CN110911831B - 一种采用单线极化馈源的双频圆极化平面透射阵天线 - Google Patents

一种采用单线极化馈源的双频圆极化平面透射阵天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用单线极化馈源的双频圆极化平面透射阵天线，包括线极化馈源和透射阵面，线极化馈源由线极化矩形波导喇叭天线构成；透射面由高频单元和低频单元交替印制在同一张多层介质板上排布而成；多层介质板上包含三层金属层，上下表面分别印制高、低频发射贴片和高、低频接收贴片；三层金属层中间设有金属地板，在多层介质板的上下表面之间连通有金属通孔。高频单元和低频单元均按照旋转其中发射贴片的方式进行相位补偿，根据波束方向和极化确定旋转方向和旋转角度，从而保证天线能在两个频段实现独立波束的圆极化定向辐射。本发明提供的平面透射阵天线共用一个线极化馈源实现了双频独立指向和极化的笔形波束。

Description

一种采用单线极化馈源的双频圆极化平面透射阵天线
技术领域
本发明涉及电磁波天线技术，特别涉及一种采用单线极化馈源的双频圆极化透射阵天线。
背景技术
透射阵是由亚波长单元构成的一种离散的平面透镜，它是利用离散的透射型单元，将入射波转换成沿指定方向上传播的出射平面波，来实现聚集波束的作用。由于透射阵的馈源位于口径面的后方有效避免了存在于反射阵中的口径遮挡问题，同时透射阵天线具有旁瓣和后瓣电平小、定向性高等优点使其在无线通信、雷法、成像、导航等领域极具应用潜力。透射阵天线采用空间馈电结构，利用馈源照射透射阵面。现有的透射阵天线仅仅对入射波的相位进行调制，透射波的极化与馈源极化往往相同，现有的双频圆极化透射阵天线需要采用圆极化馈源照射透射阵面，无法采用结构更加简单的线极化馈源。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种采用单线极化馈源的双频圆极化平面透射阵天线，使得设计的天线能够工作在两个频率，通过高频单元和低频单元均按照旋转其中发射贴片的方式进行相位补偿，根据波束方向和极化确定旋转方向和旋转角度，从而保证天线能在两个频段实现独立波束的圆极化定向辐射。本发明提供的平面透射阵天线共用一个线极化馈源实现了双频独立指向和极化的笔形波束。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种采用单线极化馈源的双频圆极化平面透射阵天线，包括线极化馈源和透射阵面，所述线极化馈源由线极化矩形波导喇叭天线构成；所述透射面由高频单元和低频单元交替印制在同一张多层介质板上排布而成；
多层介质板上包含三层金属层，多层介质板的上表面印制高频发射贴片和低频发射贴片，多层介质板的下表面印制高频接收贴片和低频接收贴片；三层金属层中间设有金属地板，在多层介质板的上下表面之间连通有金属通孔。
对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：
进一步，所述高频单元由高频发射贴片通过金属通孔穿过金属地板和高频接收贴片构成；
所述低频单元由低频发射贴片通过金属通孔穿过金属地板和低频接收贴片构成。
进一步，连接高频发射贴片和高频接收贴片的金属通孔位于高频发射贴片和高频接收贴片的中心位置；连接低频发射贴片和低频接收贴片的金属通孔位于低频发射贴片和低频接收贴片的中心位置。
进一步，所述高频单元和低频单元均按照旋转透射阵面上的高频发射贴片和低频发射贴片的方式进行相位补偿。
进一步，高频主波束的主极化为左旋圆极化时，高频发射单元按照顺时针旋转；高频主波束的主极化为右旋圆极化时，高频发射单元按照逆时针旋转；低频主波束的主极化为左旋圆极化时，低频发射单元按照顺时针旋转；低频主波束的主极化为右旋圆极化时，低频发射单元按照逆时针旋转。
进一步，主极化的圆极化旋向可以相同，也可以不同。
进一步，高频发射贴片和低频发射贴片旋转角度按照下式计算：
αi＝-k0(ri·r0-Ri)
其中αi为第i个单元的旋转角度，k0为自由空间波数，Ri为馈源到第i个单元的矢量，ri为阵列中心到第i个单元的位置矢量，r0为主波束的位置矢量。
进一步，在高频和低频两个工作频率的天线主波束指向可以相同，也可以不同。
进一步，高频单元或者低频单元都为等行列均匀排布。
进一步，透射阵面上所有高频发射贴片尺寸相同；所有高频接收贴片尺寸相同；所有低频发射贴片尺寸相同；所有低频接收贴片尺寸相同；
