CN109818155A - 一种波束独立可控的双圆极化毫米波反射阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种波束独立可控的双圆极化毫米波反射阵天线，所述天线包括一个宽带圆极化馈源喇叭天线(1)和一个平面反射阵(2)，宽带圆极化馈源喇叭天线(1)位于平面反射阵(2)的焦平面附近。所述平面反射阵(2)由亚波长双圆极化相移单元(3)成周期排布组成。每个双圆极化相移单元(3)包含四层金属层，其中，第一层为一个金属贴片(3a)、第二层为一个挖有两个H形缝隙(3b)的金属地板(3c)、第三层由两条不同长度的金属微带传输线(3d)组成、第四层为一个金属底板(3e)；该种天线可实现双圆极化高定向波束，且对左旋圆极化波和右旋圆极化波的波束指向可进行独立控制，在无线通信和卫星通信方面有广阔的应用前景。

Description

一种波束独立可控的双圆极化毫米波反射阵天线

技术领域

本发明属于无线通信系统电子器件领域，具体涉及一种波束独立可控的双圆极化毫米波反射阵天线。

背景技术

反射阵天线是一种可产生高增益波束或赋形波束的电磁波辐射装置，其在多种无线通信和卫星通信系统中有着广泛应用。与传统抛物反射面天线不同，反射阵天线的波束成形不依赖波程差的不同，而是基于其亚波长谐振或非谐振单元所提供的相移，因此可以通过一个轻便、低损耗的平面结构实现高增益定向波束或赋形波束。反射阵的相移方法主要分为动态相位和旋转相位。基于这两种相移方法，此前已有多种单线极化和单圆极化的反射阵被研制出，以及采用各向同性单元构成的双线极化反射阵。然而，对于波束方向可独立控制的双圆极化反射阵的研究少之又少，尽管双圆极化反射阵所可以提供的圆极化波频率复用在卫星通信等领域有着重要的潜在应用。此前已有的双圆极化天线主要有以下几种：1)采用多层圆极化选择表面结构，上层功能层和下层功能层分别控制两个不同手性的圆极化波的相移；2)采用多层功能层，上层为一个圆极化器，将左旋/右旋圆极化波转为水平/垂直线极化波，中层为水平极化波反射阵，底层为垂直极化波反射阵。由于采用了多个功能层，用这两种方法设计的双圆极化反射阵厚度均接近甚至超过一个波长，且带宽很窄，1dB增益和轴比<2dB带宽小于7％。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种波束独立可控的双圆极化毫米波反射阵天线，具有双圆极化波束独立控制、工作宽带、增益波动小、圆极化纯度高、低剖面等特性，可以高效地实现指向不同方向的宽带双圆极化高增益定向波束。

技术方案：本发明的一种波束独立可控的双圆极化毫米波反射阵天线，包括一个宽带圆极化馈源喇叭天线和一个平面反射阵；宽带圆极化馈源喇叭天线位于平面反射阵的焦平面附近。

所述平面反射阵由亚波长双圆极化相移单元成周期排布组成，单元周期不大于1/2波长。

每一个双圆极化相移单元包含四层金属层，其中，第一层为一个金属贴片、第二层为一个挖有两个H形槽缝的金属地板、第三层由两条不同长度的金属微带传输线组成、第四层为一个金属底板。

每一个双圆极化相移单元第三层金属层的金属微带传输线的末端由金属通孔电连接至第二层金属层的金属地板。

第一层金属贴片与第二层金属地板之间设有第一层介质基片，第二层金属地板与第三层金属微带传输线之间设有第二层介质基片，第三层金属微带传输线与第四层金属底板之间是空气层。

平面反射阵中每个亚波长双圆极化相移单元第二层金属层的两个H形缝隙和第三层金属层的两条不同长度的金属微带传输线的平面内旋转角度等于该单元所需的左旋圆极化波和右旋圆极化波的相移之差的一半。

平面反射阵中每个亚波长双圆极化相移单元第一层金属贴片的形状为圆形、方形、六边形或十字形。

平面反射阵中每个亚波长双圆极化相移单元第二层金属层的缝隙的形状为H形、矩形、椭圆形或Z字形。

平面反射阵中每个亚波长双圆极化相移单元第三层金属层的传输线的形状为带状线、槽线或基片集成波导。

所述宽带圆极化馈源喇叭天线位于平面反射阵的焦平面附近附近，且宽带圆极化馈源喇叭天线与平面反射阵的垂直距离为F，平面反射阵直径为D，其中，0.8≤F/D≤1.2。

所述平面反射阵所提供的对于左旋圆极化波和右旋圆极化波的相移可以独立控制，从而所产生的左旋圆极化和右旋圆极化高增益定向波束的指向可以独立指定。

该反射阵只有一个亚波长厚度的功能层，由于采用了双圆极化相移单元，其可以对左旋和右旋圆极化波进行独立的波束成形，从而产生指向不同方向的左旋和右旋圆极化高增益波束，因此，此天线可以在一个接近15％的带宽的频带内实现极化分集的双圆极化定向波束，可被应用于第五代移动通信、卫星通信、毫米波点对多点通信等领域。

