一种基于微金属线结构的高透光率宽带透射阵天线

1.本发明属于天线技术领域，具体涉及一种基于微金属线结构的高透光率宽带透射阵天线。


背景技术：

2.天线在各终端通讯系统中是关键的一环，在多种通讯设备的载体上通常带有光学观察窗口，这部分窗口如果加载传统天线会对视线造成较大的遮挡，如果可以在车窗等光学透明的窗口加载高透光率天线，则可以大大减小天线占用其他组件的面积，从而提升整体集成度。因此，在未来终端通讯设备的高集成化、多功能化的发展趋势下，研究透明天线势在必行。
3.通常现有透明天线的实现技术分为两种，一种是基于透明导电材料，如氧化铟锡，设计天线使得天线具有一定的透光率；另一种方式是采用金属网格结构代替传统金属，金属占空比越低，天线透光率就越大。而在透射阵天线这种天线形式，目前几乎没有能实现较高透光率的手段，同时还引入了较大损耗。也就是说，传统方案距离透明化应用还很远。
4.也就是说，不论是基于透明导电材料还是金属网格结构，可实现的透光率都较低，通常低于60％。并且，对于基于透明导电材料设计天线的方法而言，要实现更高的透光率就需要牺牲电导率，但会导致更大的损耗。因此这种方法设计的透明天线的损耗较大，辐射效率也远低于纯金属结构。此外，透射阵天线通常需要多层叠加来实现宽相移范围(360度以上)，但是，层数的叠加会进一步导致天线透光率与辐射效率的降低。因而，目前并没有一种既能实现高透光率，还能保持较高辐射效率的透射阵天线。


