CN109167183A

CN109167183A - 卡塞格伦反射阵天线

Info

Publication number: CN109167183A
Application number: CN201810892060.7A
Authority: CN
Inventors: 郭文龙; 王光明; 许河秀; 蔡通; 刘凯越
Original assignee: Air Force Engineering University of PLA
Current assignee: Air Force Engineering University of PLA
Priority date: 2018-08-07
Filing date: 2018-08-07
Publication date: 2019-01-08

Abstract

本发明公开一种卡塞格伦反射阵天线，所述天线包括波导馈源，主反射面与副反射面，所述波导馈源、所述主反射面、所述副反射面之间的高度差由设计焦距与镜像原理共同决定；所述波导馈源用于发射球面波；所述主反射面用于将所述球面波转化为平面波的同时极化扭转90°；所述副反射面具有极化滤波的功能，即能够保持对一种线极化波全透射的同时对其交叉极化波全反射。本发明的卡塞格伦反射阵天线实现了48％的3dB增益带宽，与68.4％的20dB交叉极化抑制带宽，且剖面几乎为反射阵天线的一半，实现了低剖面宽带高增益高极化纯度工作的特性。

Description

卡塞格伦反射阵天线

技术领域

本发明属于微波技术领域，尤其涉及卡塞格伦反射阵天线。

背景技术

电磁超构表面由于能够在二维表面上灵活操控电磁波前从而使得其在波束形成技术中具有极大的应用前景。尤其在高增益天线设计领域，基于电磁超构表面设计的高增益天线结合了传统的阵列天线与抛物面天线特性，在卫星通讯、雷达探测等领域具有极大的应用前景。

到目前为止利用电磁超构表面来实现高增益天线技术的主要有反射阵、透射阵以及FP谐振腔天线三种技术。其中,反射阵技术主要通过利用反射型相位调制单元来设计相位补偿面，从而将馈源照射来的球面波转化为反射的平面波，最终达到提高天线增益的目的。透射阵天线与反射阵相对应，主要是通过利用透射型相位调制单元来设计相位补偿面，将透射波调制为平面波，最终达到提高天线增益的目的。而FP谐振腔天线主要通过设计部分反射型与相位调制超构表面，来实现低剖面的腔体谐振效应，最终达到高增益辐射的目的。

以上基于电磁超构表面的微带高增益天线技术存在如下缺陷：

采用反射阵技术存在馈源遮挡效应，而通过斜馈方式来克服遮挡效应的方法往往容易抬高交叉极化电平，且斜馈后相位补偿单元存在大入射角相位补偿不准的问题。透射阵技术由于其需要在相位调制的同时保持较高的透射率，因此设计难度较大，且往往需要多层单元来实现360度的相位调制范围。除此之外，透射阵由于多层谐振带来的工作带宽窄的问题亦不容忽视。而FP谐振腔天线，其最大的问题就在于由于采用了腔体谐振结构，因此其工作带宽就注定被限制，无法实现宽带高增益辐射。另外，不得不提的是，反射阵与透射阵均有较高的剖面。由此可见，基于电磁超构表面来设计一款带宽宽，剖面低，能够避免馈源遮挡效应且具有较高极化纯度的高增益天线就显得颇为必要。

发明内容

本申请的目的在于提出卡塞格伦反射阵天线，来解决以上背景技术部分提到的技术问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该天线包括波导馈源，主反射面与副反射面，以及，所述波导馈源、所述主反射面、所述副反射面之间的高度差由设计焦距与镜像原理共同决定；所述波导馈源用于发射球面波；所述主反射面用于将所述球面波转化为平面波的同时极化扭转90°；所述副反射面具有极化滤波的功能，即能够保持对一种线极化波全透射的同时对另一种交叉极化波全反射。

在一些实施例中，所述的波导馈源是由普通的矩形波导结构组成的宽带波导馈源，具体尺寸为波导口宽15-20mm，高5-15mm。

在一些实施例中，所述主反射面由类似于“I”型的电磁超构单元周期排布而成，所述电磁超构单元的排布方式满足其反射相位分布服从双曲面型相位分布；所述的类似于“I”型的电磁超构单元具备在宽带范围内将线极化波极化扭转90°的同时，调节反射波相位的功能。

在一些实施例中，所述副反射面由平面微带结构的极化栅组成，具体的：平面微带结构的极化栅的金属栅条的结构为宽度0.4mm，栅条间距2mm，金属栅条结构刻蚀在厚度为0.2mm介电常数为2.65的聚四氟乙烯介质板上，且所述介质板正反两面为相同的上述金属栅条。

