CN112072294A - 一种宽带低剖面高隔离度双圆极化二维宽角扫描稀疏阵列 - Google Patents

一种宽带低剖面高隔离度双圆极化二维宽角扫描稀疏阵列 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽带低剖面高隔离度双圆极化二维宽角扫描稀疏阵列，属于微波天线技术领域。该稀疏阵列由周期排布的双端口天线单元组成，通过遗传算法优化在不同扫描角度的被激活天线单元端口，使稀疏阵列在工作时主波束的增益相比满阵时的增益降低小于等于0.5dB。本发明天线单元采用了SIW背腔式的结构，同时采用三段耦合线定向耦合器，其中第二段耦合线缝隙为锯齿状缝隙。本发明双圆极化稀疏阵列能实现双圆极化二维的宽角扫描，并且能够使用少量的T/R组件即可达到接近满阵的效果的目的。

Description

一种宽带低剖面高隔离度双圆极化二维宽角扫描稀疏阵列
技术领域
本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种宽带低剖面高隔离度双圆极化二维宽角扫描稀疏阵列。
背景技术
天线是无线通信系统的前端，是用来发射或者接收电磁波的器件。近年来，通信技术的发展对天线的性能提出了更高的要求。由天线单元通过特定的排布方式组成的相控阵天线阵列，通过对每个单元加以适当的移相(或延时)即可获得阵波束的偏转，能够实现波束的快速扫描，多波束扫描以及灵活的波束指向。在卫星通信领域，线极化天线存在极化失配、多径干扰、法拉第旋转效应的问题。由于圆极化天线能避免这些问题，因而被广泛应用于卫星通信领域。双圆极化天线可以实现系统能够共用一副天线实现频率复用、收发双工和天线共用，这可以大大降低整个系统的成本以及提高通信的效率。对于同频双圆极化天线而言，如何提高端口隔离度以及极化隔离度是研究的重点，此外，天线单元的工作带宽、轴比波束宽度也是重要的指标。双圆极化天线主要由馈电网络实现。常规由单级的功分器或者分支线定向耦合器组成的馈电网络很难实现宽带和高隔离度，但是多级级联却带来了体积大的问题，很难实现小型化。近年来，宽角扫描相控阵是研究的热点，目前关于双圆极化宽角扫描相控阵的研究较少，性能还有很大的提升空间。
文献“Ka频段双圆极化相控阵天线设计”(柏艳英.Ka频段双圆极化相控阵天线设计[J].电子元件与材料,2017,036(011):47-51.)设计了一个8×8的Ka频段双圆极化相控阵天线，该天线单元由一个小型化宽带3dB枝节电桥实现双圆极化，具有30％的轴比带宽，单元内端口隔离度大于15dB，能实现±60°的波束扫描。但是该天线单元采用了多层堆叠的结构，其剖面高度超过了0.2个自由空间波长，且虽然在低频处波束扫描至±60°时增益降低了3dB，但在高频处却降低了5.5dB。
文献“Design of a low-profile dual circularly polarized phased arrayantenna”(Lianjia Sang,Hongfu Meng,Wenbin Dou.Design of a low-profile dualcircularly polarized phased array antenna[C].IEEE International Conference onUbiquitous Wireless Broadband.IEEE,2016.)设计了一个2×8的双圆极化相控阵天线，该天线单元由一段分支线定向耦合器馈电，具有32.8％的阻抗带宽和17.8％的单元内端口隔离度大于10dB带宽，能实现一维的±60°扫描，但该相控阵不能实现二维扫描，且该天线采用了金属腔体式结构，给加工带来了不便，轴比情况也较差。
对于相控阵天线而言，如何提高增益是研究的重点。上文所述的8×8的阵列主瓣扫描至±60°时增益最高为19dB，所述的2×8阵主瓣扫描至±60°时增益为16.2dB。可见提高阵元数目是一种可以显著提高增益的方式。但是阵元数目的增多则必须增加相应数目的T/R组件，这对于成本的增加是巨大的。阵列稀疏化对于降低大型阵列天线设计复杂度十分有效。阵列天线的增益主要由阵列口径尺寸决定，可以在不减小阵列口径的前提下通过“激活”特定的单元而“关闭”另一些单元，同时保持稀疏阵列的增益和满阵时相比基本相等或者只降低可接受范围内的增益。大型的稀疏阵列能发挥大辐射口径的优势并且大幅降低馈电系统设计难度与工程造价，具有极大的实用价值。
