【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无线通信技术的天线设计领域，特别涉及一种应用于5g毫米波通信中继的1-bit双极化透射阵天线单元。
技术介绍
1、透射阵天线是结合阵列天线理论与几何光学原理而产生的一种高增益空馈天线，这种天线可以通过较为简单的平面微带结构实现高增益的辐射，在移动通信、地球遥感、空间功率合成、太赫兹成像等领域都受到了广泛的关注。传统的透射阵通常由于单元结构复杂、带宽窄、口径效率偏低、天线剖面高等问题，其应用受到明显的制约；在移动通信领域，功耗是基站天线考量的重要指标之一，随着可重构技术的发展，诸如pin二极管等有源器件逐渐被用于基站天线的可重构设计，但随之带来的还有天线整体功耗的提升以及插入损耗的增大，而传统透射阵本身就面临较大的传输损耗，这进一步增大了透射阵天线的能量损失。综上所述，一种低功耗、低损耗、宽带高增益的波束扫描透射阵天线具有较好的应用前景。
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种应用于5g毫米波通信中继的1-bit双极化透射阵天线单元，使用2个pin二极管开关实现了2维平面内的双极化波束扫描功能，在保证天线工作带宽、口径效率和指向精度的同时，降低了天线整体的插入损耗，降低了天线的功耗。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
3、一种应用于5g毫米波通信中继的1-bit双极化透射阵天线单元，天线单元包含结构完全相同的收发天线，收发天线之间通过容性耦合结构相连，并在天线单元的几何中心关于x轴方向旋转18
4、单个接收或发射天线包括若干上层贴片和若干下层贴片，各上层贴片和各下层贴片分别沿y轴方向排列；上层贴片与下层贴片沿z轴方向一一对应堆叠在一起，并位于多个第一金属化过孔围成的腔体中；
5、在下层贴片的下方有级联的功分网络和1-bit移相器，下层贴片通过贴片馈电探针与功分网络相连；所述1-bit移相器的两个枝节通过馈电探针分别串联一个pin二极管开关，所述容性耦合结构通过第六金属化过孔级联于1-bit移相器末端。
6、在一个实施例中，所述天线单元整体在天线几何中心关于x轴旋转180°对称，在天线单元高度二分之一处将天线单元分为结构完全相同的收发天线。
7、在一个实施例中，所述上层贴片位于第一覆铜层的镂空位置，下层贴片位于第二覆铜层的镂空位置，上层贴片与下层贴片堆叠在一起，四周在镂空位置边沿通过第一金属化过孔围成腔体；两个所述pin二极管开关设置在第一覆铜层的中部镂空位置，用于控制1-bit移相器的状态。
8、在一个实施例中，所述上层贴片和下层贴片的形状为矩形或矩形的变形，两个贴片堆叠放置于第一金属化过孔构成的腔体中央，两层贴片之间以及贴片与腔体之间存在介质间隙；所述矩形的变形，包括：在矩形的一条或几条边上开缺口形成凹槽部，或连接有外延部。
9、在一个实施例中，在第二覆铜层下方，依次设置第三覆铜层、第四覆铜层、第五覆铜层和第六覆铜层；第三覆铜层作为贴片的地板，通过第三金属化过孔连接第一覆铜层，在贴片四周构成腔体，同时为pin二极管开关提供接地；
10、第四覆铜层、第五覆铜层和第六覆铜层构成带状线的传输线结构；其中第四覆铜层和第六覆铜层作为带状线的地板，通过若干第五金属化过孔连接在一起，同时通过若干第四金属化过孔与第三覆铜层相连，用于保证地板结构的连续性，第五覆铜层由所述功分网络和1-bit移相器组成，所述若干第五金属化过孔分别位于功分网络的两侧，用于将能量限制在带状线周围并抑制平行平板波导模式的产生，功分网络的起始端通过第二金属化过孔与下层贴片连接在一起，1-bit移相器的末端通过第六金属化过孔与容性耦合结构连接在一起。
