宽频亚太赫兹波束扫描反射阵天线的制作方法

1.本发明涉及无线通信系统天线领域，特别涉及宽频亚太赫兹波束扫描反射阵天线。


背景技术：

2.随着5g的普及，下一代通信技术6g的研发也在进程当中。亚太赫兹作为潜在6g频段，频段为100-300ghz，对于该频段的天线研究也就成为了热门。反射阵天线技术结合了抛物面天线和微带阵列天线的优势，不需要复杂的馈电网络，就能够实现较高增益和辐射效率。反射阵天线的最主要问题就在于它的带宽相对较窄，一般低于10％。引起反射阵天线带宽低的原因主要是是微带天线单元本身的窄带特性。在此背景下，设计一款应用在sub-thz频段的宽频反射阵列天线具备很好的应用前景。
3.随着5g/6g技术的深入发展，应用场景不断扩展，对于天线的要求也越来越高，现阶段对于天线阵列来说，逐渐朝着智能化方向发展，天线设计的波束方向不再是固定的，辐射方向需要动态可控。一个具备波束扫描特性的天线将会在未来的通信当中拥有更大的发展空间。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供宽频亚太赫兹波束扫描反射阵天线，以解决背景技术中的问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.宽频亚太赫兹波束扫描反射阵天线，包括宽频反射阵天线单元结构，该宽频反射阵天线单元结构由单元采用的是介质基板，上表面为反射单元，下表面是金属地，且该宽频反射阵天线单元结构，其内部圆形结构以及外部四个梯形边组成风车形状单元，通过改变l，与之关联的各个参数都会变化，从而改变反射单元的整体尺寸，通过反射单元尺寸的缩放，获得360度的相移范围。
6.优选的，所述介质基板的介电常数2.2，厚度0.254mm，长宽均为1.1mm。
7.优选的，所述反射单元采用非对称的风车形状结构，在130-170ghz引入了多个谐振点，在40ghz的带宽内单元的相位变化具有较好的一致性，以宽频反射单元为基础设计的反射阵也具备宽频的特性。
8.优选的，为实现反射阵天线的3d波束扫描特性，采用多焦点相位叠加法,该多焦点相位叠加法假定波束方向为(θ，φ)，其中θ为波束与z坐标轴正半轴的夹角，φ为波束在xoy面上的投影与x轴正半轴的夹角，通过叠加(0,0)和(30,45k)，k取0,1,2,3,4,5,6,7，一共九个相位，取加权平均值得到所需的叠加后相位图，对于不同角度的波束分别进行叠加，实现阵列的3d波束扫描特性，多焦点相位叠加法采用如下公式进行计算，通过该公式计算出各个波束方向对应的相位φi值，通过加权相加得出最后叠加后的波束扫描相位，公式如下：
[0009][0010]
优选的，通过构建风车形状的非对称反射单元，在150ghz附近引入多个谐振点，在
130-170ghz相位变化具备一致性。
[0011]
优选的，在馈源的移动过程中，波束在坐标轴的各个方向上(θ＝
±
30，φ＝0-360)均形成良好的不同偏转方向笔形波束，在偏转角范围内达到3d波束扫描。
[0012]
优选的，单层反射单元实现360度范围的相移，并去除了大多数反射单元需要的空气层。
[0013]
优选的，在中心频率150ghz处，增益为25.8dbi，1-db带宽为132-167ghz，相对带宽达到23.3％，实现阵列的宽频特性。
[0014]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本次设计的亚太赫兹反射阵具备宽频特性。以宽频反射单元为基础设计的亚太赫兹反射阵1-db带宽为132-167ghz，相对带宽达到23.3％，满足宽频天线的设计要求。
[0015]
本次设计的亚太赫兹反射阵具备3d波束扫描效果。对于一般的波束扫描阵列来说，其波束扫描是在2d平面上进行，扫描方位比较有限。而本次提出阵列可以在整个xyz平面上形成3d波束扫描效果，且波束在扫描过程中增益变化很小。
[0016]
本次设计的亚太赫兹反射阵具备宽波束扫描和低增益损失的特性。通过采用多焦点叠加原理优化了反射阵的相位，使得波束扫描角度为-30度至+30度，波束增益损失为1.3db。
附图说明
[0017]
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0018]
图1是本发明宽频反射阵天线单元结构图；
[0019]
图2是本发明天线单元的相位图；
[0020]
图3是本发明反射阵的整体和局部放大图；
[0021]
图4是本发明平面上反射阵波束扫描归一化方向图；
[0022]
图5是本发明平面上反射阵波束扫描阵列对比方向图；
[0023]
图6是本发明3d面上反射阵波束扫描的归一化方向图；
[0024]
图7是本发明反射阵的增益图；
[0025]
图中：1、反射单元；2、介质基板；3、金属地。
具体实施方式
[0026]
下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
[0027]
本发明实施例中的附图：图中不同种类的剖面线不是按照国标进行标注的，也不对元件的材料进行要求，是对图中元件的剖视图进行区分。
[0028]
请参阅图1-7，宽频亚太赫兹波束扫描反射阵天线，包括宽频反射阵天线单元结构，该宽频反射阵天线单元结构由单元采用的是介质基板2，上表面为反射单元1，下表面是金属地3，且该宽频反射阵天线单元结构，其内部圆形结构以及外部四个梯形边组成风车形状单元，通过改变l，与之关联的各个参数都会变化，从而改变反射单元的整体尺寸，通过反
射单元尺寸的缩放，获得360度的相移范围。
[0029]
其中，所述介质基板2的介电常数2.2，厚度0.254mm，长宽均为1.1mm。
