CN103259087B - 基于频率选择表面的l/c双波段共口径天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于频率选择表面的L/C双波段共口径天线，主要解决现有微带天线带宽较窄，交叉极化较差，共口径结构隔离度低的问题。其包括L波段天线（1）、C波段天线（3）和金属地板（5）。L波段天线（1）与C波段天线（3）均为领结型天线，且极化正交；在L波段天线（1）上刻有对C波段天线（3）呈现带通特性的频率选择表面单元（10）；L波段天线（1）位于最上层，C波段天线（3）位于中间层，地板（5）位于最底层，L波段天线（1）与C波段天线（3）之间填充ROHACELLHF型支撑泡沫（2），C波段天线（3）与地板（5）之间填充ROHACELLHF型支撑泡沫（4），形成口径重叠的分层结构。本发明具有宽频带、低交叉极化和高隔离度的优点，可用于无线通信系统及合成孔径雷达SAR。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及L/C双波段共口径天线，可用于无线通信系统及合成孔径雷达SAR。
技术背景
雷达系统采用多种频段，可以有效地提高雷达的多功能性，尤其是当雷达系统采用高低频段组合时，可以提供更多关于成像区域的信息。在各种环境和工作条件下，高低频的波段组合具有明显优势。例如，在低频段，树丛造成的衰减和立体散射较少，低频段还适用变化检测，具有较低虚警率；高频段具有很好的分辨率、目标识别和跟踪功能。
合成孔径雷达SAR不但能用来获取大地域的地面图像，而且具有很强的穿透能力，现已广泛应用于资源勘探、重大灾情估计、大地测绘等领域，在军事上更具有独到的优势。而SAR天线是决定合成口径雷达性能的关键子系统之一，天线的好坏直接影响了系统的灵敏度、距离和方位分辨率、成像模糊度及测绘带宽等性能。
目前SAR天线的一个重要趋势是共口径、多极化、多波段、宽频带。多极化可以提高信息量，多波段工作对不同的反射体提供良好的扫描分辨率、穿透性和反射数据；利用两个或多个波段共用一个天线阵面，可以充分发挥在各个不同波段同时进行雷达测量所具有的特点；共用口径的实现不但减小了重量和体积，还可以共享天线阵后面的许多雷达分系统，提高系统的有效载荷、能源的效率。
然而，现有的共口径天线多采用微带贴片天线，微带贴片天线的带宽较窄，交叉极化较差，而且现有的共口径结构的隔离度较低。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于频率选择表面的L/C双波段共口径天线，以增加天线带宽，降低交叉极化，提高天线隔离度。
为实现上述目的，本发明包括：L波段天线1、C波段天线3和金属地板5，其特征在于：
L波段天线1位于最上层，金属地板5位于最下层，C波段天线3位于L波段天线1与金属地板5之间；
L波段天线1与C波段天线3正交放置，共用L波段天线1的口径；每个天线均采用领结型金属贴片结构；
L波段天线1上刻有对C波段天线3呈现带通特性的N个频率选择表面单元10，N≥6，这些单元均匀排列，形成嵌入频率选择表面的L波段天线1的领结型结构。
上述的基于频率选择表面的L/C双波段共口径天线，其特征在于：L波段天线1与C波段天线3之间填充有第一层支撑泡沫2，C波段天线3与地板5之间填充有第二层支撑泡沫4。
上述的基于频率选择表面的L/C双波段共口径天线，其特征在于：每个频率选择表面单元10包括正六边形金属贴片11和正六边形金属环12，该正六边形金属贴片11与正六边形金属环12之间为正六边形缝隙13。
上述的基于频率选择表面的L/C双波段共口径天线，其特征在于：正六边形金属环12与正六边形缝隙13的宽度相同，均为λC/290，λC为C波段天线3在空气中的工作波长。
