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CN118073849B - 基于互补源及悬置解耦超表面的毫米波宽角扫描阵列天线 - Google Patents

基于互补源及悬置解耦超表面的毫米波宽角扫描阵列天线 Download PDF

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CN118073849B
CN118073849B CN202410480223.6A CN202410480223A CN118073849B CN 118073849 B CN118073849 B CN 118073849B CN 202410480223 A CN202410480223 A CN 202410480223A CN 118073849 B CN118073849 B CN 118073849B
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wide
metal
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陈付昌
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South China University of Technology SCUT
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South China University of Technology SCUT
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Abstract

本发明提供的一种基于互补源及悬置解耦超表面的毫米波宽角扫描阵列天线，包括若干个宽波束天线单元，以及悬空设置于所述若干个宽波束天线单元上方的悬置解耦超表面；所述宽波束天线单元包括第一介质板、第二介质板和第三介质板；第一介质板的下表面印刷有第一金属地板，上表面印刷有第二金属地板；所述第二金属地板的X轴方向两端的中部分别蚀刻有第一接地共面波导和第二接地共面波导；第一接地共面波导和第二接地共面波导之间设置有四个互补源，每个互补源分别包括一条缝隙以及一个圆形金属通孔。本发明具有更宽的扫描角，并且在更小的单元间距时具有更高的端口隔离度；能有效提升5G毫米波终端的波束覆盖范围、系统容量、数据传输速率。

Description

基于互补源及悬置解耦超表面的毫米波宽角扫描阵列天线
技术领域
本发明涉及毫米波相控阵列天线的技术领域，具体涉及一种基于互补源及悬置解耦超表面的毫米波宽角扫描阵列天线。
背景技术
5G技术的实现和商用是移动通信领域的革新性进步，其核心目标是通过实现万物互联来为人们提供便利，其中包括人与人、人与物及物与物的互联。为了实现这样庞大且错综复杂的互联网络，高码率、低延迟、高器件密度的特性是必须实现的。相比4G系统，5G系统主要通过在毫米波段获得更宽的带宽来拓展工作频率。正因如此，具有方向性的毫米波相控阵列天线成为了5G系统的关键技术。因此，设计具有宽扫描角特性的毫米波相控阵列天线在通信天线领域具有重要的研究意义和巨大的应用前景。
2017年Zhang Shuai等人提出了一款应用于5G移动终端的平面毫米波波束扫描阵列天线（Zhang S, Chen X, Syrytsin I, et al. A planar switchable 3-D-coveragephased array antenna and its user effects for 28-GHz mobile terminalapplications[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2017, 65(12):6413-6421.）。该阵列天线包含三个结构尺寸基本相同的缝隙天线，每个缝隙天线又由8个缝隙单元构成，不等距平行排布三个缝隙天线构建了一款3×8的阵列天线。通过独立调节每个缝隙天线的相位，阵列实现了的5dB扫描角达到±60°，带宽为7.1%（27-29GHz）,仅覆盖了 n261（27.5-28.35 GHz）频段，但这种相控阵扫描并不是目前常用的主瓣峰值指向特定角度来进行扫描，而是三个子阵列的主瓣分别指向不同方向通过切换工作来实现扫描。
