CN105826694B - 一种基于双方环单元的单层双频微带反射阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于双方环单元的单层双频微带反射阵列天线，包括：馈源和微带反射阵列，所述的微带反射阵列包括若干个均匀排列的单层双方环单元，所述的双方环单元包括两个同心设置的方环，且两个方环分别工作于不同的频率上。本发明的微带反射阵列天线通过合理的设置单层双方环单元的栅格周期及单元的其他尺寸参数，充分考虑不同频率之间的互耦影响，使得该天线能够工作在距离较远的两个频率处，从而使得反射阵天线的口径得到了复用；且具有良好的辐射性能，设计的天线结构简单，成本低，易于工程实现。

Description

一种基于双方环单元的单层双频微带反射阵列天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别涉及一种基于双方环单元的单层双频微带反射阵列天线。
背景技术
雷达、卫星通信等应用中通常都需要高增益天线，传统高增益天线主要包括抛物面反射天线和阵列天线，但是这两种天线均存在诸多不足之处。抛物面反射天线虽然结构简单，而且工作频段很宽，但是其体积和重量大，导致其便携隐蔽性差，安装困难，高频段表面制造工艺要求高，要实现波束扫描只能通过机械的方式实现。阵列天线可以采用移相器来调节每个单元的辐射相位，从而实现灵活的电控波束扫描，但是其馈电网络过于复杂，不仅增加了设计难度以及加工成本，而且使得传输损耗变大，工作效率较低。
微带反射阵列天线与抛物面天线相比，具有重量轻、加工简单、成本低、工作效率较高、易实现波束扫描、馈电简单且易于与其他物体表面共形等优点，在某些领域内，已经可以用来替代抛物面天线和阵列天线。微带反射阵天线是由馈源和反射阵列组成，通过对阵中每个单元进行设计而使其将馈源辐射波的散射相位进行一定的调节，使得经反射阵反射的场在阵列口面上形成预定的相位分布，从而辐射出设定的波束。解决反射阵的窄带问题和实现双频工作问题一直以来都是微带反射阵天线的重要任务。目前已经有一些技术来实现反射阵的双频工作，总的说来主要有单层和双层的两种结构形式。单层结构是将不同频段的单元都置于同一层介质基片上的结构形式，这对单元的形式要求较高，只能实现距离较近的两个频率的工作，而且单元之间的互耦导致带宽变窄，增益变低。双层结构可以分为两种不同的形式，即低频阵面置于高频阵面之上或高频阵面置于低频阵面之上，但是这两种形式都会存在上层单元对于下层单元的遮挡，使得反射阵的性能恶化。
发明内容
本发明的目的在于，为克服现有技术中的微带反射阵在实现双频工作过程中存在着上述技术问题，提出一种基于双方环单元的单层双频微带反射阵列天线，该微带反射阵列天线能够支持两个距离较远的工作频率，对于微带反射阵列天线实现多频或者口径复用来说具有重要的参考价值。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于双方环单元的单层双频微带反射阵列天线，所述的天线包括：馈源和微带反射阵列，所述的微带反射阵列包括若干个均匀排列的单层双方环单元；所述的双方环单元包括两个同心设置的方环，且两个方环分别工作于不同的频率上。
作为上述技术方案的进一步改进，所述双方环单元的外环和内环分别工作在13.58GHz和30GHz频率处，上述双方环单元的栅格周期为5mm，对于13.58GHz的工作频率来说，其为0.23个波长；对于30GHz的工作频率来说，其为0.5个波长；外环宽度为0.15mm，内环的内边长b1表示为：b1＝k*b，其中b为内环的外边长，k取0.7。为了减小双方环单元工作在不同频率时相互之间的影响，结合亚波(subwavelength)技术的思想，合理选择双方环单元的上述栅格周期及单元的参数，结果表明所设计的反射阵在上述两个频率处均具有良好的辐射性能。
作为上述技术方案的进一步改进，所述双方环单元的介质采用介电常数εr＝2.25的材料制成，厚度h＝1mm。
作为上述技术方案的进一步改进，为了使外环和内环不发生重叠，外环的外边长尺寸变化范围为3mm～5mm，内环的外边长尺寸变化范围为1mm～3mm。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的微带反射阵列天线在两个工作频率处的极化方式为线极化。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的馈源采用角锥喇叭天线，其馈电方式为正馈，波束方向均指向垂直阵面方向。