11、在一个实施例中，所述容性耦合结构布置于所述第六覆铜层上的镂空位置。
12、在一个实施例中，所述1-bit移相器由一个输出端口短路或开路的3-db定向耦合器构成，1-bit移相器的两个输出端口通过第四金属化过孔分别连接到第一覆铜层的两条微带线，每条微带线上串联一个pin二极管开关，每个pin二极管开关有闭合和断开两种状态，控制1-bit移相器输出端口与地板之间的通断，当pin二极管开关闭合时，1-bit移相器的输出端口短路到地，当pin二极管开关断开时，1-bit移相器的输出端口开路。
13、在一个实施例中，所述1-bit移相器的两个输入端口分别与功分网络和容性耦合结构级联。
14、在一个实施例中，所述收发天线正交极化的容性耦合结构相对放置；上层贴片与下层贴片分别谐振在两个相近的工作频率，将两个频点进行组合获得一个较宽的工作带宽，拓宽其工作带宽。
15、在一个实施例中，接收天线的贴片接收自由空间中的电磁波能量，能量通过贴片馈电探针进入功分网络，功分网络将若干组贴片的能量合路后馈入1-bit移相器，通过1-bit移相器附加1-bit相位后，电磁波能量馈入容性耦合结构并耦合到发射天线的功分网络，发射天线的功分网络将能量等功分为若干份馈入另一极化发射天线的若干组贴片，最终向自由空间辐射。
16、与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
17、1)1-bit量化，可以实现二维平面内±45°的波束扫描。
18、2)双线极化，且两个极化的波束扫描方向可以独立调节。
19、3)使用pin二极管数量少，降低了单元的插入损耗，降低了控制电路的设计难度，降低了天线阵列的整体功耗。
20、4)单元结构简单，采用带状线设计移相器，降低了天线的生产成本。
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1.一种应用于5G毫米波通信中继的1-bit双极化透射阵天线单元，其特征在于，天线单元包含结构完全相同的收发天线，收发天线之间通过容性耦合结构(11)相连，并在天线单元的几何中心关于x轴方向旋转180°对称；
2.根据权利要求1所述应用于5G毫米波通信中继的1-bit双极化透射阵天线单元，其特征在于，所述天线单元整体在天线几何中心关于x轴旋转180°对称，在天线单元高度二分之一处将天线单元分为结构完全相同的收发天线。
3.根据权利要求1所述应用于5G毫米波通信中继的1-bit双极化透射阵天线单元，其特征在于，所述上层贴片(1)位于第一覆铜层(13)的镂空位置，下层贴片(2)位于第二覆铜层(14)的镂空位置，上层贴片(1)与下层贴片(2)堆叠在一起，四周在镂空位置边沿通过第一金属化过孔(3)围成腔体；两个所述PIN二极管开关(7)设置在第一覆铜层(13)的中部镂空位置，用于控制1-bit移相器(6)的状态。
4.根据权利要求1或3所述应用于5G毫米波通信中继的1-bit双极化透射阵天线单元，其特征在于，所述上层贴片(1)和下层贴片(2)的形状为矩
5.根据权利要求3所述应用于5G毫米波通信中继的1-bit双极化透射阵天线单元，其特征在于，在第二覆铜层(14)下方，依次设置第三覆铜层(15)、第四覆铜层(16)、第五覆铜层(17)和第六覆铜层(18)；第三覆铜层(15)作为贴片的地板，通过第三金属化过孔(9)连接第一覆铜层(13)，在贴片四周构成腔体，同时为PIN二极管开关(7)提供接地；
6.根据权利要求1所述应用于5G毫米波通信中继的1-bit双极化透射阵天线单元，其特征在于，所述1-bit移相器(6)由一个输出端口短路或开路的3-dB定向耦合器构成，1-bit移相器(6)的两个输出端口通过第四金属化过孔(10)分别连接到第一覆铜层(13)的两条微带线，每条微带线上串联一个PIN二极管开关(7)，每个PIN二极管开关(7)有闭合和断开两种状态，控制1-bit移相器(6)输出端口与地板之间的通断，当PIN二极管开关(7)闭合时，1-bit移相器(6)的输出端口短路到地，当PIN二极管开关(7)断开时，1-bit移相器(6)的输出端口开路。