[0030]
其中，所述反射单元采用非对称的风车形状结构，在130-170ghz引入了多个谐振点，在40ghz的带宽内单元的相位变化具有较好的一致性，以宽频反射单元为基础设计的反射阵也具备宽频的特性。
[0031]
其中，为实现反射阵天线的3d波束扫描特性，采用多焦点相位叠加法,该多焦点相位叠加法假定波束方向为(θ，φ)，其中θ为波束与z坐标轴正半轴的夹角，φ为波束在xoy面上的投影与x轴正半轴的夹角，通过叠加(0,0)和(30,45k)，k取0,1,2,3,4,5,6,7，一共九个相位，取加权平均值得到所需的叠加后相位图，对于不同角度的波束分别进行叠加，实现阵列的3d波束扫描特性，多焦点相位叠加法采用如下公式进行计算，通过该公式计算出各个波束方向对应的相位φi值，通过加权相加得出最后叠加后的波束扫描相位，公式如下：
[0032][0033]
其中，通过构建风车形状的非对称反射单元，在150ghz附近引入多个谐振点，在130-170ghz相位变化具备一致性。
[0034]
其中，在馈源的移动过程中，波束在坐标轴的各个方向上(θ＝
±
30，φ＝0-360)均形成良好的不同偏转方向笔形波束，在偏转角范围内达到3d波束扫描。
[0035]
其中，单层反射单元实现360度范围的相移，并去除了大多数反射单元需要的空气层。
[0036]
其中，在中心频率150ghz处，增益为25.8dbi，1-db带宽为132-167ghz，相对带宽达到23.3％，实现阵列的宽频特性。
[0037]
需要说明的是，通过构建风车形状的非对称反射单元，在150ghz附近引入多个谐振点，在130-170ghz相位变化具备一致性，因而以此单元为基础设计的反射阵具备宽频特性；
[0038]
在馈源的移动过程中，波束在坐标轴的各个方向上(θ＝
±
30，φ＝0-360)均能够形成良好的不同偏转方向笔形波束，在一定的偏转角范围内达到3d波束扫描的效果；
[0039]
通过相位叠加多个不同方向的波束相位，并以此构造了一个19*19的反射阵用于验证。结果显示，叠加相位的反射阵具备更宽的扫描角度和更低的增益损失；
[0040]
单层反射单元实现360度范围的相移，并去除了大多数反射单元需要的空气层。空气层的作用主要是增大相位变化和提高线性度，但是增加空气层的缺点体现在天线组装制备时，空气层的高度不好控制，从而容易引起测量结果误差。本次提出的单层反射单元具备结构简单易制备的优势；
[0041]
图1显示本次设计宽频反射阵天线单元结构。该单元由内部圆形结构以及外部四个梯形边组成风车形状单元，通过改变l，与之关联的各个参数都会变化，从而改变反射单元的整体尺寸。通过反射单元尺寸的缩放，可以获得360度的相移范围，如图1所示。单元采用的是rogers5880基板，介电常数2.2，厚度0.254mm，长宽均为1.1mm，上表面为反射单元，下表面是金属地，
[0042]
图2是天线单元的相位图。一个性能较好的反射单元，其相位变化需要大于等于360度。从图中看出，在130ghz到170ghz频率范围内，其相位变化在360度左右。在40ghz的带宽内，相位变化具备较好的一致性，趋势相同，因此反射单元性能良好，具备宽频特性。图3
为反射阵的整体和局部放大图，由不同尺寸的风车形状单元构成19*19的反射阵列。
[0043]
图4为平面上反射阵波束扫描归一化方向图。在
±
30度的方向上，波束扫描呈现良好波束扫描的效果，在波束扫描范围内增益损失小于1.3db，副瓣电平小于-12db。一般认为波束扫描天线中，增益变化小于2db较为理想。
[0044]
图5为平面上反射阵波束扫描阵列对比方向图。对比的是无叠加相位的聚焦反射阵，在
±
30度的方向上，在波束扫描范围内增益损失在2.5db左右，副瓣电平小于-8db。通过与图4进行对比得出，本设计在波束扫描过程中的增益损失小、副瓣电平低等方面具备明显的优势。
[0045]
图6为3d面上反射阵波束扫描的归一化方向图。从图中可以看出，波束在0-360度的扫描过程中，增益和波束变化不大，保持一致性。
[0046]
图7为反射阵的增益图。在中心频率150ghz处，增益为25.8dbi，1-db带宽为132-167ghz，相对带宽达到23.3％，实现阵列的宽频特性。
[0047]
同时为实现反射阵天线的宽频特性，反射单元采用非对称的风车形状结构，在130-170ghz引入了多个谐振点，在40ghz的带宽内单元的相位变化具有较好的一致性，以宽频反射单元为基础设计的反射阵也具备宽频的特性。
[0048]
为实现反射阵天线的3d波束扫描特性，采用多焦点相位叠加法。假定波束方向为(θ，φ)，其中θ为波束与z坐标轴正半轴的夹角，φ为波束在xoy面上的投影与x轴正半轴的夹角，通过叠加(0,0)和(30,45k)，k取0,1,2,3,4,5,6,7，一共九个相位，取加权平均值得到所需的叠加后相位图。对于不同角度的波束分别进行叠加，实现阵列的3d波束扫描特性。多焦点相位叠加法采用如下公式进行计算，通过该公式计算出各个波束方向对应的相位φi值，通过加权相加得出最后叠加后的波束扫描相位。
[0049][0050]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
[0051]
以上描述仅为本技术的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本技术中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本技术中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