本发明的一种基于双方环单元的单层双频微带反射阵列天线优点在于：
本发明的微带反射阵列天线通过合理的设置单层双方环单元的栅格周期及单元的其他尺寸参数，充分考虑不同频率之间的互耦影响，使得该天线能够工作在13.58GHz和30GHz距离较远的两个频率处，从而使得反射阵天线的口径得到了复用；本发明的基于双方环单元的单层双频微带反射阵列天线在上述两个频率处均具有良好的辐射性能，且设计的天线结构简单，成本低，易于工程实现。
附图说明
图1为本发明中的微带反射阵列表面结构图。
图2为本发明中的双方环单元结构示意图。
图3为本发明中的双方环单元的不同内环尺寸对13.58GHz处反射相位曲线的影响。
图4为本发明中的双方环单元的不同外环尺寸对30GHz处反射相位曲线的影响。
图5为本发明中的双方环单元在13.58GHz处的反射相位曲线。
图6为本发明中的双方环单元在30GHz处的反射相位曲线。
图7为本发明中的单层双频微带反射阵列天线结构模型示意图。
图8为本发明中的单层双频微带反射阵列天线工作在13.58GHz时的辐射方向图。
图9为本发明中的单层双频微带反射阵列天线工作在30GHz时的辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明所述的一种基于双方环单元的单层双频微带反射阵列天线进行详细说明。
如图1所示，本发明的一种基于双方环单元的单层双频微带反射阵列天线，包括：馈源和微带反射阵列，所述微带反射阵列包括若干个均匀排列的单层双方环单元。所述的双方环单元包括两个同心设置的方环，且两个方环分别工作于不同的频率上。
如图1所示，反射阵列是由不同尺寸的双方环单元以一定的栅格周期均匀排列在介质基片上构成的。不同位置处双方环单元的尺寸大小不同，这是因为馈源到反射阵上各个位置处双方环单元的距离不同，导致从馈源发出的波到达反射阵表面各个单元处产生相位差，通过调节单元的尺寸来补偿反射阵各个单元由于距离差带来的相位差，使得经反射阵各个双方环单元反射之后的波具有相同的相位，从而使得反射阵在特定方向上实现高增益的波束。
采用下列公式计算每个频率处反射阵各个单元位置处所需补偿的相位值：
其中，k0＝2π/λ是真空中的传播常数，不同的频率对应的传播常数不同；(xi,yi)是第i个双方环单元的中心坐标；di表示馈源相位中心与第i个双方环单元之间的距离；(θ0,φ0)为辐射波束方向；ΦR(xi,yi)即为第i个双方环单元所需补偿的相位。
确定了每个频率处的反射相位曲线和各个双方环单元位置处所需补偿的相位之后，通过线性差值算法就可以求出每个单元的尺寸。
基于上述结构的微带反射阵列天线，在本实施例中，所述馈源为角锥喇叭天线，其馈电方式为正馈，波束方向指向垂直阵面方向。该天线的工作频率分别为13.58GHz和30GHz，所述双方环单元中的外环工作于13.58GHz，其内环工作于30GHz。如图2所示，为双方环单元的结构示意图，该单元为单层形式，两个方环呈同心放置，为了减小双方环单元工作在不同频率时之间的相互影响，对单元的各个参数进行扫描优化，最终选择双方环单元的栅格周期为L＝5mm，对于13.58GHz的工作频率来说，其为0.23个波长；对于30GHz的工作频率来说，其为0.5个波长。所述双方环单元的介质采用介电常数εr＝2.25的材料。综合考虑13.58GHz和30GHz处的反射相位曲线的范围大小及其线性度(反射相位范围越大，线性度越好的优先)，经过优化最终选定介质厚度为h＝1mm，双方环单元的外环宽度为w＝0.15mm，内环的内边长b1为：b1＝k*b，其中b为内环的外边长，k取0.7。
栅格周期的选取是通过权衡两个频率处其波长的大小得出的。选择单元栅格周期L＝5mm，对于13.58GHz的频率来说，其为0.23个波长，前人提出的subwavelength技术应用于反射阵的设计，已经证明栅格周期大小可以远小于半波长，当然一般来说就算依据subwavelength技术，栅格周期也不能过小，不然单元的反射相位范围会过小，设计反射阵时会引起较大的相位误差。依据subwavelength技术，常见的栅格周期大小取0.2-0.3个波长为宜；对于30GHz的频率来说，其为0.5个波长，传统反射阵单元栅格周期大小一般取0.5个波长左右。因此这里选取栅格周期为5mm，之后的两个频率处的反射相位曲线也验证了栅格周期选择该值的可靠性。在选定了栅格周期之后，外环宽度、内环内外边长的关系，以及介质介电常数和厚度是通过参数扫描分析得出一组较优的组合。这里的栅格周期也可以选择其他值，但只能是5mm附近的值，当栅格周期为其他值时，外环宽度、内环内外边长的关系，以及介质介电常数和厚度的值就需要重新进行参数扫描分析来确定。
