CN100384016C

CN100384016C - 变极化微带反射阵天线

Info

Publication number: CN100384016C
Application number: CNB2004101030725A
Authority: CN
Inventors: 章文勋; 吴知航
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2004-12-30
Filing date: 2004-12-30
Publication date: 2008-04-23
Anticipated expiration: 2024-12-30
Also published as: CN1658433A

Abstract

变极化微带反射阵天线，由馈源和反射阵组成，反射阵由上介质基片、下介质基片和接地金属板组成，下介质基片设在上介质基片与接地金属板之间，在上介质基片与下介质基片之间设有间隙，在下介质基片与接地金属板也设有间隙，在上介质基片上设有上层矩形贴片，上层矩形贴片在周期性排列的格点上，在下介质基片上设有下层矩形贴片，下层矩形贴片在按周期性排列的格点上，上介质基片上格点阵列与下介质基片上格点重叠，位于同一格点上的上、下两层矩形贴片的形状相似，位于同一介质基片上的各个矩形贴片长边及宽边的尺寸随其所在的格点至中心格点距离的增加而减小，下层矩形贴片长边及宽边的尺寸分别大于位于其相应位置上的上层矩形贴用之相应的尺寸。

Description

变极化微带反射阵天线

技术领域

本发明涉及一种微带天线，尤其涉及一种能够实现极化变换的变极化微带反射阵天线。

背景技术

目前所有的微带反射阵天线多不能实现极化变换，唯有一种采用双极化方形贴片阵元的‘线极化-正交线极化变换’的反射阵，其每个贴片都含有连接两种极化之馈电端口的附加馈线网络，结构复杂且受阵列周期尺寸的限制，原理上只能实现较窄频带、较小尺寸的正交线极化变换反射阵功能。

发明内容

本发明提供一种结构简便且无需附加馈线网络的、可在较大阵列尺寸和较宽频带上实现多种极化变换的变极化微带反射阵天线。

本发明采用如下技术方案：

一种能够实现极化变换的变极化微带反射阵天线，由馈源和反射阵组成，反射阵由上介质基片、下介质基片和接地金属板组成，下介质基片设在上介质基片与接地金属板之间，在上介质基片与下介质基片之间设有间隙，在下介质基片与接地金属板也设有间隙，在上介质基片上设有上层矩形贴片，上层矩形贴片位于按周期性排列的格点上，在下介质基片上设有下层矩形贴片，下层矩形贴片位于按周期性排列的格点上，上介质基片上格点阵列与下介质基片上格点相重叠，位于同一格点上的上、下两层矩形贴片的形状相似，位于同一介质基片上的各个矩形贴片长边及宽边的尺寸随其所在的格点至中心格点距离的增加而减小，下层矩形贴片长边及宽边的尺寸分别大于位于其相应位置上的上层矩形贴片之相应的尺寸。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明的优点在于其反射阵在形成定向聚束功能的同时，也能实现将馈源发出的某种极化形式的照射波变换成另一种极化形式的辐射波。

本发明可实现‘线极化-正交线极化’或‘圆极化-反旋圆极化’的变换，借以减少甚至消除馈源对反射阵辐射波的遮挡效应。在现有的非极化变换反射阵中，馈源既向反射阵发出照射波，同时也接收来自反射阵所反射的波，其结果一方面吸收部分能量而减小增益、散射部分能量而增大旁瓣，另一方面馈源向馈线的反射又导致失配，在极化正交变换的反射阵中，反射波的极化形式与馈源的极化形式正交，不会进入馈源，且受馈源结构的影响很小甚至可容忽略。

本发明可实现‘线极化-圆极化’之间的变换，实现极化变换器的功能。免除在馈源中加接四分之波长圆极化形成器、或在反射阵面上加盖四分之波长极化栅的累赘。

本发明与现有的极化变换反射阵相比，无需附加馈线网络，结构更简单。本发明与传统的单层贴片结构反射阵相比，由于采用双层贴片、泡沫介质层或空气层的间隔，其相位补偿量可增大50-80％，从而可使用于较大规模的阵列，其频带也能展宽近-倍。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图。

图2是本发明的反射阵结构示意图。

图3说明本发明的图2中反射阵2的上层贴片阵21和下层贴片阵24所公共的周期性格点排列图，每个贴片的中心对应了一个格点。沿平行于矩形贴片两边方向的周期长度分别是A和B。