本发明提出的卡塞格伦反射阵天线，借鉴了传统卡塞格伦天线引入副反射面降低剖面的方法，通过引入极化栅状超构表面作为副反射面，最终达到降低反射阵天线剖面的目的。通过使用宽带的波导馈源，宽带的主反射面与副反射面来保证设计的天线宽带工作。另外引入的副反射面结构具有极化滤波的能力，因此大大提升了该天线的极化纯度。

本发明的有益效果如下：设计的卡塞格伦反射阵天线，相较于透/反射阵天线而言具有更低的剖面与更高的极化纯度，相较于FP谐振腔天线而言具有更宽的工作带宽与更高的极化纯度。特别需要指出的是，该型卡塞格伦反射阵天线获得了48％的3dB增益带宽，以及68.4％的-20dB交叉极化抑制带宽，性能良好，为低剖面宽带高增益高极化纯度天线的设计提供了新思路。

附图说明

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

图1为设计的卡塞格伦反射阵天线的工作原理图，图1(a)为卡塞格伦天线的具体组成以及工作原理图，图1(b)为该型天线的具体相对位置关系图；

图2为主反射面的电磁超构单元结构图以及单元的相位响应图，图2(a)为单元的主视图，其中单元结构参数为θ＝45°，r＝1.6mm，d₁＝0.4mm；图2(b)为单元的自由视图，其中的结构参数为p＝5mm，h＝2.5mm，d＝0.3mm；图2(c)为单元反射相位随单元参数变化的曲线图；图2(d)为单元反射相位随参数r变化的曲线图；

图3为主反射面的结构及性能，图3(a)为主反射面上的相位分布图，可以看出，其由30×30个单元组成，单元的相位分布服从双曲面型相位分布；图3(b)为基于该反射面构造的反射阵天线，其焦距F＝90mm，阵面尺寸D＝150mm，波导馈源辐射波为y极化球面波，经反射阵反射后转化为x极化平面波；图3(c)为15GHz处的xoz面内的反射阵天线远场辐射方向图；图3(d)为15GHz处的yoz面内的反射阵天线远场辐射方向图，可以看出其能够定向辐射，且经反射阵天线反射后的极化模式扭转90度但极化隔离度不高；

图4为设计的微带极化栅结构的副反射面的工作原理及性能图，图4(a)为设计的微带极化栅的结构的副反射面的工作原理图，平面微带结构的极化栅的金属栅条的栅条宽度d₂＝0.4mm，栅条间距d₃＝2mm，介质基板厚度h₁＝0.2mm，如图4(a)所示，该副反射面可保持对x极化波全透射而对y极化波全反射，图4(b)为仿真的副反射面的性能图，可以看出其透、反射率均高于98％，达到了较好的宽带极化滤波效果；

图5为最终组装成的卡塞格伦反射阵天线结构及性能图，图5(a)为卡塞格伦反射阵的结构图，图5(b)为单一的波导馈源与加载卡塞格伦反射阵之后馈源的匹配特性曲线，图5(c)、(d)分别卡塞格伦反射阵天线在xoz与yoz面内的远场方向图，图5(e)为卡塞格伦天线的增益带宽曲线，图5(f)为图3中所示的反射阵天线与图5中所述的卡塞格伦反射阵天线的极化隔离度对比图，容易看出设计的卡塞格伦天线不仅有效降低了天线剖面，而且大幅度提高了天线的极化纯度。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方案对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

如图1(a)所示，其中，图1(a)为卡塞格伦天线的具体组成以及工作原理图。本实施例设计的卡塞格伦反射阵天线由三部分组成，10代表的是波导馈源，其可在10-22GHz范围内有效辐射球面波，20代表的是主反射面，30代表的是副反射面。该型卡塞格伦反射阵天线的工作原理是，由波导馈源10发出的y极化球面波照射到副反射面30上后被其全反射，形成镜像效应，如图1(a)中的虚拟馈源所示。经副反射面30反射过来的y极化波打到主反射面20以后，y极化球面波波前被转化为平面波波前。同时，为了保证平面波通过极化栅，主反射面20还具有极化扭转90°的功能，可将y极化波转化为x极化波。最终，经主反射面20反射后的x极化平面波全透过副反射面30，从而达到高极化纯度高增益辐射的目的。

