CN105356066A - 一种X/Ku频段双频双极化微带平板反射阵列天线 - Google Patents

一种X/Ku频段双频双极化微带平板反射阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种X/Ku频段双频双极化微带平板反射阵列天线，包括：馈源和微带平板反射阵列；所述馈源为角锥喇叭天线；所述微带平板反射阵列包括若干个双平行振子单元，所述双平行振子单元包括两个长度不同宽度相同的平行振子贴片：长振子贴片和短振子贴片；这些单元以横向和纵向均匀交叉的方式排列于介质基片上。本发明的微带平板反射阵列天线具有较好的双频辐射特性；而且该天线具有结构简单，质量轻和成本低的优点。

Description

一种X/Ku频段双频双极化微带平板反射阵列天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别涉及一种X/Ku频段双频双极化微带平板反射阵列天线。
背景技术
伴随着雷达系统和长距离通信以及太空探测技术的蓬勃发展，高增益天线的需求日益提升，传统的高增益天线主要包括抛物面天线或者阵列天线，抛物面天线虽然增益高，工作频带宽，但是其体积大，质量重，固有的曲面结构加工成本大，尤其是在毫米波频段，而且抛物面天线缺乏宽角度波束扫描能力。强制馈电的大型阵列天线可以满足宽角度波束扫描的要求，但是其存在损耗大、效率较低、控制电路复杂、成本高的劣势。为了弥补抛物面天线和传统阵列天线的缺点，微带平板反射阵列天线应运而生。微带平板反射阵列天线是平面结构，大量有源或者无源的单元经过一定的规则排列组成，一般采用馈源照射的空馈方式。微带平板反射阵列天线具有体积小、重量轻、成本低、效率高等优势，使得其无论在军事领域还是民用领域都具有很高的应用价值。
传统的微带平板反射阵列天线的带宽通常都较窄，一般不足10％，因此实现多频或者口径复用具有重要的意义。目前微带平板反射阵列天线主要有单层和双层两种结构来实现双频性能。单层结构是将高低频单元都置于同一层介质上的结构形式，这对单元的形式要求较高。双层结构具有两种形式：低频阵面位于高频阵面之上和高频阵面位于低频阵面之上。但双层结构具有其固有的缺点，上层单元会对下层产生遮挡，下层单元激发的谐振模式也会影响上层单元，而且双层结构难以对齐且加工成本高。
发明内容
本发明的目的在于克服目前微带平板反射阵列天线在实现双频双极化上存在的上述缺陷，提出了一种X/Ku频段双频双极化微带平板反射阵列天线，该天线采用单层双平行振子单元结构形式，利用不同的极化来实现不同的工作频段，降低了单层结构中工作于不同频段的单元之间的互耦影响，提升了反射阵的辐射性能。
为了实现上述目的，本发明提供了一种X/Ku频段双频双极化微带平板反射阵列天线，包括：馈源和微带平板反射阵列；所述馈源为角锥喇叭天线；所述微带平板反射阵列包括若干个双平行振子单元，所述双平行振子单元包括两个长度不同宽度相同的平行振子贴片：长振子贴片和短振子贴片；这些单元以横向和纵向均匀交叉的方式排列于介质基片上。
上述技术方案中，所述长振子贴片的长度为a，所述短振子贴片的长度为b，b＝k*a，k＝0.75。
上述技术方案中，所述长振子贴片和短振子贴片的宽度w均为1.5mm；所述长振子贴片和短振子贴片的间距d＝1.4mm。
上述技术方案中，所述介质基片的材料为聚四氟乙烯，介电常数εr＝2.25，厚度h为1.5mm。
上述技术方案中，所述微带平板反射阵列天线工作在两个相互垂直的极化方向，不同的极化方向对应不同的频段；其中Ku波段工作于x极化，X波段工作于y极化。
本发明的优势在于：
1、本发明的反射阵列天线具有较好的双频辐射特性；
2、本发明的反射阵列天线具有结构简单，质量轻和成本低的优点。
附图说明
图1是本发明的X/Ku频段双频双极化微带平板反射阵列天线表面结构图；
图2是本发明中的单层双平行振子单元结构示意图；
图3是本发明中的单层双平行振子单元在X波段处反射相位曲线；
图4是本发明中的单层双平行振子单元在Ku处反射相位曲线；
图5是本发明的一种X/Ku频段双频双极化微带平板反射阵列天线在X波段的结构模型示意图；
图6是本发明的一种X/Ku频段双频双极化微带平板反射阵列天线在Ku波段的结构模型示意图；
图7是本发明的X/Ku频段双频双极化微带平板反射阵列天线在10GHz处的辐射方向图；
图8是本发明的X/Ku频段双频双极化微带平板反射阵列天线在13.58GHz处的辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步描述。
如图1所示，一种X/Ku频段双频双极化微带平板反射阵列天线，包括：馈源和微带平板反射阵列；所述馈源为角锥喇叭天线；所述微带平板反射阵列包括若干个双平行振子单元，所述双平行振子单元包括两个长度不同宽度相同的平行振子贴片：长振子贴片和短振子贴片；这些单元以横向和纵向均匀交叉的方式排列于介质基片上。
