CN103560336A

CN103560336A - Ku频段双频双极化微带平面反射阵天线

Info

Publication number: CN103560336A
Application number: CN201310486023.3A
Authority: CN
Inventors: 孙科; 王涛; 阴贵源; 包金玉; 康学海; 关蔚; 林昕燕
Original assignee: BEIJING AEROSPACE FUDAO HIGH-TECH CO LTD
Current assignee: BEIJING AEROSPACE FUDAO HIGH-TECH CO LTD
Priority date: 2013-10-16
Filing date: 2013-10-16
Publication date: 2014-02-05

Abstract

本发明公开一种Ku频段双频双极化微带平面反射阵天线，是在平面介质基板上，设置有两种频率无源微带谐振单元，每一种频率单元都为等行等列排列，行、列间距相等，且所述间距≤最高工作频率自由空间波长的一半，第二频率单元位于每四个成正方形阵列的第一频率单元的中心处。在所有第一频率单元的中央和所有第二频率单元的中央开设两组相互垂直的缝，形成两个垂直方向的极化。每种频率单元都采用至少为双层环线贴片结构，环的尺寸根据需要补偿的相位而确定。本发明采用馈源照射的空馈方式，通过调节介质基板上每个微带单元尺寸，补偿馈源到阵面各个单元的空间相位差，使得反射波在特定方向上实现同相位叠加，形成笔形波束，达到高增益的目的。

Description

Ku频段双频双极化微带平面反射阵天线

技术领域

本发明涉及电磁波天线技术，特别涉及一种Ku频段双频双极化微带平面反射阵天线。

背景技术

伴随着卫星通讯的蓬勃发展，高增益天线变得必不可少。传统的高增益天线主要是抛物面天线和大型阵列天线。然而，抛物面天线体积大、质量重、又因其固有的曲面结构，制作比较困难，特别是在毫米波频段。另一方面，抛物面天线缺乏宽角度扫描的能力。虽然强制馈电的大型相控阵天线可以满足宽角度扫描的要求，却存在成本过高、损耗大、效率相对过低的劣势。为了弥补抛物面天线和传统阵列天线的这些缺点，国外学者率先提出了“平面反射阵天线”的概念，现如今，阵列单元多采用印刷微带形式，所以又叫“微带平面反射阵天线”。但是现在的一些天线，频带都比较窄，增益程度都不是很高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种新型Ku频段双频双极化微带平面反射阵天线，该天线体积小、质量轻，高增益，便于携带，成本低。

本发明解决该技术问题采取的技术方案是：一种Ku频段双频双极化微带平面反射阵天线，是在平面介质基板上，设置有高低两种频率的无源微带谐振单元，第一、第二频率单元都为等行等列排列，行、列间距相等，且所述间距≤最高工作频率自由空间波长的一半，所述第二频率单元位于四个成正方形阵列的第一频率单元的中心处。在所有第一频率单元的中央都开设同一方向的缝，在所有第二频率单元的中央也开设另一同方向的缝，第一、第二频率单元上的缝是相互垂直的，形成两个垂直方向的极化。所述第一、第二频率单元都采用至少为双层环线贴片结构，环的尺寸根据需要补偿的相位而确定。

进一步讲，所述第一、第二频率单元的环线贴片结构，可以为方形、圆形或十字形之一。

进一步讲，所需的相位补偿量按下式计算，

其中，φ_i为第i个单元的相位补偿，n为任意整数，由于相位的周期性产生，k₀为自由空间波长数，R_i为馈源到第i个单元的位置矢量，r_i为阵列中心到第i个单元的位置矢量，r₀为主波束的单位矢量。

进一步讲，确定所述第一、第二频率单元尺寸的方法是，首先用HFSS仿真提取单元相移曲线，然后根据每个单元需要补偿的相位，通过线性插值算法求出每个单元的大小。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：微带平板反射阵天线的反射面是平面结构，由大量无源微带谐振单元规则排列组成，采用馈源照射的空馈方式。通过调节介质基板上每个微带单元尺寸，调节反射系数相位，补偿馈源到阵面各个单元的空间相位差，使得反射波在特定方向上实现同相位叠加，形成笔形波束，达到高增益的目的。