有益效果：本发明提出的一种波束独立可控的双圆极化毫米波反射阵天线，其优势在于：

(1)可以实现双圆极化独立波束控制。通过同时采用动态相位和旋转相位，可以实现单个功能层对左旋圆极化波和右旋圆极化波的反射相位独立的调控，其中，动态相位通过双极化缝隙耦合贴片天线负载的两条具有不同长度的短路微带传输线获得，而旋转相位通过对每个亚波长双圆极化相移单元进行不同的平面内旋转获得。

(2)具有宽带特性。这是由于采用了宽带圆极化馈源天线和宽带双圆极化平面反射阵，缝隙耦合贴片提供了较宽的阻抗带宽，此外，通过同时优化每个亚波长双圆极化相移单元的两个缝隙的尺寸和两条短路微带传输线的长度，可以在较宽频带内获得对左旋/右旋圆极化波反射相位的独立控制，且交叉极化很低。因此，所产生的指向不同方向的左旋和右旋圆极化波束的增益带宽和轴比带宽远远大于此前已有的双圆极化反射阵。

(3)具有轻便、集成度高、低成本等特性。这是因为平面反射阵只有一个功能层，且采用了具有亚波长厚度的介质基片，总厚度可小于0.3波长，比此前已有的采用多个功能层的双圆极化反射阵厚度减小到1/3。

附图说明

图1给出了本发明波束独立可控的双圆极化毫米波反射阵天线的三维示意图，

图2是亚波长双圆极化相移单元的三维示意图，

图中有：宽带圆极化馈源喇叭天线1，平面反射阵2，双圆极化相移单元3，第一层金属贴片3a、H形缝隙3b、第二层金属地板3c、第三层金属微带传输线3d、第四层金属底板3e、金属通孔3f、第一层介质基片3g、第二层介质基片3h。

图3给出了所述波束独立可控的双圆极化毫米波反射阵天线实现2比特左旋/右旋圆极化波相移的16个单元的第二层金属层的两个H形缝隙和第三层金属层的两条不同长度的金属微带传输线的俯视图；

图4给出了所述波束独立可控的双圆极化毫米波反射阵天线2比特左旋/右旋圆极化波的反射相移和反射系数幅度分布图，(a)30GHz反射相移、(b)30GHz反射系数幅度、(c)33GHz反射相移、(d)33GHz反射系数幅度；

图5给出了所述波束独立可控的双圆极化毫米波反射阵天线用左旋圆极化馈源喇叭天线激励时实测的左旋圆极化和右旋圆极化归一化方向图，(a)xz平面、(b)yz平面；

图6给出了所述波束独立可控的双圆极化毫米波反射阵天线用左旋圆极化馈源喇叭天线激励时仿真和实测的增益和轴比随频率变化曲线，(a)增益、(b)轴比。

图7给出了所述波束独立可控的双圆极化毫米波反射阵天线用右旋圆极化馈源喇叭天线激励时实测的左旋圆极化和右旋圆极化归一化方向图，(a)xz平面、(b)yz平面；

图8给出了所述波束独立可控的双圆极化毫米波反射阵天线用右旋圆极化馈源喇叭天线激励时仿真和实测的增益和轴比随频率变化曲线，(a)增益、(b)轴比。

具体实施方式

本发明提出了一种波束独立可控的双圆极化毫米波反射阵天线。该结构由一个宽带圆极化馈源喇叭天线和一个平面反射阵组成，此平面反射阵由亚波长双圆极化相移单元按周期排布而成，每个单元为一个负载两个短路微带线的缝隙耦合贴片，且每个单元的短路微带线的长度和旋转角度也不同。此双圆极化毫米波反射阵天线可在一个宽频段内产生独立波束成形的左旋和右旋圆极化高增益定向波束，1dB增益和轴比<2dB带宽约15％，且反射阵剖面仅为0.29波长。相比于已有的双圆极化反射阵天线，本发明具有更低的剖面、更宽的轴比带宽、更宽的增益带宽等优点，在未来第五代移动通信、卫星通信等领域有着重要的前景。

