CN103730739A - 旋转单元型双频圆极化反射阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转单元型双频圆极化反射阵天线，包括圆极化馈源和反射阵列，圆极化馈源由轴向模螺旋天线构成，反射阵列是由高频段单元和低频段单元交替排列而成的。所述高频段单元和低频段单元均按照旋转频段单元的方式进行相位补偿，从而保证经馈源照射后反射阵列在两个频段都能发出同相的圆极化波束。本发明对同一层阵面上的两个频段的单元都引入了旋转技术，有效地减小了两个频率之间的互耦。而且，本发明的反射阵列采用了单层结构，使得阵列结构更为简单，轻便。

Description

旋转单元型双频圆极化反射阵天线

技术领域：

本发明属于电子领域，涉及一种双频圆极化反射阵天线，尤其是一种旋转单元型双频圆极化反射阵天线。

背景技术：

近年来，反射阵天线由于其剖面低、占用空间小、质量轻、易与载体共形等优点已经在卫星通信获得了广泛的应用。随着技术的发展，在微波系统中通常要求某些天线实现双频工作以克服其频带窄的缺陷和圆极化以加强天线的抗干扰能力。鉴于反射阵天线的诸多优点，如何将双频圆极化技术同反射阵天线相结合已经受到国内外研究学者的高度重视。

传统的双频圆极化反射阵天线一般分为单层变尺寸型双频圆极化反射阵和双层双频圆极化反射阵。这两种双频反射阵覆盖的两个频段都相隔的比较远。事实上，在微波系统中覆盖两个相近频段的双频天线也具有很大的应用空间。对于单层变尺寸型双频反射阵天线而言，如果两个工作频段比较相近，不同频段之间的单元就会存在强烈的互耦作用，直接影响天线在两个频段上的方向图性能。为了解决两个相近频率的互耦问题，国外学者M.R.Chaharmir等曾经提出一种沿正交方向开槽的环形单元结构的双频反射阵（12/14GHz），但这种结构过于复杂，而且只适用于两个频率的正交线极化，不能实现两个频率的圆极化，因此其应用大大受到限制。

虽然现有的双频圆极化反射阵天线已经获得了初步的应用，但对两个频段相近双频反射阵结构、设计相对简单，保持不同频率单元良好的隔离度，实现圆极化等方面的要求越来越高。而同时满足这些要求非常困难。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种旋转单元型双频圆极化反射阵天线。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

一种旋转单元型双频圆极化反射阵天线，包括圆极化馈源和反射阵列，圆极化馈源由轴向模螺旋天线构成，反射阵列是由高频段单元和低频段单元交替排列而成的。

所述高频段单元和低频段单元均按照旋转单元的方式进行相位补偿，从而保证经馈源照射后反射阵列在两个频段都能发出同相的圆极化波束。

所述高频段单元的中心频率为13.5GHz，低频段单元的中心频率为10GHz。所述高频段单元和低频段单元都采用十字振子，通过调节十字振子的横向纵向尺寸使沿x轴和y轴的极化电场的反射相位相差180°，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。所述圆极化馈源的主极化方式为左旋圆极化。

所述天线在13.5GHz的左旋圆极化最高增益达到23.83dB,第一副瓣约为-15.2dB,交叉极化小于-29dB。天线在10GHz的最高增益为23.18dB，第一副瓣约为-15.8dB,交叉极化小于-28dB。

本发明的有益效果在于：本发明的旋转单元型双频圆极化反射阵相对于传统的双频圆极化反射阵，对同一层阵面上的两个频段的单元都引入了旋转技术，有效地减小了两个频率之间的互耦。而且，本发明的反射阵列采用了单层结构，使得阵列结构更为简单，轻便。由于采用旋转单元补偿相位，单元旋转角度与补偿相位之间存在两倍的数值关系，无需考虑传统变尺寸型单元的相移范围，所以本方案适用于大口径双频圆极化反射阵的设计。此外，如果对本方案中反射阵列的介质层和金属地板之间加入空气层，可适当展宽反射阵天线的带宽，本方案提出的设计思路也适用于双频宽带圆极化天线的设计。

附图说明：

图1为本发明的旋转单元型双频圆极化反射阵结构示意图；

图2为本发明的（a）高频单元（b）低频单元示意图；

图3为单元互耦作用分析模型（a）低频对高频的影响（b）高频对低频的影响示意图。

图4为高频单元受低频单元影响时沿x,y方向极化电场的反射相位随频率变化示意图。

图5为高频单元受低频单元影响时左右旋极化电场强度随频率变化示意图。

图6为低频单元受高频单元影响时沿x,y方向极化电场的反射相位随频率变化示意图。

图7为低频单元受高频单元影响时左右旋极化电场强度随频率变化示意图。

图8为馈源的结构示意图。

图9为阵列的平面结构示意图。

图10为反射阵天线的整体结构示意图。

图11为天线在13.5GHz的增益图。

图12为天线在10GHz的增益图。

其中：1为圆极化馈源、2为反射阵列、3为高频段单元、4为低频段单元、5为金属地板。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1-12，包括圆极化馈源和反射阵列，圆极化馈源由轴向模螺旋天线构成，反射阵列是由高频段单元和低频段单元交替排列在金属地板上而构成的。所述高频段单元和低频段单元均按照旋转频段单元的方式进行相位补偿，从而保证经馈源照射后反射阵列在两个频段都能发出同相的圆极化波束。单元的旋转角度和所需的相位补偿之间存在2倍的函数关系，阵列单元的相位补偿是由反射阵列天线的相位补偿公示算出来的，得到每个单元的相位补偿，就可以调整单元的旋转角度。

