极化可重构的介质谐振器天线模组及电子设备的制作方法

1.本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种极化可重构的介质谐振器天线模组及电子设备。


背景技术：

2.5g毫米波模组的极化通常为线极化；而圆极化的毫米波模组在卫星通信、导航和制导方面有广泛的应用前景，特别是ka波段应用于卫星毫米波通信，部分频段与5g毫米波频段重合，因此，设计一种极化可重构的模组便可在5g毫米波与卫星通信中切换。
3.5g毫米波模组需要进行电子扫描来达到高度空间覆盖，因此要求天线波束角度宽，组阵后扫描角度大。对于毫米波卫星通信，也需要多波束天线来达到大角度的信号接收，但一般需要设计复杂的馈电网络来达到多波束天线系统，或者设计复杂的机械系统安装多馈源加载的透射/反射天线。如果模组可以实现大角度扫描，那么也不需要复杂的馈源系统和机械系统，可仅通过电子扫描实现，大幅度降低系统复杂度。
4.因此，如何提升扫描极限，实现大角度扫描成为有待解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是：提供一种极化可重构的介质谐振器天线模组及电子设备，可实现大角度的扫描。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种极化可重构的介质谐振器天线模组，包括超表面层、人工磁导体层和至少一个的天线单元，所述天线单元包括介质谐振器；所述超表面层设置于所述人工磁导体层上，所述介质谐振器设置于所述超表面层上；所述介质谐振器的介电常数大于或等于35；所述超表面层为反射投射一体化的超表面层。
7.本发明还提出一种电子设备，包括如上所述的极化可重构的介质谐振器天线模组。
8.本发明的有益效果在于：通过采用反射透射一体化的超表面，当其工作于透射模式时，使得天线模组的极化为线极化，当其工作于反射模式时，使得天线模组的极化为圆极化，实现了极化可重构的天线模组，从而可在5g毫米波与卫星通信中切换；通过采用高介电常数的介质谐振器，可减小介质谐振器天线的体积，从而增加天线单元之间的距离，进而降低天线单元之间的耦合度；通过将pcb地板换成人工磁导体，可抑制表面波，从而减少端口之间耦合；通过减少天线单元之间的耦合，提升扫描极限，从而实现大角度扫描。
附图说明
9.图1为dra加载超表面形成圆极化的原理示意图；
10.图2为本发明实施例一的极化可重构的介质谐振器天线模组的侧面示意图；
11.图3为本发明实施例一的极化可重构的介质谐振器天线模组的俯视示意图；
12.图4为本发明实施例一的超表面单元的结构示意图；
13.图5为本发明实施例一的超表面单元的侧面示意图；
14.图6为本发明实施例一的超表面单元的俯视示意图；
15.图7为本发明实施例一的天线模组的不同工作模式对应的s参数示意图；
16.图8为本发明实施例一的超表面工作于反射模式时的反射相位示意图；
17.图9为天线单元以0.5λ的间距组阵后不同dk对应的s参数示意图；
18.图10为天线单元以0.5λ的间距组阵后不同dk对应的端口耦合情况变化曲线图；
19.图11为本发明实施例一的天线模组线极化扫描示意图；
20.图12为本发明实施例一的天线模组圆极化扫描示意图。
21.标号说明：
22.1、超表面层；2、人工磁导体层；3、介质谐振器；4、馈电探针；
23.11、第一金属层；12、第一介质层；13、第二金属层；14、第二介质层；15、第三金属层；16、第一二极管；17、第二二极管；
24.101、第一金属贴片；102、第二金属贴片。
具体实施方式
25.为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
26.请参阅图2，一种极化可重构的介质谐振器天线模组，包括超表面层、人工磁导体层和至少一个的天线单元，所述天线单元包括介质谐振器；所述超表面层设置于所述人工磁导体层上，所述介质谐振器设置于所述超表面层上；所述介质谐振器的介电常数大于或等于35；所述超表面层为反射投射一体化的超表面层。
27.从上述描述可知，本发明的有益效果在于：可在5g毫米波与卫星通信中切换，且可实现大角度扫描。
28.进一步地，所述超表面层包括多个超表面单元，所述多个超表面单元阵列分布；所述超表面单元包括依次层叠的第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层和第三金属层，还包括第一二极管和第二二极管；所述第一二极管设置于所述第一介质层中，所述第一二极管的一端连接所述第一金属层，另一端连接第二金属层；所述第二二极管设置于所述第二介质层中，所述第二二极管的一端连接所述第二金属层，另一端连接第三金属层。