文献“Circularly-Polarized Sparse Arrays Realized by Randomly-RotatedLinearly-Polarized Antennas”(Smolders A,Geluk S,Reniers A.Circularly-Polarized Sparse Arrays Realized by Randomly-Rotated Linearly-PolarizedAntennas[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2016,16:736-739.)提出了一种由随机旋转排列的线极化天线单元排布而成的圆极化稀疏阵列，该阵列可以实现低副瓣和低交叉极化电平，但是该阵列无法实现宽角扫描。
现阶段关于双圆极化的稀疏阵列研究还比较少，关于如何实现圆极化的宽角扫描，还需要进行深入研究。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种宽带低剖面高隔离度双圆极化二维宽角扫描稀疏阵列。
本发明采取的技术方案是：
一种宽带低剖面高隔离度双圆极化二维宽角扫描稀疏阵列，该稀疏阵列由周期排布的天线单元组成，通过遗传算法优化在不同扫描角度的被激活天线单元端口，使稀疏阵列在工作时主波束的增益相比满阵时的增益降低小于等于0.5dB；工作时，对被激活端口馈电，其余端口均接匹配负载。
所述天线单元包括从上至下层叠设置的第一介质基板、接地板、第二介质基板，所述第一介质基板上表面设置有辐射体，所述第二介质基板下表面设置有馈电网络。
所述馈电网络包括三段耦合线定向耦合器、两段弯折输入微带线、两段弯折输出微带线，所述三段耦合线定向耦合器设置于第二介质基板下表面中部，其中第二段耦合线缝隙为锯齿状缝隙，其作用为补偿奇偶模的速度差，提高了该定向耦合器的定向性；所述三段耦合线定向耦合器的两个输出端口分别连接一段长度相同的弯折输出微带线，弯折微带线的另一端设置有馈电点，通过金属过孔连接辐射体，两个输入端口分别连接一段弯折输入微带线，所述两段弯折输入微带线的两个馈电端口L，R均连接同轴SMA接口。
所述辐射体包括设置于第一介质基板上表面中部的正方形金属贴片、以及设置于正方形金属贴片四侧的4个尺寸相同的等腰梯形金属贴片；所述正方形金属贴片的四个角分别通过一“L型”缝隙分隔为一小正方形金属贴片，其中相邻两小正方形金属贴片分别通过金属过孔连接馈电网络的馈电点。
所述接地板上设置有两个圆孔，用于使接地板与金属过孔不接触，圆孔与金属过孔的半径比值范围为1：2～4，金属过孔的半径取值范围为0.3mm-0.6mm。
进一步地，所述正方形金属贴片的四角开的“L型”槽，槽宽取值范围为0.1mm-0.5mm，可以抵消金属探针馈电带来的电感效应，从而提高带宽。
进一步地，所述4个等腰梯形金属贴片均通过一排金属盲孔与接地板相连，金属盲孔的数量在9～15个之间。正方形金属贴片与由等腰梯形金属贴片、金属盲孔和接地板构成的SIW(Substrate integrated waveguide,基片集成波导)腔体结构之间激励的电场可以等效为4条围绕中心旋转排列、相邻相位差为90°的磁流辐射。由于该结构可以通过改变等腰梯形金属贴片与正方形金属贴片之间的距离(取值范围为0.5mm-2mm)，以及相邻等腰梯形金属贴片两腰之间缝隙的距离(取值范围为0.2mm-1.5mm)，来实现保持谐振频率不变的情况下调整等效磁流之间的距离，从而拓宽天线的半功率波束宽度和轴比波束宽度，同时可以降低天线的剖面高度。
进一步地，所述弯折输入微带线、弯折输出微带线的90度弯折处的外侧切角处理。