2018年，Yu Bin等人提出了一款应用于5G移动终端的毫米波波束扫描阵列天线（Yu B., Yang K., Sim C. -Y. -D. and Yang G., "A Novel 28 GHz Beam SteeringArray for 5G Mobile Device With Metallic Casing Application," in IEEETransactions on Antennas and Propagation, vol. 66, no. 1, pp. 462-466, Jan.2018.）。天线单元使用金属背腔缝隙天线，使用阶跃探针结构来馈电，通过平行排列8个单元组成一个1×8-阵元相控阵，最后将两个相控阵分别布置在手机背板的左右边缘并直接与RFIC连接。阵列最终实现8.1%的带宽（27.5-30GHz），覆盖了n261（27.5-28.35 GHz）频段，3dB波束覆盖范围为±60°。
2020年，Deng Changjiang等人提出了一款应用于5G移动终端的毫米波串馈相控阵天线（Deng C., Liu D., Yektakhah B. and Sarabandi K., "Series-Fed Beam-Steerable Millimeter-Wave Antenna Design With Wide Spatial Coverage for 5GMobile Terminals," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 68,no. 5, pp. 3366-3376, May 2020.）。阵列由十个贴片单元，一个有着两列缝隙的地平面和一条微带传输线构成，具有三文治状的堆叠结构。辐射体和传输线放置在地平面的上下两侧，可以灵活设计辐射体和功分网络。阵列最终实现了从-53°到68°的共121°的3dB波束覆盖范围，其阻抗带宽为7.1%（27-29GHz），覆盖n261（27.5-28.35 GHz）频段。
2019年，Yi Zhiming等人提出了一款应用于毫米波雷达传感器相控阵天线（Z. Yiet al., "A Wide-Angle Beam Scanning Antenna in E-plane for K-band RadarSensor," in IEEE Access, vol. 7, pp. 171684-171690, 2019.）。通过应用磁电偶极子让1×4-阵元子阵列实现E面140°的波束宽度，并利用该子阵列组成工作在K波段的4×4-阵元毫米波雷达。1×4阵元子阵列的10-dB阻抗带宽为5.4%（22.8-24.1GHz），E面波束宽度140°。最终4×4阵元毫米波雷达在通带内实现±60°的3dB波束扫描范围。
2022年，Zhao Luyu等人提出了一款应用5G毫米波的阵列天线（L. Zhao, Y. He,G. Zhao, X. Chen, G. -L. Huang and W. Lin, "Scanning Angle Extension of aMillimeter-Wave Antenna Array Using Electromagnetic Band Gap Ground," in IEEETransactions on Antennas and Propagation, vol. 70, no. 8, pp. 7264-7269, Aug.2022.）。阵列不仅使用宽波束的天线单元，还应用了电磁带隙地结构来削减小阵元间距产生的互耦效应，馈电端口对称放置，通过共面波导来馈电，最终阵列阵元间距为0.4λ0，λ0表示26GHz的空间波长，阵元间的隔离度达到17dB以上，在26GHz实现了±75°的3dB波束扫描范围。