继续参考图1(b)，图1(b)为该天线的具体相对位置关系图；即波导馈源10、主反射面20、副反射面30之间的位置关系。波导馈源、主反射面、副反射面之间的高度差由设计焦距与镜像原理共同决定，由于波导探头超出主反射面一段长度L，因此，假定反射阵天线焦距为F，则主、副反射面，即主反射面20、副反射面30之间的高度差H满足H＝(F+L)/2。

波导馈源是由普通的矩形波导结构组成的宽带波导馈源，具体尺寸为波导口宽15-20mm，高5-15mm。

卡塞格伦反射阵天线的主反射面20由类似于“I”型的电磁超构单元周期排布而成，电磁超构单元的排布方式满足其反射相位分布服从双曲面型相位分布；电磁超构单元具备在宽带范围内将线极化波极化扭转90°的同时，调节反射波相位的功能。作为示例，主反射面20所采用的周期单元如图2所示，其中，图2(a)为单元的主视图，单元结构参数为θ＝45°，r＝1.6mm，d₁＝0.4mm；图2(b)为单元的自由视图，其中的结构参数为p＝5mm，h＝2.5mm，d＝0.3mm。这里通过斜置贴片结构的方式来实现交叉极化转化的目的，图2(c)、(d)分别给出了单元参数r变化时的不同频率处的反射相位响应曲线，其中Phase代表单元的反射相位，f为照射波频率。图2(c)为单元反射相位随单元参数变化的曲线图，由此建立了单元反射相位与单元参数之间的关系，但需要注意的是，只调节这一个参数无法实现360度的相位调节；图2(d)给出了单元反射相位随参数r变化的曲线图；可以看出该型单元的反射相位不仅仅依赖于单一参数，因此可通过同时调节单元参数r、θ、来产生不同的反射相移，以实现完整的360度相位覆盖。

在图2所示的类似于“I”型的电磁超构单元结构基础上，通过调节不同的结构参数产生反射相移，并使其相位分布如图3(a)所示，其相应的相位分布公式为：

公式中，F为设计的焦距，λ为设计频点15GHz处的波长，Φ₀为初始相位，(x,y)为单元的位置坐标，Φ(x,y)为该位置处的反射相位值。

根据该相位分布以及图2确定的单元参数与反射相位之间的关系，设计出如图3(b)所示的主反射面，该主反射面由30×30个周期单元组成，单元的相位分布服从双曲面型相位分布；图3(b)为基于该反射面构造的反射阵天线，所述反射阵天线的焦距F＝90mm，阵面尺寸D＝150mm，阵面面积为150×150mm²，波导馈源辐射波为y极化球面波，经主反射面反射后转化为x极化平面波。将波导馈源置于其焦点处进行仿真，可得出该型反射阵天线的远场，如图3(c)、(d)所示，图中x-Pol.，y-Pol.代表两种相互正交的线极化波，Realized Gain代表远场的实际增益值，theta代表阵面内的方向角。具体而言，图3(c)为15GHz处的xoz面内的反射阵天线远场辐射方向图；图3(d)为15GHz处的yoz面内的反射阵天线远场辐射方向图，可以看出其能够定向辐射，且经反射阵反射后的极化模式扭转90度，但极化隔离度不高，该型主反射阵可实现定向高增益辐射且其辐射模式为馈源的交叉极化模式。

本发明副反射面30的结构及其工作原理如图4(a)所示，所述副反射面由平面微带结构的极化栅组成，平面微带结构的极化栅的金属栅条的结构参数为栅条宽度d2＝0.4mm，栅条间距d3＝2mm，金属栅条结构刻蚀在厚度为h1＝0.2mm介电常数为2.65的聚四氟乙烯介质板上，且所述介质板正反两面为相同的上述金属栅条。该副反射面是通过在介质基板上刻蚀栅状结构来实现极化滤波的功能。在图4(a)，RHCP代表右旋圆极化波，亦即一种同时含有x与y极化分量的电磁波，x-Pol表示x极化波、y-Pol表示y极化波，该副反射面对x极化波全透射而对y极化波全反射，具体的性能如图4(b)所示，其中S11(x-Pol.)、S11(y-Pol.)分别代表x极化波、y极化波的反射率，S12(x-Pol.)、S12(y-Pol.)分别代表x极化波、y极化波的透射率，由于数值差距较大，我们使用两个标尺来衡量，其中S12(x-Pol.)、S11(y-Pol.)对应于左边刻度，S11(x-Pol.)、S12(y-Pol.)对应于右边刻度，图中由椭圆形型线圈来划定具体的线条所对应的刻度。可以看出，该型副反射面在10-24GHz范围内对x极化波的透射系数以及对y极化波的反射系数均高于98％，实现了高效率的极化滤波功能，从而为最终的宽带高极化纯度天线奠定了基础。

