CN109411895B - 一种三层螺旋缝隙透射单元及透射阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三层螺旋缝隙透射单元，包括间距相同的三层金属薄层以及形成于三层金属薄层上的透射结构；其中每个透射结构包括对应形成在所述三层金属薄层上的形状相同的两臂螺旋缝隙，本发明还公开了一种包括该三层螺旋缝隙透射单元的三层螺旋缝隙透射阵列天线，本发明可解决现有的透射阵列天线存在单元透射相位范围小，透射效率低，导致透射阵天线效率低的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及天线领域。更具体地，涉及一种三层螺旋缝隙透射单元及透射阵列天线。
背景技术
无线电技术设备都是通过电磁波来进行信息的传递，而天线的作用正是发射或者接收电磁波。不同的应用领域对天线性能的需求不同，微波遥感、雷达技术、卫星通信等领域都需要天线具有高增益性能。透射阵列天线是一种新型的具有平面结构的高增益天线，它结合了透镜天线的优点，在近些年得到了国内外学者的大力关注。
透射阵列天线包括馈源和透射阵列两部分，阵列包含若干个周期排列的透射单元，它将光学理论和阵列综合理论相结合，通过合理地设计每个单元的形式和尺寸来调节入射波的透射相位，使得在阵列口径面上形成特定的相位分布，从而辐射出设定的波束。
透射阵列天线具有高增益、低剖面、质量轻、体积小、加工成本低、馈电简单、功能灵活等优点，它的馈源与辐射场分别在阵列的两侧，不存在馈源遮挡问题。
有研究表明，不管透射阵采用何种单元形式，单层单元在透射系数大于-3dB的情况下，其透射相位变化范围不超过90度，因此要实现360度的透射相位范围需要采用四层单元的结构形式。这样就会加大单元的透射损耗，降低透射阵的辐射效率，此外透射阵天线的增益带宽较窄也是它的一个缺点。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种三层螺旋缝隙透射单元，解决现有的透射单元存在透射相位范围小，透射效率低，导致透射阵天线效率低的缺陷。本发明的另一个目的在于提供一种三层螺旋缝隙透射阵列天线。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明一方面公开了一种三层螺旋缝隙透射单元，包括间距相同的三层金属薄层以及形成于三层金属薄层上的多个透射结构；
其中每个透射结构包括对应形成在所述三层金属薄层上的形状相同的两臂螺旋缝隙。
优选地，所述透射单元的透射幅度大于-0.25dB。
优选地，所述透射单元中相邻两个透射结构的两臂螺旋缝隙的螺旋方向相反。
优选地，所述两臂螺旋缝隙的缝隙宽度为0.8mm。
优选地，所述三层金属薄层中相邻两层金属薄层的间隔为6mm。
优选地，所述两臂螺旋缝隙为阿基米德螺旋，两臂螺旋缝隙的半径为
r＝r0+kθ
其中，k为阿基米德螺旋线系数，r0为螺旋起始半径，θ为螺旋角度。
本发明另一方面公开了一种三层螺旋缝隙透射阵列天线，包括馈源和如权利要求1-6任一项所述的三层螺旋缝隙透射单元。
优选地，所述三层金属薄层为圆形，圆形的三层金属薄层上均布有多个所述透射结构。
优选地，所述三层金属薄层的直径为221mm。
优选地，所述第i个透射单元对馈源发出的电磁波的补偿相位值
为
其中，(xi,yi)为第i个透射单元的坐标，k0为真空中的传播常数，di为馈源与第i个透射单元之间的距离，(θ0,φ0)为透射阵列天线的波束指向。
本发明的有益效果如下：
本发明的种三层螺旋缝隙透射单元具有良好的透射特性，其透射相位范围达到了360度，且透射相位曲线的线性度良好，斜率较小，有利于提高透射阵天线的带宽且对加工要求较低。且在起始半径取值的绝大部分范围内，其透射幅度大于-0.25dB，说明了单元具有较小的透射损耗。本发明中基于该三层螺旋透射单元设计的透射阵列天线具有优良的辐射特性，且由全金属制成，层数较少，能在恶劣的环境中保持稳定的电性能，具有较高的工程应用价值，尤其适合在星载方面应用。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本发明三层螺旋缝隙透射阵列的示意图。
