CN103633440A

CN103633440A - 单层双频圆极化反射阵天线

Info

Publication number: CN103633440A
Application number: CN201310646090.7A
Authority: CN
Inventors: 钟显江; 陈蕾; 杨才兴; 王超; 史小卫
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2014-03-12

Abstract

本发明提供一种单层双频圆极化反射阵天线。本发明单层双频圆极化反射阵天线，包括：圆极化馈源和单层反射阵列；其中，所述单层反射阵列的上表面设置双频天线单元，所述单层反射阵列的下表面采用频率选择表面。本发明通过采用频率选择表面作为单层反射阵列的下表面，降低不同频率的天线单元之间的耦合作用，改善天线的方向性。

Description

单层双频圆极化反射阵天线

技术领域

本发明涉及天线技术，尤其涉及一种单层双频圆极化反射阵天线。

背景技术

随着信息技术的迅猛发展，要求天线具有多功能性。双频圆极化反射阵天线作为一种在两个工作频段上均能实现良好圆极化性能的天线技术，已成为反射阵天线技术的研究热点。

传统的双频圆极化反射阵天线包括单层双频线-圆极化转换反射阵天线。单层双频线-圆极化转换反射阵天线是将线极化馈源发出的线极化波经阵面各个天线单元沿两个正交方向进行特定的相位补偿以后反射出同相的圆极化波，以实现线极化波向圆极化波的转换。但是，单层双频线-圆极化转换反射阵天线在高频的方向性较差。

发明内容

本发明提供一种单层双频圆极化反射阵天线，以改善单层双频线-圆极化转换反射阵天线的方向性。

第一方面，本发明提供一种单层双频圆极化反射阵天线，包括：圆极化馈源和单层反射阵列，其中，所述单层反射阵列的上表面设置双频天线单元，所述单层反射阵列的下表面采用频率选择表面。

结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述圆极化馈源固定设置在所述单层反射阵列的几何中心上方。

结合第一方面或第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述圆极化馈源采用轴向模螺旋天线。

结合第一方面的第二种可能的实现方式，在第一方面的第三种可能的实现方式中，所述双频天线单元交替排列在所述单层反射阵列的上表面。

结合第一方面的第三种可能的实现方式，在第一方面的第四种可能的实现方式中，所述双频天线单元采用十字振子。

结合第一方面的第四种可能的实现方式，在第一方面的第五种可能的实现方式中，所述单层反射阵列中双频天线单元分别对应不同的频率选择表面单元。

结合第一方面的第五种可能的实现方式，在第一方面的第六种可能的实现方式中，所述双频天线单元包括高频天线单元和低频天线单元，其中，所述高频天线单元对应的频率选择表面单元为中空四边形，所述低频天线单元对应的频率选择表面单元为中空十字形。

结合第一方面的第六种可能的实现方式，在第一方面的第七种可能的实现方式中，所述双频天线单元采用旋转单元的方式进行相位补偿。

本发明采用频率选择表面作为单层双频圆极化反射阵天线中单层反射阵列的下表面，降低不同频率天线单元之间的相互影响，从而改善单层双频线-圆极化转换反射阵天线的方向性。

附图说明

图1为本发明单层双频圆极化反射阵天线实施例一的侧视结构示意图；

图2为本发明单层双频圆极化反射阵天线实施例一中轴向模螺旋天线的结构示意图；

图3A为本发明单层双频圆极化反射阵天线实施例一中高频天线单元的结构示意图；

图3B为本发明单层双频圆极化反射阵天线实施例一中低频天线单元的结构示意图；

图4A为本发明单层双频圆极化反射阵天线实施例一中高频天线单元沿x轴和y轴的极化电场的相位变化曲线；

图4B为本发明单层双频圆极化反射阵天线实施例一中低频天线单元沿x轴和y轴的极化电场的相位变化曲线；

图5为本发明单层双频圆极化反射阵天线实施例二的整体结构示意图；

图6A为本发明单层双频圆极化反射阵天线实施例二中单层反射阵列上表面示例图；

图6B为本发明单层双频圆极化反射阵天线实施例二中单层反射阵列下表面示例图；

图7A为本发明单层双频圆极化反射阵天线实施例二中高频天线单元的反射透射幅度随频率变化的曲线图；

图7B为本发明单层双频圆极化反射阵天线实施例二中低频天线单元的反射透射幅度随频率变化的曲线图；

图8A为本发明单层双频圆极化反射阵天线实施例二中高频天线单元的增益方向图；

图8B为本发明单层双频圆极化反射阵天线实施例二中低频天线单元的增益方向图。

具体实施方式

图1为本发明单层双频圆极化反射阵天线实施例一的侧视结构示意图。如图1所示，单层双频圆极化反射阵天线100，包括：圆极化馈源10和单层反射阵列20，其中，单层反射阵列20的上表面设置双频天线单元（高频天线单元21和低频天线单元22），单层反射阵列20的下表面采用频率选择表面。

