一种毫米波高效率缝隙天线子阵及相控阵天线

1.本发明涉及无线能量传输领域，具体涉及一种毫米波高效率缝隙天线子阵及相控阵天线。


背景技术：

2.近年来，无人机在军民领域得到了越来越广泛的应用，但无人机的续航能力有限，限制了无人机的应用。无线能量传输作为一种新型的能量传输方式，可以为无人机的无限续航提供可能，是弥补无人机续航能力差的关键技术。而发射天线作为无线能量传输系统的重要组成部分，其辐射效率的高低直接影响了整个无线能量传输系统的性能。
3.在无线能量传输系统中，一般采用微波来传输能量，但由于毫米波具有更窄的波束，因此，采用毫米波来传输能量，可以使得能量更集中，能量的利用率更高，不会因为能量辐射过于发散而导致辐射能量的浪费。而无人机的飞行轨迹不固定且飞行区域范围较大，因此，无线能量传输系统对发射天线的要求较高，除了需要在毫米波频段具备较高的辐射效率外，还应具备宽角扫描的能力。同时考虑到毫米波电路的平面化、小型化等特点，发射天线应易于与无线能量传输系统的平面电路集成。现有的高效率天线仅能满足单一或部分性能需求，无法同时满足无线能量传输系统对发射天线的要求。因此，如何设计一种具有高效率且具备扫描功能的毫米波高效率相控阵天线是人们一直关注的焦点。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种毫米波高效率缝隙天线子阵及相控阵天线。基于该子阵所设计的相控阵天线可兼具高效率和宽角扫描性能，且易于与平面电路集成。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种毫米波高效率缝隙天线子阵，包括：若干介质基板、上金属地板、下金属地板、双面馈电线、上空气腔、下空气腔、若干辐射缝隙；
7.其中，
8.若干介质基板依次堆叠，在第一层介质基板的上表面设置下金属地板，在第二层介质基板设置下空气腔，在第三层介质基板的上下表面设置馈电线，所述双面馈电线相互连接形成双面馈电线，在第四层介质基板设置上空气腔，所述第五层介质基板下表面设置上金属地板，并在所述第五层介质基板的上金属地板上设置辐射缝隙。
9.优选地，所述辐射缝隙的数量为多个，呈1*n阵列排布，各个相邻的辐射缝隙间距相等。
10.优选地，所述馈电线的初始端设置平面过渡结构与馈源连接，其末端设置为开路。
11.优选地，按照信号流向，最后一个辐射缝隙与馈电线末端距离为第一预设距离，使最后一个辐射缝隙的入射相位和反射相位同相叠加以增强辐射。
12.优选地，所述辐射缝隙的长度为第一预设长度，呈阵列排布的辐射缝隙与馈电线
相互垂直。
13.优选地，相邻辐射缝隙之间的距离为第二预设距离。
14.优选地，所述上空气腔及下空气腔均是在介质基板设置挖空部分，并在挖空部分周围设置金属化过孔构成。
15.优选地，所述平面过渡结构包括接地共面波导、带状线、dsisl(double-side substrate integrated suspended line)传输线及金属柱。
16.优选地，双面馈电线通过金属化过孔连接。
17.一种相控阵天线，包括多个呈阵列排布的所述的毫米波高效率缝隙天线子阵。
18.本发明的有益效果：
19.由上述介绍的技术方案可知，本发明可以利用若干介质基板、上下金属地板、双面馈电线、上下空气腔组成一个可以传输信号或能量的dsisl传输线，并且可以直接在所述dsisl传输线上设置若干辐射缝隙4来辐射信号或能量。所述dsisl传输线是一种多层介质基板结构的低损耗传输线，与传统金属波导悬置线相比，所述dsisl传输线具有结构简单、平面集成度高、成本低、重量轻和易加工等优点。除此之外，相比于传统的sisl(substrate integrated suspended line)馈电线仅印刷于介质基板的其中一面，本发明的dsisl传输线由于馈电线印刷于介质基板上下表面，并通过金属化过孔相互连接而具有更低的传输损耗，可有助于提升天线子阵辐射效率。