图2示出本发明三层螺旋缝隙透射单元的侧视图。
图3示出本发明三层螺旋缝隙透射单元的俯视图。
图4示出本发明三层螺旋缝隙透射天线的示意图。
图5示出本发明透射单元的透射幅度与起始半径的关系曲线。
图6示出本发明透射单元的透射相位与起始半径的关系曲线。
图7示出本发明透射天线的E面辐射方向图。
图8示出本发明透射天线的H面辐射方向图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，根据本发明的一个目的，本实施例公开了一种三层螺旋缝隙透射单元。本实施例中，透射单元包括间距相同的三层金属薄层1以及形成于三层金属薄层1上的多个透射结构2。其中，每个透射结构2包括对应形成在所述三层金属薄层1上的形状相同的两臂螺旋缝隙11。
本发明透射单元中的透射结构2具有完全相同的三层结构，每层是在一个金属薄层1上开一个两臂螺旋结构缝隙而成，层与层之间为空气，相邻层之间具有固定的间隔，通过调节螺旋结构的起始半径，可以调节单元的透射相位。三层螺旋缝隙单元的透射相位范围可达360度，且透射相位曲线的线性度良好，斜率较小，有利于提高透射阵天线的带宽且对加工要求较低。且在起始半径取值的绝大部分范围内，其透射幅度大于-0.25dB，说明了单元具有较小的透射损耗。
如图2所示，所述透射单元具有完全相同的三层结构，每层是在一个金属薄层1上开一个两臂螺旋结构缝隙而成，层与层之间为空气，相邻层之间具有固定的间隔d，优选地，相邻金属层间的距离可选取d＝6mm。
优选地，可通过改变所述透射结构2的两臂螺旋缝隙11的起始半径，来调节透射单元的透射相位的大小。通过权衡各个参数之间的影响，合理的设计单元的各个参数。使得单元具有良好的透射特性，利用该单元，结合透射阵列天线的设计方法和经验，可进行透射阵列天线的设计。
对于每个透射结构2的两臂螺旋缝隙11，在极坐标系中，两臂螺旋缝的半径可表示为
r＝r0+kθ
其中，k为阿基米德螺旋线系数，r0为螺旋起始半径，θ为螺旋角度。
通过设置参数k的值，可控制螺旋线相邻两圈之间的距离，使螺旋线的半径随着角度的增加而增大。在本实施例中，为了使该螺旋缝隙透射单元具有良好的透射特性，设定方程中参数k和r0为常数，参数r0为变量，通过控制起始半径r0来调节单元的透射相位。
如图3所示，本实施例中，两臂螺旋缝隙11包括两个不相交的螺旋缝隙，两个螺旋缝隙交替排列形成两臂螺旋缝隙11。对该单元的各个参数进行优化分析，权衡各个参数之间的互相影响，选取缝隙宽度w＝0.8mm，k＝0.4，θ＝3.7π。中心频率为12.5GHz，所述透射单元的周期可选取L＝13mm＝0.542λ0，其中λ0为12.5GHz处对应的自由空间的波长。在实际应用时，可根据实际情况对透射结构2的参数进行灵活设置，本发明对此并不作限制。
如图4所示，根据本发明的另一方面，本实施例还公开了一种三层螺旋缝隙透射阵列天线，所述透射阵列天线包括馈源3和三层螺旋缝隙透射单元。馈源3发出的球面波经过三层螺旋缝隙透射单元后变为平面波。
图5示出了本实施例中的螺旋缝隙透射单元在中心频率12.5GHz处的透射幅度与起始半径的关系曲线，从图中可以看到，在起始半径r0取值的绝大部分范围内，其透射幅度大于-0.25dB，说明了单元具有较小的透射损耗,适合用来设计透射阵列天线。图6示出了螺旋缝隙透射单元在中心频率12.5GHz处的透射相位与起始半径的关系曲线，从该图可以看出,当起始半径r0变化时，单元的透射相位值也随着变化。当r0从0.2mm增加到1.1mm时,该螺旋缝隙透射单元的透射相位从19°变化到-339°,总的变化范围达到了约360°，且透射相位曲线的线性度良好，斜率较小，有利于提高透射阵天线的带宽且对加工要求较低。