单层反射阵列20包括拓扑结构相似的高频天线单元21和低频天线单元22，在圆极化馈源10照射单层反射阵列20时，通过对各高频天线单元21和/或低频天线单元22进行相位补偿以产生所需的辐射波束。其中，相位补偿可以采用改变高频天线单元21和/或低频天线单元22的尺寸以及改变高频天线单元21和/或低频天线单元22的旋转角度等方式实现。

低频天线单元22的个数略多于高频天线单元21的个数，以保证单层双频反射阵天线在高频和低频的增益近似，但在对高频或低频有特殊要求时，也可以根据实际需求对高低频天线单元的个数进行设置，在这里不对其进行限制。

由于频率选择表面本身不吸收能量，能够有效控制入射波的透射和反射，因此，本发明采用频率选择表面代替传统反射阵的纯金属地板，利用频率选择表面的频率选择特性，减小了不同频率天线单元之间的耦合作用，使反射阵天线在两个频段均获得良好的圆极化特性。

通常情况下，圆极化馈源10固定设置在单层反射阵列20的几何中心的上方，使得单层反射阵列20中以几何中心对称的高频天线单元21或低频天线单元22对圆极化馈源10发出的入射波的接收程度近似或相同，从而便于对高频天线单元21或低频天线单元22进行相位补偿。

在上述基础上，圆极化馈源10采用轴向模螺旋天线。轴向模螺旋天线辐射圆极化波，且具有结构简单和波束易控制等优点，故采用轴向模螺旋天线作为反射阵天线的馈源。如图2所示，轴向模螺旋天线包括金属铜板11、螺旋部分12和将上述两部分连接在一起的馈电部分13。其中，螺旋部分12的辐射方向与螺旋线圆周长有关，当螺旋线的圆周长比一个波长小很多时，辐射最强的方向垂直于螺旋轴；当螺旋线圆周长为一个波长的数量级时，最强辐射出现在螺旋轴方向上。

如图3A和图3B所示，高频天线单元21和低频天线单元22均采用十字振子，且分别对应不同的频率选择表面单元。其中，高频天线单元21对应的频率选择表面单元24为中空四边形，低频天线单元22对应的频率选择表面单元23为中空十字形。

如图1所示，本发明中高频天线单元21和低频天线单元22交替排列在单层反射阵列20的上表面。

由于圆极化馈源到反射阵列各天线单元的路径不同，因此，各天线单元之间存在由路径差别所造成的相位差。另外，传统反射阵天线采取调节天线单元尺寸的方式补偿相位，而对于单层结构的天线单元，其相移范围通常小于360°，造成反射阵列上部分天线单元不能实现相位补偿，大口径的反射阵天线尤其明显。本发明采用旋转天线单元方式对反射阵列上各天线单元进行相位补偿，天线单元的旋转角度与补偿的相位之间存在两倍的数值关系，因此，避免反射阵列上天线单元相位补偿范围受限的问题，适合大口径圆极化反射阵天线的设计，保证了天线良好的方向性。

为了使单层双频圆极化反射阵天线各天线单元保持相同相位，本发明对反射阵列上各天线单元进行一定的角度旋转，从而补偿各天线单元之间的相位差别。每个天线单元进行旋转以后，由圆极化馈源照射的圆极化波经反射阵列反射后，形成同相的圆极化笔形波束，其中，在旋转之前，每个天线单元沿x轴和y轴的极化电场的反射相位相差180°。

由于天线单元采用十字振子，通过调节十字振子的横向和/或纵向尺寸可以实现上述相位相差180°的要求。图4A和图4B示出高低频天线单元沿x，y轴的极化电场反射相位随频率的变化，从图4A和图4B中可以看出，高低频天线单元分别在14GHz和8GHz左右沿正交方向的相位差保持在180°，从而满足天线单元旋转技术的要求。

