CN106099341B - 一种带有频选结构的双频圆极化平面反射阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有频选结构的双频圆极化平面反射阵天线，包括圆极化馈源和层叠天线结构，层叠天线结构包括依次设置的第一介质板、第一泡沫层、第二介质板、第二泡沫层和第三介质板，在第一介质板的上下表面分别设置第一金属电路图案和第二金属电路图案，第一金属电路图案包括多个调整相位不完全相同的调相单元，第二介质板的上表面设置第三金属电路图案，第三介质板的上下表面分别设置第四金属电路图案和金属地板。本发明具有如下优点：第二金属电路图案和第三金属电路图案具有相同结构实现频率选择，同时可以让两个频率单元之间电磁耦合被完全抑制住，极大的降低双频反射阵设计难度和设计周期，同时可以有效提升反射阵口径效率和增益带宽等辐射性能。

Description

一种带有频选结构的双频圆极化平面反射阵天线

技术领域

本发明属于无线通信天线领域，具体设计一种带有频选结构的双频圆极化平面反射阵天线。

背景技术

伴随着卫星通信产业的蓬勃发展，高增益天线作为电磁能量收发器，是整个通信系统中必不可少的一个重要组件。传统的高增益天线主要是抛物面天线(即所谓的“锅”天线)和大型的平板阵列天线。大型的平板阵列天线包括微带阵列以及波导缝隙阵列天线等。然而，抛物面天线体积大、质量重，反射表面为曲面结构，在加工制作时需要保持极好的表面光滑度，导致加工要求高，制作困难，尤其在高频段，比如毫米波及其以上，更是对加工精度提出了巨大的挑战。而平板阵列天线，比如微带阵列和波导缝隙阵列，可以弥补抛物面天线在机械结构上的不足，但是对于大型的相控阵而言，却存在损耗大以及口面效率低等辐射性能上的劣势。

为了弥补抛物面天线在机械结构以及平板阵列在辐射性能上的各自不足之处，国际天线界提出了微带平面反射阵的概念。但是由于微带阵列固有的特点，其增益带宽一般较窄。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于以即将到来的Ka波段动中通应用为实例，设计出一款工作于20.4/30.2GHz的高效率宽频带双频圆极化微带反射阵。

为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种带有频选结构的双频圆极化平面反射阵天线，包括：圆极化馈源，用于发射和接收电磁波；层叠天线结构，所述层叠天线结构包括依次设置的第一介质板、第一泡沫层、第二介质板、第二泡沫层和第三介质板，其中，所述第一介质板的上表面设置有第一金属电路图案，所述第一金属电路图案包括多个调相单元，所述多个调相单元调整的相位不完全相同；所述第一介质板的下表面设置有第二金属电路图案，所述第二介质板的上表面设置有第三金属电路图案，所述第二金属电路图案与所述第三金属电路图案几何形状一致，所述第二金属电路图案和所述第三金属电路图案均为周期性排布，通过所述第二金属电路图案和所述第三金属电路图案实现对电磁波频率的选择；所述第三介质层的上表面设置有第四金属电路图案，通过调整所述第四金属电路图案的大小以调节相位；所述第三介质层的下表面设置有金属地板。

根据本发明实施例的带有频选结构的双频圆极化平面反射阵天线，第二金属电路图案和第三金属电路图案具有相同结构，以实现频率选择，同时可以让两个频率单元之间电磁耦合被完全抑制住，极大的降低双频反射阵设计难度和设计周期，同时可以有效地提升反射阵口径效率和增益带宽等辐射性能。

另外，根据本发明上述实施例的带有频选结构的双频圆极化平面反射阵天线，还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，所述圆极化馈源包括个一个双频圆极化波纹喇叭、圆极化帽型馈源或圆极化环焦副反射面。

进一步地，所述圆极化馈源包括数量不少于两个的圆极化波纹喇叭。进一步地，所述第一金属电路图案包括双切口圆环、单切口圆环和双切口方形环中任意一种形状的电路图案。

进一步地，所述第二金属电路图案包括双圆环、双方环、十字和缝隙中任意一种形状的电路图案。

进一步地，所述的第四金属电路图案包括方形贴片、方形环、圆形贴片、边角带有切口的方向贴片、十字和缝隙中任意一种形状的电路图案。

进一步地，所述第一金属电路图案和所述第四金属电路图案的频点处所需的空间相位补偿按下式计算：

其中，f为设计频点，为第mn个单元的相位补偿，k为自由空间波数，为阵列中心到第mn个单元的位置矢量，为馈源到第mn个单元的位置矢量，为天线最大辐射方向单位矢量，Δφ为参考相位，N为任意整数。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例的带有频选结构的双频圆极化平面反射阵天线的结构示意图；