图4是本发明的图2和图3所示反射阵2中同一格点周期内的上层贴片阵21和下层贴片阵24之结构示意图。图中的矩形金属贴片单元211和241都按周期性格点排列。

图5是本发明中反射阵的相位补偿量与下层矩形贴片长边尺寸a₂的关系曲线图。

图6是本发明中反射阵的相位补偿量与矩形贴片宽边/长边尺寸之比值(宽长比)τ的关系曲线图。

具体实施方式

实施例1

一种能够实现极化变换的变极化微带反射阵天线，由馈源1和反射阵2组成，其特征在于反射阵2由上介质基片22、下介质基片25和接地金属板27组成，下介质基片25设在上介质基片22与接地金属板27之间，在上介质基片22与下介质基片25之间设有间隙23，在下介质基片25与接地金属板27也设有间隙26，在上介质基片22上设有上层矩形贴片21，上层矩形贴片21位于按周期性排列的格点上，在下介质基片25上设有下层矩形贴片24，下层矩形贴片24位于按周期性排列的格点上，上介质基片22上格点阵列与下介质基片25上格点相重叠，位于同一格点上的上、下两层矩形贴片的形状相似，位于同一介质基片上的各个矩形贴片长边及宽边的尺寸随其所在的格点至中心格点距离的增加而减小，下层矩形贴片241长边及宽边的尺寸分别大于位于其相应位置上的上层矩形贴片211之相应的尺寸，在上介质基片22与下介质基片25之间隙(23)中设有泡沫介质层，在下介质基片25与接地金属板27之间隙26中也设有泡沫介质层，或者，在上介质基片22与下介质基片25之间隙23中设有空气层，在下介质基片25与接地金属板27之间隙26中也设有空气层，处在各个格点上的上、下层矩形贴片的相似率都相同，该上、下层矩形贴片的相似率是指位于同一格点位置的上、下层矩形贴片中对应的边长之比，即：

上、下层矩形贴片相似率＝上层矩形贴片的长边尺寸/下层矩形贴片的长边尺寸

＝上层矩形贴片的宽边尺寸/下层矩形贴片的宽边尺寸，

上介质基片22、下介质基片25、接地金属板27之间的固定可用现有技术中常见的多种措施，在本实施例中，采用定位销28进行定位和固定，在本实施例中，上、下层矩形贴片以周期性格点为中心。

实施例2

采用厚0.5mm的介质(ε_r＝2.2)基片和2mm空气隙的37元贴片阵，格点阵的两维周期都是18mm，同格点上、下层贴片尺寸的相似率都取0.7。按贴片中心与阵面中央的距离由小到大的顺序，矩形贴片的宽长比依次为{0.91，0.915，0.92，0.90，0.90，0.90，0.87，0.86}，下层矩形贴片的长度(mm)依次为{14，13.6，13.3，12.7，12.4，11.5，11.1，10.8}。设计频率为10GHz，工作频带为14％。采用渐变槽线的印刷辐射器作为线极化馈源，实现线极化-左旋圆极化的变换。

本发明可延拓涵盖：由非周期性格点排列的贴片阵按相同原理构成的变极化反射阵天线；由单层或多层贴片阵按相同原理构成的变极化反射阵天线；各层贴片尺寸之相似率随贴片位置而不同的贴片阵按相同原理构成的反射阵天线；按相同原理构成的无源反射阵。

本发明矩形贴片的具体形状和参数可通过以下措施来确定；

贴片按二维周期性格点排列(如图3)，上、下层对应贴片处于同一格点位置并且形状相似，相似率为s。同一格点位置处，上、下两层贴片所在的一个周期构成反射阵的一个单元(如图4)，处于反射阵面中央的单元称为中心单元。单元中的矩形贴片由两个结构参数决定：下层矩形的长边尺寸a₂及其宽长比τ。首先选定介质材料及其厚度、空气层厚度、馈源离开阵列的距离、格点的周期等参数，然后设计合适的上、下层矩形贴片的相似率s、再为每个单元确定下层矩形长边a₂及其宽长比τ使同时实现反射阵聚束辐射所需的相位补偿和极化变换所需的场分量相位配置。

为了便于说明各个单元结构参数的设计过程而又不失一般性，以下的表述都设定下列结构参数：介质基片(ε_r＝2.2)厚度0.5mm、馈源距离F＝84.4mm，空气隙厚度2mm、格点排列的两维周期尺寸A＝B＝18mm，工作频率f＝10GHz。同一格点处上、下层贴片尺寸的相似率s根据不同材料可以在0.6到0.8之间取值，例如：本实施例所有单元的相似率s都取0.7。

设中心单元用坐标(0，0)标识，坐标(n，m)标识距离中心单元横向n个格点周期、纵向m个格点周期的单元。取中心单元的下层矩形贴片之长边a₂(0，0)接近格点周期A，取a₂(0，0)＝14mm。其它单元的下层长边应该实现第(n，m)个单元的相位补偿量Δφ(n，m)，按下式计算：

Δφ (n, m) = 360 f (\sqrt{F^{2} + (n^{2} + m^{2}) A^{2}} - F) / c = 12 (\sqrt{7123.36 + 324 (n^{2} + m^{2})} - 84.4)

