CN106532274B - 基于分裂环超材料单元的双频圆极化平面反射阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分裂环超材料单元的双频圆极化平面反射阵天线，设有双频复合平面反射阵及其下方的圆极化喇叭馈源；反射阵中包含接地金属、中间层介质基片，以及通过低频、高频两种分裂环单元交替排列组成中心环绕二维阵列结构的金属分裂环阵面；该阵面为多分区子阵并行结构。所述馈源包含矩形波导、矩形波导过渡段、斜切角的圆波导、圆波导过渡段和开口由窄到宽变化的圆开口波导。本发明能够利用分裂环超材料单元的多谐振特性来提高反射阵的工作带宽；还能够利用多分区子阵的并行设计方法能够有效提高阵面建模速度和效率，并利于大规模平面阵列的分区加工成型。

Description

基于分裂环超材料单元的双频圆极化平面反射阵天线

技术领域

本发明涉及天线设计领域，尤其涉及一种基于分裂环超材料单元的双频圆极化平面反射阵天线。

背景技术

近年来随着反射面天线在卫星通信、雷达、成像系统等应用领域中的快速发展，对天线的增益、效率、体积、成本等的需求越来越高。平面反射阵天线利用平面微带单元的相移特性取代抛物面本身的曲面特性实现球面波向平面波转换的功能，具有平面的外形，厚度低、重量轻，易于固定安装，但往往面临窄带的问题。这是由于传统的反射阵单元基于其自身的单频谐振特性，难以实现宽带响应，且利用单一的辐射单元组阵也往往难以实现双频或者多频响应。同时，对于用于星地或星间通信的天线，往往增益和效率的要求较高，天线的口面尺寸大，平面反射阵的口面上往往排列成千上万个不同尺寸的辐射单元，天线的组阵、建模和仿真工作量大。因此，合理设计反射单元，实现既具有宽带响应又支持双频工作模式，同时保持高集成度和效率的大型平面反射阵天线仍面临一些亟需解决的难题。

一方面，现有的平面反射阵多采用单一谐振模式的微带阵子单元组成二维平面阵列，单一谐振的微带阵子往往具有窄带的特点，为了展宽带宽有研究利用双层或者多层阵子堆叠的形式进行组阵，但增加的介质板会引起天线体积、重量和成本的增加，且不利于安装固定，对卫星应用而言降低了天线的可靠性。因此，需要探索一种新的辐射单元，既具有宽带多谐振的反射特性，又拥有单层易实现的物理结构是目前需要解决的关键技术问题。

另一方面，对于阵面口径较大的大型微带反射阵天线天线，由于单块微带板的加工尺寸有限，往往需要利用多块微带板拼接而成，因此需要对整个阵面按每块板材的尺寸进行分区，并分别对每个区域板材的单元排列进行单独设计和制作，也就是多分区子阵的并行设计。多分区子阵并行设计方法有利于将难以一次成型的大型阵面分散为多个小型平面阵列，进行统一布局、建模和加工，具有较高的阵面建模速度和效率，特别适合超高增益需求的大口径平面反射阵天线。但目前这种多分区子阵并行算法在文献中还鲜有报道，而对于双频阵子共面复合的反射阵应用，这种多分区子阵并行算法的复杂性和实现难度更大，既要考虑合理布局以提高双频天线整体的增益和效率，又要保证成千上万阵子单元位置和旋转角度的准确性。因此，如何设计大规模双频反射阵的多分区算法是提高反射阵天线设计加工速度和效率的重要技术问题。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于分裂环超材料单元的双频圆极化平面反射阵天线，采用单层介质基片实现，是一种高增益、高效率的毫米波双频圆极化平面反射阵天线，能够利用分裂环超材料单元的多谐振特性来提高反射阵的工作带宽；还能够利用多分区子阵的并行设计方法能够有效提高阵面建模速度和效率，并利于大规模平面阵列的分区加工成型。

