CN104993246B - 一种微带反射阵天线实现双频双极化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微带反射阵天线实现双频双极化的方法，包括：将具有独立性特点的反射阵单元作为微带反射阵天线中的单元；确定微带反射阵天线中的单元在工作时的两个频段的中心频率；确定单元周期的大小、反射阵口径和焦距大小，以及馈电方式是正馈还是偏馈，进而确定微带反射阵天线中各个单元中心位置的坐标；计算各个位置处单元在两个工作频段中心频率处分别所需补偿的相位大小；仿真计算反射阵单元分别在两个工作频段中心频率处的反射相位曲线；结合各个单元分别在高频段中心频率处和低频段中心频率处所需补偿的相位大小和反射相位曲线，确定出各个位置处的单元在x方向和y方向的尺寸大小。该方法在不同的极化方向实现不同的工作频率。

Description

一种微带反射阵天线实现双频双极化的方法

技术领域

本发明涉及阵列天线技术领域，特别涉及一种微带反射阵列天线实现双频双极化的方法。

背景技术

近年来，高增益天线的应用日益广泛，传统的高增益天线主要包括抛物面反射天线或者阵列天线，但是两者都存在明显的缺点。高增益抛物面反射天线体积庞大，风阻大容易损坏，难以运输，而且其曲面也对加工精度提出了很高的要求。阵列天线则是需要复杂的馈电网络，这就会导致其传输损耗增大，天线的效率就会很难保证。

微带反射阵列天线是一种结合了上述两种高增益天线的天线阵，具有质量轻，制造简单，价格低廉，易与微带电路集成，易于和其他物体共形等优点，自1978年提出来后就受到了很高的重视并得到快速的发展。与一般抛物面反射天线类似，微带反射阵列天线只需要对馈源进行馈电，不用设计复杂的馈电网络，不存在寄生辐射和阻抗插入损耗，因此辐射效率较高，并且可以很容易地进行宽角度的波束扫描。微带反射阵列天线是由馈源和一组具备相位调节的微带反射阵单元组成的，在馈源的照射下，微带反射阵单元通过其预先设计好的移相值可以在指定方向形成笔形波束，从而实现高增益。传统的微带反射阵列天线的带宽通常都较窄，因此实现双频或者多频口径复用是非常有意义的。虽然现有的双频双极化反射阵天线已经获得了初步的应用，但是要实现两个频段相近的而且设计简单的双频反射阵仍旧存在一定的难度。

发明内容

本发明的目的在于克服已有的双频双极化反射阵天线要实现两个频段相近且设计简单的双频反射阵具有一定困难的缺陷，从而提供一种微带反射阵天线实现双频双极化的方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种微带反射阵天线实现双频双极化的方法，包括：

步骤1)、将具有独立性特点的反射阵单元作为微带反射阵天线中的单元；其中，所述独立性特点是指反射阵单元在x方向和y方向相互独立；

步骤2)、确定步骤1)所确定的微带反射阵天线中的单元在工作时的两个频段的中心频率；

步骤3)、确定单元周期的大小、反射阵口径和焦距大小，以及馈电方式是正馈还是偏馈，进而确定微带反射阵天线中各个单元中心位置的坐标；

步骤4)、计算各个位置处单元在两个工作频段中心频率处分别所需补偿的相位大小；

步骤5)、仿真计算步骤1)所选取的反射阵单元分别在步骤2)所确定的两个工作频段中心频率处的反射相位曲线；

步骤6)、结合步骤4)所得到的各个单元分别在高频段中心频率处和低频段中心频率处所需补偿的相位大小和步骤5)所得到的反射相位曲线，确定出各个位置处的单元在x方向和y方向的尺寸大小。

上述技术方案中，所述具有独立性特点的反射阵单元采用以下任意一种实现：单层或者多层普通矩形贴片单元、十字阵子单元。

上述技术方案中，在所述的步骤4)中，

采用下列公式来计算出两个频段在各个单元位置处分别所需补偿的相位大小：

其中，k₀是真空中的传播常数，(x_i,y_i)是第i个单元的中心坐标；为反射阵的辐射方向；d_i代表馈源相位中心到第i个单元的距离；Φ_R(x_i,y_i)就是第i个单元所需补偿的相位。