20.此外，本发明直接在dsisl传输线的上层金属地板上蚀刻辐射缝隙来设计天线子阵，无需额外馈电结构即可实现各辐射缝隙的串联馈电。与传统天线子阵相比，本发明的天线子阵没有引入馈电网络，可以有效避免了由于馈电网络带来的网络损耗，因此本发明的天线子阵相比传统天线子阵具有更低的损耗，所以辐射效率更高。此外，由于dsisl传输线的主模是tem(transverse electromagnetic)模，因此，dsisl的宽度不会因为需要考虑截止波长而受到限制，宽度可以做得更窄，基于更窄天线子阵设计的相控阵天线具备更宽的扫描角度。
21.总结起来，本发明利用了dsisl的低损耗特性，同时在dsisl基础上直接开缝避免了馈电网络带来的网络损耗，因此，本发明的天线子阵相比传统天线子阵由于损耗更低而具备更高的效率。在实现高效率的同时，由于dsisl的模式使得所设计的天线子阵宽度较窄，基于窄宽度天线子阵所设计的相控阵天线会具有更宽的扫描角度。
附图说明
22.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
23.图1是本发明示例的一种毫米波高效率缝隙天线子阵的三维结构示意图；
24.图2是本发明示例的一种毫米波高效率缝隙天线子阵的侧视图；
25.图3是本发明示例的一种毫米波高效率缝隙天线子阵的平面过渡结构示意图；
26.图4是本发明示例的一种毫米波高效率缝隙天线子阵各部分结构标注示意图；
27.图5(a)及图5(b)分别是本发明示例的一种毫米波高效率缝隙天线子阵的双面馈
电线的下表面、上表面结构示意图；
28.图6是本发明示例的一种毫米波高效率相控阵天线的三维结构示意图；
29.图7是本发明示例的一种毫米波高效率相控阵天线的侧视图；
30.图8是本发明示例的一种毫米波高效率相控阵天线的三维结构的尺寸标注示意图；
31.图9是本发明示例的一种毫米波高效率缝隙天线子阵的|s
11
|和增益仿真结果示意图；
32.图10是本发明示例的一种毫米波高效率缝隙天线子阵的辐射效率仿真结果示意图；
33.图11是本发明示例的一种毫米波高效率缝隙天线子阵在频率f＝24ghz时e面(xoz面)和h面(yoz面)的仿真方向图；
34.图12是本发明示例的一种毫米波高效率相控阵天线的s参数仿真结果示意图；
35.图13是本发明示例的一种毫米波高效率相控阵天线的增益和辐射效率仿真结果示意图；
36.图14为本发明示例的一种毫米波高效率相控阵天线在频率f＝24ghz时h面(yoz面)的3db扫描结果示意图。
具体实施方式
37.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
38.实施例
39.接下来结合图1、图2、图3介绍本发明的毫米波高效率缝隙天线子阵。如图1所示，本发明的毫米波高效率缝隙天线子阵，可以包括若干层介质基板(sub1-sub5)、双面馈电线1、上金属地板2、下金属地板3、辐射缝隙4、上空气腔5、下空气腔6、金属化过孔7。
40.其中，
41.若干介质基板依次堆叠，在所述第三层介质基板sub3的上、下表面设置馈电线，并可以通过金属化过孔7将所述第三层介质基板sub3的上、下表面的馈电线进行连接已形成双面馈电线1。在实际应用中，还可以通过调整馈电线的宽度来调整阻抗匹配度，例如，可以把馈电线的结构调整为扇形结构，或可以将馈电线的结构调整为阶梯状结构等。
42.在所述第五层介质基板sub5的下表面可以设置一个上金属地板2，在第一层介质基板sub1的上表面可以设置下金属地板3。在所述第五层介质基板sub5的上金属地板2上设置辐射缝隙4，所述辐射缝隙4可以用于辐射信号或能量，可根据实际需求设置所述辐射缝隙4的数量。
43.在第四层介质基板sub4上部分挖空设置上空气腔5，在第二层介质基板sub2上部分挖空设置下空气腔6，以使得天线子阵内的大部分电磁波是在上下空气腔中传播。若第四层介质基板sub4和第二层介质基板sub2未设置空气腔，天线子阵内的电磁波将在第四层介质基板sub4和第二层介质基板sub2中传播，天线子阵的损耗将极大增加。因此，在所述第二