29.由上述描述可知，当二极管断开时，超表面层相当于一个有厚度的介质层，处于透射模式，此时天线的极化是圆极化；当二极管导通时，超表面处于反射模式，端口大部分电磁波回波反射回来，电磁波透不过超表面层，此时天线的极化是线极化。
30.进一步地，还包括控制芯片，所述控制芯片分别与各超表面单元中的第一二极管和第二二极管连接。
31.由上述描述可知，可通过控制芯片控制二极管的通断，从而控制超表面工作在反射模式或透射模式。
32.进一步地，所述第一金属层、第二金属层和第三金属层均包括两个第一金属贴片和一个第二金属贴片；所述第一金属贴片的形状为矩形，所述第二金属贴片的形状为十字形；所述两个第一金属贴片分别位于所述第二金属贴片的两侧。
33.进一步地，所述第一金属层和第二金属层中的第一金属贴片和第二金属贴片在所述第三金属层的投影与所述第三金属层中的第一金属贴片和第二金属贴片重叠。
34.进一步地，所述第一金属层、第二金属层和第三金属层中的第一金属贴片的尺寸相同，所述第一金属层和第三金属层中的第二金属贴片的尺寸相同，所述第二金属层中的第二金属贴片的尺寸小于所述第一金属层中的第二金属贴片。
35.由上述描述可知，通过将超表面单元设计为上述结构，使得天线模组可覆盖5g毫米波频段中的n257(26.5
‑
29.5ghz)频段。
36.进一步地，所述介质谐振器的介电常数为45。
37.由上述描述可知，通过采用高介电常数的介质谐振器，可减小介质谐振器天线的体积，增加天线单元之间的距离，从而降低天线单元之间的耦合度，进而实现大角度扫描。
38.进一步地，所述介质谐振器的形状为圆柱体，所述圆柱体的底面半径为0.70mm，高度为1.10mm；
39.进一步地，相邻两个天线单元之间的间距为0.4λ，λ为波长长度。
40.由上述描述可知，当天线单元以0.4λ的间距组阵并加载人工磁导体，线极化扫描角可以达到
±
70度，圆极化扫描角可以达到
±
60度。
41.本发明还提出一种电子设备，包括如上所述的极化可重构的介质谐振器天线模组。
42.实施例一
43.请参照图1
‑
12，本发明的实施例一为：一种极化可重构的介质谐振器天线模组，其中，该天线模组中的天线单元为极化可重构的毫米波单元，线极化可以应用在5g毫米波模组，圆极化可以应用在毫米波卫星通信中。
44.dra(介质谐振器天线)加载超表面形成圆极化的原理如图1所示，且满足下述公式：
[0045][0046]
其中，e
r
是天线辐射远场，e
d
是天线后向辐射场经过超表面反射后的远场，天线的辐射朝z轴，h是天线距超表面距离，θ
x
是x方向的后向辐射场经过超表面反射后的相位变化量，θ
y
是y方向的后向辐射场经过超表面反射后的相位变化。
[0047]
当θ
x
＝90
°
，θ
y
＝
‑
90
°
，且h
→
0时，
[0048][0049]
从上述公式可以看出，这是典型的圆极化天线(圆极化定义：任何时间的电场可以分解成正交等幅度，相位相差90度的分量)，增加厚度h就可以变成线极化天线。
[0050]
如图2所示，本实施例的天线模组包括超表面层1、人工磁导体层2和至少一个的天线单元，本实施例中以包括四个天线单元为例进行说明，四个天线单元线性排列。所述天线单元包括介质谐振器3；所述超表面层1设置于所述人工磁导体层2上，所述介质谐振器3设
置于所述超表面层1上。
[0051]
进一步地，本实施例采用探针馈电的馈电方式。具体地，如图2所示，每个天线单元还包括馈电探针4，所述馈电探针4的一端内嵌于所述介质谐振器3内，另一端穿过超表面层1和人工磁导体层2。
[0052]
本实施例中，超表面层1为反射投射一体化的超表面层。具体地，如图3所示，所述超表面层1包括多个超表面单元，所述多个超表面单元阵列分布。
[0053]
如图4所示，本实施例中，所述超表面单元包括依次层叠的第一金属层11、第一介质层12、第二金属层13、第二介质层14和第三金属层15，还包括第一二极管16和第二二极管17；结合图5所示，第一二极管16设置于第一介质层12中，第一二极管16的一端(输入端)连接第一金属层11，另一端(输出端)连接第二金属层13；第二二极管17设置于第二介质层14中，第二二极管17的一端(输入端)连接第二金属层13，另一端(输出端)连接第三金属层15。
[0054]
具体地，第一介质层12中设有贯穿第一介质层12的第一通孔，第一二极管16设置于第一通孔中；第二介质层14中设有贯穿第二介质层14的第二通孔，第二二极管17设置于第二通孔中。
[0055]