上述的基于频率选择表面的L/C双波段共口径天线，其特征在于：正六边形金属贴片11的两条平行边之间的距离为λC/6，λC为C波段天线3在空气中的工作波长。
上述的基于频率选择表面的L/C双波段共口径天线，其特征在于：第一层支撑泡沫2为ROHACELLHF型泡沫，其厚度为λL/5，λL为L波段天线在空气中的工作波长，第二层支撑泡沫4为ROHACELLHF型泡沫，其厚度为λC/4，λC为C波段天线3在空气中的工作波长。
上述的基于频率选择表面的L/C双波段共口径天线，其特征在于：每个频率选择表面单元10可进一步采用正六边形金属贴片11和正六边形金属环12，该正六边形金属贴片11与正六边形金属环12之间为正六边形缝隙13，正六边形缝隙13上有六个大小相等的双F型缝隙14，这些双F型缝隙分别垂直位于正六边形缝隙13各边的中间位置，呈中心对称分布。
上述的基于频率选择表面的L/C双波段共口径天线，其特征在于：每个双F型缝隙14由两条垂直缝隙和夹在该两条垂直缝隙之间的四条水平缝隙构成，该两条垂直缝隙长度相等，均为λC/25，四条水平缝隙的长度相等，均为λC/116，两条垂直缝隙的宽度和四条水平缝隙的宽度均与正六边形缝隙13的宽度相等，均为λC/290，λC为C波段天线3在空气中的工作波长。
上述的基于频率选择表面的L/C双波段共口径天线，其特征在于：正六边形金属贴片11的两条平行边之间的距离为λC/7，正六边形金属环12与正六边形缝隙13的宽度相等，均为λC/290，λC为C波段天线3在空气中的工作波长。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
（1）相对于现有共口径天线，本发明采用L/C双波段天线口径重叠形成的分层结构，具有较高隔离度。
（2）相对于现有共口径天线，本发明中L波段天线和C波段天线均采用领结型结构，该领结型天线不仅带宽比普通微带天线的带宽更宽，而且交叉极化比普通微带天线更低。
（3）相对于现有共口径天线，本发明将带通型频率选择表面结构嵌入到L波段天线中，该频率选择表面将对C波段天线呈现透波特性，大大减小L波段天线对C波段天线的遮挡效应，实现良好的共口径天线性能。
（4）相对于现有共口径天线，本发明由于将L波段天线与C波段天线正交放置，且L/C双波段天线的口径重叠，所以L/C双波段共口径天线的口径大小只取决于最上层L波段天线的口径大小。
附图说明
图1是本发明的结构示意图，（a）为正视图，（b）为侧视图；
图2是本发明中的L波段天线结构示意图；
图3是本发明中的C波段天线、金属地板和支撑泡沫结构示意图；
图4是本发明中实施例1的频率选择表面单元结构示意图；
图5是本发明中实施例2的频率选择表面单元结构示意图；
图6是本发明中的C波段天线与无频率选择表面单元的共口径天线的C波段天线的端口反射系数S11的仿真结果对比图；
图7是本发明中的L波段天线与无频率选择表面单元的共口径天线的L波段天线的端口反射系数S11的仿真结果对比图；
图8是本发明中的C波段天线与无频率选择表面单元的共口径天线的C波段天线的辐射方向度时的仿真结果对比图；
图9是本发明中的C波段天线与无频率选择表面单元的共口径天线的C波段天线的辐射方向度时的仿真结果对比图；
图10是本发明中的L波段天线与无频率选择表面单元的共口径天线的L波段天线的辐射方向度时的仿真结果对比图；
图11是本发明中的L波段天线与无频率选择表面单元的共口径天线的L波段天线的辐射方向度时的仿真结果对比图；
图12是本发明中的C波段天线交叉极化特性仿真图；
图13是本发明中的L波段天线交叉极化特性仿真图。
具体实施方式
实施例1
参照图1，本发明包括L波段天线1、C波段天线3和金属地板5。