层介质基板sub2及所述第四层介质基板sub4设置空气腔可以极大地降低天线子阵的损耗，提升天线子阵的辐射效率。
44.由上述介绍可知，本发明可以利用若干介质基板、双面馈电线、上下金属地板、上下空气腔组成一个可以传输信号或能量的dsisl传输线，并且可以直接在所述dsisl传输线上设置若干辐射缝隙4来辐射信号或能量。所述dsisl传输线是一种多层介质基板结构的低损耗传输线，与传统金属波导悬置线相比，所述dsisl传输线具有结构简单、平面集成度高、成本低、重量轻和易加工等优点。除此之外，相比于传统的sisl(substrate integrated suspended line)馈电线仅印刷于介质基板的其中一面，本发明的dsisl传输线由于馈电线印刷于介质基板上下表面，并通过金属化过孔相互连接而具有更低的传输损耗，可有助于提升天线子阵辐射效率。
45.由上述介绍可知，本发明可以在第三层介质基板sub3的上表面和下表面设置馈电线并相互连接以构成双面馈电线1，所述双面馈电线1可以有效提高天线子阵的辐射效率。
46.具体地，所述双面馈电线1的起始端可以设置平面过渡结构以与馈源连接，所述双面馈电线1的末端可以设置为开路。按照信号的流向，可以将最后一个辐射缝隙与所述双面馈电线1的末端之间的距离设置为第一预设距离ds1，以使最后一个辐射缝隙的入射相位和反射相位同相叠加以增强辐射。其中，所述双面馈电线1末端设置为开路端可以使得所述双面馈电线1的起始端传输至所述双面馈电线1的末端的入射波与经所述双面馈电线1的末端反射的反射波之间的相位相差180
°
。由此，当反射波经所述双面馈电线1的末端反射至最后一个辐射缝隙4时，由于最后一个辐射缝隙与所述双面馈电线1的末端之间的距离为第一预设距离ds1，使得反射波的相位与该辐射处的入射波相位可以同相，有效实现了增强信号或能量的辐射。
47.例如，可以参考波导波长来设置最后一个辐射缝隙与所述双面馈电线1末端之间的距离ds1，经研究发现，可以将所述第一预设距离ds1设置为ds1＝1/4λg。其中，λg可以为工作频率为毫米波无线能量传输系统中心频点f＝24ghz时对应的波导波长。其中，由于上下空气腔的存在，电磁波所在空间的介电常数可以认为基本等于空气的介电常数，因此，工作频率为毫米波无线能量传输系统中心频点f＝24ghz时对应的波导波长可认为等于真空波长。当最后一个辐射缝隙与所述双面馈电线1的末端之间的距离ds1为ds1＝1/4λg时，可以使得最后一个辐射缝隙的入射相位和反射相位同相叠加以增强辐射。
48.此外，按照信号的流向，上空气腔5和下空气腔6的末端与所述双面馈电线1末端之间设置一定距离d，以保证所述双面馈电线1的末端可以设置为开路。
49.例如，可以将上空气腔5和下空气腔6的末端与所述双面馈电线1末端之间的距离d可以设置为大于或等于3mm，经仿真优化发现，当上空气腔5和下空气腔6的末端与所述双面馈电线1末端之间距离d为3mm时，可以认为所述双面馈电线1末端为开路。
50.由上述介绍可知，本发明可以根据信号的流向，在所述双面馈电线1的初始端设置平面过渡结构与馈源连接，并将上空气腔5和下空气腔6的末端与所述双面馈电线1末端之间设置一定的距离d，以便将所述双面馈电线1的末端设置为开路，同时，将最后一个辐射缝隙与所述双面馈电线1的末端之间的距离设置为第一预设距离ds1，以使最后一个辐射缝隙的入射相位和反射相位同相叠加以增强辐射。有效增强了辐射效率。
51.由上述介绍可知，本发明可以在所述第五层介质基板sub5的上金属地板2上设置
若干个辐射缝隙4来实现有效信号或能量辐射，在实际应用中，为了实现有效能量或辐射信号辐射，所述辐射缝隙4的长度可以设置为预设第一长度ls。所述辐射缝隙4与所述双面馈电线1呈垂直关系，所述辐射缝隙4的形状可以根据实际的需求来设置。所述辐射缝隙4的数量及排布可以根据增益需要进行调整。若干所述辐射缝隙4可以呈1*n阵列排布，其中，n为所述辐射缝隙4的数量，各个辐射缝隙4之间的缝隙间距相等，各个辐射缝隙4之间的间距可以设置为第二预设距离。