依据图1所示的设计原理与相对位置关系，将波导馈源10、主反射面20、副反射面30组装起来，具体如图5(a)所示的卡塞格伦反射阵天线的结构图。图5(b)给出了单一的波导馈源以及加载卡塞格伦反射阵天线之后馈源的匹配特性曲线，其中，Sim-w/o代表的是单一馈源对应的特性曲线，Sim-with代表的是加载卡塞格伦反射阵天线之后的馈源对应的特性曲线，横轴代表频率，纵轴S代表端口反射系数。可以看出，加载卡塞格伦反射阵前后的天线均能够在11-22GHz范围内有效辐射电磁波(即S参数小于-10dB)。图5(c)、(d)分别给出了在xoz与yoz面内，在设计频点15GHz处的远场辐射方向图，其图标含义与图3(c)、(d)一致。可以看出，其在主辐射方向0°方向形成了笔状波束，增益值达到了24dB以上，从而达到了高增益定向辐射的效果。另外，相较于图3(c)、(d)中反射阵天线的远场方向图而言，该型卡塞格伦反射阵天线的交叉极化隔离度大大提升，达到了30dB以上，形成了高极化纯度辐射的目的。最后，为了衡量设计的卡塞格伦反射阵的宽带性能，图5(e)给出了10-22GHz范围内的仿真增益带宽曲线结果，可以看出其最大辐射增益下降3dB的带宽为13-21.2GHz，相对带宽为48％，实现了宽带高增益辐射的目标。图5(f)给出了10-22GHz范围内的单一反射阵天线与卡塞格伦反射阵天线的极化隔离度对比图，其中，RA Sim表示单一反射阵的极化隔离度曲线，CG RA Sim表示卡塞格伦反射阵天线的极化隔离度曲线，可以看出本发明设计的卡塞格伦反射阵相较于单一的反射阵而言，其极化隔离度大大提高，且20dB以上的极化隔离带宽为10.4-21.2GHz，相对带宽为68.4％，实现了宽带高极化纯度的目标。另外需要指出的是，该型卡塞格伦反射阵天线的天线剖面为H＝47.5mm，(其中L＝5mm)，而图3中反射阵天线的天线剖面至少为F＝90mm，降低了47.2％。设计的卡塞格伦天线不仅有效降低了天线剖面，而且大幅度提高了天线的极化纯度。

综上所述，本发明通过分段设计，分别设计了主反射面、副反射面，并最终组装为具有低剖面、宽带、高增益、高极化纯度特性的卡塞格伦反射阵天线。该卡塞格伦反射阵天线有效克服了传统透、反射阵的大剖面，极化隔离度不好等缺点，以及有效克服了FP谐振腔天线带宽窄、极化纯度不高的问题，因此在高增益高极化纯度天线应用领域，如雷达探测、卫星通讯等具有较大的应用价值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种卡塞格伦反射阵天线，其特征在于，所述天线包括波导馈源，主反射面与副反射面，以及，所述波导馈源、所述主反射面、所述副反射面之间的高度差由设计焦距与镜像原理共同决定；

所述波导馈源用于发射球面波；

所述主反射面用于将所述球面波转化为平面波的同时极化扭转90°；

所述副反射面具有极化滤波的功能，即能够保持对线极化波全透射的同时对交叉极化波全反射。

2.根据权利要求1所述的卡塞格伦反射阵天线，其特征在于，所述的波导馈源是由普通的矩形波导结构组成的宽带波导馈源，具体尺寸为波导口宽15-20mm，高5-15mm。

3.根据权利要求1所述的卡塞格伦反射阵天线，其特征在于，所述主反射面由类似于“I”型的电磁超构单元周期排布而成，所述电磁超构单元的排布方式满足其反射相位分布服从双曲面型相位分布；

所述的类似于“I”型的电磁超构单元具备在宽带范围内将线极化波极化扭转90°的同时，调节反射波相位的功能。

4.根据权利要求1中所述卡塞格伦反射阵天线，其特征在于，所述副反射面由平面微带结构的极化栅组成，具体的：

平面微带结构的极化栅的金属栅条的结构为宽度0.4mm，栅条间距2mm，金属栅条结构刻蚀在厚度为0.2mm介电常数为2.65的聚四氟乙烯介质板上，且所述介质板正反两面为相同的上述金属栅条。