发明所述基于双透镜结构的天线阵列增益增强结构能够有效实现天线阵列的增益提升；实现载体为FSS，具有剖面低，低成本的特性；在提升阵列增益的同时不改变天线阵列本身的特性，具有便捷可拆卸的特点。具有便捷可拆卸的特点。具有便捷可拆卸的特点。


技术研发人员：王晓华 何雨馨 胡仪迪
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.03.17
技术公布日：2023/7/19