本发明的天线单元具有两个馈电端口L，R；当天线通过馈电端口L进行馈电时，激励信号通过三段耦合线定向耦合器被分为两个等幅、相位差为90°的信号，通过金属过孔传递到方形金属贴片上，辐射左旋圆极化波；而当天线通过馈电端口R进行馈电时，辐射右旋圆极化波。由于所述三段耦合线定向耦合器高隔离度的特性，馈电端口L和馈电端口R之间基本没有信号的传递，隔离度很高。
本发明的双圆极化宽角扫描稀疏阵列为该天线单元排布成16×16的矩形平面阵列，通过遗传算法优化天线阵列主波束扫描至各个角度时，主波束增益相比满阵时降低小于等于0.5dB时的最少激活阵元数条件下的被激活阵元的位置，使得阵列在工作时，只对这些端口进行馈电而其余端口均接匹配负载，达到只使用少量的T/R组件即可达到接近满阵的效果的目的。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提出了一种宽带低剖面高隔离度双圆极化二维宽角扫描稀疏阵列，其单元结构与一般微带贴片天线不同，采用了SIW背腔式的结构，具有仅0.06自由空间波长的低剖面特性以及中心频率下E面176°，H面197°的宽轴比波束宽度特性。
(2)本发明提出的天线单元采用三段耦合线定向耦合器馈电，实现宽带高隔离度的双圆极化，将阻抗带宽提高至37％，将轴比带宽提高至35％，且中心频点端口隔离度达到20dB，极化隔离度达到25dB。
(3)本发明所提出的双圆极化稀疏阵列实现了只牺牲0.5dB增益的情况下，减少了最少18％、最多44％的馈电端口数目，大大减少相控阵所需T/R组件的数目，降低了整个系统的成本。
(4)本发明所提出的双圆极化稀疏阵列能实现双圆极化二维的宽角扫描，扫描至±60°时，增益衰落低于3.6dB，轴比始终小于4dB。
附图说明
图1是本发明所述天线单元的结构图；
图2是本发明所述天线单元的俯视图；
图3是本发明所述天线单元的仰视图；
图4是本发明所述天线单元的侧视图；
图5是本发明所述天线单元的S参数的仿真曲线；
图6是本发明所述天线单元的各个端口单独馈电，另一个端口接匹配负载时边射方向的轴比随频率变化的仿真曲线；
图7是本发明所述天线单元的3.6GHz频率上端口1的E和H面上的仿真辐射方向图；
图8是本发明所述天线单元的3.6GHz频率上端口2的E和H面上的仿真辐射方向图；
图9是本发明所述阵列在
Figure BDA0002654553050000041
面上扫描时主波束指向各θ角时的稀疏馈电方案；
图10是本发明所述阵列在
Figure BDA0002654553050000042
面上扫描时主波束指向各θ角时的稀疏馈电方案；
图11是本发明所述稀疏阵列xoz面上的主瓣增益及旁瓣电平随主瓣扫描角度变化曲线；
图12是本发明所述稀疏阵列D面上的主瓣增益及旁瓣电平随主瓣扫描角度变化曲线。
附图标号说明：1.正方形金属贴片，2.第一介质基板，3.金属盲孔，4.等腰梯形金属贴片，5.接地板，6.金属过孔，7.第二介质基板，8.三段耦合线定向耦合器，8-1.第二段耦合线，8-2.第一段耦合线，8-3.第三段耦合线，9.馈电端口L，10.馈电端口R，11.弯折输出微带线，12.弯折输入微带线。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步描述。
本实施例双圆极化天线单元的结构如图1所示，能够在保证良好的端口隔离度的同时，实现宽带宽轴比波束宽度的双圆极化。所述天线单元包括从上至下层叠设置的第一介质基板、接地板、第二介质基板，所述第一介质基板上表面设置有辐射体，所述第二介质基板下表面设置有馈电网络。所述馈电网络包括三段耦合线定向耦合器、两段弯折输入微带线、两段弯折输出微带线，所述三段耦合线定向耦合器设置于第二介质基板下表面中部，其中第二段耦合线缝隙为锯齿状缝隙；所述三段耦合线定向耦合器的两个输出端口分别连接一段长度相同的弯折输出微带线，弯折微带线的另一端设置有馈电点，通过金属过孔连接辐射体，两个输入端口分别连接一段弯折输入微带线，所述两段弯折输入微带线的两个馈电端口L，R均连接同轴SMA接口。所述辐射体包括设置于第一介质基板上表面中部的正方形金属贴片、以及设置于正方形金属贴片四侧的4个尺寸相同的等腰梯形金属贴片；所述正方形金属贴片的四个角分别通过一“L型”缝隙分隔为一小正方形金属贴片，其中相邻两小正方形金属贴片分别通过金属过孔连接馈电网络的馈电点。