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明的一种波束独立可控的双圆极化毫米波反射阵天线。所述天线包括一个宽带圆极化馈源喇叭天线1和一个平面反射阵2，宽带圆极化馈源喇叭天线1位于平面反射阵2的焦平面附近。所述平面反射阵2由亚波长双圆极化相移单元3成周期排布组成。每个双圆极化相移单元3包含四层金属层，其中，第一层为一个金属贴片3a、第二层为一个挖有两个H形缝隙3b的金属地板3c、第三层由两条不同长度的金属微带传输线3d组成、第四层为一个金属底板3e；金属微带传输线3d的末端由金属通孔3f电连接至金属地板3c。第一层金属贴片3a与第二层金属地板3c之间是第一层介质基片3g，第二层金属地板3c与第三层金属微带传输线3d之间是第二层介质基片3h，第三层金属微带传输线3d与第四层金属底板3e之间是空气层。反射阵中每个单元第二层金属层的两个H形缝隙3b和第三层金属层的两条不同长度的金属微带传输线3d的平面内旋转角度均不同。

本发明的一种波束独立可控的双圆极化毫米波反射阵天线，采用一个宽带圆极化馈源喇叭天线和一个平面反射阵。馈源喇叭天线可在一个很宽的频带内辐射左旋/右旋圆极化波，馈源喇叭天线和平面反射阵的中心轴在同一条线上，两者距离为F，平面反射阵的直径为D，F/D的值应在0.8和1.2之间，此处设为0.92。平面反射阵由亚波长双圆极化相移单元成周期排布组成，单元周期不大于1/2波长。每个单元均为反射式半波片，使得入射左旋/右旋圆极化波的反射波仍为左旋/右旋圆极化波，且可以独立的控制左旋圆极化波和右旋圆极化波的反射相位(φ_LL和φ_RR)，从而实现对左旋/右旋圆极化波独立的波束成形。单元总厚度仅为约0.3波长。每个单元的上层贴片接收到圆极化馈源喇叭发出的圆极化波，将入射波的两个正交线极化分量分别通过单元第二层金属的两个H形缝隙耦合到第三层金属的微带传输线，波经过微带传输线的末端短路金属通孔返回，再经由H形缝隙耦合到第一层金属的贴片，并由贴片辐射从而形成反射波。由于传输线的长度不同，两个正交线极化的反射相位不一样，此处，两个微带传输线的长度差为四分之一个波长，从而两个正交线极化分量的反射相位相差180度，反射波依然为圆极化波，且手性保持和入射波的一致。通过控制不同单元的微带传输线的长度，以及微带传输线和H形缝隙的旋转角度，可以对左旋和右旋圆极化波的反射相位进行独立控制，并均可以实现360度的相移，从而满足形成几乎任何波束的要求。由于所采取的旋转双极化反射阵单元结构同时采用动态相位和旋转相位，且其动态相移基于微带传输线提供的的延时，反射阵所形成的左旋和右旋圆极化高增益波束可具有宽带宽和低轴比。

图1给出了所述波束独立可控的双圆极化毫米波反射阵天线的三维示意图，图2给出了所述波束独立可控的双圆极化毫米波反射阵天线的亚波长双圆极化相移单元的三维示意图。

图3给出了所述波束独立可控的双圆极化毫米波反射阵天线实现2比特左旋/右旋圆极化波相移的16个单元的第二层金属层的两个H形缝隙和第三层金属层的两条不同长度的金属微带传输线的俯视图，可以看到这16个单元的微带传输线的长度不同，此外，H形缝隙和微带传输线的旋转角度也不同。

图4给出了所述波束独立可控的双圆极化毫米波反射阵天线2比特左旋/右旋圆极化波在30GHz的反射相移和反射系数幅度、以及在33GHz的反射相移和反射系数幅度的分布图，可以看到，这16个单元可以提供具有90度相移精度的对左旋和右旋圆极化波的独立相移，且在较宽频带范围能均保持稳定的相移和高反射率。

图5给出了所述波束独立可控的双圆极化毫米波反射阵天线用左旋圆极化馈源喇叭天线激励时实测的在xz平面和yz平面内左旋圆极化和右旋圆极化归一化方向图，可以看到一个左旋圆极化高增益波束在yz平面内的-30度方向产生。

图6给出了所述波束独立可控的双圆极化毫米波反射阵天线用左旋圆极化馈源喇叭天线激励时仿真和实测的增益和轴比随频率变化曲线，可以看到，实测和仿真结果稳合，最大增益约28.4dBic，1dB增益带宽和2dB轴比带宽大约为15％。

图7给出了所述波束独立可控的双圆极化毫米波反射阵天线用右旋圆极化馈源喇叭天线激励时实测的在xz平面和yz平面内左旋圆极化和右旋圆极化归一化方向图，可以看到一个右旋圆极化高增益波束在yz平面内的+30度方向产生。

