CN107069231A - 一种低剖面高效率极化变换透射阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明属于平面透射阵天线技术领域，公开了一种低剖面高效率极化变换透射阵天线，所述低剖面高效率极化变换透射阵天线包括：角锥喇叭天线作为透射阵天线的馈源；采用不同尺寸的双层三维部分对称十字振子作为透射阵列单元。本发明所提出的双层三维部分对称十字单元，具备了多种极化方式的变换能力，而且具有较小的透射损耗。利用所提出的三维部分对称十字振子单元设计的透射阵天线，克服了传统透射阵天线极化方式单一的不足，能够实现多种极化(包括线极化和圆极化)，而且天线在各种极化模式下的口径利用效率高达54％以上，其纵向剖面高度相比于传统透射阵天线也明显降低，从而有力地促进了透射阵天线技术的发展和应用。

Description

一种低剖面高效率极化变换透射阵天线

技术领域

本发明属于平面透射阵天线技术领域，尤其涉及一种低剖面高效率极化变换透射阵天线。

背景技术

平面透射阵天线是将传统曲面透镜天线和微带阵列天线的若干优点而形成的一种新型高增益天线，它是由平面透射阵列和馈源天线组成的。平面透射阵列是由拓扑结构相似的透射型频率选择表面单元构成的，通过对阵列上每个单元进行相位补偿，以在阵列的另一侧产生所需要的辐射波束。由于其体积小、重量轻、结构简单、制作成本低、高增益等众多优点，已经在无线通信系统中获得了广泛的应用。传统的透射阵天线通常采用介质板层数至少在三层以上的多层频率选择结构作为阵列单元，通过改变阵列上每个多层频率选择结构的尺寸或旋转角度大小来补偿各个单元之间的相位差别，从而在阵列的另一侧形成同相的高增益波束。然而，传统透射阵天线只能工作在单一的极化模式下，且透射阵列的极化方式主要取决于馈源天线的极化方式。如果透射阵天线采用线极化馈源，则透射阵列工作在线极化模式；如果透射阵天线采用圆极化极化馈源，则透射阵列工作在圆极化模式。现有的多极化透射阵天线采用二维结构的三层矩形环缝隙结构作为阵列单元，通过调整矩形环缝隙在正交方向上的尺寸和馈源的旋转角度实现多种极化方式，但这种单元的纵向剖面较高，总厚度在中心频率处的0.5个波长以上；而且这种单元在正交极化方向的透射系数幅度相位的相互影响作用比较大，导致透射阵天线的极化转换效率和各个极化模式下的口径辐射效率比较低，其口径辐射效率最大值仅为27％。而且，传统透射阵单元的结构较为复杂，介质板使用层数至少在三层以上，总厚度至少在中心频率处的0.5个波长以上，从而导致透射阵列的纵向剖面高度过大，不易与系统集成。虽然现有的透射阵天线技术已经获得了广泛的应用，但随着无线通信技术的发展和极化分集技术的日益普遍，通信系统迫切要求同一款天线能够实现多种极化方式的自由切换，而且具备较高极化变换效率、高口径辐射效率和低剖面高度，但同时满足这些要求非常困难。

综上所述，现有技术存在的问题是：传统透射阵天线的极化方式单一，不能实现不同极化方式的自由切换，传统透射阵列单元的纵向剖面高度过大，不易与系统集成，而且传统多极化透射阵天线的极化转换效率和口径辐射效率比较低。造成传统透射阵天线的极化方式单一的原因在于：传统透射阵单元的极化方式单一，不具备不同极化之间的变换能力；造成传统透射阵天线纵向剖面高度过大的原因在于：传统透射阵单元采用纵向剖面过大的二维多层结构，如果要保证足够的透射系数幅度和相位变化范围，其介质板层数至少在3层以上，其厚度在中心频率处的0.5个波长以上；造成传统多极化透射阵天线的极化转换效率和口径辐射效率比较低的原因在于：采用的三层矩形环缝隙单元的透射损耗比较大，而且单元在正交极化方向上的幅度相位的相互影响作用比较大。