两个频段的天线单元均按照旋转单元的方式进行相位补偿，从而保证经圆极化馈源照射后，单层反射阵列在两个频段都能发出同相的圆极化波束。

以下通过仿真实验说明本发明单层双频圆极化反射阵列天线的性能。

采用如图5所示的单层双频圆极化反射阵天线结构，圆极化馈源采用轴向模螺旋天线200，轴向模螺旋天线200中各部分采用金属铜制作，轴向模螺旋天线200可以采用如图2所示的天线结构；单层反射阵列300可以采用如图6A和图6B所示的反射阵列结构。

其中，工作在低频（8GHz）的轴向模螺旋天线的螺旋部分螺旋线直径为1.2毫米，螺距为8毫米，螺旋线缠绕8圈，螺圈直径12毫米；工作在高频（14GHz）的轴向模螺旋天线的螺旋部分螺旋线直径为1.2毫米，螺距为5毫米，螺旋线缠绕10圈，螺圈直径7毫米。

同时参考图7A和图7B，本实施例提供的单层双频圆极化反射阵天线工作在高频（14GHz）时，高频天线单元沿x轴（垂直于螺旋轴方向），y轴（螺旋轴方向）的反射幅度接近0dB，所对应的频率选择表面呈现全反射特性，相当于地板，对馈源照射的能量全反射；而低频天线单元的透射幅度在-1dB左右，所对应的频率选择表面呈现出透射特性，对馈源照射的能量全透射，所以不会对处于工作状态的高频天线单元产生相互耦合的影响。同样，当单层双频圆极化反射阵天线工作在低频（8GHz）时，低频天线单元的反射幅度接近0dB，对馈源照射的能量全反射；高频天线单元的透射幅度为-1dB，对馈源照射能量全透射，也不会影响低频天线单元工作。

上述数据表明，通过采用频率选择表面代替传统的反射阵金属地板，可以减小两个频段的天线单元之间的互耦作用。

图8A和图8B分别给出了单层双频圆极化反射阵天线在14GHz和8GHz的增益方向图。从图8A中可以看出，天线在14GHz的左旋圆极化（由于轴向模螺旋天线的极化方式是左旋圆极化，因此，反射阵天线的极化方式也是左旋圆极化）最高增益约为23.12dB，第一副瓣电平约为-16.4dB（6.7-23.12=-16.4），最大辐射方向上的交叉极化小于-18dB；从图8B中可以看出，天线在8GHz的左旋圆极化最高增益约为18.65dB，第一副瓣电平约为-14.2dB（4.45-18.65=-14.2），最大辐射方向上的交叉极化小于-17dB。因此，单层双频圆极化反射阵天线在两个中心频率的增益方向图均实现了高增益和低副瓣。

另外，单层双频圆极化反射阵天线在高频段的3dB轴比带宽达到16.3%，在低频段的3dB轴比带宽为6.3%，高低频圆极化性能良好。

表1示出本发明采用频率选择表面结构反射阵的单层双频圆极化反射阵天线与传统金属地板结构的双频圆极化反射阵（馈源、阵列单元、工作频率及其他物理参数均相同）的性能参数比较：

表1 性能参数比较

其中，dBi是功率增益的单位，其参考基准为全方向性天线。从表1中可以看出，基于频率选择表面的反射阵天线在两个频率上的圆极化性能均优于传统的金属地板结构的反射阵。

本发明采用频率选择表面单元替换传统反射阵的金属地板，从而大大减小了两个高低频两个频段之间天线单元的互耦，使天线在两个频段上均获得良好的圆极化性能。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种单层双频圆极化反射阵天线，其特征在于，包括：圆极化馈源和单层反射阵列，其中，所述单层反射阵列的上表面设置双频天线单元，所述单层反射阵列的下表面采用频率选择表面。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述圆极化馈源固定设置在所述单层反射阵列的几何中心上方。

3.根据权利要求1或2所述的天线，其特征在于，所述圆极化馈源采用轴向模螺旋天线。

4.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述双频天线单元交替排列在所述单层反射阵列的上表面。

5.根据权利要求4所述的天线，其特征在于，所述双频天线单元采用十字振子。

6.根据权利要求5所述的天线，其特征在于，所述单层反射阵列中双频天线单元分别对应不同的频率选择表面单元。

7.根据权利要求6所述的天线，其特征在于，所述双频天线单元包括高频天线单元和低频天线单元，其中，所述高频天线单元对应的频率选择表面单元为中空四边形，所述低频天线单元对应的频率选择表面单元为中空十字形。

8.根据权利要求7所述的天线，其特征在于，所述双频天线单元采用旋转单元的方式进行相位补偿。