L波段天线1与C波段天线3均采用领结型金属贴片结构，即从天线中心向两侧通过四个斜边逐渐变宽，四个斜边通过两对平行边与两个宽边连接，形成领结型金属贴片结构，且L波段天线1与C波段天线3极化正交。L波段天线1位于C波段天线3的上层，且与C波段天线3正交放置，C波段天线3位于金属地板5的上部，L波段天线1与C波段天线3之间通过填充第一层ROHACELL HF型泡沫2固定，C波段天线3与地板5之间通过填充第二层ROHACELL HF型泡沫4固定，形成上、中、下三层立体结构的双波段共口径天线。该双波段共口径天线中的L波段天线1与C波段天线3的口径重叠，共用L波段天线1的口径，即整个双波段共口径天线的口径大小与L波段天线1的口径大小相同。
参照图2，L波段天线1上刻有对C波段天线3呈现带通特性的N个频率选择表面单元10，N≥6，这些单元均匀排列，即从L波段天线1的中心向两侧依次增加排列。本实施例中设频率选择表面单元10的个数为12，L波段天线1的中心向两侧按照依次1个单元，2个单元，3个单元的顺序排列，即L波段天线1的每一侧均为6个单元，两侧共计12个单元，形成嵌入频率选择表面的L波段天线1的领结型结构。L波段天线1的长度l1为λL/3，宽度w1为λL/9，四个斜边的长度s1均为λL/8，平行边的长度b1均为λL/19，λL为L波段天线1在空气中的工作波长。
参照图3，C波段天线3的长度l2为λC/3，宽度w2为λC/7，四个斜边的长度s2均为λC/10，平行边的长度b2均为λC/12。地板5的长度g1为1.3λL，宽度g2为1.1λL。第一层支撑泡沫2的长度g1为1.3λL，宽度g2为1.1λL，厚度h1为2λL/5。第二层支撑泡沫4的长度g1为1.3λL，宽度g2为1.1λL，厚度h2为λC/4，λC为C波段天线3在空气中的工作波长。
参照图4，每个频率选择表面单元10由正六边形金属贴片11与正六边形金属环12组成，正六边形金属贴片11与正六边形金属环12之间为正六边形缝隙13。正六边形金属贴片11的两条平行边之间的距离L1为λC/6，正六边形金属环12与缝隙13的宽度L2相同，均为λC/290。
实施例2
参照图1，本发明的天线结构与实施例1相同。其L波段天线1上的每个频率选择表面单元10的结构，如图5所示。
参照图5，每个频率选择表面单元10由正六边形金属贴片11与正六边形金属环12组成，正六边形金属贴片11与正六边形金属环12之间为正六边形缝隙13，正六边形缝隙13上有六个大小相等的双F型缝隙14，这些双F型缝隙分别垂直位于正六边形缝隙13各边的中间位置，呈中心对称分布。每个双F型缝隙14由两条垂直缝隙和四条水平缝隙构成，四条水平缝隙位于两条垂直缝隙之间，两条水平缝隙和一条垂直缝隙形成F型缝隙，该双F型缝隙14的宽度L1为λC/50，两垂直缝隙的长度L2都相等，均为λC/25，四条水平缝隙的长度L3都相等，均为λC/116，两条垂直缝隙和四条水平缝隙的宽度L5与正六边形缝隙13的宽度L4相等，均为λC/290，正六边形金属贴片11的两条平行边之间的距离L6为λC/7，正六边形金属环12与正六边形缝隙13的宽度L4相等，均为λC/290。
本发明的效果可通过仿真实验结果进一步说明：
仿真实验1：
对L/C双波段共口径天线中的C波段天线的端口反射系数S11、辐射方向图和交叉极化特性进行仿真，结果如图6、图8、图9、图12所示。
从图6可以看出，在L波段天线上刻蚀频率选择表面单元，对C波段天线的端口反射系数S11有比较好的改善，C波段天线的相对带宽大于16%。
从图8和图9可以看出，在L波段天线刻蚀频率选择表面单元，减小了L波段天线对C波段天线的反射和遮挡效应。
从图12可以看出，C波段天线的交叉极化均小于-40dB。
仿真实验2：
对L/C双波段共口径天线中的L波段天线的端口反射系数S11、辐射方向图和交叉极化特性进行仿真，结果如图7、图10、图11、图13所示。
从图7可以看出，在L波段天线上刻蚀频率选择表面单元，对L波段天线的端口反射系数S11影响较小，L波段天线的相对带宽大于17%。
