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CN112332106B - 一种极化和相位360度可调的透镜单元 - Google Patents

一种极化和相位360度可调的透镜单元 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种极化和相位360度可调的透镜单元，包括：相位调制单元及与所述相位调制单元紧贴设置的极化转化单元；所述相位调制单元包括多个相位介质基板以及紧贴于所述相位介质基板表面上的相位金属贴片；所述极化转化单元包括多个极化介质基板以及紧贴于所述极化介质基板表面上的极化金属贴片。根据本发明，单元反射系数低，插入损耗低，通过单元尺寸成比例的缩减，工作频率范围可覆盖微波、毫米波和太赫兹频段，可应用于相控阵天线、频率扫描天线等各种天线，实现多极化波束扫描功能。

Description

一种极化和相位360度可调的透镜单元
技术领域
本发明涉及透镜的技术领域，特别涉及一种极化和相位360度可调的透镜单元。
背景技术
随着现代通信技术的发展，无线通信系统对天线的性能要求越来越高，单一功能的天线己经难以满足无线电技术发展的需求。在5G/6G等新一代无线通信、卫星通信、物联网等领域多采用具有波束扫描和多种极化功能的天线。波束扫描天线具有高增益和大角度波束覆盖范围。另一方面，未来移动通信的发展呈现出天地海空一体化的发展趋势，即地面移动通信与卫星通信等实现多网融合，然而不同的无线通信网络采用的天线极化方式不同，为了满足多网融合需求，要求波束扫描天线具有多极化工作的功能；同时，极化分集技术还能够提高系统信道容量，进一步满足海量无线连接数目的增长需求。然而，目前的无线通信系统天线通常只工作于线极化或圆极化，波束扫描天线多以线极化为主。
发明内容
针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种极化和相位360度可调的透镜单元，该单元反射系数低，插入损耗低，通过单元尺寸成比例的缩减，工作频率范围可覆盖微波、毫米波和太赫兹频段，可应用于相控阵天线、频率扫描天线等各种天线，实现多极化波束扫描功能。为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种极化和相位360度可调的透镜单元，包括：
相位调制单元及与所述相位调制单元紧贴设置的极化转化单元；
所述相位调制单元包括多个相位介质基板以及紧贴于所述相位介质基板表面上的相位金属贴片；
所述极化转化单元包括多个极化介质基板以及紧贴于所述极化介质基板表面上的极化金属贴片。
优选的，所述相位调制单元包括第一相位介质基板、与所述第一相位介质基板紧贴的第二相位介质基板及所述第二相位介质基板紧贴的第三相位介质基板。
优选的，所述第一相位介质基板一侧面上贴附有第一相位金属贴片，另一侧面上贴附有第二相位金属贴片，所述第二相位金属贴片远离第一相位介质基板的一侧面贴附有第二相位介质基板。
优选的，所述第二相位介质基板远离第二相位金属贴片的一侧面上贴附有第三相位金属贴片，所述第三相位金属贴片远离第二相位介质基板的一侧面上贴附有第三相位介质基板，所述第三相位介质基板远离第三相位金属贴片的一侧面上贴附有第四相位金属贴片。
优选的，所述第一相位金属贴片、第二相位金属贴片及第三相位金属贴片上均分别贴附有第一相位方形金属片、第二相位方形金属片、第三相位方形金属片及第四相位方形金属片，且所述第一相位金属贴片与第一相位方形金属片、第二相位金属贴片与第二相位方形金属片、第三相位金属贴片与第三相位方形金属片及第四相位金属贴片与第四相位方形金属片之间均形成方环形缝隙，第一相位方形金属片、第二相位方形金属片、第三相位方形金属片及第四相位方形金属片的尺寸大小不同。
优选的，所述极化转化单元包括第一极化介质基板及贴附于所述第一极化介质基板的第二极化介质基板，所述第一极化介质基板一侧面紧贴有第四相位金属贴片，另一侧面紧贴有第一极化金属贴片。
优选的，所述第一极化金属贴片远离第一极化介质基板一侧面紧贴有第二极化介质基板，所述第二极化介质基板远离第一极化金属贴片一侧面上贴附有金属圆环贴片。
优选的，所述第一极化金属贴片上开设有一圆形缝隙，所述金属圆环贴片开设有一开口缝隙，所述第四相位方形金属片、第一极化介质基板、第一极化金属贴片、第二极化介质基板及金属圆环贴片上均开设有金属化过孔。
优选的，所述圆形缝隙的直径为第一直径值，所述金属化过孔的直径为第二直径值，所述第一直径值大于第二直径值。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：
(1)通过相位调制单元的相位可实现360度覆盖，经过金属化过孔耦合到上层开口圆环辐射单元，实现线极化和圆极化的转化功能，馈电方式简单易实现。