式中，f为给定的工作频率(Hz)，F为馈源距离(mm)，A为格点的周期(mm)，c为光速。a₂(n，m)由下列曲线上对应于Δφ(n，m)的值确定。该曲线是在上述给定条件下得出的，对于不同的材料等参数，可经计算机仿真得到与之类似的曲线。(可选用的仿真软件有如：Ansoft公司的HFSS、CST公司的Microwave Studio CST等)。在仿真中设单元置于无限周期阵列之中(即采用周期性边界条件)，采用极化方向平行于矩形贴片长边的线极化平面波激励，考察远区场主极化波的相位量Δφ随a₂(n，m)的变化(如图5)。

下一步是确定每个单元的宽长比τ(n，m)以满足极化变换所需的反射场沿长边极化分量与沿宽边极化分量之相位差。如果所有单元沿长边与沿宽边极化分量之相位差都等于-90°，则可以实现‘线极化-圆极化’或‘圆极化-线极化’变换；若相位差都等于-180°，则实现‘线极化-正交线极化’或‘圆极化-正交圆极化’变换。前者称为线/圆极化变换反射阵，后者称为正交极化变换反射阵。两类反射阵对应的τ(n，m)由下图表确定，对于前面已经确定的a₂(n，m)，总能在图上找到一条对应的‘相位量Δφ关于宽长比τ’曲线，该曲线与‘相位量＝-90°’和‘相位量＝-180°’两条直线之交点的横坐标值分别对应了线/圆极化变换反射阵和正交极化变换反射阵的τ(n，m)值。图6只列出几条典型曲线，通过仿真计算可以得到完整的曲线表。在仿真中设单元置于无限周期阵列之中(即采用周期性边界条件)，不同的是将平面波的极化方向调整为与长边和宽边成45°夹角，考察远区场中沿长边方向和沿宽边方向极化分量之相位差。在确定a₂(n，m)的情况下改变τ(n，m)可得到‘相位量Δφ关于宽长比τ’的曲线。

本发明的线/圆极化变换微带反射阵天线和正交极化变换微带反射阵天线，当馈源照射的线极化波取向平行于贴片长(或短)边时，将不产生极化变换，即辐射波维持与照射波相同的线极化。当照射波为线极化、其取向与贴片长边(或短边)的夹角为+45°或-45°时，经线/圆极化变换反射阵产生的辐射波为左旋圆极化或者右旋圆极化经正交极化变换反射阵产生的辐射波分别为-45°或+45°方向线极化。当照射波为左旋或者右旋的圆极化时，经线/圆极化变换反射阵产生的辐射波为+45°或-45°方向的线极化；经正交极化变换反射阵产生的辐射波为右旋或者左旋圆极化。

Claims

1.一种能够实现极化变换的变极化微带反射阵天线，由馈源(1)和反射阵(2)组成，其特征在于反射阵(2)由上介质基片(22)、下介质基片(25)和接地金属板(27)组成，下介质基片(25)设在上介质基片(22)与接地金属板(27)之间，在上介质基片(22)与下介质基片(25)之间设有间隙(23)，在下介质基片(25)与接地金属板(27)之间也设有间隙(26)，在上介质基片(22)上设有长边与宽边长度不同的上层长方形贴片(21)，上层长方形贴片(21)位于按周期性排列的格点上，在下介质基片(25)上设有长边与宽边长度不同的下层长方形贴片(24)，下层长方形贴片(24)位于按周期性排列的格点上，上介质基片(22)上格点阵列与下介质基片(25)上格点阵列相重叠，位于同一格点上的上、下两层长方形贴片的形状相似，位于同一介质基片上的各个长方形贴片长边及宽边的尺寸随其所在的格点至中心格点距离的增加而减小，下层长方形贴片(241)长边及宽边的尺寸分别大于位于其相对应位置上的上层长方形贴片(211)之相应的尺寸。

2.根据权利要求1所述的变极化微带反射阵天线，其特征在于在上介质基片(22)与下介质基片(25)之间隙(23)中设有泡沫介质层，在下介质基片(25)与接地金属板(27)之间隙(26)中也设有泡沫介质层。

3.根据权利要求1所述的变极化微带反射阵天线，其特征在于在上介质基片(22)与下介质基片(25)之间隙(23)中设有空气层，在下介质基片(25)与接地金属板(27)之间隙(26)中也设有空气层。

4.根据权利要求1、2或3所述的变极化微带反射阵天线，其特征在于处在每个格点上的上、下层长方形贴片的长边和宽边具有相同的相似率，且所有格点的相似率都相等，所述相似率是位于同一格点位置的上、下层长方形贴片中对应的边长之比。