技术实现要素：

5.为了解决相关技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于微金属线结构的高透光率宽带透射阵天线。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
6.本发明提供一种基于微金属线结构的高透光率宽带透射阵天线，包括：
7.多个相移单元；每个相移单元包括：第一透明衬底、第二透明衬底和第三透明衬底；所述第二透明衬底设置于所述第一透明衬底一侧，所述第三透明衬底设置于所述第二透明衬底远离所述第一透明衬底的一侧；所述第一透明衬底和第二透明衬底之间，以及所述第二透明衬底与所述第三透明衬底之间，均设置有第一预设厚度的透明介质层；
8.所述第一透明衬底和所述第三透明衬底的顶面上均包括由微金属形成的条状微金属线结构，所述第一透明衬底上的条状微金属线结构与所述第三透明衬底上的条状微金属线结构相互正交；
9.所述第二透明衬底的顶面上包括由微金属形成的封闭环状微金属线结构和半闭合圆弧状微金属线结构；所述封闭环状微金属线结构设置于所述半闭合圆弧状微金属线结构形成的半闭合区域内；所述半闭合圆弧状微金属线结构中的圆弧的长度，用于控制相移单元对接收到的透射波的透射相位；其中，所述多个相移单元的透射相位相同。
10.本发明具有如下有益技术效果：
11.通过在采用透明衬底作为透射阵天线的相移单元的衬底，以及采用透明介质层作为衬底之间的介质的基础上，由微金属形成的微金属线结构实现透射阵天线的相移单元，一方面由于衬底和介质均为透明，所以可以实现透射阵天线的高透光率，另一方面由于微金属线的尺寸较小，因而对透明衬底的透光率的影响较小；从而使得透射阵天线的相移单元中每个层的透光率较高。同时，通过设置第一透明衬底和第二透明衬底上的条状微金属线结构相互正交，并且，使得第二透明衬底的微金属线结构为半闭合圆弧状微金属线结构和设置于半闭合圆弧状微金属线结构内的封闭环状微金属线结构，可以通过改变半闭合圆弧状微金属线结构中的圆弧的长度，改变相应的相移单元的透射相位，最终使得多个相移单元的透射相位相同，从而使得透射阵天线的辐射效率保持在较高范围内。因此，本发明提供的透射阵天线，既可以提高透射阵天线的透光率，还能使天线的辐射效率保持在较高范围内。
12.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
13.图1a为本发明实施例提供的示例性的透射阵天线的一个相移单元的结构示意图；
14.图1b为本发明实施例提供的示例性的一个相移单元的第二透明衬底和该第二透明衬底上的封闭环状微金属线结构和半闭合圆弧状微金属线结构的结构示意图；
15.图2a为本发明实施例提供的示例性的透射阵天线的阵列相位的分布图；
16.图2b为本发明实施例提供的示例性的透射阵天线的顶层的正投影图；
17.图2c为本发明实施例提供的示例性的透射阵天线的中间层的正投影图；
18.图2d为本发明实施例提供的示例性的透射阵天线的底层的正投影图；
19.图3a为本发明实施例提供的示例性的一个相移为φ的相移单元的第二透明衬底上设置的微金属线结构的方位示意图；
20.图3b为本发明实施例提供的示例性的一个相移为φ-180
°
的相移单元的第二透明衬底上设置的微金属线结构的方位示意图；
21.图4a为本发明实施例提供的示例性的透射阵天线的各个相移单元的结构参数变化引起的透射阵天线的反射幅值变化的示意图；
22.图4b为本发明实施例提供的示例性的透射阵天线的各个相移单元的结构参数变化引起的透射阵天线的相位变化的示意图；
23.图5a为本发明实施例提供的示例性的透射阵天线的e面方向图；
24.图5b为本发明实施例提供的示例性的透射阵天线的h面方向图；
25.图6为本发明实施例提供的示例性的透射阵天线的可实现增益与效率之间的关系图。
具体实施方式
26.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
27.在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗
示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
28.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
29.尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
30.本发明提供一种基于微金属线结构的高透光率宽带透射阵天线，该透射阵天线包括：多个相移单元；其中，每个相移单元包括：第一透明衬底1、第二透明衬底2和第三透明衬底3；第二透明衬底2设置于第一透明衬底1的一侧，第三透明衬底3设置于第二透明衬底2远离第一透明衬底1的一侧；第一透明衬底1和第二透明衬底2之间，以及第二透明衬底2与第三透明衬底3之间，均设置有第一预设厚度的透明介质层4。示例性的，第一预设厚度可以为3毫米。
31.第一透明衬底1和第三透明衬底3的顶面上均包括由微金属形成的条状微金属线结构，第一透明衬底1上的条状微金属线结构11与第三透明衬底3上的条状微金属线结构31相互正交；第二透明衬底2的顶面上包括由微金属形成的封闭环状微金属线结构21和半闭合圆弧状微金属线结构22；封闭环状微金属线结构21设置于半闭合圆弧状微金属线结构22形成的半闭合区域内；半闭合圆弧状微金属线结构22中的圆弧的长度，用于控制相移单元对接收到的透射波的透射相位；其中，多个相移单元的透射相位相同。
32.这里，通过改变圆弧的长度，可以改变耦合电流的路径长度，从而改变相移单元对接收到的透射波的透射相位。
33.这里，微金属线结构可以是采用光刻工艺制备出的，从而可以精确控制微金属线结构的厚度和宽度。
34.在一些实施例中，第一透明衬底1和第三透明衬底3上的条状微金属线结构11与31均以预设间隔设置，并且，第一透明衬底1或第三透明衬底3上的任意两个条状微金属线结构11或31之间相互平行。
35.示例性的，预设间隔可以为1.6毫米，从而第一透明衬底1上的条状微金属线结构11，以及第三透明衬底3上的条状微金属线结构31可以均以1.6毫米的间距设置。
