一种太赫兹波段的四臂螺旋方向图可重构天线

1.本发明涉及一种太赫兹波段的四臂螺旋方向图可重构天线，主要应用在太赫兹波段的卫星通信等，属于射频前端器件领域。


背景技术：

2.为了适应蜂窝基站，遥感，卫星通信等领域的应用需求，高性能波束转向天线的需求不断增长。采用相控阵天线是实现波束扫描的常规方法，其虽然能提供大波束转向角和高指向性，但存在结构庞大，馈电网络复杂的缺点，同时相控阵天线所需的大量t/r组件也会大大增加系统成本。故采用方向图可重构天线实现波束扫描功能，其可以在不改变天线整体结构的情况下实现波束方向图重构的功能，具有重要的研究价值。
3.近年来，基于可重构反射面的方向图可重构天线研究得到了发展，通过在反射面结构上添加开关，可以实现反射相位的变化和波束指向的调节，然而，这种天线往往扫描角度较小。由电子器件操纵的寄生辐射单元是一个有潜力的实现方式，并且前人已经进行了深入的探索。这种类型的天线利用相邻辐射单元之间的相互耦合来馈电寄生辐射单元，其末端可调的无功负载为波束扫描创造了必要的相移，能够成功实现较大的波束扫描范围。然而，它的带宽往往很窄(通常不到15%)。基于金属贴片或介质谐振器的可重构天线，可以获得较高的指向性和低轮廓结构，但是扫描范围有限(通常小于90
°
)。综上所述目前所提出的方向图可重构天线往往无法兼顾带宽，波束扫描范围和高指向性和低轮廓等性能。例如peiyuan qin等人在2013年提出的方向图可重构天线，虽有较宽的阻抗带宽，且具有三种可调节模式，但是波束扫描范围过小；c. kittiyanpunya等人在2013年提出的方向图可重构天线具有四种辐射模式，可以对整个方位面进行扫描，但阻抗带宽较小（不到10%。
4.大多数方向图可重构天线存在辐射模式数量少，增益低，扫描范围小或只能改变一维方向等问题，故难以达到在各种射频通信设备应用上的要求。