从图10和图11可以看出，刻有频率选择表面单元的L波段天线的辐射方向图基本保持不变。
从图13可以看出，L波段天线的交叉极化均小于-40dB。
以上描述仅是本发明的具体实施例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明的内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于频率选择表面的L/C双波段共口径天线，包括L波段天线(1)、C波段天线(3)和金属地板(5)，其特征在于：
L波段天线(1)位于最上层，金属地板(5)位于最下层，C波段天线(3)位于L波段天线(1)与地板(5)之间；
L波段天线(1)与C波段天线(3)正交放置，共用L波段天线(1)的口径；L波段天线(1)的中心在金属地板(5)上的投影与C波段天线(3)的中心在金属地板(5)上的投影重合；每个天线均采用领结型金属贴片结构；
L波段天线(1)上刻有对C波段天线(3)呈现带通特性的N个频率选择表面单元(10)，N≥6，这些单元均匀排列，形成嵌入频率选择表面的L波段天线(1)的领结型结构；
所述L波段天线(1)与C波段天线(3)之间填充有第一层支撑泡沫(2)，C波段天线(3)与地板(5)之间填充有第二层支撑泡沫(4)。
2.根据权利要求1所述的基于频率选择表面的L/C双波段共口径天线，其特征在于：每个频率选择表面单元(10)包括正六边形金属贴片(11)和正六边形金属环(12)，该正六边形金属贴片(11)与正六边形金属环(12)之间设有正六边形缝隙(13)。
3.根据权利要求2所述的基于频率选择表面的L/C双波段共口径天线，其特征在于：正六边形金属环(12)与正六边形缝隙(13)的宽度相同，均为λC/290，λC为C波段天线(3)在空气中的工作波长。
4.根据权利要求2所述的基于频率选择表面的L/C双波段共口径天线，其特征在于：正六边形金属贴片(11)的两条平行边之间的距离为λC/6，λC为C波段天线(3)在空气中的工作波长。
5.根据权利要求2所述的基于频率选择表面的L/C双波段共口径天线，其特征在于：第一层支撑泡沫(2)为ROHACELL HF型泡沫，其厚度为λL/5，λL为L波段天线在空气中的工作波长，第二层支撑泡沫(4)为ROHACELL HF型泡沫，其厚度为λC/4，λC为C波段天线(3)在空气中的工作波长。
6.根据权利要求1所述的基于频率选择表面的L/C双波段共口径天线，其特征在于：每个频率选择表面单元(10)可进一步采用正六边形金属贴片(11)和正六边形金属环(12)，该正六边形金属贴片(11)与正六边形金属环(12)之间设有正六边形缝隙(13)，正六边形缝隙(13)的各边的中间位置向正六边形金属贴片(11)的中心形成六个大小相等的双F型缝隙(14)，这些双F型缝隙的末端连接于正六边形缝隙(13)，分别垂直于正六边形缝隙各边的中间位置，呈中心对称分布。
7.根据权利要求6所述的基于频率选择表面的L/C双波段共口径天线，其特征在于：每个双F型缝隙(14)由两条垂直缝隙和夹在该两条垂直缝隙之间的四条水平缝隙构成，该两条垂直缝隙长度相等，均为λC/25，四条水平缝隙的长度相等，均为λC/116，两条垂直缝隙的宽度和四条水平缝隙的宽度均与正六边形缝隙(13)的宽度相等，均为λC/290，λC为C波段天线(3)在空气中的工作波长。
8.根据权利要求6所述的基于频率选择表面的L/C双波段共口径天线，其特征在于：正六边形金属贴片(11)的两条平行边之间的距离为λC/7，正六边形金属环(12)与正六边形缝隙(13)的宽度相等，均为λC/290，λC为C波段天线(3)在空气中的工作波长。
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