52.例如，为了实现更好的辐射效果，所述第一预设长度ls可以设置为ls＝1/2λg。其中，λg可以为工作频率为毫米波无线能量传输系统中心频点f＝24ghz时对应的波导波长。经研究发现，将所述辐射缝隙4的长度设置为ls＝1/2λg，单个所述辐射缝隙4的辐射最强。
53.其中，所述第二预设距离可以参考波导波长来设置，例如，各个辐射缝隙4之间的间距ds2可以设置为ds2＝1λg。其中，λg可以为工作频率为毫米波无线能量传输系统中心频点f＝24ghz时对应的波导波长。经研究发现，将所述辐射缝隙4的长度设置为ds2＝1λg，所述辐射缝隙4的辐射效果可以达到更好。
54.例如，根据测试场景需求，本发明可以将所述辐射缝隙4的数量设置为4个，4个辐射缝隙呈1
×
4来排布，其中1
×
4表示4个辐射缝隙在1列上呈阵列排布。在实际应用过程中，辐射缝隙4越多，辐射越强，相对应的双面馈电线也越长。所述辐射缝隙4的形状可以为矩形，所述双面馈电线的结构可以为长条形结构。为了使得所述天线子阵的辐射效果更强，每个辐射缝隙之间的间距相等，各个辐射缝隙4的间距ds2可以设置为ds2＝1λg，以便可使得相邻的两个辐射缝隙4的电磁波在远场同相叠加增强辐射。
55.由上述介绍的技术方案可以看出，本发明可以根据实际的应用需求，在所述第五层介质基板sub5的上金属地板2上设置若干个辐射缝隙4来实现有效辐射信号或能量。与传统天线子阵不同，本发明的辐射缝隙4可以直接蚀刻于dsisl传输线上层金属地板2上，无需额外馈电结构即可实现各辐射缝隙4的串联馈电，从而形成天线子阵。且本发明可以参考波导波长来设置所述辐射缝隙4的长度以及各个辐射缝隙4之间的间距，以实现更好的辐射效果有助于提高本发明的一种毫米波高效率缝隙天线子阵的辐射效率。
56.由上述介绍可知，大部分电磁波是在空气中传播，电磁波在空气中传播的损耗比在介质中传播的损耗要低得多，为了降低电磁波的传播损耗，实现电磁波通过空气传播，本发明可以在第四层介质基板sub4及第二层介质基板sub2部分挖空以分别设置上空气腔5及下空气腔6。
57.具体地，可以在第四层介质基板sub4及第二层介质基板sub2中设置挖空部分，并在挖空部分周围设置金属化过孔7以形成所述上空气腔5及下空气腔6。在所述二层介质基板sub2及第四层介质基板sub4挖空部分周围设置金属化过孔7，金属化过孔7可以连接上金属地板2及下金属地板3，金属化过孔7与上金属地板2及下金属地板3共同形成封闭的空气腔。除此之外，封闭空气腔的设置可以使得电磁波仅能通过辐射缝隙辐射，而不会在其它地方泄露，避免了泄露带来的损耗；另外空气腔的设置可以使得天线子阵内部的大部分电磁波在空气腔内传播而非在介质基板sub2和sub4中传播，从而极大地降低了介质损耗，金属化过孔7的设置可以防止电磁波向外泄露同时，也可以避免外界电磁波对天线子阵内部电磁波的干扰。
58.由上述介绍的技术方案可知，本发明可以在第四层介质基板sub4及第二层介质基
板sub2的表面中设置上空气腔5及下空气腔6，可以使得电磁波在空气腔中传播，相比于电磁波在介质中传播，本发明不仅降低了电磁波的传输损耗，提高了天线子阵的辐射效率，而且有效避免了电磁波的泄露及避免外界对天线子阵的干扰，抗干扰性强。
59.由上述介绍可知，本发明可以在所述双面馈电线1的初始端设置平面过渡结构与馈源形成连接，以使得馈源的信号或能量可以很好地馈给天线子阵。
60.具体地，所述平面过渡结构可以为一个cpw-strip line-dsisl过渡结构，主要可以包括接地共面波导cpw11、带状线strip line12、dsisl传输线13和调节阻抗匹配的金属柱14。各传输线阻抗均为50ω，各传输线之间阻抗通过金属柱14调节。
61.研究发现，天线子阵越窄，越有利于相控阵天线的宽角扫描设计。但考虑到所述辐射缝隙4垂直蚀刻于dsisl传输线上方的金属地板2上，所以，本发明的天线子阵宽度最小可以小到与所述辐射缝隙4一样长度。