图2是本发明一个实施例的层叠天线结构的结构示意图；

图3是本发明一个实施例的第一金属电路图案的结构示意图；

图4是本发明一个实施例的第二和第三金属电路图案的结构示意图；

图5是本发明一个实施例的第四金属电路图案的结构示意图；

图6为本发明一个实施例的当第一金属电路图案工作在高频段，第四金属电路图案工作在低频段时，所设计的频率选择表面结构的反/透射系数随频率变化曲线；

图7为本发明一个实施例的当第一金属电路图案工作在高频段，第四金属电路图案工作在低频段时，所获得的反射相位在低频段二维响应图；

图8为本发明一个实施例的当第一金属电路图案工作在高频段，第四金属电路图案工作在低频段时，所获得的反射相位在高频段二维响应图；

图9为本发明一个实施例的当第一金属电路图案工作在高频段，第四金属电路图案工作在低频段时，所获得的反射振幅在低频段二维响应图；

图10为本发明一个实施例的当第一金属电路图案工作在高频段，第四金属电路图案工作在低频段时，所获得的反射振幅在高频段二维响应图；

图11为本发明一个实施例的当第一金属电路图案工作在高频段，第四金属电路图案工作在低频段时，，所获得的反射相位在低频段的一维响应图；

图12为本发明一个实施例的当第一金属电路图案工作在高频段，第四金属电路图案工作在低频段时，所获得的反射相位在高频段的一维响应图；

图13为本发明一个实施例的当第一金属电路图案工作在高频段，第四金属电路图案工作在低频段时，所获得的在低频段的辐射方向图；

图14为本发明一个实施例的当第一金属电路图案工作在高频段，第四金属电路图案工作在低频段时，所获得的在高频段的辐射方向图；

图15为本发明一个实施例的当第一金属电路图案工作在高频段，第四金属电路图案工作在低频段时，所获得的在低频段的增益和口径效率图；

图16为本发明一个实施例的当第一金属电路图案工作在高频段，第四金属电路图案工作在低频段时，所获得的在高频段的增益和口径效率图；

图17为本发明一个实施例的当第一金属电路图案工作在高频段，第四金属电路图案工作在低频段时，所获得的在低频段的轴比随频率变化曲线图；

图18为本发明一个实施例的第一金属电路图案工作在高频段，第四金属电路图案工作在低频段时，所获得的在高频段的轴比随频率变化曲线图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

以下结合附图描述根据本发明实施例的带有频选结构的双频圆极化平面反射阵天线。

图1是本发明一个实施例的带有频选结构的双频圆极化平面反射阵天线的结构示意图。

请参考图1，一种带有频选结构的双频圆极化平面反射阵天线，包括圆极化馈源100和层叠天线结构200。

其中，圆极化馈源100用于发射和接收电磁波。

具体的，圆极化馈源100可以采用正馈、偏馈两种形式，为了避免馈源遮挡造成辐射性能下降，本实施例中采用偏馈形式。首先需要确定馈源位置，反射阵物理口面大小，以及主波束出射方向。其中一般馈源位置以天线效率最高为最佳。

在本发明的一个实施例中，圆极化馈源100包括个一个双频圆极化波纹喇叭或圆极化帽型馈源或圆极化环焦副反射面。

在本发明的一个实施例中，圆极化馈源包括数量不少于两个的圆极化波纹喇叭。

图2是本发明一个实施例的层叠天线结构的结构示意图。如图2所示，层叠天线结构200包括依次设置的第一介质板210、第一泡沫层220、第二介质板230、第二泡沫层240和第三介质板250。第一介质板210的上表面设置有第一金属电路图案211，第一金属电路图案包括多个调相单元，且多个调相单元调整的相位不完全相同。第一介质板210的下表面设置有第二金属电路图案212，第二介质板230的上表面设置有第三金属电路图案231，第二金属电路图案212与第三金属电路图案231几何形状一致，第二金属电路图案212和第三金属电路图案231均为周期性排布，通过第二金属电路图案212和第三金属电路图案231实现对电磁波频率的选择。第三介质层250的上表面设置有第四金属电路图案251，通过调整第四金属电路图案251的大小以调节相位；第三介质层的下表面设置有金属地板252。

在本发明的一个实施例中，第一金属电路图案211和第四金属电路图案251的频点处所需的空间相位补偿按下式计算：

其中，f为设计频点，为第mn个单元的相位补偿，k为自由空间波数，为阵列中心到第mn个单元的位置矢量，为馈源到第mn个单元的位置矢量，为天线最大辐射方向单位矢量，Δφ为参考相位，N为任意整数。

本发明实施例的带有频选结构的双频圆极化平面反射阵天线，通过驱动装置驱动第一金属电路图案211旋转已进行调相，且通过第二金属电路图案212和第三金属电路图案231实现对电磁波频率的选择，通过两种不同单元调相方式，两个频段单元之间的电磁互耦被完全抑制，进而有效提升反射阵天线口径效率和增益带宽性能，适用于远距离无线通信领域，尤其是Ka动中通通信。

在本发明的一个实施例中，第一金属电路图案211包括双切口圆环、单切口圆环和双切口方形环中任意一种形状的电路图案。在本发明一个示例中，采用如图3所示的双切口圆环结构。