综合以上现有技术可见，现有毫米波相控阵扫描角还不够宽，在实际场景中不足以支持大角度数据传输范围，有待改进和完善。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术中的缺陷，提供一种基于互补源及悬置解耦超表面的毫米波宽角扫描阵列天线，其具有更宽的扫描角，并且在更小的单元间距时具有更高的端口隔离度。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于互补源及悬置解耦超表面的毫米波宽角扫描阵列天线，包括沿Y轴依次平行排列的若干个宽波束天线单元，以及悬空设置于所述若干个宽波束天线单元上方的悬置解耦超表面；
所述宽波束天线单元包括沿Z轴由下往上依次层叠设置的第一介质板、第二介质板和第三介质板；第一介质板的下表面印刷有第一金属地板，第一介质板的上表面印刷有第二金属地板；第一介质板上设有矩形金属通孔阵列，所述第一金属地板和第二金属地板通过矩形金属通孔阵列短路连接；
所述第二金属地板的X轴方向两端的中部分别蚀刻有第一接地共面波导和第二接地共面波导，所述第一接地共面波导和第二接地共面波导采用差分馈电；第一接地共面波导和第二接地共面波导之间设置有四个互补源，每个互补源分别包括一条缝隙以及一个圆形金属通孔；所述缝隙蚀刻于第二金属地板上，并且其长度方向平行于X轴；所述圆形金属通孔沿Z轴方向贯穿第一介质板、第二介质板和第三介质板，并且设置于对应缝隙的Y轴方向的一侧。
进一步地，在每个宽波束天线单元中，所述矩形金属通孔阵列包括两组矩形金属通孔纵向阵列和一组矩形金属通孔横向阵列；所述两组矩形金属通孔纵向阵列均沿X轴方向排列，且分别设置于宽波束天线单元Y轴方向两侧的边缘处；所述矩形金属通孔横向阵列经过宽波束天线单元的中心，并且沿Y轴方向排列。
进一步地，所述若干个宽波束天线单元的第一介质板、第二介质板、第三介质板、第一金属地板和第二金属地板分别一体成型设置；相邻两个宽波束天线单元的交界处共用同一组矩形金属通孔纵向阵列。
进一步地，相邻两个宽波束天线单元的中心在Y轴方向上的间距为阵列天线所覆盖频段中心频率的0.38个波长。
进一步地，在每个宽波束天线单元中，所述第二介质板和第三介质板的中部设有矩形沟槽，所述矩形沟槽的长度方向平行于X轴；
所述四个互补源的缝隙均设置于矩形沟槽的覆盖区域内，所述四个互补源的圆形金属通孔均设置于矩形沟槽的覆盖区域外；所述矩形沟槽沿Z轴方向贯穿第二介质板和第三介质板，使得四个互补源的缝隙从矩形沟槽中露出。
进一步地，在每个宽波束天线单元中，所述第二金属地板上对应四个互补源的圆形金属通孔处分别蚀刻有圆形槽，每个圆形槽的中部印刷有一个微带环，所述微带环与圆形金属通孔电性连接。
进一步地，在每个宽波束天线单元中，所述四个互补源分别为第一互补源、第二互补源、第三互补源和第四互补源；所述第一互补源、第二互补源、第三互补源和第四互补源沿X轴方向依次交错设置；
以宽波束天线单元的中心为原点，第一互补源设置于原点的X轴负方向及Y轴负方向，第二互补源设置于原点的X轴负方向及Y轴正方向，第三互补源设置于原点的X轴正方向及Y轴负方向，第四互补源设置于原点的X轴正方向及Y轴正方向；所述第一互补源和第四互补源关于原点呈中心对称分布，第二互补源和第三互补源关于原点呈中心对称分布。
进一步地，第一互补源包括第一缝隙和第一圆形金属通孔；第二互补源包括第二缝隙和第二圆形金属通孔；第三互补源包括第三缝隙和第三圆形金属通孔；第四互补源包括第四缝隙和第四圆形金属通孔；
其中，第一缝隙和第三缝隙均位于第一直线上，第二缝隙和第四缝隙均位于第二直线上，第一圆形金属通孔和第三圆形金属通孔均位于第三直线上，第二圆形金属通孔和第四圆形金属通孔均位于第四直线上；所述第一直线、第二直线、第三直线和第四直线均平行于X轴且互不共线。