在对透射天线中的透射单元进行参数设置时，可采用以下公式对阵列中第i个透射单元所需补偿的相位值进行计算：
其中，
为第i个透射单元的补偿相位值，(xi,yi)为第i个透射单元的坐标，k0为真空中的传播常数，di为馈源3与第i个透射单元之间的距离，(θ0,φ0)为透射单元的波束指向。通过发射原始波的馈源3的距离以及波束指向方向可得到每个透射单元需要补偿的相位，在计算得到了阵列中每个单元位置处所需补偿的相位值之后，结合图5给出的单元的透射相位曲线，通过线性插值的方法就可以得出阵列中每个单元的尺寸。
所述透射阵列包含若干个三层螺旋透射单元，所有单元以等间距周期排列。所述透射阵列天线具有优良的辐射特性，且由全金属制成，层数较少，能在恶劣的环境中保持稳定的电性能，具有较高的工程应用价值，尤其适合在星载方面应用。优选地，馈源3可角锥喇叭天线，以向所述阵列天线发射波束。
当采用本实施例的透射单元形成透射阵列天线时，透射阵列天线包括三层金属薄层以及形成在三层金属薄层上的多个透射结构。在优选地实施方式中，三层金属薄层1为圆形，圆形的三层金属薄层1上均布有多个所述透射结构。多个所述透射单元优选地以等间距的形式阵列排列，通过合理设计每个单元的形式及尺寸来调节入射波的透射相位，使得在入射波通过透射单元阵列之后形成特定的相位分布，从而辐射出设定的波束。更优选地，所述三层金属薄层1的直径可设置为221mm，焦径为176.8mm，即焦径比F/D＝0.8，可包含213个等间距排列的螺旋缝隙透射单元。在其他实施方式中，螺旋缝隙透射单元的数量也可根据实际情况选取。
在优选地实施方式中，所述多个透射单元中相邻两个透射单元的两臂螺旋缝隙11的螺旋方向相反，可有效反射阵的交叉极化电平。
图7和图8为本发明中透射阵列天线在中心频率12.5GHz处的E面和H面的辐射方向图，从图中可以看到，该反射阵的增益达到了25.38dB，口径效率达到了41.5％，E面和H面的副瓣电平分别低于-18.5dB和-20.7dB,说明基于本发明中的螺旋透射单元设计的透射阵列天线具有良好的辐射特性和较高的效率，且结构简单，易于工程实现，具有较高的应用价值。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (9)
1.一种三层螺旋缝隙透射单元，其特征在于，包括间距相同的三层金属薄层以及形成于三层金属薄层上的多个透射结构；
其中每个透射结构包括对应形成在所述三层金属薄层上的形状相同的两臂阿基米德螺旋缝隙，
所述透射单元中相邻两个透射结构的两臂阿基米德螺旋缝隙的螺旋方向相反。
2.根据权利要求1所述的三层螺旋缝隙透射单元，其特征在于，所述透射单元的透射幅度大于-0.25dB。
3.根据权利要求1所述的三层螺旋缝隙透射单元，其特征在于，所述两臂阿基米德螺旋缝隙的缝隙宽度为0.8mm。
4.根据权利要求1所述的三层螺旋缝隙透射单元，其特征在于，所述三层金属薄层中相邻两层金属薄层的间隔为6mm。
5.根据权利要求1所述的三层螺旋缝隙透射单元，其特征在于，所述两臂阿基米德螺旋缝隙的半径为
r＝r0+kθ
其中，k为阿基米德螺旋线系数，r0为螺旋起始半径，θ为螺旋角度。
6.一种三层螺旋缝隙透射阵列天线，其特征在于，包括馈源和如权利要求1-5任一项所述的三层螺旋缝隙透射单元。
7.根据权利要求6所述的三层螺旋缝隙透射阵列天线，其特征在于，所述三层金属薄层为圆形，圆形的三层金属薄层上均布有多个所述透射结构。
8.根据权利要求6所述的三层螺旋缝隙透射阵列天线，其特征在于，所述三层金属薄层的直径为221mm。
9.根据权利要求6所述的三层螺旋缝隙透射阵列天线，其特征在于，第i个透射单元对馈源发出的电磁波的补偿相位值
为
其中，(xi,yi)为第i个透射单元的坐标，k0为真空中的传播常数，di为馈源与第i个透射单元之间的距离，(θ0,φ0)为透射阵列天线的波束指向。
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