设计出的单层双频圆极化反射阵的平面结构图如图1所示：

高低两个频段的单元结构如图2所示：

由于馈源天线到反射阵列各个单元的路径不同，所以各个单元之间存在由路径差别所造成的相位差。为了使反射阵天线各个单元保持相同相位，本设计对阵列上各个单元进行一定的角度旋转，从而补偿各个单元之间的相位差别。每个单元进行旋转以后，由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。同时，该技术要求沿x轴和y轴的极化电场的反射相位相差180°。由于单元采用十字振子，通过调节十字振子的横向纵向尺寸可以达到这一点。为了分析引入了单元旋转技术以后两个频率的单元之间的互耦作用，本发明分别按照如下模型对高低频之间的互耦作用进行了分析，如图3所示：

图4和图5分别给出了在低频单元的影响下，高频单元沿x,y方向的极化电场的反射相位随频率的变化图。从图中可以看出，随着低频单元沿不同角度旋转，高频单元在13.5GHz处沿x,y方向的极化电场的反射相位之差依然保持在180°左右，无明显变化。而且在低频单元的影响下，高频单元在13.5GHz附近的左旋电场强度明显高于右旋电场强度，而且，左旋电场也基本保持不变。所以，低频单元对高频单元的影响很小。

图6和图7分别给出了在高频单元的影响下，低频单元沿x,y方向的极化电场的反射相位和左右旋极化电场随频率的变化图。从图中可以看出，随着高频单元沿不同角度旋转，低频单元在10GHz处沿x,y方向的极化电场的反射相位之差依然保持在180°左右，无明显变化。而且在高频单元的影响下，低频单元在10GHz附近的左旋电场强度明显高于右旋电场强度，随着高频单元旋转角度的变化，低频单元的左旋电场强度变化不大。这说明低频单元的极化方式仍是左旋圆极化，高频单元对低频单元的影响也很小。

综合上述分析，引入单元旋转技术后，两个频率的单元之间的相互影响很小，隔离度良好，从而证明了该方案的可行性。

旋转单元型反射阵通常需要圆极化天线作为馈源。由于轴向模螺旋天线结简单，波束易控制，所以本发明采用螺旋天线作为馈源。其中，馈源的主极化方式为左旋圆极化。其结构如图8所示：

反射阵列的平面结构图如图9所示：

反射阵天线的整体结构图如图10所示：

图11和图12分别给出了天线在13.5GHz和10GHz的增益方向图。从图中可以看出，天线在13.5GHz的左旋圆极化最高增益达到23.83dB,第一副瓣约为-15.2dB,交叉极化小于-29dB。天线在10GHz的最高增益为23.18dB，第一副瓣约为-15.8dB,交叉极化小于-28dB。天线在两个中心频率的圆极化辐射方向图均实现了高增益和低副瓣。

在高频段，其3dB轴比带宽达到20.3%，在低频段，3dB轴比带宽为10%，高低频圆极化性能良好。为了验证本发明相对于传统反射阵的优越性，本发明对传统变尺寸单元型双频圆极化反射阵（馈源、单元形状、工作频率及其他物理参数均相同）的性能也进行了分析。表格1给出了两种反射阵天线各方面性能参数比较：

表格1性能比较

从表格中可以看出，旋转单元型双频圆极化反射阵天线虽然在低频上的左旋圆极化增益非常接近，但在高频上的左旋圆极化增益、副瓣，交叉极化电平均优于传统的变尺寸型反射阵。传统变尺寸型反射阵在低频处较差的方向图性能说明了其互耦作用强烈，而本发明在两个中心频率处的良好的方向图性能证明了技术效果的优越性。

通过上述技术方案，设计出了一种新的旋转单元型双频圆极化反射阵。相对于传统的双频圆极化反射阵，本方案对同一层阵面上的两个频段的单元都引入了旋转技术，有效地减小了两个频率之间的互耦。而且，本方案的反射阵列采用了单层结构，使得阵列结构更为简单，轻便。由于采用旋转单元补偿相位，单元旋转角度与补偿相位之间存在两倍的数值关系，无需考虑传统变尺寸型单元的相移范围，所以本方案适用于大口径双频圆极化反射阵的设计。此外，如果对本方案中反射阵列的介质层和金属地板之间加入空气层，可适当展宽反射阵天线的带宽，本方案提出的设计思路也适用于双频宽带圆极化天线的设计。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种旋转单元型双频圆极化反射阵天线，其特征在于：包括圆极化馈源和反射阵列，圆极化馈源由轴向模螺旋天线构成，反射阵列是由高频段单元和低频段单元交替排列而成的。

2.如权利要求1所述旋转单元型双频圆极化反射阵天线，其特征在于：所述高频段单元和低频段单元均按照旋转频段单元的方式进行相位补偿，从而保证经馈源照射后反射阵列在两个频段都能发出同相的圆极化波束。

3.如权利要求1所述旋转单元型双频圆极化反射阵天线，其特征在于：所述高频段单元的中心频率为13.5GHz，低频段单元的中心频率为10GHz。

4.如权利要求1所述旋转单元型双频圆极化反射阵天线，其特征在于：所述高频段单元和低频段单元都采用十字振子，通过调节十字振子的横向纵向尺寸使沿x轴和y轴的极化电场的反射相位相差180°，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。

5.如权利要求1所述旋转单元型双频圆极化反射阵天线，其特征在于：所述圆极化馈源的主极化方式为左旋圆极化。

6.如权利要求3所述旋转单元型双频圆极化反射阵天线，其特征在于：所述天线在13.5GHz的左旋圆极化最高增益达到23.83dB,第一副瓣约为-15.2dB,交叉极化小于-29dB。天线在10GHz的最高增益为23.18dB，第一副瓣约为-15.8dB,交叉极化小于-28dB。

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