CN105470661B

CN105470661B - 毫米波双层双频双极化平面反射阵列天线

Info

Publication number: CN105470661B
Application number: CN201510851496.8A
Authority: CN
Inventors: 邵振海; 王泉; 方正新; 冯森
Original assignee: Machine Bit Electronic Equipment Nanjing Co Ltd
Current assignee: Over Horizon Nanjing Technology Co ltd
Priority date: 2015-11-30
Filing date: 2015-11-30
Publication date: 2020-03-17
Anticipated expiration: 2035-11-30
Also published as: CN105470661A

Abstract

本发明公开了一种毫米波双层双频双极化平面反射阵列天线，包括反射板，以及通过支撑架固定在反射板的正面的馈源组，馈源组包括低频段馈源和高频段馈源；反射板包括介质板，介质板上的设有反射阵列单元，介质板的背面设有金属板；反射阵列单元包括由至少两层基板粘合而形成的基板组，基板上均设有均匀排列的天线移相反射阵列图层；基板组的背部设有金属接地层，金属接地层固定在金属板上。本发明中方形域内的天线移相反射阵列图层，有良好的双极化特性，且在两个不同频段的相移量相互独立，这种特性保证了反射阵天线可以工作在双频正交双线极化的条件下。

Description

毫米波双层双频双极化平面反射阵列天线

技术领域

本发明涉及一种毫米波双层双频双极化平面反射阵列天线。

背景技术

由于现代社会对大容量通讯系统和高性能雷达的要求，传统的抛物面反射天线笨重、体积庞大的劣势已经日益显现。为此，国外的学者提出了阵列反射天线的概念。反射天线具有反射天线和阵列天线共同的优势，它的基本结构就是由大量的无源谐振或非谐振单元组成的单层或多层周期性阵列，然后由一个馈源照射这个阵列，通过调节介质板上每个单元对于入射波的散射相位，使得在特定的方向上的等相位面，从而发射出方向性极强的波束。

传统的多频应用中需要使用多个对应频段的平面反射阵天线，因此有体积大，成本高的劣势。而传统的共口径多频反射阵一般工作频段较低，在毫米波段又面临着，加工容差小，频率比大、频间耦合大的问题，应用范围受到限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种毫米波双层双频双极化平面反射阵列天线，以解决现有天线加工容差小，频率比大，频间耦合大，应用范围受到限制的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种毫米波双层双频双极化平面反射阵列天线，包括反射板，以及通过支撑架固定在反射板的正面的馈源组，馈源组包括低频段馈源和高频段馈源；反射板包括介质板，介质板上的设有反射阵列单元，介质板的背面设有金属板；反射阵列单元包括由至少两层基板粘合而形成的基板组，基板上均设有均匀排列的天线移相反射阵列图层；基板组的背部设有金属接地层，金属接地层固定在金属板上。

进一步地，第一天线移相反射阵列图层由至少一个相同的方形单元、至少一个相同的十字形单元或至少一个相同的方环单元在矩形域内以0.4-0.6λ的间隔排列而成。

进一步地，第二天线移相反射阵列图层由至少一个相同的方形单元或至少一个相同的十字形单元在矩形域内以0.4-0.6λ的间隔排列而成。

进一步地，天线移相反射阵列图层为由导电材料构成的几何图案图层，导电材料为金属或非金属导电材料。

进一步地，方形单元为实心方形图层；十字形单元为实心十字形图层；方环单元为中间为实心方形图层，外围为方形图层环。

进一步地，方形单元为实心方形图层；十字形单元为实心十字形图层。

进一步地，天线移相反射阵列图层的边长等于天线工作频段中心频率所对应的电磁波波长的十分之四到十分之六，十字形金属条和方形金属环的线宽大于或等于0.05mm。

进一步地，反射阵列单元通过其大小不同的几何形状对反射电磁波的相位进行调制，使得天线对与反射阵列单元法线方向呈10-75度角度范围的入射双极化电磁波具有汇聚能力。

进一步地，反射阵列单元对不同频段的双极化电磁波具有各自独立的汇聚能力。

本发明的有益效果为：

1、本发明中方形域内的天线移相反射阵列图层，有良好的双极化特性，且在两个不同频段的相移量相互独立，这种特性保证了反射阵天线可以工作在双频正交双线极化的条件下。本发明天线同时具有可在两个频段独立工作的特性。