技术实现要素：

5.为了解决背景技术中存在的问题，本发明设计了一种太赫兹波段四臂螺旋方向图可重构天线。该方向图可重构天线实现了结构简单，加工方便，增益高，阻抗带宽大，辐射模式多，辐射范围大等特点。
6.本发明是通过以下技术方案实现的：一种太赫兹波段的四臂螺旋方向图可重构天线，包括层叠设置的第一介质板和第二介质板，所述第一介质板的上表面设有天线金属层，第二介质板的下表面设有底层馈电结构，第一介质板和第二介质板之间设有中间金属层；所述天线金属层包括四个渐变螺旋臂天线单元；每一渐变螺旋臂天线单元的凹侧均朝向于第一介质板上表面的中心，且四个渐变螺旋臂天线单元关于第一介质板上表面的中心旋转对称；每一渐变螺旋臂天线单元均由直臂和渐变螺旋臂组合而成；渐变螺旋臂从内端到外端宽度是渐变的；直臂的一端连接在渐变螺旋臂的内端，另一端设有第一金属圆
盘且其延长线穿过第一介质板上表面的中心；所述中间金属层包括刻蚀有四个圆形孔洞的金属片，且四个圆形孔洞关于金属片的中心阵列；所述底层馈电结构包括四个微带线转类同轴结构；四个微带线转类同轴结构关于第二介质板下表面中心旋转对称；所述微带线转同轴结构均包括微带传输线，微带传输线的外端设有输入端口，微带传输线的内端设有第二金属圆盘；所述第一金属圆盘与其正下方的第二金属圆盘通过金属柱连接，且金属柱穿过金属片上的对应圆形孔洞。
7.进一步的，所述渐变螺旋臂的从内端到外端宽度是渐宽的。
8.本发明相比背景技术具有以下优点：a)可进行二维方向图变化，通过四种模式的方向图可重构，可以在e面，h面分别改变天线的辐射方向图，总体辐射范围大。
9.b)天线增益高，带宽大，具有高指向性和低轮廓性能，可以工作在太赫兹波段，且为圆极化天线。
10.c)结构简单，加工方便，仅由三层金属层和两层介质层组成，方便制造。
附图说明
11.图1是本发明的顶层金属结构示意图；图2是本发明的中间层金属结构示意图；图3是本发明的底层馈电结构示意图；图4是本发明的整体结构侧视图；图5是本发明的整体结构立体示意图；图6是本发明的反射系数曲线示意图；图7是本发明在mode1情况下在φ=150
°
平面的波束增益图；图8是天线四种模式下（mode1，2，3，4在θ=50
°
平面的波束增益图；图9是天线mode1情况下在θ=50
°
平面的轴比示意图；图10是天线mode1情况下在φ=150
°
平面的轴比示意图
具体实施方式
12.下面结合附图1-10和实施例对本发明的具体实施方式做进一步详细的说明。
13.一种太赫兹波段的四臂螺旋方向图可重构天线，包括层叠设置的第一介质板21和第二介质板22，所述第一介质板21的上表面设有天线金属层24，第二介质板22的下表面设有底层馈电结构11、12、13和14，第一介质21板和第二介质板22之间设有中间金属层23；所述天线金属层24包括四个渐变螺旋臂天线单元31、32、33和34；每一渐变螺旋臂天线单元31、32、33或34的凹侧均朝向于第一介质板21上表面的中心，且四个渐变螺旋臂天线单元31、32、33和34关于第一介质板21上表面的中心旋转对称；每一渐变螺旋臂天线单元31、32、33和34均由直臂和渐变螺旋臂组合而成；渐变螺旋臂从内端到外端宽度是渐变的；直臂的一端连接在渐变螺旋臂的内端，另一端设有第一金属圆盘且其延长线穿过第一介质板21上表面的中心；
所述中间金属层23包括刻蚀有四个圆形孔洞的金属片，且四个圆形孔洞关于金属片的中心阵列；所述底层馈电结构11、12、13和14包括四个微带线转类同轴结构；四个微带线转类同轴结构关于第二介质板22下表面中心旋转对称；所述微带线转同轴结构均包括微带传输线，微带传输线的外端设有信号输入端口15、16、17和18，微带传输线的内端设有第二金属圆盘；所述第一金属圆盘与其正下方的第二金属圆盘通过金属柱25、26、27和28连接，且金属柱25、26、27和28穿过金属片上的对应圆形孔洞。
14.进一步的，所述渐变螺旋臂的从内端到外端宽度是渐宽的。
15.下面为一更具体的实施例：以图1-图5的方向图可重构天线结构为例，包括底层馈电结构11，12，13，14，信号输入端口15，16，17，18，第一介质板21，第二介质板22，中间金属层23，顶层的天线金属层24，金属柱25，26，27，28；附图1为顶层的天线金属层24的结构示意图，由四个渐变螺旋臂天线单元31，32，33，34组成，尺寸相同，每个天线单元都可由另一个天线单元旋转得到。每个渐变螺旋臂天线单元由直臂和渐变螺旋臂组合而成，螺旋臂结构从起始位置到终止位置宽度是渐变的，越来越宽，每个天线的螺旋臂长度，螺旋曲率，与几何中心的距离，直臂长度，螺旋臂宽度渐变都会影响天线的工作频率，波束指向，阻抗带宽和圆极化轴比；螺旋臂与直臂的长度影响天线工作频率，长度越长，工作频率越低；螺旋曲率，与几何中心的距离主要影响波束指向和前后比，通过调试合适的参数可以得到指向性好的波束增益曲线，减小无用功率损耗；阻抗带宽主要由螺旋臂的宽度渐变决定，通过优化一组合适的起始与终止位置宽度值，使螺旋臂自起始到终止位置的宽度由一个值渐变到另一个值，可以显著优化阻抗带宽；圆极化轴比由螺旋曲率，螺旋臂宽度渐变，直臂长度，与几何中心距离共同决定，经过优化参数，可以使波束增益最大方向的轴比小于3db,符合圆极化要求,且该轴比在工作频率附近均符合要求。同时在每个天线单元的直臂起始馈电位置连接一个圆盘，分别与金属柱25，26，27，28连接，该圆盘尺寸与金属柱的尺寸不同会影响阻抗匹配，经过优化可以得到较大的阻抗带宽，使天线贴片接受到类同轴线传输的信号。