现有技术问题解决的难度在于:传统透射阵天线很难同时具备多种极化方式之间的变换能力、高极化变换效率、高口径辐射效率和低剖面高度等众多优势于一身。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种低剖面高效率极化变换透射阵天线。

本发明是这样实现的，一种低剖面高效率极化变换透射阵天线，其特征在于，所述低剖面高效率极化变换透射阵天线包括：

角锥喇叭天线作为透射阵天线的馈源；

采用双层三维部分对称十字振子作为透射阵列单元。通过独立调节阵列上各个三维部分对称十字振子单元在两个正交方向上的结构尺寸，使两个正交方向极化的透射波相位相差90度，以保证阵列单元具有不同极化方式的变换能力，从而使设计的透射阵列能够实现多种极化方式的自由切换。

进一步，所述透射阵列单元是由不同尺寸的三维部分对称十字振子单元周期性排列而成。

进一步，所述双层部分对称三维十字振子，纵向剖面高度为中心频率处的0.22个波长。

本发明所提出的双层三维部分对称十字振子单元，是在借鉴传统透射阵单元设计方法的基础上，对仅能实现单一极化方式的双层三维完全对称十字振子单元的一种有效改进。通过这种技术改进，本发明的双层三维部分对称十字振子单元具备了不同极化方式之间的变换能力，从而使本发明设计的透射阵天线能够实现多种极化方式(包括线极化和圆极化)，有效促进了极化分集透射阵天线技术的发展和应用，改善了传统透射阵天线仅能实现单一极化的不足。此外，由于本发明的双层三维部分对称十字振子单元在正交极化方向的透射系数幅度与相位之间保持了良好的隔离，从而保证了设计的透射阵天线较高的极化转换效率，进而使透射阵天线在各种极化模式下的口径辐射效率高达54％以上，因此实现了透射阵天线在各个极化模式下较高的辐射效率。

本发明的优点为：通过采用具有不同极化方式变换能力的变尺寸型双层三维部分对称十字振子作为阵列单元，使本发明的透射阵天线能够克服传统透射阵天线仅能实现单一极化的不足，实现了多种极化方式的自由变换，而且设计的透射阵天线仅仅采用了一个线极化馈源，就实现不同旋向的圆极化和线极化的切换，免去了使用多副天线来实现不同极化的麻烦。本发明的天线通过采用透射型三维频率选择结构作为阵列单元，和传统透射阵天线设计相比，本发明设计的三维透射阵天线实现了较低的纵向剖面高度，从而大大提高了和系统之间的集成度。此外，由于本发明的双层三维部分对称十字振子单元在正交极化方向的透射系数幅度与相位之间保持了良好的隔离，从而保证了设计的透射阵天线较高的极化转换效率，进而使透射阵天线在各种极化模式下的口径辐射效率高达54％以上，因此实现了透射阵天线在各个极化模式下较高的辐射效率。综上所述，本发明的透射阵天线具有低剖面和能够实现多种极化方式自由切换以及在各个极化模式下较高的辐射效率等众多优点；本发明的低剖面极化变换透射阵天线的提出和设计，有力地推进了透射阵天线技术的发展和应用。

本发明的积极技术效果为：通过采用具有不同极化方式变换能力的变尺寸型双层三维部分对称十字振子作为阵列单元，使本发明的透射阵天线能够克服传统透射阵天线仅能实现单一极化的不足，实现了多种极化方式的自由变换的功能；设计的三维透射阵天线相比于传统二维透射阵天线，其介质板使用层数减少了1层，纵向剖面高度降低了中心频率处的0.28个波长，而且天线在各种极化模式下的口径辐射效率高达54％以上，实现了在各个极化模式下较高的辐射效率。此外，天线在在圆极化的工作模式下，中心频率处的增益约为24.7dB,1-dB增益带宽和3-dB轴比带宽均为10.9％(9.5-10.6GHz),这说明本发明设计的透射阵天线能够在较宽的频带内保持良好的圆极化辐射特性，天线在线极化的工作模式下，中心频率处的增益约为25.2dB，1-dB增益带宽约为9％(9.6-10.5GHz)，这说明本发明设计的透射阵天线在线极化工作模式下也能够保持宽带高增益的辐射特性。