进一步地，所述悬置解耦超表面包括悬空设置于第一介质板上方的第四介质板，以及印刷于第四介质板上表面的超表面单元阵列；
所述超表面单元阵列包括互相平行并排设置的若干列超表面单元，每相邻两个宽波束天线单元之间设置一列超表面单元，每一列超表面单元均由数量相等的超表面单元沿X轴方向排列组成。
进一步地，每个超表面单元包括一个正方形金属贴片和一个正方形环状金属贴片；所述正方形金属贴片设置于正方形环状金属贴片的中部，使得超表面单元整体呈“回”字型结构。
本发明通过对传统SIW缝隙天线进行折叠，形成两个互相对称的接地共面波导，并采用差分馈电方式进行馈电，纠正了天线H面方向图倾斜的问题，实现了对称且最大功率点位于0°的H面方向图，同时改善了E面方向图，提高了E面波束宽度。
进一步地，本发明通过圆形金属通孔引入单极子与缝隙等效的磁流元形成互补源，展宽了E面的波束宽度，实现了宽波束特性。
本发明还通过在阵列天线上方设置悬置解耦超表面，实现了天线单元间的解耦，减少了天线单元间的耦合效应，有效拓展了在通带上的扫描角范围；并且使得天线阵列能够以小阵元间距排布，同时保持良好的隔离度。
本发明提供的一种基于互补源及悬置解耦超表面的毫米波宽角扫描阵列天线，具有更宽的扫描角，并且在更小的单元间距时具有更高的端口隔离度；能有效提升5G毫米波终端的波束覆盖范围、系统容量、数据传输速率，具有巨大的应用前景和应用价值。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于互补源及悬置解耦超表面的毫米波宽角扫描阵列天线的结构爆炸图。
图2是本发明实施例提供的一种基于互补源及悬置解耦超表面的毫米波宽角扫描阵列天线的俯视图。
图3是本发明实施例提供的一种基于互补源及悬置解耦超表面的毫米波宽角扫描阵列天线的侧视图。
图4是本发明实施例中的宽波束天线单元的整体结构图。
图5是本发明实施例中的宽波束天线单元的俯视图。
图6是本发明实施例中的宽波束天线单元的侧视图。
图7是本发明实施例中的宽波束天线单元的演进过程图。
图8是图7中的改进过程S1实施前后，天线单元在24.1GHz处E、H面方向图的对比图。
图9是图7中的改进过程S2实施前后，天线单元的|S 11|仿真结果对比图。
图10是图7中的改进过程S2实施前后，天线单元在24.1GHz处E、H面方向图的对比图。
图11是图7中的改进过程S1至S2实施前后，天线单元的半功率波束宽度（HPBW）仿真结果对比图。
图12是图7中的改进过程S1前后，天线单元的电场分布对比图。
图13是本发明实施例中的宽波束天线单元的|S11|、增益和半功率波束宽度（HPBW）的仿真图。
图14是本发明实施例的阵列天线在添加悬置解耦超表面前后的散射参数仿真结果对比图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1至图6所示，本发明实施例提供的一种基于互补源及悬置解耦超表面的毫米波宽角扫描阵列天线，包括沿Y轴依次平行排列的若干个宽波束天线单元，以及悬空设置于所述若干个宽波束天线单元上方的悬置解耦超表面。
结合图4至图6所示，所述宽波束天线单元包括沿Z轴由下往上依次层叠设置的第一介质板11、第二介质板12和第三介质板13；第一介质板11的下表面印刷有第一金属地板21，第一介质板11的上表面印刷有第二金属地板22；第一介质板11上设有矩形金属通孔阵列20，所述第一金属地板21和第二金属地板22通过矩形金属通孔阵列20短路连接；
所述第二金属地板22的X轴方向两端的中部分别蚀刻有第一接地共面波导221和第二接地共面波导222，所述第一接地共面波导221和第二接地共面波导222采用差分馈电；第一接地共面波导221和第二接地共面波导222之间设置有四个互补源，每个互补源分别包括一条缝隙5以及一个圆形金属通孔4；所述缝隙5蚀刻于第二金属地板22上，并且其长度方向平行于X轴；所述圆形金属通孔4沿Z轴方向贯穿第一介质板11、第二介质板12和第三介质板13，并且设置于对应缝隙5的Y轴方向的一侧。