16.附图2为中间金属层23的结构示意图，中间金属层23由刻蚀有四个圆形孔洞的金属片和孔洞中间的金属柱25，26，27，28组成。金属片上的孔洞与金属柱共同组成类同轴传输线结构，调节孔洞的直径和金属柱直径可以得到不同的特性阻抗，因此可以得到一组参数使该类同轴传输线既与上方金属铁片匹配又与下方微带传输线匹配，可以将信号传输到顶层的天线金属层24。
17.附图3为底层馈电结构示意图，结构15，16，17，18为信号输入端口，通过可编程器件或者附加馈电网络来实现选择其中一个端口进行信号输入，底层馈电结构11，12，13，14均为微带传输线，输入端分别与信号输入端口15，16，17，18相连，末端通过金属圆盘与金属柱25，26，27，28连接，通过优化该圆盘尺寸可以使微带线与金属柱组成的类同轴传输线匹配，将输入信号传输到金属柱结构25，26，27，28，一一对应。
18.金属柱结构25，26，27，28，四个金属柱上端与天线单元31，32，33，34的圆盘匹配结构连接，下端与底层馈电结构11，12，13，14连接。由金属柱结构25，26，27，28，中间金属层23
与底层馈电结构11，12，13，14共同组成的微带线转同轴线结构，可以将输入信号传输到顶层天线，实现辐射功能。该天线通过选择信号输入端口15，16，17，18工作，来选择渐变螺旋臂天线单元31，32，33，34进行辐射，一一对应，其中一个天线单元工作时，其他天线单元不工作，进而实现方向图可重构功能。共有四种模式，例如当选择输入端口15进行信号输入时，其他输入端口不工作，为mode1，主波束方向指向θ=50
°
，φ=150
°
。四种模式（mode1，mode2，mode3，mode4主波束方向均在θ=50
°
平面，分别指向φ=150
°
，-120
°
，-30
°
，60
°
。
19.为了减小损耗，金属材料采用电阻率小的金属，如金，第一介质板21，第二介质板22均采用损耗小，相对介电常数3.78的石英玻璃材料。
20.上述的天线结构参数会对天线性能产生较大影响，具体表现为：a) 螺旋臂与直臂的长度影响天线工作频率，长度越长，工作频率越低。
21.b) 螺旋曲率，与几何中心的距离主要影响波束指向和前后比，通过调试合适的参数可以得到指向性好的波束增益曲线，减小无用功率损耗。
22.c) 圆极化轴比由螺旋曲率，螺旋臂宽度渐变，直臂长度，与几何中心距离共同决定，经过优化参数，可以使波束增益最大方向的轴比小于3db,符合圆极化要求,且该轴比在工作频率附近均符合要求。
23.d) 直臂末端的圆盘尺寸与金属柱的尺寸不同会影响阻抗匹配，经过优化可以得到较大的阻抗带宽。
24.e调节中间金属层的孔洞直径和金属柱直径可以使类同轴传输线得到不同的特性阻抗。
25.f调节底层馈电结构末端圆盘的尺寸可以实现与类同轴传输线的阻抗匹配，优化微带线转类同轴传输线结构的性能。
26.该方向图可重构天线在这里下选择一种尺寸组合进行实例说明（下面数据单位为微米。
27.当图1结构的尺寸为：结构41=30，结构42=24，结构43=10，结构44=108，结构45=18，结构46=890当图2结构的尺寸为：结构47=20，结构48=100，结构49=600。
28.当图3的结构尺寸为：结构51=40，结构52=200，微带线宽度=20，输入端口阻抗为105欧姆。
29.衬底21厚度为150，衬底22厚度为50，微带线和金属地的金属层厚度为1，在该结构尺寸下，中心频率为345ghz。
30.此时方向图可重构天线的反射系数仿真图为：图6中显示的是该方向图可重构天线的反射系数曲线，显示该天线在320-370ghz的频率范围内s11显著小于-10db。
31.此时仿真的方向图为：图7是在中心频率下mode1模式在φ=150
°
平面的增益曲线,从图中可以看到该波束最大增益处位于θ=50
°
，半功率波束宽度达到50
°
，且最大增益达到7db。由于四个天线单元中心对称，可以确定四种模式主波束都分布在θ=50
°
的低仰角面。
32.图8是在中心频率下方向图可重构天线四种模式（mode1,mode2,mode3,mode4在θ=
50
°
低仰角面的增益曲线, 从图中可以看到四种模式下主波束方向分别位于φ=150
°
，-120
°
，-30
°
，60
°
方向，半功率波束宽度超过50
°
，且最大增益达到7db.图9和图10是天线mode1情况下在θ=50
°
平面和φ=150
°
平面的轴比示意图，可以发现在其波束最大增益方向轴比小于3db,满足圆极化要求；由此例可知另外三种模式主波束方向轴比也满足圆极化要求。
33.可见，本发明提出的太赫兹方向图可重构天线可以实现太赫兹波段的四种模式的方向图可重构，波束扫描可以覆盖θ=50
°
的低仰角面，实现圆极化，且有较好的辐射增益，较宽的带宽特性。
34.上述仅为一个例子，若想得到不同中心频率下的方向图可重构天线，可以采用不同的天线尺寸，从而在不同的应用场景下使用。