图8给出了所述波束独立可控的双圆极化毫米波反射阵天线用右旋圆极化馈源喇叭天线激励时仿真和实测的增益和轴比随频率变化曲线，可以看到，实测和仿真结果稳合，最大增益约28.3dBic，1dB增益带宽和2dB轴比带宽大约为15％。

本发明的一种波束独立可控的双圆极化毫米波反射阵天线。所述天线包括一个宽带圆极化馈源喇叭天线1和一个平面反射阵2，宽带圆极化馈源喇叭天线1位于平面反射阵2的焦平面附近。所述平面反射阵2由亚波长双圆极化相移单元3成周期排布组成。每个双圆极化相移单元3包含四层金属层，其中，第一层为一个金属贴片3a、第二层为一个挖有两个H形缝隙3b的金属地板3c、第三层由两条不同长度的金属微带传输线3d组成、第四层为一个金属底板3e；金属微带传输线3d的末端由金属通孔3f电连接至金属地板3c。第一层金属贴片3a与第二层金属地板3c之间是第一层介质基片3g，第二层金属地板3c与第三层金属微带传输线3d之间是第二层介质基片3h，第三层金属微带传输线3d与第四层金属底板3e之间是空气层。反射阵中每个单元第二层金属层的两个H形缝隙3b和第三层金属层的两条不同长度的金属微带传输线3d的平面内旋转角度均不同。

综上所述，本发明提供了一种波束独立可控的双圆极化毫米波反射阵天线，对左旋和右旋圆极化的波束指向可进行独立控制，并具有工作带宽宽、圆极化纯度高、波束增益波动小、剖面低等优点，在未来第五代移动通信、卫星通信等领域有着重要的前景。

以上所述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 (10)

1.一种波束独立可控的双圆极化毫米波反射阵天线，其特征在于，所述天线包括一个宽带圆极化馈源喇叭天线(1)和一个平面反射阵(2)；宽带圆极化馈源喇叭天线(1)位于平面反射阵(2)的焦平面附近。

2.根据权利要求1所述的波束独立可控的双圆极化毫米波反射阵天线，其特征在于，所述平面反射阵(2)由亚波长双圆极化相移单元(3)成周期排布组成，单元周期不大于1/2波长。

3.根据权利要求1所述的波束独立可控的双圆极化毫米波反射阵天线，其特征在于，每一个双圆极化相移单元(3)包含四层金属层，其中，第一层为一个金属贴片(3a)、第二层为一个挖有两个H形槽缝(3b)的金属地板(3c)、第三层由两条不同长度的金属微带传输线(3d)组成、第四层为一个金属底板(3e)。

4.根据权利要求1所述的波束独立可控的双圆极化毫米波反射阵天线，其特征在于，每一个双圆极化相移单元(3)第三层金属层的金属微带传输线(3d)的末端由金属通孔(3f)电连接至第二层金属层的金属地板(3c)。

5.根据权利要求1所述的波束独立可控的双圆极化毫米波反射阵天线，其特征在于，第一层金属贴片(3a)与第二层金属地板(3c)之间设有第一层介质基片(3g)，第二层金属地板(3c)与第三层金属微带传输线(3d)之间设有第二层介质基片(3h)，第三层金属微带传输线(3d)与第四层金属底板(3e)之间是空气层。

6.根据权利要求1所述的波束独立可控的双圆极化毫米波反射阵天线，其特征在于，平面反射阵(2)中每个亚波长双圆极化相移单元第二层金属层的两个H形缝隙(3b)和第三层金属层的两条不同长度的金属微带传输线(3d)的平面内旋转角度等于该单元所需的左旋圆极化波和右旋圆极化波的相移之差的一半。

7.根据权利要求1所述的波束独立可控的双圆极化毫米波反射阵天线，其特征在于，平面反射阵(2)中每个亚波长双圆极化相移单元第一层金属贴片(3a)的形状为圆形、方形、六边形或十字形。

8.根据权利要求1所述的波束独立可控的双圆极化毫米波反射阵天线，其特征在于，平面反射阵(2)中每个亚波长双圆极化相移单元第二层金属层的缝隙(3b)的形状为H形、矩形、椭圆形或Z字形。

9.根据权利要求1所述的波束独立可控的双圆极化毫米波反射阵天线，其特征在于，平面反射阵(2)中每个亚波长双圆极化相移单元第三层金属层的传输线(3d)的形状为带状线、槽线或基片集成波导。

10.根据权利要求1所述的波束独立可控的双圆极化毫米波反射阵天线，其特征在于，所述宽带圆极化馈源喇叭天线(1)位于平面反射阵(2)的焦平面附近附近，且宽带圆极化馈源喇叭天线(1)与平面反射阵(2)的垂直距离为F，平面反射阵直径为D，其中，0.8≤F/D≤1.2。