本发明采用简单的三维双层部分对称十字振子作为阵列单元，能够在具备较大透射相位补偿范围的基础上保持较高的透射率，再通过调整透射阵列上每个单元上的十字振子的尺寸，天线就可以在具有较低纵向剖面高度的同时，实现较高的轴向增益和口径利用效率。传统的透射阵天线采用二维完全对称结构，其介质板层数至少在三层以上，纵向剖面高度至少在中心频率处的0.5个波长以上，存在结构复杂、纵向剖面高度较高和透射损耗较大和极化方式单一等众多缺陷。相比较而言，本发明所提出的双层三维部分对称十字单元，纵向剖面高度仅为中心频率处的0.22个波长，而且具有较小的透射损耗。利用所提出的三维部分对称十字振子单元设计的透射阵天线，克服了传统透射阵天线极化方式单一的不足，能够实现多种极化的自由切换，而且天线在各种极化模式下的口径利用效率高达54％以上，其纵向剖面高度明显降低，有力地促进了透射阵天线技术的发展和应用；所以本发明适合低剖面高效率极化变换透射阵天线设计。

附图说明

图1是本发明实施例提供的低剖面高效率极化变换透射阵天线结构示意图；

图中：1、馈源；2、透射阵列单元。

图2是本发明实施例提供的透射阵列单元结构示意图；

图中：(a)俯视图(b)侧视图。

图3是本发明实施例提供的x极化方向的透射系数随x方向的振子尺寸Lx的变化曲线

图4是本发明实施例提供的不同Lx的情况下y极化方向的透射系数随Ly的变化

图5是本发明实施例提供的角锥喇叭天线的平面结构图。

图6是本发明实施例提供的角锥喇叭天线的反射系数随频率变化示意图。

图7是本发明实施例提供的角锥喇叭天线在10GHz处的E、H面增益方向图。

图8是本发明实施例提供的透射阵列的平面结构图。

图9是本发明实施例提供的极化变换透射阵天线的整体结构图；

图中：(a)线极化－左旋圆极化变换模式(b)线极化－右旋圆极化变换模式(c)线极化－线极化模式。

图10是本发明实施例提供的透射阵天线在10GHz处的线极化状态下归一化辐射方向图。

图11是本发明实施例提供的透射阵天线在10GHz处的左旋圆极化状态下的归一化辐射方向图。

图12是本发明实施例提供的透射阵天线在10GHz处的右旋圆极化状态下的归一化辐射方向图。

图13是本发明实施例提供的不同极化模式下的最大辐射方向上的增益和轴比随频率的变化示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的低剖面高效率极化变换透射阵天线包括：馈源1、透射阵列单元2。

角锥喇叭天线作为透射阵天线的馈源1、采用双层结构的三维十字振子作为透射阵列单元2。透射阵列单元2是由不同尺寸的三维十字振子单元周期性排列而成的，阵列上的各个单元均按照独立调节十字振子在正交方向上的尺寸的方式对各自的透射相位进行补偿，从而保证经馈源照射后透射阵天线能够实现多种极化方式的自由变换和在阵列的另一侧能发出同相高增益透射波束。设计出的低剖面极化变换透射阵天线如图1所示：

从图2中可以看出，设计的透射阵单元采用双层结构，上层介质板的上表面和下层介质板的下表面均敷有金属十字贴片，四个金属圆柱分布在十字振子的四侧，分别连接了两个十字振子的四个侧臂。四个金属圆柱的采用，使设计单元在纵轴方向增加了一个维度，故而形成了三维结构的透射阵单元。设计单元的中心工作频率为10GHz，总高度为(H+2T)＝6.5mm，相当于中心工作频率的0.22个波长。而现有的二维结构的透射阵单元，其介质层数至少在三层以上，总高度至少在中心工作频率的0.5个波长以上。因此，相比于传统二维结构的透射阵单元，设计单元的纵向剖面高度明显降低。