技术特征：
1.一种太赫兹波段的四臂螺旋方向图可重构天线，包括层叠设置的第一介质板（21）和第二介质板（22），其特征在于，所述第一介质板（21）的上表面设有天线金属层（24），第二介质板（22）的下表面设有底层馈电结构（11、12、13和14），第一介质（21）板和第二介质板（22）之间设有中间金属层（23）；所述天线金属层（24）包括四个渐变螺旋臂天线单元（31、32、33和34）；每一渐变螺旋臂天线单元（31、32、33或34）的凹侧均朝向于第一介质板（21）上表面的中心，且四个渐变螺旋臂天线单元（31、32、33和34）关于第一介质板（21）上表面的中心旋转对称；每一渐变螺旋臂天线单元（31、32、33和34）均由直臂和渐变螺旋臂组合而成；渐变螺旋臂从内端到外端宽度是渐变的；直臂的一端连接在渐变螺旋臂的内端，另一端设有第一金属圆盘且其延长线穿过第一介质板（21）上表面的中心；所述中间金属层（23）包括刻蚀有四个圆形孔洞的金属片，且四个圆形孔洞关于金属片的中心阵列；所述底层馈电结构（11、12、13和14）包括四个微带线转类同轴结构；四个微带线转类同轴结构关于第二介质板（22）下表面中心旋转对称；所述微带线转同轴结构均包括微带传输线，微带传输线的外端设有信号输入端口（15、16、17和18），微带传输线的内端设有第二金属圆盘；所述第一金属圆盘与其正下方的第二金属圆盘通过金属柱（25、26、27和28）连接，且金属柱（25、26、27和28）穿过金属片上的对应圆形孔洞。2.根据权利要求1所述的一种太赫兹波段的四臂螺旋方向图可重构天线，其特征在于，所述渐变螺旋臂的从内端到外端宽度是渐宽的。

技术总结
本发明公开了一种太赫兹波段的四臂螺旋方向图可重构天线，属于射频前端器件技术领域。其由底层馈电结构，四个信号输入端口，两层介质层，中间金属层，顶层天线金属层，四个金属柱结构共同组成；顶层天线金属层，由四个渐变螺旋臂天线单元组成。该渐变螺旋臂天线单元，由直臂和渐变螺旋臂组合而成，螺旋臂结构从起始位置到终止位置宽度是渐变的，越来越宽，在每个天线单元的直臂起始馈电位置连接一个圆盘用来与金属柱匹配。本发明可实现最大波束角度在θ=50度平面上φ=150


技术研发人员：黄建明 王子莱 张乃柏 崔岩松 杨光耀
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第五十四研究所 电子科技大学（深圳）高等研究院
技术研发日：2023.06.06
技术公布日：2023/8/5