在每个宽波束天线单元中，所述四个互补源分别为第一互补源31、第二互补源32、第三互补源33和第四互补源34；所述第一互补源31、第二互补源32、第三互补源33和第四互补源34沿X轴方向依次交错设置。具体来说，以宽波束天线单元的中心为原点，第一互补源31设置于原点的X轴负方向及Y轴负方向，第二互补源32设置于原点的X轴负方向及Y轴正方向，第三互补源33设置于原点的X轴正方向及Y轴负方向，第四互补源34设置于原点的X轴正方向及Y轴正方向；所述第一互补源31和第四互补源34关于原点呈中心对称分布，第二互补源32和第三互补源33关于原点呈中心对称分布。
具体地，第一互补源31包括第一缝隙51和第一圆形金属通孔41；第二互补源32包括第二缝隙52和第二圆形金属通孔42；第三互补源33包括第三缝隙53和第三圆形金属通孔43；第四互补源34包括第四缝隙54和第四圆形金属通孔44。
其中，第一缝隙51和第三缝隙53均位于第一直线上，第二缝隙52和第四缝隙54均位于第二直线上，第一圆形金属通孔41和第三圆形金属通孔43均位于第三直线上，第二圆形金属通孔42和第四圆形金属通孔44均位于第四直线上；所述第一直线、第二直线、第三直线和第四直线均平行于X轴且互不共线。
进一步地，在每个宽波束天线单元中，所述第二金属地板22上对应四个互补源的圆形金属通孔4处分别蚀刻有圆形槽，每个圆形槽的中部印刷有一个微带环6，所述微带环6与圆形金属通孔4电性连接。具体地，所述微带环6包括第一微带环61、第二微带环62、第三微带环63和第四微带环64，所述第一微带环61、第二微带环62、第三微带环63和第四微带环64分别设置于第一圆形金属通孔41、第二圆形金属通孔42、第三圆形金属通孔43和第四圆形金属通孔44处。
进一步地，在每个宽波束天线单元中，所述第二介质板12和第三介质板13的中部设有矩形沟槽10，所述矩形沟槽10的长度方向平行于X轴。所述四个互补源的缝隙5均设置于矩形沟槽10的覆盖区域内，所述四个互补源的圆形金属通孔4均设置于矩形沟槽10的覆盖区域外；所述矩形沟槽10沿Z轴方向贯穿第二介质板12和第三介质板13，使得四个互补源的缝隙5从矩形沟槽10中露出。
进一步地，在每个宽波束天线单元中，所述矩形金属通孔阵列20包括两组矩形金属通孔纵向阵列和一组矩形金属通孔横向阵列；所述两组矩形金属通孔纵向阵列均沿X轴方向排列，且分别设置于宽波束天线单元Y轴方向两侧的边缘处；所述矩形金属通孔横向阵列经过宽波束天线单元的中心，并且沿Y轴方向排列。
结合图1和图2所示，在本实施例中，所述若干个宽波束天线单元的第一介质板11、第二介质板12、第三介质板13、第一金属地板21和第二金属地板22分别一体成型设置；相邻两个宽波束天线单元的交界处共用同一组矩形金属通孔纵向阵列。相邻两个宽波束天线单元的中心在Y轴方向上的间距为阵列天线所覆盖频段中心频率的0.38个波长。
结合图1至图3所示，所述悬置解耦超表面包括悬空设置于第一介质板11上方的第四介质板14，以及印刷于第四介质板14上表面的超表面单元阵列23；所述超表面单元阵列23包括互相平行并排设置的若干列超表面单元，每相邻两个宽波束天线单元之间设置一列超表面单元，每一列超表面单元均由数量相等的超表面单元沿X轴方向排列组成。
其中，每个超表面单元包括一个正方形金属贴片和一个正方形环状金属贴片；所述正方形金属贴片设置于正方形环状金属贴片的中部，使得超表面单元整体呈“回”字型结构。
本实施例中，第一介质板11、第三介质板13和第四介质板14的材料均为RogersRO4003，其相对介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027；第三介质板13和第四介质板14的厚度均为0.305 mm，第一介质板11的厚度为0.508mm。第二介质板12的材料为RogersCuClad6250，其相对介电常数为2.32，损耗角正切为0.0013，厚度为0.038 mm。本实施例中，基于互补源及悬置解耦超表面的毫米波宽角扫描阵列天线的整体尺寸为 39.1×29×5.2mm3(3.14×2.33×0.42λ0 3), 阵元间距为4.7mm（0.38λ0）；若不考虑悬置解耦超表面结构，阵列天线的尺寸为39.1×29×0.869 mm3(3.6×1.0×0.07 λ0 3)，其中 λ0表示中心频率24.1 GHz的自由空间波长。
