[发明专利]宽波束双圆极化超表面天线单元、实现方法及相控阵天线

说明书

本发明公开了一种宽波束双圆极化超表面天线单元、实现方法及相控阵天线，包括天线馈电结构、天线辐射体结构及天线宽波束结构，所述天线馈电结构包括环形带状线、交叉缝隙及金属化过孔，所述天线辐射体结构包括主超表面及寄生超表面，所述天线宽波束结构包括寄生槽和接地柱。本发明实现宽增益波束和宽轴比波束的双圆极化天线。

技术领域

本发明涉及通信领域，特别涉及一种宽波束双圆极化超表面天线单元、实现方法及相控阵天线。

背景技术

随着无线通信技术发展，5G的sub-6G频段逐渐开始大规模商用，毫米波频段由于带宽更宽，速率更快，受到了广泛的关注，成为学术界和产业界的研究热点。其中一个重要的应用在于卫星通信。由于卫星距离地面远，通信延迟大，通信容量非常有限。为了克服这个问题，目前主流的解决方案是采用毫米波双圆极化宽角扫描相控阵天线。双圆极化天线能有效减小多径效应和雨衰，抗干扰较强，是卫星通信中主要的天线类型；相控阵天线通常采用平板阵列天线形式，剖面低，通过移相器等组件实现电扫描，克服了传统机械扫描的惯性，更适合卫星与地面低延时通信的需求；宽角扫描可以使得相控阵天线的覆盖范围更广，有效减少覆盖所需的天线数量。毫米波双圆极化宽角扫描相控阵天线的主要指标有带宽、波束宽度、扫描角度、轴比等，通常要求天线单元具有宽的增益波束宽度和轴比波束宽度，以及自身能实现左旋或右旋圆极化，并基于此拓展成宽角扫描且低轴比的相控阵天线。

为了提升相控阵的宽角扫描和轴比性能，近年来出现了很多先进的技术方案。在目前已有的方案中，文献X.Luo et al.,A Scalable Ka-Band 1024-Element TransmitDual-Circularly-Polarized Planar Phased Array for SATCOM Application,in IEEEAccess,vol.8,pp.156084-156095,2020.提出了一种窄带双圆极化的相控阵，天线单元采用了两根工字型缝隙，通过等幅同相激励叠层切角贴片，以实现双圆极化，避免使用与半波长相关的3dB电桥，有利于紧凑组阵。同时，在天线周围加入了一圈隔离柱，有利于减少单元间的耦合。该相控阵规模为32×32，由1024个天线单元组成，阵间距为5mm(即30GHz频率所对应波长的0.5倍)，工作在29.5-30GHz，扫描到±60°增益下降4.5dB，但轴比高于8dB，产生圆极化需要同时激励两个端口，意味着在同一个时刻只能实现左旋或右旋圆极化，而不能同时实现双圆极化。天线单元的轴比波宽较窄，虽然采用了子阵旋转的组阵方式，在大角扫描时轴比却高于8dB，不能满足实际的应用需求。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种宽波束双圆极化超表面天线单元、方法及相控阵天线。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种宽波束双圆极化超表面天线单元，包括：

天线馈电结构，包括环形带状线、交叉缝隙及金属化过孔，所述环形带状线印制在第一介质基板上，所述第一介质基板的下表面设置下层金属地板，所述交叉缝隙印制在第二介质基板上，所述第二介质基板的上表面印制上层金属地板，所述金属化过孔位于上层金属地板和下层金属地板之间；

天线辐射体结构，包括主超表面及寄生超表面，所述主超表面印制在第三介质基板上，所述寄生超表面印制在第四介质基板上，主超表面和寄生超表面构成叠层超表面；

天线宽波束结构，包括寄生槽和接地柱，所述寄生槽印制在第四介质基板上，所述寄生超表面设置在寄生槽内，所述接地柱位于寄生槽和上层金属地板之间；

所述第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板及第四介质基板按照由下至上的顺序压合一起。

进一步，所述环形带状线为左右对称，所述环形带状线的两端为阻抗变换段，中间环形部分为辐射段。

进一步，所述交叉缝隙由四根缝隙交叉构成，相邻缝隙间隔45°，所述交叉缝隙为左右对称结构。