本发明中采用所述的双方环单元实现反射阵双频性能的基本条件是两个方环的尺寸可以独立的变化，且相互之间的影响很小，并且在每个环尺寸变化的范围内，其对应频率的反射相位曲线范围和线性度能得到保证。这对单元参数的选取有较高的要求。上述栅格周期选择5mm，就决定外环尺寸必须小于5mm，而且，外环跟内环尺寸范围不能重合。为了使单元的两个方环尺寸独立变化时不重叠，本发明中外环的外边长尺寸变化范围为3mm～5mm，内环的外边长尺寸变化范围为1mm～3mm。
如图3所示，为双方环单元的不同内环尺寸对13.58GHz处反射相位曲线的影响，从图中可以看出，当内环外边长b取1.7mm、1.95mm、2.2mm、2.45mm、2.7mm时，双方环单元在13.58GHz处的反射相位曲线差别很小，说明内环尺寸对外环的影响很小。即当反射阵中采用不同外环尺寸来补偿13.58GHz处的相位时，内环尺寸的选择在其变化范围内不受限制。
如图4所示，为双方环单元的不同外环尺寸对30GHz处反射相位曲线的影响，从图中可以看出，当外环外边长a取3.5mm、3.75mm、4mm、4.25mm、4.5mm、4.75mm时，双方环单元在30GHz处的反射相位曲线差别很小，说明外环尺寸对内环的影响也很小。即当反射阵中采用不同的内环尺寸来补偿30GHz处的相位时，外环尺寸的选择在其变化范围内不受限制。
综合图3和图4可以得出，在合理选取双方环单元各个参数的情况下，双方环单元的两个方环的尺寸可以独立的变化，且相互之间的影响很小，验证了采用该双方环单元实现反射阵双频性能的可行性。
在高频电磁仿真软件HFSS中对上述两种单元的反射特性进行分析，如图5所示，为双方环单元在13.58GHz处的反射相位曲线，分析低频13.58GHz时，内环外边长b取2.2mm。从图中可以看出，当外环外边长尺寸a从3mm变化到4.9mm时，双方环单元在13.58GHz处反射相位范围约为330°，且线性度较好。
图6为双方环单元在30GHz处的反射相位曲线，在分析高频30GHz时，外环外边长a取4mm，此时内环外边长b从1mm变化到3mm时，双方环单元在30GHz处的反射相位范围约为315°，且线性度较好。
图7为本发明的一种基于双方环单元的单层双频微带反射阵列天线的结构模型示意图。阵面口径为85mm*85mm，单元栅格周期取5mm的正方形周期，即阵面是由17*17共289个单元组成的阵列，馈电方式采用正馈形式，两个频段处焦径比F/D均取0.8，波束指向均为垂直阵面方向。
如图8所示，为本发明的一种基于双方环单元的单层双频微带反射阵列天线在13.58GHz处的辐射方向图，从图中可以看出，反射阵列天线在13.58GHz处，其辐射增益为19.1dB。如图9所示，为本发明的一种基于双方环单元的单层双频微带反射阵列天线在30GHz处的辐射方向图，从图中可以看出，反射阵列天线在30GHz处，其辐射增益为27dB。
由图8和图9可以得出，本发明的一种基于双方环单元的单层双频微带反射阵列天线在13.58GHz和30GHz处均有良好的辐射性能。
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)

1.一种基于双方环单元的单层双频微带反射阵列天线，其特征在于，包括：馈源和微带反射阵列，所述的微带反射阵列包括若干个均匀排列的单层双方环单元，不同位置处双方环单元的尺寸大小不同，所述的双方环单元包括两个同心设置的方环，且两个方环分别工作于不同的频率上；
所述两个方环中的外环的工作频率为13.58GHz，内环的工作频率为30GHz，所述双方环单元的栅格周期为5mm，外环宽度为0.15mm，内环的内边长b1表示为：b1＝k*b，其中b为内环的外边长，k＝0.7。
2.根据权利要求1所述的基于双方环单元的单层双频微带反射阵列天线，其特征在于，所述双方环单元的介质采用介电常数εr＝2.25的材料制成，厚度h＝1mm。
3.根据权利要求2所述的基于双方环单元的单层双频微带反射阵列天线，其特征在于，所述外环的外边长尺寸变化范围为3mm～5mm，所述内环的外边长尺寸变化范围为1mm～3mm。
4.根据权利要求1所述的基于双方环单元的单层双频微带反射阵列天线，其特征在于，所述的馈源为角锥喇叭天线，其馈电方式为正馈，波束方向指向垂直阵面方向。
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