36.在一些实施例中，第一透明衬底1、第二透明衬底2和第三透明衬底3的正投影均为正方形；示例性的，正方形的边长为8毫米；从而使得多个相移单元中的每个相移单元的周期为8毫米。
37.在一些实施例中，第一透明衬底1、第二透明衬底2和第三透明衬底3的厚度均为第二预设厚度。示例性的，第二预设厚度可以为0.1毫米。
38.示例性的，图1a是透射阵天线的一个相移单元的结构示意图，图1b为一个相移单元的第二透明衬底2和该第二透明衬底2上的封闭环状微金属线结构21和半闭合圆弧状微金属线结构22的结构示意图。图1a为斜视图，如图1a所示，各个透明衬底的材料可以为pet材料，并且用于形成该相移单元中的各个透明衬底上的微金属线结构的微金属可以为铜(copper)，透明介质层4可以为空气层，从而形成如图1a所示的一个相移单元。并且，如图1a所示，馈源喇叭辐射出的电磁波可以以e
inc
极化沿着-z方向垂直入射至透射阵天线，并以e
trans
极化沿着-z方向垂直透射出透射阵天线。如图1b所示，微金属线结构的宽度g可以为20微米；如此，通过人眼不可见的线宽仅有20微米的微金属线结构来实现透射阵天线设计，可以大大提高天线的透光率；微金属线结构的厚度可以为0.34微米。半闭合圆弧状微金属线结构22包括两条对应同一圆心的圆弧221a和221b；圆弧221a和221b对应的圆心角均为θ
arc
；封闭环状微金属线结构21为不规则六边形状的微金属线结构，不规则六边形状的微金属线结构的两个相对的锐角对应设置于圆弧221a和221b的中点，并且，不规则六边形状的微金属线结构包括两条相互平行的长边，这两条相互平行的长边之间的垂直距离为d。
39.在一些实施例中，微金属可以为铜，并且，微金属线结构的方阻可以为0.05欧姆每方(ohm/sq)。
40.在一些实施例中，50
°
≤θ
arc
≤170
°
。圆弧221a和221b对应的圆半径可以为7毫米；以及，在一些实施例中，d可以为5毫米。
41.示例性的，当需要的透射阵天线的阵列相位的分布如图2a所示时，对应的透射阵天线的各个层(除介质层之外)可以如图2b、2c和2d所示。图2b为该透射阵天线的顶层的正投影图，该顶层由多个相移单元设置有条状微金属线结构的第一透明衬底组成；图2c为该透射阵天线的中间层的正投影图，该中间层由这多个相移单元设置有封闭环状微金属线结构和半闭合圆弧状微金属线结构的第二透明衬底组成，其中，部分相移单元的半闭合圆弧状微金属线结构中的圆弧长度和相移不同；图2d为该透射阵天线的底层的正投影图，该底层由这多个相移单元设置有条状微金属线结构的第三透明衬底组成。
42.这里，当设计一些相移不同的相移单元，例如，图2c中的一些相移不同的相移单元时，可以采用镜像法控制相移单位的第二透明衬底上设置的金属线结构的方位，以实现相移单元的180
°
的相移变化。例如，图3a和图3b所示，当一个相移单元的第二透明衬底上设置的微金属线结构的方位如图3a所示、且该相移单元的相移为φ时，通过镜像法可以设计出另一个相移为φ-180
°
的相移单元，并且，设计出的该相移单元的第二透明衬底上设置的微金属线结构的方位如图3b所示。
43.以下通过仿真实验，对本发明提供的透射阵天线的结构所带来的效果进行进一步说明。
44.图4a是透射阵天线的各个相移单元的结构参数变化引起的透射阵天线的反射幅值变化的示意图，图4b是透射阵天线的各个相移单元的结构参数变化引起的透射阵天线的相位变化的示意图。图4a的横坐标是组成该透射阵天线的各个相移单元的θ
arc
，横坐标为插损值。如图4a所示，该天线的中心频率处的峰值插损值低于2.7db，并且，插损值3.5db以内的带宽为9.5-16ghz。图4b的横坐标是组成该透射阵天线的各个相移单元的θ
arc
，横坐标为
相位值，如图4b所示，该透射阵天线可以实现约400度的相移范围。
45.图5a和图5b是透射阵天线的辐射方向图，其中，图5a是该透射阵天线的e面方向图，图5b是该透射阵天线的h面方向图。如图5a和图5b所示，该透射阵天线的半功率波束宽度为9.3
°
，副瓣电平低于20.7db。
46.图6是透射阵天线的可实现增益(realized gain)与效率(efficiency)之间的关系图，如图6所示，在12ghz处，透射阵天线的总效率可达51％。
47.本发明实施例中，通过以上结构的相移单元，可以设计出合理的阵列排布以补偿馈源喇叭辐射出的电磁波到达每个单元的相位差，从而得到所需的透射阵天线。
48.本发明实施例，通过在采用透明衬底作为透射阵天线的相移单元的衬底，以及采用透明介质层作为衬底之间的介质的基础上，由微金属形成的微金属线结构实现透射阵天线的相移单元，一方面由于衬底和介质均为透明，所以可以实现透射阵天线的高透光率，另一方面由于微金属线的尺寸较小，因而对透明衬底的透光率的影响较小；从而使得透射阵天线的相移单元中每个层的透光率较高。同时，通过设置第一透明衬底和第二透明衬底上的条状微金属线结构相互正交，并且，使得第二透明衬底的微金属线结构为半闭合圆弧状微金属线结构和设置于半闭合圆弧状微金属线结构内的封闭环状微金属线结构，可以通过改变半闭合圆弧状微金属线结构中的圆弧的长度，改变相应的相移单元的透射相位，最终使得多个相移单元的透射相位相同，从而使得透射阵天线的辐射效率保持在较高范围内。因此，本发明提供的透射阵天线，既可以提高透射阵天线的透光率，还能使天线的辐射效率保持在较高范围内。
49.本发明实施例，在保证透射阵天线的辐射效率的前提下，大大提升了天线的透光率。由于需要多层堆叠实现相移范围达到360度，因此传统结构很难实现透明透射阵的设计，即使采用ito这种透明导电材料，经过多层堆叠后透光率将大大降低，且插损将大于3db，天线的效率会大大降低。而本发明所提出的微金属线结构使得每层的透光率大大提升，金属层的理论透光率大于98％，因此，每次的实际透光率仅取决于透明衬底的透光率。最终，透射阵天线透光率能够超过70％，并且，若利用增透膜技术，天线的透光率则可以提升到80％。
50.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。