7.根据权利要求6所述应用于5G毫米波通信中继的1-bit双极化透射阵天线单元，其特征在于，在单个接收或发射天线中，所述上层贴片(1)和下层贴片(2)分别为4个，由此形成4组双层堆叠贴片单元，利用4个PIN二极管开关7实现4组双层堆叠贴片单元的双极化2维波束扫描功能。
8.根据权利要求1所述应用于5G毫米波通信中继的1-bit双极化透射阵天线单元，其特征在于，所述1-bit移相器(6)的两个输入端口分别与功分网络(5)和容性耦合结构(11)级联。
9.根据权利要求1所述应用于5G毫米波通信中继的1-bit双极化透射阵天线单元，其特征在于，所述上层贴片(1)与下层贴片(2)分别谐振在两个相近的工作频率，将两个频点进行组合拓宽其工作带宽。
10.根据权利要求1所述应用于5G毫米波通信中继的1-bit双极化透射阵天线单元，其特征在于，所述接收天线的贴片接收自由空间中的电磁波能量，能量通过贴片馈电探针(4)进入功分网络(5)，功分网络(5)将若干组贴片的能量合路后馈入1-bit移相器(6)，通过1-bit移相器(6)附加1-bit相位后，电磁波能量馈入容性耦合结构(11)并耦合到发射天线的功分网络(5)，发射天线的功分网络(5)将能量等功分为若干份馈入另一极化发射天线的若干组贴片，最终向自由空间辐射。
...【技术特征摘要】
1.一种应用于5g毫米波通信中继的1-bit双极化透射阵天线单元，其特征在于，天线单元包含结构完全相同的收发天线，收发天线之间通过容性耦合结构(11)相连，并在天线单元的几何中心关于x轴方向旋转180°对称；
2.根据权利要求1所述应用于5g毫米波通信中继的1-bit双极化透射阵天线单元，其特征在于，所述天线单元整体在天线几何中心关于x轴旋转180°对称，在天线单元高度二分之一处将天线单元分为结构完全相同的收发天线。
3.根据权利要求1所述应用于5g毫米波通信中继的1-bit双极化透射阵天线单元，其特征在于，所述上层贴片(1)位于第一覆铜层(13)的镂空位置，下层贴片(2)位于第二覆铜层(14)的镂空位置，上层贴片(1)与下层贴片(2)堆叠在一起，四周在镂空位置边沿通过第一金属化过孔(3)围成腔体；两个所述pin二极管开关(7)设置在第一覆铜层(13)的中部镂空位置，用于控制1-bit移相器(6)的状态。
4.根据权利要求1或3所述应用于5g毫米波通信中继的1-bit双极化透射阵天线单元，其特征在于，所述上层贴片(1)和下层贴片(2)的形状为矩形或矩形的变形，两个贴片堆叠放置于第一金属化过孔(3)构成的腔体中央，两层贴片之间以及贴片与腔体之间存在介质间隙；所述矩形的变形，包括：在矩形的一条或几条边上开缺口形成凹槽部，或连接有外延部。
5.根据权利要求3所述应用于5g毫米波通信中继的1-bit双极化透射阵天线单元，其特征在于，在第二覆铜层(14)下方，依次设置第三覆铜层(15)、第四覆铜层(16)、第五覆铜层(17)和第六覆铜层(18)；第三覆铜层(15)作为贴片的地板，通过第三金属化过孔(9)连接第一覆铜层(13)，在贴片四周构成腔体，同时为pin二极管开关(7)提供接地；
6.根据权利要求1所述应用于5g毫米波通信中继的1-bit双极化透射阵天线单元，...
【专利技术属性】
技术研发人员：邓长江，尹佑甲，于伟华，胡伟东，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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