为实现上述目的，本发明的技术方案在于提供一种基于分裂环超材料单元的双频圆极化平面反射阵天线；所述天线设置的双频复合平面反射阵中，包含中间层介质基片、位于该中间层介质基片下方的金属分裂环阵面，和位于该中间层介质基片上方的接地金属；

所述金属分裂环阵面设有交替排列的低频分裂环单元和高频分裂环单元，这两种分裂环单元具有不同的分裂环尺寸和与之相应的不同频率，且均组成中心环绕的二维阵列结构。

更进一步的，所述双频复合平面反射阵的金属分裂环阵面为多分区子阵并行结构，包含中心对称的4个分区：

第一分区，第二分区的单元由第一分区单元镜像平移得到，第三分区的单元由第二分区的单元镜像平移得到，第四分区的单元由第三分区的单元镜像平移得到；

其中，第一分区阵面包含p×q个子阵，每个子阵包含m₀×n₀个单元，第(p,q)子阵的单元(i,j)旋转角度θ_pq(i，j)，表示为：

其中，

是第(p,q)子阵单元(i，j)位置所需的相移量。

更进一步的，第一分区的m₀×n₀个单元中，低频分裂环第(i,j)单元的起止范围及其对应关系为：

λ₁＝c/f₁

i＝[msta:mend]

j＝[nsta:nend]

msta＝m₀×(p-1)+1

mend＝m₀×p

nsta＝n₀×(q-1)+1

nend＝n₀×q

其中，m₀和n₀分别为子阵在x和y坐标方向的单元数量，a为单元间距，h为反射阵焦距，D_x和D_y分别为整个阵面在x和y方向上的尺寸，λ₁为低频频率f₁对应的谐振波长，c为真空光速。

更进一步的，第一分区的m₀×n₀个单元中，高频分裂环的第(i，j)单元的起止范围、其单元位置对应关系、单元相移为：

λ＝c/f₂

i＝[msta:mend]

j＝[nsta:nend]

msta＝m₀×(p-1)+1

mend＝m₀×p+1

nsta＝n₀×(q-1)+1

nend＝n₀×q+1

其中，m₀和n₀分别为子阵在x和y坐标方向的单元数量，a为单元间距，h为反射阵焦距，D_x和D_y分别为整个阵面在x和y方向上的尺寸，λ₂为高频频率f₂单元对应的谐振波长，c为真空光速。

更进一步的，所述天线还设有位于双频复合平面反射阵下方的圆极化喇叭馈源；所述圆极化喇叭馈源内部包含设有斜切角圆波导(23)作为线圆极化转化器，所述斜切角圆波导的上下两端分别设有圆波导过渡段和矩形波导过渡段，所述圆波导过渡段与其上方开口由窄到宽变化的圆开口波导连接，所述矩形波导过渡段与其下方的矩形波导连接。

更进一步的，所述斜切角圆波导的切线与x轴的夹角为45°，该斜切角圆波导的长度为1.3倍的波长。

更进一步的，所述双频复合平面反射阵和圆极化喇叭馈源的间隙还设有空气层。

更进一步的，所述空气层厚度为反射阵焦距h。

更进一步的，所述天线用于毫米波频段。

与现有技术相比，本发明所述基于分裂环超材料单元的双频圆极化平面反射阵天线，具有如下优点：

本发明可以满足Ka波段卫星通信系统应用需求。

与传统的平面反射阵天线不同，本发明的该反射阵天线采用宽带多谐振分裂环阵子作为辐射单元进行组阵，并采用双频阵子交替共面排列形式构成双频响应，具有宽带、体积紧凑，厚度低，成本低等特点。

本发明的反射阵天线利用多分区子阵并行设计方法，将整个阵面依据板材的尺寸划分为多个分区，并由多板材拼接而成。多分区并行设计方式更加接近于实际加工制作情况，便于反射阵面建模、加工和出图，并利于提高仿真建模、出图和加工制作的速度和效率。