技术特征：
1.宽频亚太赫兹波束扫描反射阵天线，包括宽频反射阵天线单元结构，其特征在于：该宽频反射阵天线单元结构由单元采用的是介质基板(2)，上表面为反射单元(1)，下表面是金属地(3)，且该宽频反射阵天线单元结构，其内部圆形结构以及外部四个梯形边组成风车形状单元，通过改变l，与之关联的各个参数都会变化，从而改变反射单元的整体尺寸，通过反射单元尺寸的缩放，获得360度的相移范围。2.宽频亚太赫兹波束扫描反射阵天线，其特征在于：所述介质基板(2)的介电常数2.2，厚度0.254mm，长宽均为1.1mm。3.宽频亚太赫兹波束扫描反射阵天线，其特征在于：所述反射单元采用非对称的风车形状结构，在130-170ghz引入了多个谐振点，在40ghz的带宽内单元的相位变化具有较好的一致性，以宽频反射单元为基础设计的反射阵也具备宽频的特性。4.宽频亚太赫兹波束扫描反射阵天线，为实现反射阵天线的3d波束扫描特性，采用多焦点相位叠加法,其特征在于：该多焦点相位叠加法假定波束方向为(θ，φ)，其中θ为波束与z坐标轴正半轴的夹角，φ为波束在xoy面上的投影与x轴正半轴的夹角，通过叠加(0,0)和(30,45k)，k取0,1,2,3,4,5,6,7，一共九个相位，取加权平均值得到所需的叠加后相位图，对于不同角度的波束分别进行叠加，实现阵列的3d波束扫描特性，多焦点相位叠加法采用如下公式进行计算，通过该公式计算出各个波束方向对应的相位φi值，通过加权相加得出最后叠加后的波束扫描相位，公式如下：5.宽频亚太赫兹波束扫描反射阵天线，其特征在于：通过构建风车形状的非对称反射单元，在150ghz附近引入多个谐振点，在130-170ghz相位变化具备一致性。6.宽频亚太赫兹波束扫描反射阵天线，其特征在于：在馈源的移动过程中，波束在坐标轴的各个方向上(θ＝
±
30，φ＝0-360)均形成良好的不同偏转方向笔形波束，在偏转角范围内达到3d波束扫描。7.宽频亚太赫兹波束扫描反射阵天线，其特征在于：单层反射单元实现360度范围的相移，并去除了大多数反射单元需要的空气层。8.宽频亚太赫兹波束扫描反射阵天线，其特征在于：在中心频率150ghz处，增益为25.8dbi，1-db带宽为132-167ghz，相对带宽达到23.3％，实现阵列的宽频特性。

技术总结
本发明提供宽频亚太赫兹波束扫描反射阵天线，包括宽频反射阵天线单元结构，该宽频反射阵天线单元结构由单元采用的是介质基板，上表面为反射单元，下表面是金属地，且该宽频反射阵天线单元结构，其内部圆形结构以及外部四个梯形边组成风车形状单元，通过改变L，与之关联的各个参数都会变化，从而改变反射单元的整体尺寸，通过反射单元尺寸的缩放，获得360度的相移范围；该宽频亚太赫兹波束扫描反射阵天线，亚太赫兹反射阵具备宽波束扫描和低增益损失的特性。通过采用多焦点叠加原理优化了反射阵的相位，使得波束扫描角度为-30度至+30度，波束增益损失为1.3dB。波束增益损失为1.3dB。


技术研发人员：胡云
受保护的技术使用者：深圳市伟胜达五金有限公司
技术研发日：2023.05.09
技术公布日：2023/7/7