上述技术方案中，在步骤6)中，当确定了中心频率处的反射相位曲线和各个单元所需补偿的反射相位之后，根据所需补偿的相位值在反射相位曲线上对应出阵元尺寸的大小。

本发明的优点在于：

1、本发明提出了一种微带反射阵列天线实现双频双极化的新的方法，具有独立性特点的微带反射阵单元都可以作为实现该双频双极化方法的单元，普适性强。

2、对于所采用的微带反射阵单元来说，x方向和y方向栅格周期大小是可以一样，也可以不一样的。

3、不同于传统的微带反射阵列天线实现双频的方法，本发明提出的双频双极化方法是由同一个单元同时工作于两个不同的频段。该方法过程简单，易于工程实现。

附图说明

图1是本发明的微带反射阵天线实现双频双极化的方法的流程图；

图2是双频双极化微带反射阵列天线是阵面示意图；

图3(a)是矩形贴片单元的俯视图图；

图3(b)是矩形贴片单元的正视图；

图4是矩形贴片单元独立性特点分析的示意图；

图5是工作在10GHz处的微带反射阵模型结构示意图；

图6是工作在13.58GHz处的微带反射阵模型结构示意图；

图7是微带反射阵在10GHz处仿真的增益方向图；

图8是微带反射阵在13.58GHz处仿真的增益方向图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

本领域的技术人员都知道：为了将馈源辐射出来的波转变成一个聚焦的波束，从微带反射阵列天线中的每个微带反射单元反射出去的波必须经过一定的相位补偿。相位补偿有四种典型的方式：一是在微带贴片上加载不同长度的相位延迟线来进行相位调节；二是通过改变微带反射单元的尺寸大小来实现相位补偿，通过合理设计每个贴片的尺寸来调节反射波相位从而补偿从馈源到每个贴片单元由于空间距离不同而造成的相位差异；三是将相同的圆极化微带单元旋转不同的角度来实现不同的相位补偿；四是通过在微带贴片或贴片下的地板上加载不同长度的缝隙来实现相位调节。

本发明是基于改变反射单元尺寸大小的方法来实现相位补偿。单独调节单元x方向的尺寸可以获得该方向上相位的调节，同理，单独调节单元y方向上的尺寸可以该方向上相位的调节，当单元具有上述提到的独立性特点时，同时调节x方向和y方向的尺寸可以同时独立地调节两个方向上的反射相位，从而实现微带反射阵列天线工作于两个频段。

参考图1，本发明的微带反射阵天线实现双频双极化的方法包括：

步骤1)、将具有独立性特点的反射阵单元作为微带反射阵天线中的单元；

步骤2)、确定步骤1)所确定的微带反射阵天线中的单元工作的两个频段的中心频率；

步骤3)、确定单元周期的大小、反射阵口径和焦距大小，以及馈电方式是正馈还是偏馈，进而确定微带反射阵天线中各个单元中心位置的坐标。

一般来说，过大的单元周期会导致反射阵栅瓣较大，过小的单元周期会使得单元间互耦变大，影响反射阵整体性能。因此在本步骤中需要根据实际需求确定合适的单元周期大小。

步骤4)、计算各个位置处单元在两个工作频段中心频率处分别所需补偿的相位大小。

根据由阵列天线理论和电磁波传播理论推导得出的下列公式来计算出两个频段在各个单元位置处分别所需补偿的相位大小：

其中，k₀是真空中的传播常数，k₀＝2π/λ，λ表示波长，由于不同工作频段的中心频率是不一样的，因此在计算单元在不同工作频段中心频率处需要补偿的相位大小是不同的；(x_i,y_i)是第i个单元的中心坐标；为反射阵的辐射方向。d_i代表馈源相位中心到第i个单元的距离。Φ_R(x_i,y_i)就是第i个单元所需补偿的相位。

步骤5)、仿真计算步骤1)所选取的反射阵单元分别在两个工作频段中心频率处的反射相位曲线。

步骤6)、根据各个单元分别在高频段和低频段中心频率处所需补偿的相位大小和对应的反射相位曲线确定出各个位置处的单元在x方向和y方向的尺寸大小。

不失一般性，如图3中坐标系所示，假设x方向尺寸a的变化用来补偿高频所需的相位，y方向尺寸b的变化用来补偿低频所需的相位，分别利用步骤5)和步骤6)计算出的高(低)频处各个单元所需补偿的相位大小和高(低)频处的反射相位曲线就可以确定出各个单元x(y)方向的尺寸大小，即各个单元a(b)的大小。

下面对方法中的步骤做进一步说明。

步骤1)中所提到的独立性特点是指反射阵单元在x方向和y方向相互独立，即当入射波极化方向为x方向时，单元的y方向尺寸变化对于单元的反射相位影响很小，反之亦然。具有独立性特点的反射阵单元有多种，如单层或者多层普通矩形贴片单元、十字阵子单元，任何具有独立性特点的单元都可以作为微带反射阵单元来实现双频双极化性能。在图3所示的实施例中，所述反射阵单元为普通的矩形贴片单元。

在步骤6)中，当确定了中心频率处的反射相位曲线和各个单元所需补偿的反射相位之后，根据所需补偿的相位值在反射相位曲线上对应出阵元尺寸的大小。比如在图4中，由计算出来所需补偿的反射相位(纵坐标的值)一一对应出横坐标的值，横坐标的值就是单元的尺寸。