该多分区子阵并行设计方式具有一般性，可以推广至其他毫米波频段,适用于其他任意尺寸的双频复合平面反射阵，同时也适用于单频平面反射阵天线设计、建模和加工。

整个天线阵面各分区均利用印刷电路板工艺生产，成本低、精度高、重复性好，适合大批量生产。

附图说明

图1为本发明的与平面馈源一体化集成的毫米波平面反射阵的主视图。

图2为本发明的反射阵顶层金属示意图。

图3为本发明的反射阵双频阵子排列示意图。

图4a、图4b为本发明的超材料分裂环单元的结构俯视及侧视图。

图5为本发明的分裂环单元对圆极化入射波的频率响应。

图6为本发明的多分区并行设计36子阵的划分示意图。

图7为本发明的天线整体在频率f₁的E面辐射方向图。

图8为本发明的天线整体在频率f₁的H面辐射方向图。

图9为本发明的天线整体在频率f₂的E面辐射方向图。

图10为本发明的天整体在频率f₂的H面辐射方向图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明提供的基于分裂环超材料单元的双频圆极化平面反射阵天线，是一种低剖面、高增益、宽带、双频复合的平面反射阵天线，能够应用于卫星通信、雷达、成像等领域。

如图1所示，本发明所述平面反射阵天线为分层结构，从上到下依次设有双频复合平面反射阵1和圆极化喇叭馈源2，所述反射阵1包含中间层介质基片12、位于中间层介质基片12下方的金属分裂环阵面11、位于中间层介质基片12上方的接地金属13；所述圆极化喇叭馈源2包含矩形波导21、矩形波导过渡段22、斜切角的圆波导23、圆波导过渡段24和开口由窄到宽变化的圆开口波导25。

配合参见图1～图3所示，双频复合平面反射阵1上的金属分裂环阵列11设有两种尺寸的分裂环：低频分裂环单元1111和高频分裂环单元1112交替排列。两种分裂环单元均组成中心环绕的二维阵列结构，排列结构如图3所示，即任意一个高频(或低频)的分裂环单元被四个低频(或高频)的分裂环单元包围，且这四个低频(或高频)的分裂环位于高频(或低频)分裂环的四个对角处。

高频单元和低频单元的基本结构形式类似。如图4b所示，每个超材料分裂环单元包含单层的介质、位于该介质底部的接地金属、和该介质上的金属分裂环。如图4a所示，任意一个分裂环单元为方形结构，边长为a，顶层金属圆环外径为rr，金属环宽度为s，分裂开口长度为c。通过调节环形开口长度c和环形半径rr，可以获得对特定频率圆极化入射波全反射的特性。分裂环单元对右旋圆极化波的频率响应如图5所示，其中S11是单元的反射系数，S21是单元的传输系数。相比传统单谐振的圆极化反射单元，本发明所提出的分裂环单元的反射响应为宽带多谐振特性，有利于展宽反射阵天线的带宽。

本发明所提出的反射阵1的上方金属分裂环阵面11采用多分区子阵并行设计的方式。如图6所示，阵面11分为中心对称的4区，沿逆时针排列分别为分区111、分区112、分区113和分区114，其中分区111由多分区子阵算法得到其子阵的排布，分区112的单元由分区111单元镜像平移得到，分区113的单元由分区112的单元镜像平移得到，分区114的单元由分区113的单元镜像平移得到。

其中，金属分裂环阵面的分区111阵面，包含p×q子阵，每个子阵包含m₀×n₀个分裂环单元，第(p,q)子阵的单元(i,j)旋转角度θ_pq(i，j)(p＝1，2，3,q＝1，2，3)可以表示为：