通过在14.2GHz频段下0.2-0.6波长范围内调整高频发射贴片和高频频接收贴片尺寸使透射阵面单元在14.2GHz具有较高的透射系数；通过在12GHz频段下0.2-0.6波长范围内调整低频发射贴片和低频频接收贴片尺寸使透射阵面单元在12GHz具有较高的透射系数。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
平面透射阵天线的透射阵面是平面结构，由大量无源单元构成，采用一个线极化馈源照射的空馈方式。通过调整发射贴片的旋转方向调节天线的极化，通过调节旋转角度调节透射相位，补偿馈源到阵面各个单元之间的空间差，使得透射波在指定方向叠加，形成定向高增益辐射。天线在两个频段的波束指向与极化均独立可调。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明透射阵面局部示意图；
图3是本发明具体实施例透射阵面单元的透射系数曲线；
图4是本发明具体实施例透射阵面的发射层的俯视图；
图5是本发明具体实施例透射阵面的接收层的俯视图；
图6是本发明具体实施例12GHz的仿真方向图；
图7是本发明具体实施例14.2GHz的仿真方向图。
图中：1-线极化馈源；2-透射阵面；3-高频单元；3-1-高频发射贴片；3-2-高频接收贴片；4-1-低频发射贴片；4-2-低频接收贴片；4-低频单元；5-金属地板；6-金属通孔。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
参见图1-2所示，本实例双频圆极化平面透射阵天线包括线极化馈源1和透射阵面2，线极化馈源1由线极化矩形波导喇叭天线构成，工作频段覆盖11GHz-15GHz频段；透射阵面2由高频单元3和低频单元4交替排布而成，高频单元或者低频单元都为等行列均匀排布。
透射阵面2的高频单元3和低频单元4交替印制在同一张多层介质板上，在多层介质板上包含三层金属层，多层介质板的上表面印制高频发射贴片3-1和低频发射贴片4-1，多层介质板的下表面印制高频接收贴片3-2和低频接收贴片4-2。多层介质板的每层介质均为0.762mm厚度的CLTE-XT介质板。
高频单元3由高频发射贴片3-1通过金属通孔6连通金属地板5和高频接收贴片3-2构成；低频单元4由低频发射贴片4-1通过金属通孔6连通金属地板5和低频接收贴片4-2构成。连接高频发射贴片3-1和高频接收贴片3-2的金属通孔6位于高频发射贴片3-1和高频接收贴片3-2的中心位置；连接低频发射贴片4-1和低频接收贴片4-2的金属通孔6位于低频发射贴片4-1和低频接收贴片4-2的中心位置。透射阵面2上所有高频发射贴片3-1尺寸相同；所有高频接收贴片3-2尺寸相同；所有低频发射贴片4-1尺寸相同；所有低频接收贴片4-2尺寸相同。
通过在14.2GHz频段下0.2-0.6波长范围内调整高频发射贴片和高频频接收贴片尺寸使透射阵面单元在14.2GHz具有较高的透射系数；通过在12GHz频段下0.2-0.6波长范围内调整低频发射贴片和低频频接收贴片尺寸使透射阵面单元在12GHz具有较高的透射系数。图3给出了实施例中透射阵面单元的仿真透射系数。从图中可以看出，实施例中透射阵面单元在12GHz和14.2GHz附近的频带透射系数高。
本实施例中喇叭中心距离透射阵面距离为143mm。
高频单元和低频单元都按照旋转发射贴片的方式进行相位补偿，从而保证经馈源照射后透射阵列能够在两个频段发出特定方向和旋向的圆极化主波束。
本实施例中，高频主波束的主极化为左旋圆极化，故高频发射单元按照顺时针旋转；高频主波束的主极化为右旋圆极化时，高频发射单元按照逆时针旋转；低频主波束的主极化为左旋圆极化时，低频发射单元按照顺时针旋转；低频主波束的主极化为右旋圆极化时，低频发射单元按照逆时针旋转。
图4给出了实施例高频发射贴片和低频发射贴片的结构，图2结合图4所示，多层介质板的上表面印制的高频发射贴片3-1和低频发射贴片4-1分为上下排列交错分布，且各高频发射贴片3-1按照旋转透射阵面上的高频发射贴片3-1和低频发射贴片4-1的方式进行相位补偿，从而保证经馈源照射后透射阵列能够在两个频段发出特定方向和旋向的圆极化主波束。主极化的圆极化旋向可以相同，也可以不同。
多层介质板的上表面印制的高频发射贴片3-1和低频发射贴片4-1共同构成圆形阵列。
其中高频发射贴片和低频发射贴片旋转角度按照下式计算：
αi＝-k0(ri·r0-Ri)
其中αi为第i个单元的旋转角度，k0为自由空间波数，Ri为馈源到第i个单元的矢量，ri为阵列中心到第i个单元的位置矢量，r0为主波束的位置矢量。
本实施实例中高频主波束指向为偏离阵面法向30度，故计算高频发射贴片旋转角度时r0取为(0.5，0，0.866)。本实施实例中低频主波束指向为阵面法向，故计算高频发射贴片旋转角度时r0取为(0，0，1)。
