CN107104274A - 低剖面的宽带的宽角阵列波束扫描圆极化阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低剖面的宽带的宽角阵列波束扫描圆极化阵列天线，包括：金属地板和设置在金属地板上的多个辐射单元；辐射单元为圆极化正交偶极子单元；所述多个辐射单元分布形成相互同心的圆环子阵列；辐射单元与阵面法向之间具有倾角，以使辐射单元的主波束偏离阵面法向。与现有的宽角阵列波束扫描天线阵列技术相比，本发明由于采用了全新的布局方式，通过圆极化单元的倾斜并结合涟漪状的金属地板使得阵列具有宽带的圆极化宽角阵列波束扫描的特性。同时，由于阵列采用涟漪状的布局，阵列相比于传统的阵列还有剖面低、占据空间小等优点。

Description

低剖面的宽带的宽角阵列波束扫描圆极化阵列天线

技术领域

本发明涉及一种阵列天线，具体地，涉及具有低剖面和宽带特性的宽角阵列波束扫描圆极化阵列天线。

背景技术

随着无线通信技术的发展，具有圆极化特性的天线占据有越来越重要的地位。由于圆极化具有减小多径效应带来的对通信线路的干扰，能减少信号传输时由于极化失配带来的能量损失并且为天线的放置取向提供了更多的自由度，使得圆极化天线相比于线极化天线在通信系统中具有更多的优势。除此之外，相控阵技术在卫星通信、遥感遥测领域相比其他类型的天线具有明显的优势，其可以通过控制每个单元的激励幅度和相位，实现在预定的区域形成特定波束并进行快速波束扫描。由于波束的指向改变不需要使用复杂的机械设备调整而是通过移相器改变单元的相应激励来实现，使得系统可以对干扰信号进行抑制并在所需要的信号方向集中能量，以此来实现改善系统的信噪比。随着系统应用场景的多变，往往要求天线具有宽带特性来覆盖更多的工作频段。结合以上优点的具有宽带特性的宽角阵列波束扫描圆极化天线阵将具有明显的应用优势。

实现阵列宽波束扫描的方式有许多，但是目前大多宽波束扫描系统都是基于宽波束单元来实现，例如专利文献CN1983718B公开的宽带宽波束微带天线单元，这些阵列多为线极化并存在带宽较窄且只能在有限的维度进行波束扫描等局限性。然而圆极化宽波束单元较难获得，而且目前的圆极化单元多基于可重构且无法形成均匀的波束覆盖。除此之外，宽波束单元意味着阵列的最大增益将不可避免地减小。传统的阵列如半球阵和圆锥阵列等宽角扫描阵列通过激励不同的阵面扇区单元来实现宽角阵列波束扫描，然而这些阵列在某一特性方向所能激励的单元有限且占据很大的空间。综合以上讨论，设计一种低剖面、具有宽带特性的宽角阵列波束扫描圆极化天线阵是十分必要的。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种低剖面的宽带的宽角阵列波束扫描圆极化阵列天线。

