CN106384888B - 一种双工作频段的高增益传输阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双工作频段的高增益传输阵天线，该天线是基于传输阵列技术设计的。所述传输阵列是由多个单元构成，通过槽缝长度实现同时对两个频率下波束相位的准确调控，不同频率不同位置的入射波相位不同，对应调控的尺寸就不同。而且本发明第一次实现了双频传输阵这一理念，也就是在同一个口径面上实现两个传统传输阵的功能，属于多功能传输阵，并且该设计理念还可以推广到多频传输阵，是对现有传输阵只能工作在单一频率下的巨大突破，推动了传输阵的发展。

Description

一种双工作频段的高增益传输阵天线
技术领域
本发明涉及属于天线技术领域，尤其是涉及一种双工作频段的高增益传输阵天线。
背景技术
传输阵列是天线阵列的一种，近几年来被全球学者广泛研究。传输阵不同于常见的抛物面天线和反射阵列天线，它的馈源和出射波束在阵列两侧，因此馈源不会对出射波束造成影响。
传输阵的原理是每一个单元调控入射波的幅度和相位，尽可能达到出射波为平面波，根据傅里叶变换可以在远场得到一个高主瓣低副瓣的方向图。传输阵天线的技术指标有两个，一个条件是传输系数的幅度要尽可能接近1(0dB)，也就是全透，这样才能使增益达到最高；在此基础上，另一个条件是传输系数的相位要达到360°全覆盖，可以最好的实现平面波出射。目前的传输阵列在这两个技术指标上均还存在进步空间。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出了一种双工作频段的高增益传输阵天线，用于解决目前的传输阵的技术参数不佳的技术问题。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种双工作频段的高增益传输阵天线，由4层相同的正方形金属面板叠加而成的阵列，每层金属面板上设置有多个单元，金属面板之间按照单元的位置对正统一摆放；每个单元包括长度方向相互平行的3个槽缝，其中位于中间的槽缝长度为L1、位于两侧的槽缝长度为L2；利用CST MWS电磁仿真软件仿真每个单元，在双工作频段对应的两个中心工作频率上分别得到传输系数相位幅度与槽缝长度的关系；接着，根据馈源发出的入射波到达每个单元的相位幅度获得该单元的槽缝长度。
仿真过程的具体步骤如下：
步骤A，在仿真软件中初步仿真单元，确定槽缝长度与频率之间的大致关系，选定在所需的工作频率处槽缝长度的范围。
步骤B，在仿真软件中仿真单元，扫描关键参数并提取数据，在Matlab中分别拟合出两个工作频率处槽缝长度与频率之间关系的公式；
步骤C，根据两个工作频率下入射波到达每个单元时的相位，以及拟合出的公式，得到每个单元上的不同的槽缝长度，并得到阵列。
上述天线阵列通过设计一种原创的四层全金属单元，利用两种不同的槽缝长度范围，来分别控制在两个不同频率上传输系数的相位，从而在两个频率上均实现360°全覆盖，进而在同一阵列上实现在两个频率处均有高主瓣低副瓣的波束出射，相当于实现了一种多功能传输阵天线。
进一步的，在本发明中，双工作频段中的低频中心频率设置为12GHz、高频中心频率设置为18GHz，中心频率为12GHz的低频段的传输系数与L1有关，中心频率为18GHz的高频段的传输系数与L2有关，而在仿真低频(高频)时，L2(L1)的取值与变化对该频段的效果没有影响，传输系数相位幅度与槽缝长度的关系满足下式：
L1＝12.16+0.5557*cos(phi_low*0.008202)+0.1121*sin(phi_low*0.008202)+0.04051*cos(2*phi_low*0.008202)-0.07311*sin(2*phi_low*0.008202)；
L2＝7.879+0.3324*cos(phi_high*0.01124)+0.2763*sin(phi_high*0.01124)+0.1657*cos(2*phi_high*0.01124)-0.01533*sin(2*phi_high*0.01124)+0.02038*cos(3*phi_high*0.01124)-0.07476*sin(3*phi_high*0.01124)-0.02216*cos(4*phi_high*0.01124)-0.007954*sin(4*phi_high*0.01124)；
其中：