如图2所示，所述长振子贴片的长度为a，所述短振子贴片的长度为b，b＝k*a，k为常数；所述长振子贴片和短振子贴片的宽度均为w，所述长振子贴片和短振子贴片的间距为d。所述双平行振子单元栅格周期为L，介质基片的厚度为h。为了补偿馈源相位中心到阵面每个单元的空间相位差，使得反射阵在特定方向上实现同相叠加，在X波段和Ku波段内均是通过改变振子单元的长度a和b来进行相位补偿的。考虑加工条件的限制以及达到单元的反射相位曲线较为平滑且反射相位范围较大的目的，经过参数扫描分析，k的取值为0.75；两个频段的单元栅格周期L均取为14mm，w取值为1.5mm，d取值为1.4mm。所述介质基片的材料为聚四氟乙烯，介电常数εr＝2.25，厚度h取为1.5mm。
通过将若干个双平行振子单元以相互垂直的两个方向放置，组合在一起实现各自频段的相移，从而实现双频双极化性能。不同方向放置的单元对应不同的工作频段。X波段单元和Ku波段单元在行与列之间均是同等间距排列的，在每四个呈正方形阵列的X波段单元的中心处，都存在一个Ku波段的单元，反之，在每四个呈正方形阵列的Ku波段单元的中心处，也都存在一个X波段的单元。对双平行振子单元进行这样的排布也恰好可以实现双极化性能。
通过调节介质基片上每个双平行振子单元的尺寸来补偿馈源相位中心到阵面每个单元的空间相位差，使得反射阵在特定方向上实现同相叠加，从而在该方向上发出高增益波束。
采用下式来计算各个位置处单元所需补偿的相位大小：
其中，k0是真空中的传播常数，不同的频率对应的传播常数不同；di代表馈源相位中心到第i个单元的距离；(xi,yi)是第i个单元的中心坐标；为反射阵的辐射方向；就是第i个单元所需补偿的相位。
确定了各个频段中心频率处的反射相位曲线和各个单元所需补偿的相位之后，通过线性差值算法就可以求出每个双平行振子单元的尺寸。
如图3和图4所示，当使用高频电磁仿真软件HFSS对双平行振子单元进行建模仿真时，可以得到反射相位随振子单元长度a的变化曲线。采用双平行振子的双谐振形式使得单元在X波段和Ku波段内的反射相位范围可以达到360°的要求，并且反射相位曲线的线性度也较好。
如图5所示，当采用角锥喇叭馈源对微带平板反射阵列天线进行馈电时，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方向，该双频双极化反射阵的X波段工作于y极化；阵列大小为182mm*182mm，工作于X波段的单元共有13*13＝169个。
如图6所示，当采用角锥喇叭馈源对微带平板反射阵列天线进行馈电时，喇叭馈源的口径面窄边对应的方向是x方向，因此馈源的极化方向是x方向，该双频双极化反射阵的Ku波段工作于x极化，工作于Ku波段的单元共有12*12＝144个。
如图7所示，当本发明的微带平板反射阵列天线工作于10GHz时，其辐射增益为22.7dB。如图8所示，当本发明的微带平板反射阵列天线工作于13.58GHz时，其辐射增益为24.1dB。从图7和图8可以看出，本发明的X/Ku频段双频双极化微带平板反射阵列天线具有良好的双频双极化辐射性能。
最后所应说明的是，以上所述的仅是本发明的一个实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下，对本发明进行修改或者替换，都不脱离本发明范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种X/Ku频段双频双极化微带平板反射阵列天线，包括：馈源和微带平板反射阵列；其特征在于，所述馈源为角锥喇叭天线；所述微带平板反射阵列包括若干个双平行振子单元，所述双平行振子单元包括两个长度不同宽度相同的平行振子贴片：长振子贴片和短振子贴片；这些单元以横向和纵向均匀交叉的方式排列于介质基片上。
2.根据权利要求1所述的X/Ku频段双频双极化微带平板反射阵列天线，其特征在于，所述长振子贴片的长度为a，所述短振子贴片的长度为b，b＝k*a，k＝0.75。
3.根据权利要求2所述的X/Ku频段双频双极化微带平板反射阵列天线，其特征在于，所述长振子贴片和短振子贴片的宽度w均为1.5mm；所述长振子贴片和短振子贴片的间距d＝1.4mm。
4.根据权利要求1所述的X/Ku频段双频双极化微带平板反射阵列天线，其特征在于，所述介质基片的材料为聚四氟乙烯，介电常数εr＝2.25，厚度h为1.5mm。
5.根据权利要求1所述的X/Ku频段双频双极化微带平板反射阵列天线，其特征在于，所述微带平板反射阵列天线工作在两个相互垂直的极化方向，不同的极化方向对应不同的频段；其中Ku波段工作于x极化，X波段工作于y极化。
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