(2)本发明反射系数低，插入损耗低。
(3)本发明工作频率范围包括微波、毫米波和太赫兹频段。
(4)本发明可通过改变最上层辐射贴片结构实现水平-垂直，线-圆，左旋-右旋等多种极化转化。
(5)相比于传统透镜单元1/4波长的介质基板厚度，本发明单层介质基板厚度不到1/10波长，具有低剖面特点。
(6)本发明介质基板均采用低介电常数和低插损的材料，无空气层，易于加工。
附图说明
图1为根据本发明的极化和相位360度可调的透镜单元的三维结构爆炸示意图；
图2为根据本发明的极化和相位360度可调的透镜单元的侧视图；
图3为根据本发明的极化和相位360度可调的透镜单元的相位调制单元的三维结构爆炸示意图；
图4为根据本发明的极化和相位360度可调的透镜单元的极化转化单元的三维结构透视示意图；
图5为根据本发明的极化和相位360度可调的透镜单元的相控阵透镜天线示意图；
图6为根据本发明的极化和相位360度可调的透镜单元的S参数图；
图7为根据本发明的极化和相位360度可调的透镜单元的在不同频率处的透射相位图；
图8为根据本发明的极化和相位360度可调的透镜单元的在不同频率处的轴比图。
图中：100.相位调制单元；200.极化转化单元；110.相位介质基板；120.相位金属贴片；130.方环形缝隙；210.极化介质基板；111.第一相位介质基板；112.第二相位介质基板；113.第三相位介质基板；121.第一相位金属贴片；122.第二相位金属贴片；123.第三相位金属贴片；124.第四相位金属贴片；211.第一极化介质基板；212.第二极化介质基板；220.第一极化金属贴片；230.圆形缝隙；240.金属圆环贴片；250.金属化过孔；260.开口缝隙；141.第一相位方形金属片；142.第二相位方形金属片；143.第三相位方形金属片；144.第四相位方形金属片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
参照图1-8，一种极化和相位360度可调的透镜单元，包括：相位调制单元100及与所述相位调制单元100紧贴设置的极化转化单元200；
所述相位调制单元100包括多个相位介质基板110以及紧贴于所述相位介质基板110表面上的相位金属贴片120；
所述极化转化单元200包括多个极化介质基板210以及紧贴于所述极化介质基板210表面上的极化金属贴片。
参照图3，所述相位调制单元100包括第一相位介质基板111、与所述第一相位介质基板111紧贴的第二相位介质基板112及所述第二相位介质基板112紧贴的第三相位介质基板113，所述第一相位介质基板111一侧面上贴附有第一相位金属贴片121，另一侧面上贴附有第二相位金属贴片122，所述第二相位金属贴片122远离第一相位介质基板111的一侧面贴附有第二相位介质基板112，所述第二相位介质基板112远离第二相位金属贴片122的一侧面上贴附有第三相位金属贴片123，所述第三相位金属贴片123远离第二相位介质基板112的一侧面上贴附有第三相位介质基板113，所述第三相位介质基板113远离第三相位金属贴片123的一侧面上贴附有第四相位金属贴片124，所述第一相位金属贴片121、第二相位金属贴片122、第三相位金属贴片123及第四相位金属贴片124上均分别贴附有第一相位方形金属片141、第二相位方形金属片142、第三相位方形金属片143及第四相位方形金属片144，且所述第一相位金属贴片121与第一相位方形金属片141、第二相位金属贴片122与第二相位方形金属片142、第三相位金属贴片123与第三相位方形金属片143及第四相位金属贴片124与第四相位方形金属片144之间均形成方环形缝隙130，第一相位方形金属片141、第二相位方形金属片142、第三相位方形金属片143及第四相位方形金属片144的尺寸大小不同，所述相位调制单元100由三层相位介质基板和四层相位金属贴片构成，电磁波从上端入射，透射通过下端时可实现覆盖360度的相位调制，因其中的相位金属贴片开设有方环形缝隙130，通过调整每一层相位金属贴片上的方环形缝隙130的大小和位置使相位实现360度的覆盖且实现高透射率。
参照图4，所述极化转化单元200包括第一极化介质基板211及贴附于所述第一极化介质基板211的第二极化介质基板212，所述第一极化介质基板211一侧面紧贴有第四相位金属贴片124，另一侧面紧贴有第一极化金属贴片220，所述第一极化金属贴片220远离第一极化介质基板211一侧面紧贴有第二极化介质基板212，所述第二极化介质基板212远离第一极化金属贴片220一侧面上贴附有金属圆环贴片240，所述第一极化金属贴片220上开设有一圆形缝隙230，通过改变由金属化过孔耦合得到的电流分布，可以实现线极化对圆极化的转化，所述金属圆环贴片240开设有一开口缝隙260，所述第四相位方形金属片144、第一极化介质基板211、第一极化金属贴片220、第二极化介质基板212及金属圆环贴片240上均开设有金属化过孔250，所述极化转化单元200由两层极化介质基板与两个极化金属贴片构成，通过金属化过孔250将相位调制单元100输出的电磁信号耦合到金属圆环贴片240上，第一极化金属贴片220上的圆形缝隙230起着公共地和屏蔽的作用，而且通过设有金属化过孔250，通过调整金属化过孔250直径的尺寸和位置可以提高透射率，降低反射系数。