在高频和低频两个工作频率的天线主波束指向可以相同，也可以不同。
图5给出了实施例高频接收贴片和低频接收贴片的结构，图2结合图5所示，多层介质板的下表面印制的高频接收贴片3-2和低频接收贴片4-2分为上下排列交错分布，且各高频发射贴片3-1与各低频发射贴片4-1圆极化旋向同向分布。多层介质板的下表面印制的高频接收贴片3-2和低频接收贴片4-2共同构成圆形阵列。高频单元或者低频单元都为等行列均匀排布。
图6和图7为天线在12GHz和14.2GHz的增益方向图。从图中可以看出，天线在12GHz的主波束指向0°方向，主极化为右旋圆极化；天线在14.2GHz的主波束指向30°方向，主极化为左旋圆极化。天线在两个工作频段的波束指向和极化方式均不同。通过改变设计变量，本方法可以适用于设计双频透射阵天线。在两个工作频段内天线的波束指向可以相同，也可以不同；在两个工作频段内天线圆极化旋向可以相同，也可以不同。
由于该采用多层板印刷工艺制作透射阵面，该透射阵天线具有重量轻、成本低和易组装集成的特点。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种采用单线极化馈源的双频圆极化平面透射阵天线，其特征在于，包括线极化馈源(1)和透射阵面(2)，所述线极化馈源(1)由线极化矩形波导喇叭天线构成；所述透射阵面(2)由高频单元(3)和低频单元(4)交替印制在同一张多层介质板上排布而成；
多层介质板上包含三层金属层，多层介质板的上表面印制高频发射贴片(3-1)和低频发射贴片(4-1)，多层介质板的下表面印制高频接收贴片(3-2)和低频接收贴片(4-2)；三层金属层中间层为金属地板(5)，在多层介质板的上下表面的金属层之间连通有金属通孔(6)；
所述高频单元(3)包括高频发射贴片(3-1)和高频接收贴片(3-2)，高频发射贴片(3-1)和高频接收贴片(3-2)通过穿过金属地板(5)的金属通孔(6)连接；
所述低频单元(4)包括低频发射贴片(4-1)和低频接收贴片(4-2)，低频发射贴片(4-1)和低频接收贴片(4-2)通过穿过金属地板(5)的金属通孔(6)连接；
所述高频单元和低频单元均按照旋转透射阵面上的高频发射贴片(3-1)和低频发射贴片(4-1)的方式进行相位补偿；
高频主波束的主极化为左旋圆极化时，高频发射单元(3-1)按照顺时针旋转；高频主波束的主极化为右旋圆极化时，高频发射单元(3-1)按照逆时针旋转；低频主波束的主极化为左旋圆极化时，低频发射单元(4-1)按照顺时针旋转；低频主波束的主极化为右旋圆极化时，低频发射单元(4-1)按照逆时针旋转；
高频发射贴片(3-1)和低频发射贴片(4-1)旋转角度按照下式计算：
αi＝-k0(ri·r0-Ri)
其中αi为第i个单元的旋转角度，k0为自由空间波数，Ri为馈源到第i个单元的矢量，ri为阵列中心到第i个单元的位置矢量，r0为主波束的位置矢量。
2.根据权利要求1所述的一种采用单线极化馈源的双频圆极化平面透射阵天线，其特征在于，连接高频发射贴片(3-1)和高频接收贴片(3-2)的金属通孔(6)位于高频发射贴片(3-1)和高频接收贴片(3-2)的中心位置；连接低频发射贴片(4-1)和低频接收贴片(4-2)的金属通孔(6)位于低频发射贴片(4-1)和低频接收贴片(4-2)的中心位置。
3.根据权利要求1所述的一种采用单线极化馈源的双频圆极化平面透射阵天线，其特征在于，在高频和低频两个工作频率的天线主波束的圆极化旋向可以相同，也可以不同。
4.根据权利要求1所述的一种采用单线极化馈源的双频圆极化平面透射阵天线，其特征在于：在高频和低频两个工作频率的天线主波束指向可以相同，也可以不同。
5.根据权利要求1所述的一种采用单线极化馈源的双频圆极化平面透射阵天线，其特征在于，高频单元(3)或者低频单元(4)都为等行列均匀排布。
6.根据权利要求1所述的一种采用单线极化馈源的双频圆极化平面透射阵天线，其特征在于，透射阵面(2)上所有高频发射贴片(3-1)尺寸相同；所有高频接收贴片(3-2)尺寸相同；所有低频发射贴片(4-1)尺寸相同；所有低频接收贴片(4-2)尺寸相同；
通过在14.2GHz频段下0.2-0.6波长范围内调整高频发射贴片和高频频接收贴片尺寸使透射阵面单元在14.2GHz具有较高的透射系数；通过在12GHz频段下0.2-0.6波长范围内调整低频发射贴片和低频频接收贴片尺寸使透射阵面单元在12GHz具有较高的透射系数。
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