phi_low和phi_high分别为低频中心频率和高频中心频率的入射波到达单元的相位幅度。
进一步的，在本发明中，当用波纹喇叭天线对正金属面板作为馈源并且入射波为球面波时，入射波到达单元的相位幅度按照下式进行计算：
Ψith＝k·(Rith-F)+Ψcenter
其中：
Ψith为入射波到第i个单元时的相位；Rith为第i个开槽单元到波纹喇叭相位中心的距离；F为波纹喇叭相位中心到阵列的距离，设定为阵列边长的0.8倍；k为入射波到第i个单元的波数；Ψcenter为入射波到阵列中心位置处的相位。上述涉及的相位和距离均以到达最靠近波纹喇叭天线的金属面板上的相应位置来计算。
有益效果：
本发明提出了一种双工作频段的高增益传输阵天线，该天线是基于传输阵列技术设计的。所述传输阵列是由原创的四层全金属单元构成，通过改变两种槽缝长度L1和L2实现同时对两个频率下传输系数相位的准确调控。而且本发明第一次实现了双工作频段传输阵这一理念，也就是在同一个口径面上实现两个传统传输阵的功能，属于多功能传输阵，是对现有传输阵只能工作在单一频率下的巨大突破，推动了传输阵的发展。
附图说明
图1为本发明结构正视图；
图2为图1的侧视图；
图3为频率为12GHz时传输系数相位幅度与变量L1的关系的仿真结果；
图4为频率为18GHz时传输系数相位幅度与变量L2的关系的仿真结果。
图5为频率为12GHz时单元的电场示意图；
图6为频率为18GHz时单元的电场示意图；
图7为阵列的仿真结果示意图；其中，实线和虚线分别代表频率为12GHz和18GHz时的仿真远场方向图。
图8为本发明双工作频段的高增益传输阵天线的实物图；
图9为频率为12GHz时阵列主极化和交叉极化的远场方向图；
图10为频率为18GHz时阵列主极化和交叉极化的远场方向图；
图11为频率为15GHz时阵列主极化的远场方向图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明提出的一种双工作频段的高增益传输阵天线进行详细说明。
如图1和图2是双工作频段传输阵列天线单元结构的几何视图，有四层铜板金属结构，单元大小P为15mm，相邻的铜板间隔H为5mm，没有介质基板，每一层金属均为相同的方形金属板且厚度为0.3mm，在金属板上的有多个单元，每个单元贯穿四层金属结构，且每个单元在每层金属板上均由三条缝隙组成，并且在直角坐标系下，缝隙的长是沿坐标轴Y方向，宽沿坐标轴X方向，中间一条长度为L1，两侧的两条长度为L2，分别改变L1和L2的值就可以实现对两个频段的独立调控，L1的变化范围为11.7mm-12.7mm，调控低频段的传输系数；L2的变化范围为7.5mm-8.4mm，调控高频段的传输系数，宽度W均为1.5mm。
首先设计双工作频段高增益传输阵天线所需的单元。单元采用了一种原创的四层全金属开槽单元，通过改变槽的长度实现对传输系数幅度相位的调控。用CST MWS电磁仿真软件仿真该单元，在两个工作频率上分别得到传输系数相位幅度与变量即两种槽长度L1和L2的变化关系,其中，中心频率为12GHz的低频段的传输系数与L1有关，中心频率为18GHz的高频段的传输系数与L2有关。从软件中导出该变化关系的数据，利用Matlab软件拟合，得到传输系数幅度相位与变量L1和L2关系的表达式如下：
L1＝12.16+0.5557*cos(phi_low*0.008202)+0.1121*sin(phi_low*0.008202)+0.04051*cos(2*phi_low*0.008202)-0.07311*sin(2*phi_low*0.008202)
L2＝7.879+0.3324*cos(phi_high*0.01124)+0.2763*sin(phi_high*0.01124)+0.1657*cos(2*phi_high*0.01124)-0.01533*sin(2*phi_high*0.01124)+0.02038*cos(3*phi_high*0.01124)-0.07476*sin(3*phi_high*0.01124)-0.02216*cos(4*phi_high*0.01124)-0.007954*sin(4*phi_high*0.01124)
其中，L1、L2为所求槽长度的值，phi_low和phi_high分别为低频段和高频段所需的相位值。
其次，当用波纹喇叭天线作为馈源时，入射波为球面波时，入射波到达构成阵列的每个单元的相位不同，根据阵列设计公式：