微带平板反射阵天线采用空馈形式，相比大型强制馈电阵列天线无需功分器、T/R组件等，天线效率较高，一般情况>50%，同时具备大张角扫描的优点。平板反射阵天线是平板低剖面结构，采用印刷微带单元，和抛物面天线相比体积小、质量轻、容易折叠展开。又因为阵面的每个微带单元都是相位调节的因素，波束赋形相对容易。综上所述，微带平板反射阵天线结合了抛物面天线和阵列天线的诸多优点，在空间、卫星通讯等领域应用前景广阔。

附图说明

图1是微带平板反射阵设计流程。

图2是本发明使用的高频和低频单元。

图3是相位补偿示意图。

图4是实施例低频单元的相移曲线。

图5是实施例高频单元的相移曲线。

图6是实施例的CST仿真模型。

图7a、7b是实施例12.5GHz仿真方向图。

图8a、8b是实施例14.25GHz仿真方向图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明的平面反射阵天线的设计基于以下原理：

在Ku波段采用正馈形式的微带平面反射阵天线，馈源的遮挡对天线电性能的影响是一个不可以忽略的因素。因此为了避免馈源遮挡的影响，天线的形式采用偏馈微带反射阵天线。

通过选择两种频率的无源微带谐振单元组合在一起实现收发频段各自的移相，同时通过在两个单元上各自开通一条缝，两个单元的缝相互垂直来实现双极化。各谐振单元选择为双环结构，双环结构比单环结构有更高的带宽。

微带平板反射阵天线的边缘照射电平应该选择一个恰当的值，如果太高，整个反射阵的口面场分布就会越均匀，口径效率越高，但是截获效率变低，副瓣电平变大；如果太低，截获效率提高，副瓣电平变小，绕射场也会变小，但是整个反射阵面的口径场锥削分布变大，口径效率降低。综合考虑以上原因，根据抛物面天线最佳边缘照射电平为-12dB，考虑空间衰减因子的影响，选择馈源的边缘照射电平为-10dB。

根据反射面天线最佳焦距口径比的要求，馈源支杆的长度选择为48.8cm，且馈源支杆在反射阵一条边缘的中点上，与反射阵面垂直。根据天线增益的要求，可以得到天线口径为65cm*65cm。为了最大限度的反射馈源辐射的电磁波，馈源的中心指向微带平板反射阵的中点，根据该几何结构可以得出馈源轴线与支杆的夹角为25度。根据上述的要求可以得到f/D（焦距口径比）。对于不同口径大小的天线，在f/D相同的情况下，对馈源或者初级反射面的要求是相同的，不需要重新设计。如果f/D不同，需要重新设计馈源或者初级反射面以保证口径边缘的照射电平为-10dB。

图1所示是微带平面反射阵的设计流程，根据以上分析，可知平面反射阵天线的结构设计及制作过程包括了以下几方面内容：

1）首先选择谐振单元的阵列形式

在平面介质基板上，根据频带宽度和几何结构的要求，设计如图2所示的两种频率的规则排列的无源微带谐振单元。两种单元分别对应相应的收发频段。第一频率单元1在行与列之间都是同等间距排列的（相当于每相邻的四个单元都排列成正方形），这个间距D不能超过最高工作频率自由空间波长的一半。在每四个呈正方形阵列的第一频率单元1的中心处，都设置一个第二频率单元2。因为第二频率单元2是在四个第一频率单元1的阵列中心布置的，所以反向来说，第二频率单元2也是呈等行、列间距排列的，这个间距也是D，也是不能超过最高工作频率自由空间波长的一半的。

对于两种频率单元本身的结构，采用至少为双层环线的贴片结构，环的形状可以为方形、圆形、十字形都可以，视物理空间的限制而定，在图2给出的实施例中，第一频率单元1采取的是双层的方形环线结构，第二频率单元2采取的是三层的环线结构，内两层为方形、外一层为十字的环线结构。至于环与环之间的间距、环线的粗细，这些都根据平板的大小，两种频率单元的数量，单元间距，反射阵口径大小限制和加工条件的限制等而作具体的调整。

为了实现双极化，在同一种频率的各单元上，沿中央开同一方向的缝，两种频率单元上的缝是相互垂直的（图2上是第一频率单元为水平缝，极化E2为X轴，第二频率单元为垂直缝，极化E1为Y轴。反之也可以）。对于两种缝的宽度没有要求，只要能加工出来就可以了。