参见图2-8，在一个实施例中，包括线极化馈源和微带反射阵列，线极化馈源采用常见的喇叭天线，考虑到天线口径效率，包括口径照射效率和截获效率，最终调整喇叭天线尺寸使得其在反射阵口径边缘照射电平为-11dB。微带反射阵列包括地面、介质基板以及附在介质基板上表面的矩形贴片单元。

图2为在一个实施例中所披露的具有双频双极化特性的微带反射阵列天线阵面的示意图，反射阵尺寸为117mm*117mm，栅格周期L取13mm，两个频段的中心频率分别为f₁＝10GHz与f₂＝13.58GHz，其中y极化对应较低的频段，x极化对应较高的频段。对于10GHz的频点来说，y方向单元间隔约为0.43λ₁。对于13.58GHz的频点来说，x方向单元间隔约为0.59λ₂，对于f₁与f₂两个频点来说，其间隔均满足阵列天线对于栅瓣和单元间互耦问题的要求。

按照本发明的方法，首先计算得出各个单元在x方向和y方向分别所需补偿的相位大小，然后利用高频处的反射相位曲线确定工作于高频处所有单元的尺寸大小，即本实施例中矩形贴片单元x方向的尺寸大小。利用低频处的反射相位曲线确定工作于低频处所有单元的尺寸大小，即本实施例中矩形贴片单元y方向的尺寸大小，从而确定所有单元的x方向和y方向尺寸。

图3(a)和图3(b)为矩形贴片单元示意图，介质基片的介电常数ε_r＝2.2,基片厚度h是通过综合考虑单元反射相位曲线的范围大小及其线性度来选取的，如得出多个基片厚度h对应的反射相位曲线，通过从这多个反射相位曲线中比较来选定一个较优的(反射相位曲线范围越大，线性度越好的优先)，对基片厚度h进行参数扫描，最终选定h＝0.762mm。

图4为矩形贴片单元独立性特点分析的示意图，从该图中可以看到，当矩形贴片单元长度b取不同值时，单元反射相位随矩形贴片单元宽度a的变化曲线差别较小，说明该矩形单元在x方向和y方向相互独立，也就是说该矩形单元能较好的满足上面所述的独立性特点。

图5为工作在10GHz处的微带反射阵模型结构示意图，可以看出喇叭馈源的口径面窄边对应的方向是y方向，因此馈源的极化方向是y极化。

图6为工作在13.58GHz处的微带反射阵模型结构示意图，可以看出喇叭馈源的极化方向是x极化。

图7为微带反射阵在10GHz处的增益方向图，从图中可以看出天线在该频点处的最高增益达到了19.1dB。

图8为微带反射阵在13.58GHz处的增益方向图，从图中可以看出天线在该频点处的最高增益达到了23.02dB。

总之，该实施例使用简单的方法很好的实现了双频双极化性能，说明了本发明提出的一种微带反射阵列天线实现双频双极化方法的可行性与普适性。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种微带反射阵天线实现双频双极化的方法，包括：

步骤1)、将具有独立性特点的反射阵单元作为微带反射阵天线中的单元；其中，所述独立性特点是指反射阵单元在x方向和y方向相互独立；

步骤2)、确定步骤1)所确定的微带反射阵天线中的单元在工作时的两个频段的中心频率；

步骤3)、确定单元周期的大小、反射阵口径和焦距大小，以及馈电方式是正馈还是偏馈，进而确定微带反射阵天线中各个单元中心位置的坐标；

步骤4)、计算各个位置处单元在两个工作频段中心频率处分别所需补偿的相位大小；

步骤5)、仿真计算步骤1)所选取的反射阵单元分别在步骤2)所确定的两个工作频段中心频率处的反射相位曲线；

步骤6)、结合步骤4)所得到的各个单元分别在高频段中心频率处和低频段中心频率处所需补偿的相位大小和步骤5)所得到的反射相位曲线，确定出各个位置处的单元在x方向和y方向的尺寸大小。

2.根据权利要求1所述的微带反射阵天线实现双频双极化的方法，其特征在于，所述具有独立性特点的反射阵单元采用以下任意一种实现：单层或者多层普通矩形贴片单元、十字阵子单元。

3.根据权利要求1所述的微带反射阵天线实现双频双极化的方法，其特征在于，在所述的步骤4)中，

采用下列公式来计算出两个频段在各个单元位置处分别所需补偿的相位大小：

其中，k₀是真空中的传播常数，(x_i,y_i)是第i个单元的中心坐标；为反射阵的辐射方向；d_i代表馈源相位中心到第i个单元的距离；Φ_R(x_i,y_i)就是第i个单元所需补偿的相位。

4.根据权利要求1所述的微带反射阵天线实现双频双极化的方法，其特征在于，在步骤6)中，当确定了中心频率处的反射相位曲线和各个单元所需补偿的反射相位之后，根据所需补偿的相位值在反射相位曲线上对应出阵元尺寸的大小。