根据本发明提供的一种低剖面的宽带的宽角阵列波束扫描圆极化阵列天线，包括：金属地板和设置在金属地板上的多个辐射单元；

辐射单元为圆极化正交偶极子单元；

所述多个辐射单元分布形成相互同心的圆环子阵列；

辐射单元与阵面法向之间具有倾角，以使辐射单元的主波束偏离阵面法向。

优选地，所述多个辐射单元在偏离阵面法向±60°的圆锥形空间范围内方位角全覆盖。

优选地，金属地板为涟漪状金属地板，所述涟漪状金属地板包括单元一侧金属壁和单元对侧金属壁，辐射单元嵌入在单元一侧金属壁上。

优选地，金属地板将辐射单元的辐射部分与馈电部分相分隔开。

优选地，作为反射地板的所述单元一侧金属壁与水平面的夹角相同于辐射单元偏离阵面法向的倾角；同一圆环子阵列中的辐射单元之间在周向上均布。

优选地，辐射单元包括正交偶极子、同轴线、同轴接头；

辐射单元的正交偶极子印刷在微波介质板上，微波介质板的下方为一金属腔，正交偶极子通过同轴线连接至同轴接头；

金属腔的底端嵌入金属地板。

优选地，一部分相邻圆环子阵列的辐射单元的所述倾角之间相同，另一部分相邻圆环子阵列的辐射单元的所述倾角之间不相同。

优选地，辐射单元边长为λ/2且高度为λ/4，金属腔的深度为λ/4，同轴线长λ/4，金属环高度为λ/4；其中，λ为工作频率中心频点对应的自由空间波长。

优选地，同心的圆环子阵列共有3个，分别记为内环、中环、外环；

内环、中环、外环中的辐射单元的数量分别为10、22、32；

内环、中环中的辐射单元偏离阵面法向的倾角为40°；

外环中的辐射单元偏离阵面法向的倾角为50°；

内环、中环、外环中单元对侧金属壁与水平面的夹角为30°。

优选地，当低剖面的宽带的宽角阵列波束扫描圆极化阵列天线扫描0°～10°时，激励所有的辐射单元；

当低剖面的宽带的宽角阵列波束扫描圆极化阵列天线的主波束扫描10°～60°的范围时，只激励辐射单元法向方位角在扫描方向方位角±90°的扇区范围内的辐射单元，对应所有辐射单元总数的一半。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提供一种低剖面的宽带的宽角阵列波束扫描圆极化阵列天线。通过使用涟漪状地板及具有倾斜单元的圆环子阵列，来使阵列在宽角阵列波束扫描时能有较小的增益下降并保持低剖面。该阵列可由64个圆极化正交偶极子单元及一个涟漪状地板组成，阵列前两环(内环、中环)单元法向偏离阵面法向40°角，最后一环(外环)的单元偏离阵面法向倾角优化为50°角用来调节阵列的增益下降量。圆环子阵列单元对侧的地板金属壁倾角设置为30°来尽可能地减少地板对电磁波的遮挡效应。本发明可以实现在8～9.1GHz频率范围，阵列主波束覆盖偏离阵列法向±60°的锥形区域范围且具有小于3dB的增益起伏，同时该阵列相比于传统用于宽角阵列波束扫描的半球形阵列及圆锥形阵列具有低剖面的特点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明阵列布局及结构示意图。

图2是本发明阵列平面视图及阵列涟漪状金属反射板A-A剖视图。

图3是本发明实施例在8GHz于Phi＝0°平面主波束扫描至0°、20°、40°、60°的方向图。

图4是本发明实施例在8.5GHz于Phi＝0°平面主波束扫描至0°、20°、40°、60°的方向图。

图5是本发明实施例在9.1GHz于Phi＝0°平面主波束扫描至0°、20°、40°、60°的方向图。

图中示出：

金属地板1

单元一侧金属壁101

单元对侧金属壁102

辐射单元2

第一环的前两个单元201

第二环的第一个单元202

同轴接头3

微波介质板4

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明的天线阵列波束可以在8～9.1GHz频带内覆盖±60°的圆锥形空间范围，具有圆极化及低剖面特性且在扫描范围内满足增益波动小于3dB、有源驻波比小于2及轴比小于3dB。与现有技术的宽角阵列波束扫描天线阵列相比，本发明由于采用了全新的布局方式，通过圆极化单元的倾斜并结合涟漪状的金属地板使得阵列具有圆极化宽带的宽角阵列波束扫描的特性。同时，由于阵列采用涟漪状的布局，阵列相比于传统的阵列还有剖面低、占据空间小等优点。

本发明提供一种具有低剖面的宽带的圆极化宽角阵列波束扫描阵列天线，通过采用具有倾斜的辐射单元2的同心圆环子阵列的布局来使阵列在扫描±60°的锥形区域范围内具有方位面全覆盖的能力。通过将圆环子阵列的辐射单元倾斜一定的角度并结合涟漪状的金属地板1来使阵列的最大扫描角扩大并减小阵列在波束扫描范围内增益的变化幅度。

低剖面的宽带的圆极化宽角阵列波束扫描阵列天线中辐射单元2采用边长约为λ/2(其中λ为工作频率中心频点对应的自由空间波长)、高度约为λ/4的圆极化正交偶极子单元。单元正交偶极子部分印刷在微波介质板4上并将采用边长约为λ/2、高度约为λ/4的方形盒金属腔体以减小单元之间的互耦。微波介质板4上正交偶极子馈电点通过下方长度约为λ/4的同轴线与金属腔上同轴接头3进行连接；圆环子阵列中的辐射单元在每环的周向采取等间距排列。每一圆环子阵列中的辐射单元2均采取一定的倾角，通过对辐射单元2施加的倾角来使阵列的波束扫描范围增大并在扫描范围内减小增益的波动。辐射单元2中由底部的同轴接头3进行馈电，通过控制每个辐射单元的馈电幅度和相位，可以使阵列的波束扫向不同的角度，辐射单元在周向根据阵列所辐射电磁波的极化情况来选择相应圆极化相位补偿。

进一步地，本发明的详细结构请参阅图1和图2，低剖面的宽带的圆极化宽角阵列波束扫描阵列天线包括：64个边长为23mm的圆极化正交偶极子单元，辐射单元的偶极子部分印刷于厚度为0.508mm、介电常数为4.5的微波介质板4上，微波介质板4下包含一个与微波介质板4相同边长、腔内侧深度为9mm、腔壁厚为2mm的金属腔，微波介质板4上的正交偶极子馈电点通过介质板下方的约λ/4长同轴线连至单元金属腔上的同轴接头3，外接激励通过同轴接头3向每个单元馈电。