图3给出了阵列单元在中心频率10GHz处，x极化方向的透射系数幅度和相位随十字振子在x轴方向上的尺寸L_x变化的曲线图。从图3中可以看出，振子长度在7-17mm的变化范围内，单元的透射相位的变化范围约为300度,透射系数的幅度保持在-0.8dB以上，所以该单元可以在保证较高透波系数的前提条件下，通过调节十字振子的尺寸来调整单元的透射相位，以此实现透射阵列上各单元的相位补偿。

图4给出了L_x逐渐变化的情况下，y极化方向的透射系数幅度和相位随十字振子在y轴方向上的尺寸L_y变化的曲线图。从图4中可以看出，当不同Lx情况下，随着L_y从7mm变化到17mm，y极化方向的透射系数幅度总在-1dB以上，透射相位的变化范围均在300度左右，并且不同L_x情况下的y极化方向的透射系数幅度和相位变化曲线基本重合，这说明设计的三维十字振子单元在x方向和y方向之间保持良好的极化隔离度，即x方向的振子尺寸变化对y方向透射系数幅度和相位的影响几乎为0。同理，y方向的振子尺寸变化对x方向透射系数幅度和相位的影响也几乎为0。所以，该单元在x,y方向上的透射相位可独立调节，并且保持高达-1dB以上的透波系数和300度左右的相位变化范围。需要说明的是，正是由于这种三维非对称十字振子在正交极化方向上均具有-1dB以上的透波系数，并且其幅度和相位均保持了良好的隔离度，所以才能保证本发明的透射阵天线在各个模式下均具有高极化转换效率和高辐射效率，这是本发明的关键优势。在此基础上，通过对阵列上各个单元在x,y方向上的振子尺寸L_x和L_y进行调节以保证阵列单元在正交极化方向上的透波幅度相等和相位相差90度，并适当调整馈源的旋转角度，就可以实现从线极化到不同极化方式的变换。

由于馈源天线到透射阵列各个单元的路径不同，所以各个单元之间存在由路径差别所造成的相位差。为了使透射阵天线各个单元保持相同相位，本设计对阵列上各个单元的缝隙长度进行调节，从而补偿各个单元之间的相位差别。

假设透射阵列上第(m,n)个单元所需的相位补偿为ψ_mn，其在x极化方向的透射系数为T_x∠ψ_x，y极化方向的透射系数为T_y∠ψ_y。如果单元无透射损耗，即当入射波全透射时，有T_x＝T_y＝1。对于阵列上第(m,n)个单元，如果分别调节x,y方向的振子尺寸L_x和L_y，使ψ_x＝ψ_mn和ψ_y＝ψ_mn+π/2。在此基础上，可以得到以下的结论：

(1)当馈源位于透射阵列上方并与x轴形成45度夹角时，第(m,n)个单元的透射系数沿x,y方向的幅度分量相等，y方向的透射相位超前x极化方向透射相位90度，由圆极化的定义可知该单元的透射波的极化方式为左旋圆极化。

(2)当馈源位于透射阵列上方并与x轴形成-45度夹角时，由坐标变换可知，第(m,n)个单元的透射系数沿沿正交方向的透射相位超前滞后关系发生逆转，则该单元的透射波的极化方式为右旋圆极化。

(3)当馈源位于透射阵列正上方并与x轴形成0度夹角时，第(m,n)个单元沿x方向的透射相位满足ψ_x＝ψ_mn，满足相位补偿条件，则该单元的透射波的极化方式为线极化。

综上所述，当我们对阵列上每个单元沿x,y方向的缝隙长度都进行合适的调节，使每个单元在x方向上满足空间相位补偿，在y方向的透射相位超前x极化方向透射相位90度，在这样的前提下，如果馈源位于透射阵列上方并与x轴分别形成45度,0度，-45度夹角时，则阵列透射波的极化方式分别为，左旋圆极化，线极化，右旋圆极化，这就形成了透射阵列不同极化方式的切换。