2、本发明中采用的双层结构，可以有效的扩展两个频段的反射阵单元的反射相移范围，并降低反射相位曲线的陡度，从而提高单元的加工容差。

附图说明

图1为本发明一个实施例的结构示意图；

图2为反射阵列单元的侧面布局结构示意图；

图3为第一天线移相反射阵列图层的结构示意图；

图4为第二天线移相反射阵列图层的结构示意图；

图5馈源组结构示意图；

图6为图3所示第一天线移相反射阵列图层在低频段的相移量随十字型图案结构长度变化的示意图；

图7为图4所示第二天线移相反射阵列图层在低频段的相移量随方形图层环或者方形图案的长度变化的示意图；

图8为本发明在低频段主极化的水平面和俯仰面辐射方向图；

图9为本发明在高频段主极化的水平面和俯仰面辐射方向图。

其中：1、介质板；11、金属板；2、反射阵列单元；21、第一天线移相反射阵列图层；211、第一方形单元；212、第一十字形单元；213、方环单元；22、第二天线移相反射阵列图层；221、第二方形单元；222、第二十字形单元；23、金属接地层；3、第一基板；31、第二基板；4、支撑架；5、低频段馈源；51、高频段馈源。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示的毫米波双层双频双极化平面反射阵列天线，包括反射板，以及通过支撑架4固定在反射板的正面的馈源组。其中，馈源组包括低频段馈源5和高频段馈源51；反射板包括介质板1，介质板1上的设有反射阵列单元2，介质板1的背面设有金属板11。反射阵列单元2包括由至少两层基板粘合而形成的基板组，基板上均设有均匀排列的天线移相反射阵列图层；基板组的背部设有金属接地层23，金属接地层23固定在金属板11上。

本天线通过，通过两个正交的标准矩形波导端口给馈源组馈电，其中低频段馈源5采用后接低频段标准矩形波导的多模圆锥喇叭；高频段馈源51采用后接高频段标准矩形波导的多模圆锥喇叭。低频段馈源5沿支撑架4放置，与介质板1的法线方向成10度的夹角；高频段馈源51沿支撑架4放置，与介质板1的法线方向成15度的夹角。

本发明的馈源组采用多模圆锥喇叭加载标准矩形波导的形式，两者通过标准法兰相连。如图5所示，低频段多模喇叭尺寸为D0=7.137mm，D1=9.787mm，D2=14.787mm，D3=20.787mm，D4=29.787mm，H0=4mm，H1=9mm，H2=16mm，H3=16mm，馈源通过标准WR28矩形波导口用波导馈电；高频段多模喇叭尺寸为D0=2.77mm，D1=3.77mm，D2=5.77mm，D3=6.77mm，D4=8.77mm，H0=4mm，H1=3.5mm，H2=6mm，H3=4mm，馈源通过标准WR10矩形波导口用波导馈电。

根据本申请的一个实施例，如图2所示，以包括双层基板的反射阵列单元2为例，其中反射阵列单元2包括第一基板3和第二基板31。第一基板3的正面设有第一天线移相反射阵列图层21；第二基板31的正面设有第二天线移相反射阵列图层22，且第二基板31的正面和第一基板3的背面相粘合。并且，第二基板31的背面设有金属接地层23；金属接地层23固定在金属板11上。此外，第一天线移相反射阵列图层21和第二天线移相反射阵列图层22为由导电材料构成的几何图案图层，导电材料为金属或非金属导电材料。

根据本申请的一个实施例，上述天线移相反射阵列图层利用常规印刷电路板工艺制成。其中，如图3所示，第一天线移相反射阵列图层21由至少一个相同的第一方形单元211、至少一个相同的第一十字形单元212或至少一个相同的方环单元213在矩形域内以0.4-0.6λ的间隔排列而成。方形单元为实心方形图层，工作在高频段；十字形单元为实心十字形图层，工作在低频段；方环单元213为中间为实心方形图层，外围为方形图层环，工作在高频段。

如图4所示，上述第二天线移相反射阵列图层22由至少一个相同的第二方形单元221或至少一个相同的第二十字形单元222在矩形域内以0.4-0.6λ的间隔排列而成。方形单元为实心方形图层，工作在高频段；十字形单元为实心十字形图层，工作在低频段。

实心方形图层与实心十字形图层之间的间隔为0.15mm-0.2mm；各个实心方形图层的中心距离，沿横向和纵向均为2mm；方形图层环与实心十字形图层之间的间隔为0.15mm-0.2mm。

介质板1采用介电常数2.2，厚度为0.508mm的两层介质板1材粘合而成，边长600mm。根据选定的介质材料及其厚度、馈源与反射阵列各单元间的距离、各单元的间距，可以计算出每个处于阵面特定位置的单元所需实现的补偿相位值，并由此得出物理边长。本实例中，反射阵列单元2由靠近馈源放置边呈半圆域扩散至对边，单元尺寸呈一定的周期变化。