阵列有三个同心圆环子阵列组成，由内向外分为记为内环(第一环)、中环(第二环)、外环(第三环)，这三个环中的辐射单元个数分别为10、22、32。辐射单元按照逆时针顺序及由内而外的顺序编号，第二环的第一个单元方位角位于第一环前两个单元的中间，以此类推。圆环子阵列前两环单元面偏离阵面法向的角度为40°，最外环中辐射单元的偏离角度可以用来调节阵列的增益变化情况，这里优化为50°。金属地板1的单元一侧金属壁101与水平面的夹角，与辐射单元2偏离阵面法向倾角一致，充当辐射单元的反射地板，调节单元对侧金属壁102的倾角以减小金属壁对辐射单元的遮挡效应，这里选为与水平面形成30°夹角。阵列地板中心的倒截顶圆锥形的凹陷是用来调节阵列的尺寸及阵列环内单元间距，这里将水平部分半径设置为2mm，金属壁倾角调节为33°。

辐射单元2嵌于金属地板上，调节辐射单元2背腔内侧的底面高出金属反射板1mm，至此阵列的辐射单元部分与阵列的底部馈电部分相分离开。通过控制给每个辐射单元2的激励幅度和相位可以使阵列波束扫描所需的范围。由于阵列在扫描一确定方位时，背向该扫描方向的单元辐射方向并不在阵列主波束范围内并只会增加阵列的副瓣，所以这里采取当阵列扫描0°～10°时，激励所有的辐射单元2，当阵列主波束扫描10°～60°的范围时，只激励阵列中辐射单元法向方位角在扫描方向方位角±90°的扇区范围内的辐射单元2，对应阵列总辐射单元数的一半。上述方式通过可重构开关来实现激励扇区的选择。

阵列仿真得到的结果表明，那本发明提供的阵列在8～9.1GHz，主波束扫描至偏离阵列法向±60°的锥形区域范围内满足增益变化小于3dB，有源驻波比小于2及轴比小于3dB。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种低剖面的宽带的宽角阵列波束扫描圆极化阵列天线，其特征在于，包括：金属地板和设置在金属地板上的多个辐射单元；

辐射单元为圆极化正交偶极子单元；

所述多个辐射单元分布形成相互同心的圆环子阵列；

辐射单元与阵面法向之间具有倾角，以使辐射单元的主波束偏离阵面法向。

2.根据权利要求1所述的低剖面的宽带的宽角阵列波束扫描圆极化阵列天线，其特征在于，所述多个辐射单元在偏离阵面法向±60°的圆锥形空间范围内方位角全覆盖。

3.根据权利要求1所述的低剖面的宽带的宽角阵列波束扫描圆极化阵列天线，其特征在于，金属地板为涟漪状金属地板，所述涟漪状金属地板包括单元一侧金属壁和单元对侧金属壁，辐射单元嵌入在单元一侧金属壁上。

4.根据权利要求3所述的低剖面的宽带的宽角阵列波束扫描圆极化阵列天线，其特征在于，金属地板将辐射单元的辐射部分与馈电部分相分隔开。

5.根据权利要求3所述的低剖面的宽带的宽角阵列波束扫描圆极化阵列天线，其特征在于，作为反射地板的所述单元一侧金属壁与水平面的夹角相同于辐射单元偏离阵面法向的倾角；同一圆环子阵列中的辐射单元之间在周向上均布。

6.根据权利要求1所述的低剖面的宽带的宽角阵列波束扫描圆极化阵列天线，其特征在于，辐射单元包括正交偶极子、同轴线、同轴接头；

辐射单元的正交偶极子印刷在微波介质板上，微波介质板的下方为一金属腔，正交偶极子通过同轴线连接至同轴接头；

金属腔的底端嵌入金属地板。

7.根据权利要求1所述的低剖面的宽带的宽角阵列波束扫描圆极化阵列天线，其特征在于，一部分相邻圆环子阵列的辐射单元的所述倾角之间相同，另一部分相邻圆环子阵列的辐射单元的所述倾角之间不相同。

8.根据权利要求5所述的低剖面的宽带的宽角阵列波束扫描圆极化阵列天线，其特征在于，辐射单元边长为λ/2且高度为λ/4，金属腔的深度为λ/4，同轴线长λ/4，金属环高度为λ/4；其中，λ为工作频率中心频点对应的自由空间波长。

9.根据权利要求3所述的低剖面的宽带的宽角阵列波束扫描圆极化阵列天线，其特征在于，同心的圆环子阵列共有3个，分别记为内环、中环、外环；

内环、中环、外环中的辐射单元的数量分别为10、22、32；

内环、中环中的辐射单元偏离阵面法向的倾角为40°；

外环中的辐射单元偏离阵面法向的倾角为50°；

内环、中环、外环中单元对侧金属壁与水平面的夹角为30°。

10.根据权利要求1所述的低剖面的宽带的宽角阵列波束扫描圆极化阵列天线，其特征在于，当低剖面的宽带的宽角阵列波束扫描圆极化阵列天线扫描0°～10°时，激励所有的辐射单元；

当低剖面的宽带的宽角阵列波束扫描圆极化阵列天线的主波束扫描10°～60°的范围时，只激励辐射单元法向方位角在扫描方向方位角±90°的扇区范围内的辐射单元，对应所有辐射单元总数的一半。