Ψith＝k·(Rith-F)+Ψcenter
分别在两个频率下计算出入射波到达阵列上不同位置单元时的相位，再利用此相位根据拟合出的公式计算对应单元的尺寸。其中，Ψith为入射波到第i个单元时的相位，Rith为第i个单元到波纹喇叭相位中心的距离，F为波纹喇叭相位中心到阵列的距离，设定为阵列边长的0.8倍，k为波数，Ψcenter为阵列最中心位置处的相位。
最后，得到整个阵列，将X方向极化的波纹喇叭天线作为馈源，分别在12GHz和18GHz时测试，均能在远场得到一个高主瓣低副瓣的方向图。
本发明中的双工作频段的高增益传输阵天线根据工作频段不同，可采用不同加工工艺实现。
图3和图4是仿真结果，分别说明了两个不同频率下，随着L1或L2值的变化，幅度均在-3dB以下，满足条件，而且相位均可以覆盖360°。
图5和图6是电场示意图；从图上可以看出，频率不同时，该单元激励出的电场也是不一样的，而且两个频率相互独立，没有干扰。
图7为本发明阵列的仿真结果示意图，其中，实线和虚线的线分别代表频率为12GHz和18GHz时的仿真远场方向图。
图8为本双工作频段的高增益传输阵天线的实物图，有效的阵列部分大小为240mm×240mm，
图9、图10为该阵列的仿真和实测结果，说明在12GHz和18GHz均有满足要求的效果。在实测中，低频段可以覆盖11.8GHz到12.2GHz，高频段覆盖17.4GHz到18.2GHz，具有良好的带宽效果，并且在12GHz处，增益为27.2dB，口径效率约为45.3％，在18GHz处，增益为30.9dB，口径效率约为47.4％。图11为频率为15GHz时阵列主极化的远场方向图，用来和可以工作的两个频率来做比较，可以看出，设计的传输阵在15GHz时没有效果，因而证明了该双工作频段传输阵可以工作且只可以工作在设计的两个频段内。
以上所述是本发明的双工作频段的高增益传输阵天线的方法以及流程，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种双工作频段的高增益传输阵天线，其特征在于：由4层完全相同的正方形金属面板叠加而成的阵列，所述金属面板上设置有多个单元，金属面板之间按照单元的位置对正统一摆放；每个单元包括长度方向相互平行的3个槽缝，其中位于中间的槽缝长度为L1、位于两侧的槽缝长度为L2；利用CST MWS电磁仿真软件仿真每个单元，在双工作频段对应的两个中心工作频率上分别得到传输系数相位幅度与槽缝长度的关系；接着，根据馈源发出的入射波到达每个单元的相位幅度获得该单元的槽缝长；
双工作频段中的低频中心频率设置为12GHz、高频中心频率设置为18 GHz，传输系数相位幅度与槽缝长度的关系满足下式：
L1 =12.16 + 0.5557*cos(phi_low*0.008202) + 0.1121*sin(phi_low*0.008202) +0.04051*cos(2*phi_low*0.008202) -0.07311*sin(2*phi_low*0.008202)；
L2 =7.879 + 0.3324*cos(phi_high*0.01124) + 0.2763*sin(phi_high*0.01124) +0.1657*cos(2*phi_high*0.01124) -0.01533*sin(2*phi_high*0.01124) + 0.02038*cos(3*phi_high*0.01124) -0.07476*sin(3*phi_high*0.01124) -0.02216*cos(4*phi_high*0.01124) -0.007954*sin(4*phi_high*0.01124)；
其中：
phi_low和phi_high分别为低频中心频率和高频中心频率的入射波到达单元的相位幅度。
2.根据权利要求1所述的双工作频段的高增益传输阵天线，其特征在于：当用波纹喇叭天线对正金属面板作为馈源并且入射波为球面波时，入射波到达单元的相位幅度按照下式进行计算：
其中：
为入射的球面波到第i个单元时的相位；为第i个单元到波纹喇叭相位中心的距离；F为波纹喇叭相位中心到阵列的距离，设定为阵列边长的0.8倍；k为入射波到第i个单元的波数；为入射波到阵列中心位置处的相位。
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