图7示出了本发明实施例中的宽波束天线单元的演进过程图。与现有技术相比，本发明在传统SIW缝隙天线的基础上，通过改进过程S1对SIW缝隙天线进行了折叠，以此添加了一个对称设置的接地共面波导，并采用差分馈电方式对两端的接地共面波导进行馈电。在此基础之上，本发明通过改进过程S2在每条缝隙5的旁边添加了一个圆形金属通孔4，所述圆形金属通孔4用于引入单极子形成电流源，并且与缝隙5等效的磁流元一起组成互补源。
如图8所示，本发明通过实施改进过程S1的折叠操作，纠正了传统SIW缝隙天线H面方向图不对称的问题，实现了对称且最大功率点位于0°的H面方向图，并且E面方向图的波束图和增益也得到了改善。
如图9和图10所示，本发明通过改进过程S2中添加的圆形金属通孔4引入单极子前后，天线单元的10-dB阻抗带宽分别为2.91%（23.72-24.42GHz）和2.93%（23.84-24.55GHz），几乎没有变化，产生了频偏；但是天线单元的E面方向图得到了拓宽，比如在24.1GHz，3dB波束宽度由原来的142.4°拓宽到195.9°。与此同时，H面方向图几乎没有变化，仍然保持着不错的对称性。
图11给出了天线单元在折叠前后以及引入单极子前后半功率波束宽度（HPBW）的变化，从图中可以看出，通过添加圆形金属通孔4引入单极子形成互补源，天线的E面波束宽度得到了大幅度的拓宽，3dB波束宽度大于193.2°，最宽达到了198.6°（平均达到196.3°），相比传统的SIW缝隙天线，本实施例中的宽波束天线单元的3dB波束宽度平均提升了89.2°，最大提升了96.3°；相比添加圆形金属通孔4前，3dB波束宽度平均提升了52.5°，最大提升了67°。
具体来说，本发明通过改进过程S1的折叠操作，纠正H面波束方向图的原理如下：图12中的（a）和图12中的（b）分别给出了1×4-阵元传统SIW缝隙天线在折叠前后的电场分布图。从图12中的（a）可以发现，1×4-阵元传统SIW缝隙天线的每个缝隙分布的电场强度是不一样的，且前三个缝隙分布的电场强度相对较强，最后一个缝隙分布的电场强度相对较弱；根据图12中的（b）所示，1×4-阵元传统SIW缝隙天线经过折叠后得到1×4-阵元折叠SIW缝隙天线，也可以看作由一对1×2-阵元SIW缝隙天线中心对称布置得到。从图中可以发现1×2-阵元SIW缝隙天线的两个缝隙分布的电场强度相近，中心对称分布的一对1×2-阵元SIW缝隙天线的电场强度也呈中心对称分布，由此解决了传统SIW缝隙天线缝隙电场强度分布不均导致缝隙辐射强度分布不均的问题。
本发明通过改进过程S2中添加的圆形金属通孔4，实现波束展宽效果的原理如下：首先，通过改进过程S1，本发明解决了传统SIW缝隙天线的缝隙电场强度分布不均导致的缝隙辐射强度分布不均的问题，使天线单元的E面、H面方向图得到改善。在此基础之上，通过在折叠后的天线单元中添加四个圆形金属通孔4，在天线中引入了单极子。由于天线单元中的缝隙5可以等效成磁流元，因此放置在一起的一组圆形金属通孔4和缝隙5可以组成一组互补源，以此展宽了E面的波束宽度。
图13给出本实施例中的宽波束天线单元的最终性能，包括S参数，增益和半功率波束宽度（HPBW）。如图13所示，本发明实施例中的宽波束天线单元实现了2.93%（23.84-24.55GHz）的10-dB阻抗带宽。在23.84-24.55GHz的频率范围内，宽波束天线单元的半功率波束宽度大于193.2°，最宽达到了198.6°（平均达到196.3°）。该宽波束天线单元在通带内的增益稳定，带内平均增益为7.29dBi。
进一步地，本发明通过在宽波束天线单元上方设置悬置解耦超表面结构进行解耦，减少了单元间的耦合效应，有效拓展了在通带上的扫描角范围。