由于角锥喇叭天线具有宽带，高增益，端射式的优点，故本发明采用角锥喇叭天线作为透射阵天线的馈源。本发明设计的多极化透射阵工作频率为10GHz，所以采用中心频率为10GHz的角锥喇叭天线。其结构如图5所示：

图6和图7分别给出了角锥喇叭天线的反射系数和10GHz处的E，H面辐射方向图：

透射阵列的结构和透射阵天线的整体结构分别如图8和图9所示：

从图9可以看出，如果馈源位于透射阵列上方并与x轴分别形成45度,0度，-45度夹角时，则阵列透射波的极化方式分别为，左旋圆极化，线极化，右旋圆极化，所以该透射阵天线可以实现多种极化方式的自由切换。

图10-12分别给出了透射阵天线在10GHz处线极化，左，右旋圆极化工作模式下的归一化辐射方向图：

从图中可以看出，该天线在线极化工作模式下，半功率波瓣宽度为9度,第一副瓣电平约为-19dB，最大辐射方向上的交叉极化电平在-50dB以下；在左旋圆极化工作模式下，主极化为左旋圆极化，交叉极化为右旋，半功率波瓣宽度为9度,第一副瓣电平约为-19dB，最大辐射方向上的交叉极化电平在-30dB以下；在右旋圆极化工作模式下，主极化为右旋圆极化，交叉极化为左旋，半功率波瓣宽度为9度,第一副瓣电平约为-19dB，最大辐射方向上的交叉极化电平在-24dB以下。所以该透射阵天线在各个极化模式下的辐射方向图均实现了高增益、高极化转换效率和低副瓣，达到了设计目的。

图13给出了该透射阵天线在圆极化工作模式下的增益和轴比，以及在线极化工作模式下的增益。从图中可以看出，在圆极化的工作模式下，天线在10GHz处的增益约为24.7dB,相应的口径辐射效率约为54％。在9.5-10.6GHz的频率范围内增益衰减不超过1dB；同样在9.5-10.6GHz的频率范围内轴比值小于3dB,这表明本发明设计的透射阵天线能够在较宽的频带内保持良好的圆极化辐射特性；在线极化的工作模式下，天线在10GHz处的增益约为25.2dB，相应的口径辐射效率约为64％。在9.6-10.5GHz的频率范围内增益高于24dB。值得注意的是，设计的透射阵天线在圆极化模式下，中心频率10GHz处的轴比值在0.5dB以下，这充分说明其具有高极化变换效率和良好的圆极化性能。通过比较已有的透射阵天线设计方法相比较，该三维透射阵天线在各种极化模式下的口径效率明显高于传统二维透射阵天线，其原因在于设计的三维部分对称十字单元在正交极化方向的透射系数幅度与相位之间保持了良好的隔离，从而保证了设计的透射阵天线较高的极化转换效率，进而实现了透射阵天线在各个极化模式下较高的辐射效率。此外，该天线的剖面高度仅为中心频率处的0.22个波长，相比于传统二维结构的透射阵天线而言，其剖面高度也明显降低。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种低剖面高效率极化变换透射阵天线，其特征在于，所述低剖面高效率极化变换透射阵天线包括：

角锥喇叭天线作为透射阵天线的馈源；

采用双层三维部分对称十字振子作为透射阵列单元；通过独立调节阵列上各个三维部分对称十字振子单元在两个正交方向上的结构尺寸，使两个正交方向极化的透射波相位相差90度。

2.如权利要求1所述的低剖面高效率极化变换透射阵天线，其特征在于，所述透射阵列单元是由不同尺寸的三维部分对称十字振子单元周期性排列而成。

3.如权利要求1所述的低剖面高效率极化变换透射阵天线，其特征在于，所述双层介质板三维双层部分对称十字振子，纵向剖面高度为中心频率处的0.22个波长。