进一步的，所述圆形缝隙230的直径为第一直径值，所述金属化过孔250的直径为第二直径值，所述第一直径值大于第二直径值，以防止电流短路。
进一步的，通过图5显示了由本发明相位调控覆盖360度且可实现极化转化功能的透镜单元组阵的相控阵透镜天线，其可实现波束扫描和极化转化功能；图6显示了透镜单元工作在13.7-14.5GHz时的S参数仿真结果，从图中可看出，透镜单元的反射系数S11≤-10dB；图7显示了透镜单元工作在13.7-14.5GHz时的透射相位图，从图中可看出，9个透镜单元的透射相位覆盖360度；图8显示了9个透镜单元工作在13.7-14.5GHz时的轴比图，从图中可看出，9个透镜单元的轴比小于2dB。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的，对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (2)

1.一种极化和相位360度可调的透镜单元，其特征在于，包括：
相位调制单元（100）及与所述相位调制单元（100）紧贴设置的极化转化单元（200）；
所述相位调制单元（100）包括多个相位介质基板（110）以及紧贴于所述相位介质基板（110）表面上的相位金属贴片（120）；
所述极化转化单元（200）包括多个极化介质基板（210）以及紧贴于所述极化介质基板（210）表面上的极化金属贴片；
所述相位调制单元（100）包括第一相位介质基板（111）、与所述第一相位介质基板（111）紧贴的第二相位介质基板（112）及所述第二相位介质基板（112）紧贴的第三相位介质基板（113）；
所述第一相位介质基板（111）一侧面上贴附有第一相位金属贴片（121），另一侧面上贴附有第二相位金属贴片（122），所述第二相位金属贴片（122）远离第一相位介质基板（111）的一侧面贴附有第二相位介质基板（112）；
所述第二相位介质基板（112）远离第二相位金属贴片（122）的一侧面上贴附有第三相位金属贴片（123），所述第三相位金属贴片（123）远离第二相位介质基板（112）的一侧面上贴附有第三相位介质基板（113），所述第三相位介质基板（113）远离第三相位金属贴片（123）的一侧面上贴附有第四相位金属贴片（124）；
所述第一相位金属贴片（121）、第二相位金属贴片（122）、第三相位金属贴片（123）及第四相位金属贴片（124）上均分别贴附有第一相位方形金属片（141）、第二相位方形金属片（142）、第三相位方形金属片（143）及第四相位方形金属片（144），且所述第一相位金属贴片（121）与第一相位方形金属片（141）、第二相位金属贴片（122）与第二相位方形金属片（142）、第三相位金属贴片（123）与第三相位方形金属片（143）及第四相位金属贴片（124）与第四相位方形金属片（144）之间均形成方环形缝隙（130），第一相位方形金属片（141）、第二相位方形金属片（142）、第三相位方形金属片（143）及第四相位方形金属片（144）的尺寸大小不同；
所述极化转化单元（200）包括第一极化介质基板（211）及贴附于所述第一极化介质基板（211）的第二极化介质基板（212），所述第一极化介质基板（211）一侧面紧贴有第四相位金属贴片（124），另一侧面紧贴有第一极化金属贴片（220）；
所述第一极化金属贴片（220）远离第一极化介质基板（211）一侧面紧贴有第二极化介质基板（212），所述第二极化介质基板（212）远离第一极化金属贴片（220）一侧面上贴附有金属圆环贴片（240）；
所述第一极化金属贴片（220）上开设有一圆形缝隙（230），所述金属圆环贴片（240）开设有一开口缝隙（260），所述第四相位方形金属片（144）、第一极化介质基板（211）、第一极化金属贴片（220）、第二极化介质基板（212）及金属圆环贴片（240）上均开设有金属化过孔（250）。
2.如权利要求1所述的一种极化和相位360度可调的透镜单元，其特征在于，所述圆形缝隙（230）的直径为第一直径值，所述金属化过孔（250）的直径为第二直径值，所述第一直径值大于第二直径值。
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