进一步地，还包括控制芯片(图中未示出)，所述控制芯片分别与各超表面单元中的第一二极管16和第二二极管17连接。其中，控制芯片可为fpga或单片机。也就是说，可通过控制芯片控制二极管的通断，从而控制超表面工作在反射模式或透射模式。
[0056]
如图6所示，第一金属层、第二金属层和第三金属层均包括两个第一金属贴片101和一个第二金属贴片102；第一金属贴片101的形状为矩形，第二金属贴片102的形状为十字形；两个第一金属贴片101分别位于第二金属贴片102的两侧。
[0057]
本实施例中，第一金属层和第二金属层中的第一金属贴片和第二金属贴片在第三金属层的投影与第三金属层中的第一金属贴片和第二金属贴片重叠。第一金属层、第二金属层和第三金属层中的第一金属贴片的尺寸相同，第一金属层和第三金属层中的第二金属贴片的尺寸相同，第二金属层中的第二金属贴片的尺寸小于第一金属层中的第二金属贴片。
[0058]
通过将超表面单元设计为上述结构，使得天线模组可覆盖5g毫米波频段中的n257(26.5
‑
29.5ghz)频段。
[0059]
图7为本实施例的天线模组的不同工作模式对应的s参数图，图8为本实施例的超表面工作于反射模式时的反射相位示意图。可以看出，当二极管导通时，超表面处于反射模式，端口大部分电磁波回波反射回来，电磁波透不过超表面层；当二极管断开时，超表面处于透射模式，n257频段处的s参数小于
‑
10db，说明电磁波可透射过超表面层。
[0060]
当反射/透射一体化的超表面工作在透射模式时，其本质上是一个有厚度的介质层，天线的极化是线极化，而该超表面的地又是人工磁导体，所以可以抑制表面波，组阵后会使天线阵列大角度扫描。当反射/透射一体化的超表面工作在反射模式时，天线的极化是圆极化，由于加载的反射表面也是人工磁导体，所以可以抑制表面波，组阵后会使天线阵列大角度扫描。
[0061]
进一步地，介质谐振器的介电常数大于或等于35；优选地，本实施例中，介质谐振器的介电常数为45。所述介质谐振器的形状为圆柱体，所述圆柱体的底面半径为0.70mm，高度为1.10mm。
[0062]
根据阵列天线分析理论可知，模组在大角度电子扫描时，天线单元会有较大耦合，也就是说，若要提高扫描角度，则需要在阵列单元排列时，降低单元之间在扫描时的耦合度，因此，本实施例通过降低天线单元之间的耦合度，实现大角度扫描。而降低耦合度主要采用两种方法，一方面是降低空间耦合，另一方面是抑制pcb馈电的表面波。
[0063]
本实施例中，通过采用高介电常数的介质谐振器来降低空间耦合，介质谐振器的介电常数越高，体积则可减小，从而使得天线单元之间的间距变大，进而降低耦合度。通过将pcb地板换成人工磁导体，可抑制表面波，从而减少端口之间耦合。
[0064]
图9是两个天线单元以0.5λ的间距组阵后不同dk(介电常数)对应的s参数图，从图中可以看出，介电常数为10、20、45时，27.5ghz处的s参数均小于
‑
10db；图10是两个天线单元以0.5λ的间距组阵后不同dk对应的端口耦合情况变化曲线，从图中可以看出，高介电常数对应的空间耦合度低。从图9
‑
10可以看出，选择介电常数为45的介质谐振器，由于与低介电常数的介质谐振器相比，其体积小，相同单元间距下的耦合度小。
[0065]
优选地，本实施例中，相邻两个天线单元之间的间距为0.4λ，λ为波长长度。
[0066]
当天线单元以0.4λ的间距组阵并加载人工磁导体，超表面状态为透射模式时，天线模组的极化为线极化，此时，线极化扫描示意图如图11所示，从图中可看出，其具有
±
70度左右的扫描能力。当天线单元以0.4λ的间距组阵并加载人工磁导体，超表面状态为反射模式时，天线模组的极化为圆极化，此时，圆极化扫描示意图如图12所示，从图中可看出，其具有
±
60度左右的扫描能力。
[0067]
从上述描述可知，本实施例的天线模组的天线单元为极化可重构的毫米波单元，其线极化扫描角可以达到
±
70度，圆极化扫描角可以达到
±
60度，因此，本实施例的天线模组可以实现大角度扫描。
[0068]
综上所述，本发明提供的一种极化可重构的介质谐振器天线模组及电子设备，通过采用反射透射一体化的超表面，当其工作于透射模式时，使得天线模组的极化为线极化，当其工作于反射模式时，使得天线模组的极化为圆极化，实现了极化可重构的天线模组，从而可在5g毫米波与卫星通信中切换；通过采用高介电常数的介质谐振器，可减小介质谐振器天线的体积，从而增加天线单元之间的距离，进而降低天线单元之间的耦合度；通过将pcb地板换成人工磁导体，可抑制表面波，从而减少端口之间耦合；通过减少天线单元之间的耦合，提升扫描极限，从而实现大角度扫描。
[0069]
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。