具体地，本发明实施例中的悬置解耦超表面的解耦原理如下：首先宽波束天线单元被激励时，电磁波从缝隙5中辐射出来，其主要的辐射方向为沿Z轴向上；在辐射的过程中有部分能量沿Y轴耦合到相邻的天线单元中，形成耦合波。沿Z轴向上辐射出来的电磁波经过悬置解耦超表面之后有部分可以继续沿Z轴向上投射出去；也有部分电磁波因为悬置解耦超表面的作用反射回来，形成反射波。其中，悬置解耦超表面的高度决定反射波的相位，悬置介质（第四介质板14）的选材及其厚度和超表面单元的共同作用决定反射波的强度，当反射波与耦合波反相且强度相近时，可以较好地抵消相邻天线单元间的耦合，让阵列天线实现更好的扫描性能。
图14中的（a）和图14中的（b）所示的分别是未添加悬置解耦超表面和添加悬置解耦超表面时阵列天线的散射参数仿真结果图。由图14中的（a）可知，未添加悬置解耦超表面时阵列天线的散射参数中的|S13|、|S15|、|S17|和|S35|均小于-11.5dB，其中|S17|小于-22.75dB；由图14中的（b）可知，添加悬置解耦超表面时阵列天线的散射参数中的|S13|、|S15|、|S17|和|S35|均小于-17.5dB，其中|S17|小于-25dB。通过图14可知，添加悬置解耦超表面后阵列天线的天线单元间的耦合得到大幅度降低，悬置解耦超表面有效发挥了解耦作用。
综上，本发明通过对传统SIW缝隙天线进行折叠，形成两个互相对称的接地共面波导，并采用差分馈电方式进行馈电，纠正了天线H面方向图倾斜的问题，实现了对称且最大功率点位于0°的H面方向图，同时改善了E面方向图，提高了E面波束宽度。进一步地，本发明通过圆形金属通孔引入单极子与缝隙等效的磁流元形成互补源，展宽了E面的波束宽度，实现了宽波束特性。本发明还通过在阵列天线上方设置悬置解耦超表面，实现了天线单元间的解耦，减少了天线单元间的耦合效应，有效拓展了在通带上的扫描角范围；并且使得天线阵列能够以小阵元间距排布，同时保持良好的隔离度。
基于以上结构，本发明针对现有的SIW串馈天线存在的H面方向图不对称和毫米波相控阵扫描角较窄的问题，提供了一种宽波束天线单元，以及基于互补源及悬置解耦超表面的毫米波宽角扫描阵列天线。
本发明的宽波束天线单元实现了6.72%的阻抗带宽（23.0-24.6GHz），覆盖了毫米波24.0-24.25GHz频段。在24.0-24.25GHz频段范围内，宽波束天线单元的3dB波束宽度大于193.2°，最宽达到了198.6°（平均达到196.3°）。相比现有技术，宽波束天线单元的3dB波束宽度平均提升了89.3°，最大提升了96.3°。基于以上宽波束天线单元，本发明的阵列天线实现了6.72%的阻抗带宽（23.0-24.6GHz），覆盖了毫米波24.0-24.25GHz频段，得益于宽波束天线单元的宽波束性能和较小的阵元间距，本发明的阵列天线实现了宽角扫描特性。在整个工作频段内，阵列天线的3dB扫描角大于±72°，最宽达到了±78°。
本发明提供的一种基于互补源及悬置解耦超表面的毫米波宽角扫描阵列天线，具有更宽的扫描角，并且在更小的单元间距时具有更高的端口隔离度；能有效提升5G毫米波终端的波束覆盖范围、系统容量、数据传输速率，具有巨大的应用前景和应用价值。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于互补源及悬置解耦超表面的毫米波宽角扫描阵列天线，其特征在于，包括沿Y轴依次平行排列的若干个宽波束天线单元，以及悬空设置于所述若干个宽波束天线单元上方的悬置解耦超表面；
所述宽波束天线单元包括沿Z轴由下往上依次层叠设置的第一介质板、第二介质板和第三介质板；第一介质板的下表面印刷有第一金属地板，第一介质板的上表面印刷有第二金属地板；第一介质板上设有矩形金属通孔阵列，所述第一金属地板和第二金属地板通过矩形金属通孔阵列短路连接；