2）根据所需的相位补偿设计两种单元的相关尺寸

为了使微带平面反射阵天线具有最大的增益，需要对空间相位差进行补偿从而使每个单元的反射场在远区同相叠加。第一频率相位补偿是通过改变第一频率单元1的外环尺寸（L）来实现的。第二频率相位补偿是通过改变第二频率单元2的内环尺寸（L2）来实现的，因此要根据相位补偿量来设计这两个尺寸。具体方法可以通过仿真来实现：

①首先计算出两种单元所需的相位补偿量φ_i：

其中，φ_i为第i个单元的相位补偿，n为任意整数，由于相位的周期性产生，k₀为自由空间波长数，R_i为馈源到第i个谐振单元的位置矢量，r_i为阵列中心到第i个谐振单元的位置矢量，r₀为主波束（辐射的最大方向）的单位矢量，如图3所示。

②其次用HFSS仿真提取单元相移曲线

为了提取两个单元在收发频段的相移曲线，可以在三维电磁场仿真软件HFSS中建立仿真模型，仿真实施例是：选择介质基片厚度为3.18mm，介电常数为2.2。假设第一频率单元1为高频单元，第二频率单元2为低频单元，在低频时，电磁波的极化为Y轴方向，改变第二频率单元2的内环尺寸（L2）的大小，观察Y轴方向的散射电场的相位，可以得到在12.5GHz时的相移曲线，如图4所示，其中第一频率单元1的外环尺寸（Ｌ）大小保持为5mm。在高频时，电磁波的极化为X轴方向，改变第一频率单元1的外环尺寸（Ｌ）大小，观察X轴方向的散射电场的相位，可以得到在14.25GHz时的相移曲线，如图5所示，其中第二频率单元2的内环尺寸（L2）大小保持为3.4mm。从图4和图5中可以看出在收发频段都可以实现360度相移，且相移曲线相对于单元大小的变化率比较平缓，线性度良好，满足天线单元的要求。下面表1是对一组天线仿真得到的设计参数：

表1：

D	12	gl1	0.6	du1	0.6
						dl1	0.3	gl2	0.3	du2	0.6
dl2	0.3	gl3	0.2	gu1	0.5
						dl3	0.3	wl1	1	gu2	0.2

③计算每个单元在反射阵中的尺寸

计算出每个单元的相移曲线后，根据每个单元需要补偿的相移量，通过线性插值算法求出每个单元的大小，即第一频率单元1的外环尺寸Ｌ和第二频率单元2的内环尺寸L2。

3）软件仿真

在三维电磁场仿真软件CST中建立微带平面反射阵的模型如图6所示。仿真的收发频率的方向图如图7ａ－7ｂ，图8ａ－8ｂ所示。

4）加工

将CST中的模型导入CAD软件，修改，加入定位孔，图纸设计完成，即可加工。

Claims

1.一种Ku频段双频双极化微带平面反射阵天线，其特征在于：在平面介质基板上，设置有高低两种频率的无源微带谐振单元，第一、第二频率单元都为等行等列排列，行、列间距相等，且所述间距≤最高工作频率自由空间波长的一半，所述第二频率单元位于四个成正方形阵列的第一频率单元的中心处；

在所有第一频率单元的中央都开设同一方向的缝，在所有第二频率单元的中央也开设另一同方向的缝，第一、第二频率单元上的缝是相互垂直的，形成两个垂直方向的极化；

所述第一、第二频率单元都采用至少为双层环线贴片结构，环的尺寸根据需要补偿的相位而确定。

2.根据权利要求1所述的Ku频段双频双极化微带平面反射阵天线，其特征在于：所述第一、第二频率单元的环线贴片结构，为方形、圆形或十字形之一。

3.根据权利要求1所述的Ku频段双频双极化微带平面反射阵天线，其特征在于：所需的相位补偿量按下式计算，

4.根据权利要求1或2或3所述的Ku频段双频双极化微带平面反射阵天线，其特征在于：确定所述第一、第二频率单元尺寸的方法是，首先用HFSS仿真提取单元相移曲线，然后根据每个单元需要补偿的相位，通过线性插值算法求出每个单元的大小。