一种具有大频比的高增益共口径波束扫描天线

本发明涉及一种共口径天线，尤其涉及一种具有大频比的高增益共口径波束扫描天线，属于5g通信当中的sub-6ghz频段和毫米波频段共口径波束扫描天线制造的。

背景技术：

1、随着5g通信时代的到来，频谱资源在不断地向着更高频段拓展。现有的5g通信系统涉及的频段主要有2个：sub-6ghz频段和毫米波频段。因为两个频段相隔甚远，所以通常很难用一副天线在这两个频段上都能保持工作。因此多频天线(尤其是频率相隔较远的频段)的研究被人们广泛关注。另一方面，毫米波段由于受制于路径损耗较高，因而要求具有高增益窄波束的快速扫描功能。随着天线技术的发展涌现出了一些新型的超材料结构。这些超材料往往能够在不同的频段呈现不同的性能，这使得天线有可能在同一个口径面内实现不同的功能。共口径天线就是这样一种在同一个口径面下能够满足多幅天线在多个频段下同时工作的天线类型，它能够大大地减少天线的口径面尺寸，从而降低天线的加工成本。

技术实现思路

1、技术问题：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种具有大频比的高增益共口径波束扫描天线，解决了5g通信当中的sub-6ghz频段和毫米波频段(两个频段相隔较远)实现天线共口径、在双频段都能实现高增益和高频段同时具有波束扫描功能的问题。即利用同一口径不需要单元组阵的方式同时实现了天线的双频段工作高增益辐射和高频段的波束扫描。

2、技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用一种具有大频比的高增益共口径波束扫描天线，该天线由四层介质板和馈电结构组成，最上面两层介质板即第一层介质板、第二层介质板的上表面分别印刷有相位梯度超表面结构构成周期性超表面，并且沿着二维平面内的某个方向有相位梯度变化，两层介质板相隔一定的距离，最上面的两层介质板可以绕法向轴线旋转；下面的两层介质板即第三层介质板和第四层介质板固定不动，在其中的第三层介质板上印刷有超表面周期结构，在第四层介质板上表面的中央，印刷有为低频段高增益谐振腔天线馈电的微带贴片天线，微带贴片天线的四周印刷有高频段的极化转换反射结构；第四层介质板的下表面则作为接地板；第四层介质板在微带贴片天线和接地板的中央分别留有一个矩形的缺口，第四层介质板下侧与标准wr34波导喇叭相连，通过波导喇叭对高频段的折叠反射阵天线进行馈电。

3、所述超表面周期结构对于低频段的高增益谐振腔天线来说是部分反射表面，对于高频段的折叠反射阵天线而言是极化栅。

4、所述低频段的高增益谐振腔天线，第三层介质板表面的超表面周期结构具有部分反射表面的性能，与第四层介质板及接地板共同构成高增益谐振腔，第四层介质板上的微带贴片天线为低频段的高增益谐振腔天线馈电。

5、所述高频段的折叠反射阵天线，第三层介质板表面的的超表面周期结构同时具有极化栅的性能，能够使一种极化方式的电磁波透过并且反射与之呈正交极化的电磁波，第四层介质板上的极化转换反射结构在反射高频电磁波的同时还能够进行极化转换和相位补偿，第四层介质板中间的标准wr34波导喇叭为高频段的折叠反射阵天线进行馈电。

6、所述低频段的高增益谐振腔天线和高频段的折叠反射阵天线共用印刷有超表面周期结构的第三介质板作为天线辐射的口径。

7、所述印刷在第三层介质板上的超表面周期结构由多个超表面单元组成，多个超表面单元排列成正方形。

8、所述上两层介质板上的相位梯度超表面结构由多个超表面结构单元排列成多组，每一组有多列，第一列到最后一列的超表面单元为由小到大设置。

9、所述上两层介质板上的相位梯度超表面结构，在高频段具有相位梯度，对低频段呈现透明，即从第三层介质板口径辐射的低频段电磁波会无反射的通过；通过旋转上两层介质板，即可实现高频段电磁波束的扫描。

10、所述低频段高增益谐振腔的高度满足h＝(1/2+n/2)λ1的条件，其中λ1为低频中心频率电磁波的自由空间波长，n＝0,1,2…；所述高频段折叠反射阵天线的焦径比满足2h/d＝1/2，其中d为天线口径面的直径长度。

11、所述极化转换反射结构由顺序排列的多排极化转换反射单元组成，该反射单元由矩形贴片构成，矩形贴片的长宽决定了极化转换所需的反射相位。

12、有益效果：本发明与现有的多频段共口径天线相比免除了传统共口径天线复杂的馈电网络，而且剖面高度较小，结构也更加简单；本发明通过下面两层介质板形成了两种类型的高增益天线，并且高增益谐振腔天线和折叠反射阵天线均可以分开研究，使得该双频段共口径天线在设计的时候具有很高的独立性和灵活性，理论上可以设计出任意频率比的共口径天线。而通过上面两层介质板形成高频段波束扫描功能，同时对低频段的高增益波束没有影响。