在本发明的一个实施例中，第二金属电路图案212包括双圆环、双方环、十字和缝隙中任意一种形状的电路图案。在本发明一个示例中，采用如图4所示的双方环结构。

在本发明的一个实施例中，第四金属电路图案251包括方形贴片、方形环、圆形贴片、边角带有切口的方向贴片、十字和缝隙中任意一种形状的电路图案。在本发明的一个示例中，采用如图5所示的边角带有切口的方形贴片结构。

在本发明的一个实施例中，第一金属电路图案211工作在高频段，第四金属电路图案251工作在低频段，且第二金属电路图案212和第三金属电路图案231采用如图4所示的双方环结构。优化后的第二金属电路图案212和第三金属电路图案231的反、透射系数对频率响应如图6所示。可以清晰的看到，在高频段，第二金属电路图案212和第三金属电路图案231的作用是完全反射电磁波，起到金属地板的作用；而在低频段，频率选择表面让电磁波以最小的损耗通过，起到电磁透明的作用。

当把频率选择表面设计完毕以后，独立地对双切口圆环进行旋转和对边角带有切口的方形贴片变化尺寸大小时，所获得的二维相移平面如图7和图8所示。其中图7为20.4GHz响应，图8为30.2GHz响应。从图7和图8，我们可以清晰的看到，两种单元之间的耦合被完全抑制住了。也就是说，高(低)频单元对低(高)频单元的影响可以忽略不计了，其振幅响应如图9和图10所示。采用上述结构成功地把20.4/30.2GHz双频设计简化为两个相互独立的20.4GHz和30.2GHz的两个单频反射阵设计。

随后通过将所需要的空间补偿相位与图11和图12的相移曲线一一匹配，则可以很容易的生成所需要的金属电路图案。然后将生成的金属电路图案，用PCB(掩膜板)工艺加工出样机。

通过对0.4米圆形口径样机实测，图13和图14给出了天线在20.4GHz和30.2GHz的辐射方向图。从图中可以看出，在20.4GHz,天线的最高旁瓣为-22.7dB,交叉极化为-27.9dB；而在30.2GHz,最高旁瓣-23.8dB,交叉极化为-31.7dB。

实测的增益以及口径效率随着频率变化的曲线如图15和图16所示。可以看到,在19.6～21.2GHz频率范围内，口径效率均大于47％；在29.4～31.2GHz频率范围内，口径效率均大于59％。并且由图15和图16，我们还可以清晰的看到，在所需要工作频率范围内，高低频反射阵之间的有无对相互增益的影响非常小，进一步验证了高低频单元之间的耦合被完全抑制住了。

最后，实测的轴比随频率变化曲线如图17和图18所示。由图可知，在整个工作频率范围内，轴比性能相当优良。

通过上述技术方案，设计出了一款工作于20.4/30.2GHz的高效率宽频带双频圆极化微带反射阵。而达到高效和宽带的原因是由于高低频单元之间的耦合被完全抑制住了。由于互耦被抑制，因此也成功的将双频反射阵设计简化为两个单频反射阵设计，极大降低了设计难度和设计周期。本方案可以适用于大口径的Ka双频反射阵的设计，也同时适用于双反结构的反射阵设计。

另外，本发明实施例的带有频选结构的双频圆极化平面反射阵天线的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (4)

1.一种带有频选结构的双频圆极化平面反射阵天线，其特征在于，包括：

圆极化馈源，用于发射和接收电磁波；

层叠天线结构，所述层叠天线结构包括依次设置的第一介质板、第一泡沫层、第二介质板、第二泡沫层和第三介质板，其中，所述第一介质板的上表面设置有第一金属电路图案，所述第一金属电路图案包括多个调相单元，所述多个调相单元调整的相位不完全相同；所述第一介质板的下表面设置有第二金属电路图案，所述第二介质板的上表面设置有第三金属电路图案，所述第二金属电路图案与所述第三金属电路图案几何形状一致，所述第二金属电路图案和所述第三金属电路图案均为周期性排布，通过所述第二金属电路图案和所述第三金属电路图案实现对电磁波频率的选择；所述第三介质层的上表面设置有第四金属电路图案，通过调整所述第四金属电路图案的大小以调节相位；所述第三介质层的下表面设置有金属地板，其中，所述第一金属电路图案为双切口圆环，所述第二金属电路图案和第三金属电路图案为双方环，所述的第四金属电路图案为边角带有切口的方形贴片。

2.根据权利要求1所述的带有频选结构的双频圆极化平面反射阵天线，其特征在于，所述圆极化馈源包括一个双频圆极化波纹喇叭或圆极化帽型馈源或圆极化环焦副反射面。

3.根据权利要求1所述的带有频选结构的双频圆极化平面反射阵天线，其特征在于，所述圆极化馈源包括数量不少于两个的圆极化波纹喇叭。

4.根据权利要求1所述的带有频选结构的双频圆极化平面反射阵天线，其特征在于，所述第一金属电路图案和所述第四金属电路图案的频点处所需的空间相位补偿按下式计算：

其中，f为设计频点，为第mn个单元的相位补偿，k为自由空间波数，为阵列中心到第mn个单元的位置矢量，为馈源到第mn个单元的位置矢量，为天线最大辐射方向单位矢量，Δφ为参考相位，N为任意整数。