62.馈电线的宽度一般可以根据所需匹配阻抗值设定，在实际工程应用中，阻抗取50欧姆，因此，在根据50欧姆阻抗确定馈电线的初始宽度后，可以进一步根据天线子阵的阻抗匹配情况来调整馈电线的宽度，以使得整个天线子阵的阻抗匹配更好，另外，馈电线的长度也与辐射缝隙4的数量有关。
63.其中，所述平面过渡结构不限于本实施例的形式，所述平面过渡结构的形式可以根据实际测试场景以及所选用的馈源来选择。例如，可以根据实际测试场景需要换成其他平面传输线，只需要满足把馈源和天线连接起来，使得馈源的信号可以馈给天线即可。
64.例如，本发明根据测试中所用的馈源的具体情况，采用cpw-stripline-dsisl过渡结构可以使得天线子阵与馈源很好地连接。
65.例如，图4和图5(a)、图5(b)示例了一种天线子阵的尺寸标注示意图，其中，具体参数可以如下：
66.天线子阵长度lg＝53mm；
67.天线子阵宽度wg＝20mm；
68.空气腔长度lh＝40.25mm；
69.空气腔宽度wh＝4.8mm；
70.除去过渡结构后双面馈电线长度lf＝36.5mm；
71.除去过渡结构后双面馈电线宽度wf＝1.8mm；
72.空气腔末端与双面馈电线末端之间的距离d＝3mm；
73.双面馈电线末端与最后一个辐射缝隙之间的距离ds1＝3.375mm；
74.相邻辐射缝隙之间的距离ds2＝9.5mm；
75.辐射缝隙长度ls＝4mm；
76.辐射缝隙宽度ws＝1.75mm。
77.另外，在实际应用中，可以根据使用的场景及基于成本的考虑来选择不同材质的板材作为各层介质基板，其中，各层介质基板的具体参数可以如下：
78.第一层介质基板sub1、第二层介质基板sub2以及第四层介质基板sub4由于仅起支撑作用，可以采用价格相对低廉的板材。例如，可以采用fr4板材(εr＝4.4，tanδ＝0.02)，其中，为保证整个天线的硬度，第一层介质基板sub1可以采用较厚板材，例如，第一层介质基板的厚度可以为h1＝2mm，第二层介质基板sub2以及第四层介质基板sub4的厚度可以为h2
35db和-21db，e面和h面的方向图展示出所述天线子阵极低的交叉极化性能。
94.从1
×
8相控阵天线仿真结果可以得出：1
×
8相控阵天线10-db阻抗带宽同样为300mhz(23.9ghz-24.2ghz)，相比天线子阵，阵列天线中心频率有100mhz的偏移，但依然覆盖了无线能量传输系统的工作频段，隔离度大于15.4db；阻抗带宽内增益大于20.3dbi，最大增益为20.6dbi；阻抗带宽内辐射效率大于85.2％，最大辐射效率为86.8％；3db增益下降的扫描角为
±
52
°
，扫描范围内左右对称性良好且交叉极化较低，整个扫描角度内交叉极化电平可以低于-30db。
95.从上述天线子阵和阵列的仿真结果可以看出，本发明的天线子阵和相控阵天线在无线能量传输系统的工作频段内均具备较高的辐射效率。同时，基于所述高效率、窄宽度天线子阵设计的1
×
8相控阵天线可以具备
±
52
°
的扫描范围，1
×
8相控阵天线的设计表明：所述天线子阵具备拓展成宽角扫描相控阵天线的能力。
96.因此，本发明基于若干个毫米波高效率缝隙天线子阵设计的相控阵天线，结构简单，易于加工且组装方便，具有低剖面特性，不仅具备高效率传输效率，且具备较宽的扫描能力，可很好地应用于无线能量传输系统中。
97.最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
98.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
99.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。各个实施例之间可以相互组合。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。