技术特征：

1.一种具有大频比的高增益共口径波束扫描天线，其特征在于：该天线由四层介质板和馈电结构组成，最上面两层介质板即第一层介质板(1)、第二层介质板(2)的上表面分别印刷有相位梯度超表面结构(5)构成周期性超表面，并且沿着二维平面内的某个方向有相位梯度变化，两层介质板相隔一定的距离，最上面的两层介质板可以绕法向轴线旋转；下面的两层介质板即第三层介质板(3)和第四层介质板(4)固定不动，在其中的第三层介质板(3)上印刷有超表面周期结构(6)，在第四层介质板(4)上表面的中央，印刷有为低频段高增益谐振腔天线馈电的微带贴片天线(7)，微带贴片天线(7)的四周印刷有高频段的极化转换反射结构(8)；第四层介质板(4)的下表面则作为接地板(10)；第四层介质板(4)在微带贴片天线(7)和接地板(10)的中央分别留有一个矩形的缺口，第四层介质板(4)下侧与标准wr34波导喇叭(9)相连，通过波导喇叭对高频段的折叠反射阵天线进行馈电。

2.根据权利要求1所述的一种具有大频比的高增益共口径波束扫描天线，其特征在于：所述超表面周期结构(6)对于低频段的高增益谐振腔天线来说是部分反射表面，对于高频段的折叠反射阵天线而言是极化栅。

3.根据权利要求2所述的一种具有大频比的高增益共口径波束扫描天线，其特征在于：所述低频段的高增益谐振腔天线，第三层介质板(3)表面的超表面周期结构(6)具有部分反射表面的性能，与第四层介质板(4)及接地板(10)共同构成高增益谐振腔，第四层介质板(4)上的微带贴片天线(7)为低频段的高增益谐振腔天线馈电。

4.根据权利要求2所述的一种具有大频比的高增益共口径波束扫描天线，其特征在于：所述高频段的折叠反射阵天线，第三层介质板(3)表面的的超表面周期结构(6)同时具有极化栅的性能，能够使一种极化方式的电磁波透过并且反射与之呈正交极化的电磁波，第四层介质板(4)上的极化转换反射结构(8)在反射高频电磁波的同时还能够进行极化转换和相位补偿，第四层介质板(4)中间的标准wr34波导喇叭(9)为高频段的折叠反射阵天线进行馈电。

5.根据权利要求3或4所述的一种具有大频比的高增益共口径波束扫描天线，其特征在于：所述低频段的高增益谐振腔天线和高频段的折叠反射阵天线共用印刷有超表面周期结构(6)的第三介质板(3)作为天线辐射的口径。

6.根据权利要求1所述的一种具有大频比的高增益共口径波束扫描天线，其特征在于：所述印刷在第三层介质板上的超表面周期结构(6)由多个超表面单元组成，多个超表面单元排列成正方形。

7.根据权利要求1所述的一种具有大频比的高增益共口径波束扫描天线，其特征在于：所述上两层介质板上的相位梯度超表面结构(5)由多个超表面结构单元排列成多组，每一组有多列，第一列到最后一列的超表面单元为由小到大设置。

8.根据权利要求7所述的一种具有大频比的高增益共口径波束扫描天线，其特征在于：所述上两层介质板上的相位梯度超表面结构(5)，在高频段具有相位梯度，对低频段呈现透明，即从第三层介质板(3)口径辐射的低频段电磁波会无反射的通过；通过旋转上两层介质板，即可实现高频段电磁波束的扫描。

9.根据权利要求3所述的一种具有大频比的高增益共口径波束扫描天线，其特征在于：所述低频段高增益谐振腔的高度满足h＝(1/2+n/2)λ1的条件，其中λ1为低频中心频率电磁波的自由空间波长，n＝0,1,2…；所述高频段折叠反射阵天线的焦径比满足2h/d＝1/2，其中d为天线口径面的直径长度。

10.根据权利要求4所述的一种具有大频比的高增益共口径波束扫描天线，其特征在于：所述极化转换反射结构(8)由顺序排列的多排极化转换反射单元组成，该反射单元由矩形贴片构成，矩形贴片的长宽决定了极化转换所需的反射相位。

技术总结
本发明是一种具有大频率比的高增益共口径波束扫描天线，最上面两层介质板印刷有超表面单元结构，并且沿着二维平面内的某个方向有相位梯度变化，两层介质板相隔一定的距离可绕法向轴线旋转。下面的两层介质板固定不动，在上层介质板上印刷有周期结构；在下层介质板上表面的中央，印刷有为低频段高增益谐振腔天线馈电的微带贴片天线，四周印刷有高频段的极化转换反射单元；下层介质板的下表面则作为接地板。在微带贴片天线和接地板的中央分别留有一个矩形的缺口，该介质板下侧与标准WR34波导相连，通过波导对高频段的折叠反射阵天线进行馈电。在5G通信领域的Sub‑6GHz频段和毫米波频段均可以收发电磁波的效果，同时高频段可以实现波束扫描。

技术研发人员：刘震国
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13