上述天线移相反射阵列图层的边长等于天线工作频段中心频率所对应的电磁波波长的十分之四到十分之六，十字形图层和方形图层环的线宽大于或等于0.05mm。反射阵列单元2对与反射阵列单元2的法线方向呈10-75度角度范围的入射双极化电磁波具有汇聚能力。其中，天线移相反射阵列图层的相移量方形图层、十字形图层和方形图层环的长度变化的情况如图6和图7所示。其中，图6的横坐标表示十字形涂层的长度，纵坐标表示天线移相反射阵列图层的相移量；和图7中横坐标表示字形图层和方形图层环的长度，纵坐标表示天线移相反射阵列图层的相移量。

本发明双极化平面反射阵天线的宽带双极化辐射性能可通过仿真结果进一步说明：

为证明本发明提出的天线在两个频段都具有良好的双极化的辐射特性，在以下情况下进行了实测：即对本发明提出的天线在Ka频段和W频段直接进行水平和垂直两个正交极化方式的辐射方向图测试。如图8和图9所示，本天线在上述两个频段都具有良好的双极化的辐射特性，其中图8和图9的横坐标表示角度（单位：度），纵坐标表示归一化方向图（单位：dB）。

Claims

1.一种毫米波双层双频双极化平面反射阵列天线，包括反射板，以及通过支撑架固定在所述反射板的正面的馈源组，其特征在于，

所述馈源组包括低频段馈源和高频段馈源；

所述反射板包括介质板，所述介质板上设有反射阵列单元，介质板的背面设有金属板；所述反射阵列单元包括由至少两层基板粘合而形成的基板组，所述基板上均设有均匀排列的天线移相反射阵列图层；所述基板组的背部为金属接地层，所述金属接地层固定在所述金属板上；

设置在基板组的第一基板上表面的第一天线移相反射阵列图层由位于中心位置的第一十字形单元和位于所述第一十字形单元四个象限的至少一个第一方形单元和至少一个方环单元组成，位于每个所述第一天线移相反射阵列图层上的第一方形单元和方环单元的总数为4；

设置在基板组的第二基板上表面的第二天线移相反射阵列图层由位于中心位置的第二十字形单元和位于所述第二十字形单元四个象限的第二方形单元组成；

所述方形单元为实心方形图层；所述十字形单元为实心十字形图层；所述方环单元为中间为实心方形图层，外围为方形图层环；所述第一十字形单元和第二十字形单元均工作在低频段；所述第一方形单元、第二方形单元和方环单元均工作在高频段。

2.根据权利要求1所述的毫米波双层双频双极化平面反射阵列天线，其特征在于，所述天线移相反射阵列图层为由导电材料构成的几何图案图层，所述导电材料为金属或非金属导电材料；

所述低频段馈源包括低频段多模喇叭，所述低频段多模喇叭的波导口的直径为7.137mm，长度为4mm；所述低频段多模喇叭的喇叭馈口包括三个按照从小到大顺序依次连接的圆台；所述低频段多模喇叭的喇叭馈口最小圆台的两个端口直径分别为9.787mm和14.787mm，长度为9mm；所述低频段多模喇叭的喇叭馈口中间圆台的两个端口直径分别为14.787mm和20.787mm，长度为16mm；所述低频段多模喇叭的喇叭馈口最大圆台的两个端口直径分别为20.787mm和29.787mm，长度为16mm；其中，所述低频段多模喇叭的喇叭馈口最小端口与低频段多模喇叭的波导口相连接；

所述高频段馈源包括高频段多模喇叭，所述高频段多模喇叭的波导口的直径为2.77mm，长度为4mm；所述高频段多模喇叭的喇叭馈口包括三个按照从小到大顺序依次连接的圆台；所述高频段多模喇叭的喇叭馈口最小圆台的两个端口直径分别为3.77mm和5.77mm，长度为3.5mm；所述高频段多模喇叭的喇叭馈口中间圆台的两个端口直径分别为5.77mm和6.77mm，长度为6mm；所述高频段多模喇叭的喇叭馈口最大圆台的两个端口直径分别为6.77mm和8.77mm，长度为4mm；其中，所述高频段多模喇叭的喇叭馈口最小端口与高频段多模喇叭的波导口相连接。

3.根据权利要求1所述的毫米波双层双频双极化平面反射阵列天线，其特征在于，所述反射阵列单元通过其大小不同的几何形状对反射电磁波的相位进行调制，使得天线对与反射阵列单元法线方向呈10-75度角度范围的入射双极化电磁波具有汇聚能力。

4.根据权利要求1所述的毫米波双层双频双极化平面反射阵列天线，其特征在于，所述反射阵列单元对不同频段的双极化电磁波具有各自独立的汇聚能力。