其中，是第(p,q)子阵单元(i，j)位置所需的相移量。

对于低频分裂环第(i,j)单元的起止范围及其对应关系为：

λ₁＝c/f₁

i＝[msta:mend]

j＝[nsta:nend]

msta＝m₀×(p-1)+1

mend＝m₀×p

nsta＝n₀×(q-1)+1

nend＝n₀×q

其中，m₀和n₀分别为子阵在x和y坐标方向的单元数量，相移可以表示为：a为单元间距，h为反射阵焦距，D_x和D_y分别为整个阵面在x和y方向上的尺寸，λ₁为低频频率f₁对应的谐振波长。

对于高频分裂环的单元(i，j)的起止范围、其单元位置对应关系、单元相移为：

λ₂＝c/f₂

i＝[msta:mend]

j＝[nsta:nend]

msta＝m₀×(p-1)+1

mend＝m₀×p+1

nsta＝n₀×(q-1)+1

nend＝n₀×q+1

其中，m₀和n₀分别为子阵在x和y坐标方向的单元数量，则可以表示为：a为单元间距，h为反射阵焦距，D_x和D_y分别为整个阵面在x和y方向上的尺寸，λ₂为高频频率f₂对应的谐振波长。

本例采用4分区36子阵的设计方案，多分区子阵的排列如图6所示，只需计算分区111内1-9子阵单元排列，并根据相应坐标旋转关系便可以得到其余27子阵单元排列。本例中单个子阵包含5×8个单元，单元间距6mm，因此整个阵面尺寸190mm×300mm。

本发明所述圆极化喇叭馈源2的内部设有斜切角的圆波导23作为线圆极化转化器，并在其上下两端分别设有与圆开口喇叭25连接的过渡段24，和与矩形波导21连接的过渡段22。斜切角圆波导的切角与x轴的夹角为45°，斜切角圆波导长度约为1.3波长。所述反射阵1和馈源2的间隙3还设有空气层，空气层厚度为反射阵焦距h。

本实施例的天线的设计频率为24GHz和28GHz。天线的E面和H面的方向图如图7-10所示，该天线在24GHz时增益为30.6dB，E面波瓣宽度为3.3度,副瓣电平小于-19.6dB,H面波瓣宽度4.4度，副瓣电平小于-20.4dB；该天线在28GHz时增益为31.2dB，E面波瓣宽度3.1度，副瓣电平小于-17.6dB，H面波瓣宽度为4度,副瓣电平小于-19.1dB。

综上所述，本发明基于分裂环超材料单元的双频圆极化平面反射阵天线，利用分裂环超材料单元的多谐振特性有利于提高整体反射阵天线的带宽；利用双频阵子交替共面排列的方式有利于实现天线宽带的双频响应，同时保持单层平面结构、具有结构紧凑，重量和成本低等优点；利用多分区子阵并行设计的方式，使阵面仿真设计与实际加工工艺相结合，能有效降低仿真建模和加工出图的时间，提高工作效率，特别适合高增益大规模平面反射阵天线的快速设计、加工和制作；并且本发明的平面反射阵可利用普通印刷电路板工艺实现，结构简单、体积紧凑、成本低、易于其他平面电路集成，因此适用于卫星通信系统的应用。

以上仅是本发明的优选实施方式，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 (8)

1.一种基于分裂环超材料单元的双频圆极化平面反射阵天线，其特征在于：所述天线设置的双频复合平面反射阵(1)中，包含中间层介质基片(12)、位于该中间层介质基片(12)下方的金属分裂环阵面(11)，和位于该中间层介质基片(12)上方的接地金属(13)；

所述金属分裂环阵面(11)设有交替排列的低频分裂环单元(1111)和高频分裂环单元(1112)，这两种分裂环单元具有不同的分裂环尺寸和与之相应的不同频率，且均组成中心环绕的二维阵列结构：任意一个高频分裂环单元(1112)的四个对角处分别有低频分裂环单元(1111)将该高频分裂环单元(1112)包围，且任意一个低频分裂环单元(1111)的四个对角处分别有高频分裂环单元(1112)将该低频分裂环单元(1111)包围；通过调节分裂环的分裂开口长度和环形半径，获得对特定频率圆极化入射波全反射的特性；