所述第二金属地板的X轴方向两端的中部分别蚀刻有第一接地共面波导和第二接地共面波导，所述第一接地共面波导和第二接地共面波导采用差分馈电；第一接地共面波导和第二接地共面波导之间设置有四个互补源，每个互补源分别包括一条缝隙以及一个圆形金属通孔；所述缝隙蚀刻于第二金属地板上，并且其长度方向平行于X轴；所述圆形金属通孔沿Z轴方向贯穿第一介质板、第二介质板和第三介质板，并且设置于对应缝隙的Y轴方向的一侧。
2.根据权利要求1所述的基于互补源及悬置解耦超表面的毫米波宽角扫描阵列天线，其特征在于，在每个宽波束天线单元中，所述矩形金属通孔阵列包括两组矩形金属通孔纵向阵列和一组矩形金属通孔横向阵列；所述两组矩形金属通孔纵向阵列均沿X轴方向排列，且分别设置于宽波束天线单元Y轴方向两侧的边缘处；所述矩形金属通孔横向阵列经过宽波束天线单元的中心，并且沿Y轴方向排列。
3.根据权利要求2所述的基于互补源及悬置解耦超表面的毫米波宽角扫描阵列天线，其特征在于，所述若干个宽波束天线单元的第一介质板、第二介质板、第三介质板、第一金属地板和第二金属地板分别一体成型设置；相邻两个宽波束天线单元的交界处共用同一组矩形金属通孔纵向阵列。
4.根据权利要求3所述的基于互补源及悬置解耦超表面的毫米波宽角扫描阵列天线，其特征在于，相邻两个宽波束天线单元的中心在Y轴方向上的间距为阵列天线所覆盖频段中心频率的0.38个波长。
5.根据权利要求1所述的基于互补源及悬置解耦超表面的毫米波宽角扫描阵列天线，其特征在于，在每个宽波束天线单元中，所述第二介质板和第三介质板的中部设有矩形沟槽，所述矩形沟槽的长度方向平行于X轴；
所述四个互补源的缝隙均设置于矩形沟槽的覆盖区域内，所述四个互补源的圆形金属通孔均设置于矩形沟槽的覆盖区域外；所述矩形沟槽沿Z轴方向贯穿第二介质板和第三介质板，使得四个互补源的缝隙从矩形沟槽中露出。
6.根据权利要求1所述的基于互补源及悬置解耦超表面的毫米波宽角扫描阵列天线，其特征在于，在每个宽波束天线单元中，所述第二金属地板上对应四个互补源的圆形金属通孔处分别蚀刻有圆形槽，每个圆形槽的中部印刷有一个微带环，所述微带环与圆形金属通孔电性连接。
7.根据权利要求1所述的基于互补源及悬置解耦超表面的毫米波宽角扫描阵列天线，其特征在于，在每个宽波束天线单元中，所述四个互补源分别为第一互补源、第二互补源、第三互补源和第四互补源；所述第一互补源、第二互补源、第三互补源和第四互补源沿X轴方向依次交错设置；
以宽波束天线单元的中心为原点，第一互补源设置于原点的X轴负方向及Y轴负方向，第二互补源设置于原点的X轴负方向及Y轴正方向，第三互补源设置于原点的X轴正方向及Y轴负方向，第四互补源设置于原点的X轴正方向及Y轴正方向；所述第一互补源和第四互补源关于原点呈中心对称分布，第二互补源和第三互补源关于原点呈中心对称分布。
8.根据权利要求7所述的基于互补源及悬置解耦超表面的毫米波宽角扫描阵列天线，其特征在于，第一互补源包括第一缝隙和第一圆形金属通孔；第二互补源包括第二缝隙和第二圆形金属通孔；第三互补源包括第三缝隙和第三圆形金属通孔；第四互补源包括第四缝隙和第四圆形金属通孔；
其中，第一缝隙和第三缝隙均位于第一直线上，第二缝隙和第四缝隙均位于第二直线上，第一圆形金属通孔和第三圆形金属通孔均位于第三直线上，第二圆形金属通孔和第四圆形金属通孔均位于第四直线上；所述第一直线、第二直线、第三直线和第四直线均平行于X轴且互不共线。
9.根据权利要求1所述的基于互补源及悬置解耦超表面的毫米波宽角扫描阵列天线，其特征在于，所述悬置解耦超表面包括悬空设置于第一介质板上方的第四介质板，以及印刷于第四介质板上表面的超表面单元阵列；
所述超表面单元阵列包括互相平行并排设置的若干列超表面单元，每相邻两个宽波束天线单元之间设置一列超表面单元，每一列超表面单元均由数量相等的超表面单元沿X轴方向排列组成。
10.根据权利要求9所述的基于互补源及悬置解耦超表面的毫米波宽角扫描阵列天线，其特征在于，每个超表面单元包括一个正方形金属贴片和一个正方形环状金属贴片；所述正方形金属贴片设置于正方形环状金属贴片的中部，使得超表面单元整体呈“回”字型结构。
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