所述金属分裂环阵面(11)为多分区子阵并行结构，包含中心对称的4个分区，其中第一分区(111)阵面包含可独立并行建模、出图和加工的多个子阵，每个子阵包含多个低频分裂环单元(1111)和多个高频分裂环单元(1112)；

通过多分区子阵并行算法对第一分区(111)子阵的单元位置和旋转角度进行设计，将第一分区(111)的单元排布分别按照设定的镜像关系平移，得到第二分区(112)、第三分区(113)、第四分区(114)各自的单元排布；

所述双频复合平面反射阵(1)的金属分裂环阵面(11)中，第二分区(112)的单元由第一分区(111)单元镜像平移得到，第三分区(113)的单元由第二分区(112)的单元镜像平移得到，第四分区(114)的单元由第三分区(113)的单元镜像平移得到；

其中，第一分区(111)阵面包含p×q个子阵，每个子阵包含m₀×n₀个单元，第(p,q)子阵的单元(i,j)旋转角度θ_pq(i，j)，表示为：

其中，是第(p,q)子阵单元(i，j)位置所需的相移量。

2.根据权利要求1所述的双频圆极化平面反射阵天线，其特征在于：

第一分区(111)的m₀×n₀个单元中，低频分裂环第(i,j)单元的起止范围及其对应关系为：

λ₁＝c/f₁

i＝[msta:mend]

j＝[nsta:nend]

msta＝m₀×(p-1)+1

mend＝m₀×p

nsta＝n₀×(q-1)+1

nend＝n₀×q

其中，m₀和n₀分别为子阵在x和y坐标方向的单元数量，a为单元间距，h为反射阵焦距，D_x和D_y分别为整个阵面在x和y方向上的尺寸，λ₁为低频频率f₁对应的谐振波长，c为真空光速。

3.根据权利要求1所述的双频圆极化平面反射阵天线，其特征在于：

第一分区(111)的m₀×n₀个单元中，高频分裂环第(i，j)单元的起止范围、其单元位置对应关系、单元相移为：

λ₂＝c/f₂

i＝[msta:mend]

j＝[nsta:nend]

msta＝m₀×(p-1)+1

mend＝m₀×p+1

nsta＝n₀×(q-1)+1

nend＝n₀×q+1

其中，m₀和n₀分别为子阵在x和y坐标方向的单元数量，a为单元间距，h为反射阵焦距，D_x和D_y分别为整个阵面在x和y方向上的尺寸，λ₂为高频频率f₂对应的谐振波长，c为真空光速。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的双频圆极化平面反射阵天线，其特征在于：所述天线还设有位于双频复合平面反射阵(1)下方的圆极化喇叭馈源(2)；所述圆极化喇叭馈源(2)内部包含设有斜切角圆波导(23)作为线圆极化转化器，所述斜切角圆波导(23)的上下两端分别设有圆波导过渡段(24)和矩形波导过渡段(22)，所述圆波导过渡段(24)与其上方开口由窄到宽变化的圆开口波导(25)连接，所述矩形波导过渡段(22)与其下方的矩形波导(21)连接。

5.根据权利要求4所述的双频圆极化平面反射阵天线，其特征在于：所述斜切角圆波导(23)的切线与x轴的夹角为45°，该斜切角圆波导(23)的长度为1.3倍的波长。

6.根据权利要求4所述的双频圆极化平面反射阵天线，其特征在于：所述双频复合平面反射阵(1)和圆极化喇叭馈源(2)的间隙(3)还设有空气层。

7.根据权利要求6所述的双频圆极化平面反射阵天线，其特征在于：所述空气层厚度为反射阵焦距h。

8.根据权利要求1～3中任意一项所述的双频圆极化平面反射阵天线，其特征在于：所述天线用于毫米波频段。

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