本实施例双圆极化天线单元的俯视结构如图2所示，对应的是辐射天线部分的上表面。其主要由印刷在第一介质基板上表面的正方形金属贴片和紧密围绕其的四个等腰梯形金属贴片组成。其中，第一介质基板的边长为40mm，厚度为4mm，相对介电常数为2.65；正方形金属贴片的边长为22mm；等腰梯形金属贴片的上底长为23.34mm，下底长为30.13mm，高为3.4mm；等腰梯形金属贴片与正方形金属贴片之间的缝隙宽度为1.09mm，相邻等腰梯形金属贴片的腰之间缝隙的宽度为0.59mm；正方形金属贴片上“L型”缝隙的宽度为0.27mm，小正方形金属贴片的边长为5.67mm，金属过孔的半径为0.45mm，其距离正方形金属贴片边缘的水平和垂直距离均为3.58mm；4个等腰梯形金属贴片沿两腰中点连线均匀排列着与接地板相连的11个金属盲孔，其半径为0.84mm，间距为2.07mm。
本实施例双圆极化天线单元的仰视结构图如图3所示，对应的是馈电网络部分的下表面。其主要由印刷在第二介质基板下表面的三段耦合线定向耦合器、馈电端口L、馈电端口R、弯折输入微带线、弯折输出微带线组成。第二介质基板以及接地板的边长均为40mm，第二介质基板的厚度为1mm，相对介电常数为2.65；三段耦合线定向耦合器的第一段耦合线和第三段耦合线的长度均为3.53mm，宽度均为2.03mm，耦合缝隙宽度均为0.98mm；三段耦合线定向耦合器的第二段耦合线长度为9mm，宽度为0.3mm，耦合缝隙宽度为0.15mm；弯折输入微带线和弯折输出微带线的宽度均为1.5mm，其特性阻抗为50欧姆。
本实施例双圆极化天线单元的侧视结构图如图4所示，金属盲孔穿过第一介质基板连接等腰梯形金属贴片和接地板；金属过孔穿过第一介质基板、第二介质基板以及接地板上的两个圆孔，连接正方形金属贴片和弯折输出微带线末端的馈电点。
图5是本实施例天线单元的S参数的仿真曲线，从图中看出，天线单元的中心频率为3.6GHz，在该频点处，两个输入端口均得到良好的匹配，且两个输入端口间的隔离度为20dB，天线的S11<-10dB带宽大于37％。
图6是本实施例天线单元的各个端口单独馈电，另一个端口接匹配负载时边射方向的轴比随频率变化的仿真曲线，从图中看出，各个端口馈电时，中心频率(3.6GHz)处的轴比均小于1dB，3dB轴比带宽均大于35％。
图7是本实施例天线单元的3.6GHz频率上端口1的E和H面上的仿真辐射方向图，可见辐射左旋圆极化波，增益为6.08dBi，E面的波束宽度为97°，H面的波束宽度为94°，E面和H面方向图较为一致。
图8是本实施例天线单元的3.6GHz频率上端口2的E和H面上的仿真辐射方向图，可见辐射右旋圆极化波，增益为5.98Bi，E面的波束宽度为95°，H面的波束宽度为95°，E面和H面方向图较为一致。
图9是本实施例16×16稀疏阵列在
Figure BDA0002654553050000061
面上扫描时主波束指向各θ角时的稀疏馈电方案，图中黑色部分为馈电的单元，白色部分为接匹配负载的单元，阵元间距为40mm(约为0.48个自由空间波长)。其中，θ＝0°时激活阵元数目为168，稀疏率为34.4％；θ＝15°时激活阵元数目为206，稀疏率为19.5％；θ＝30°时激活阵元数目为202，稀疏率为21.1％；θ＝45°时激活阵元数目为192，稀疏率为25.0％；θ＝60°时激活阵元数目为144，稀疏率为43.8％。
图10是本实施例16×16稀疏阵列在
Figure BDA0002654553050000062
面上扫描时主波束指向各θ角时的稀疏馈电方案，图中黑色部分为馈电的单元，白色部分为接匹配负载的单元。θ＝15°时激活阵元数目为174，稀疏率为32.0％；θ＝30°时激活阵元数目为208，稀疏率为18.8％；θ＝45°时激活阵元数目为210，稀疏率为18.0％；θ＝60°时激活阵元数目为200，稀疏率为21.9％。
图11是实施例稀疏阵列xoz面上的主瓣增益及旁瓣电平随主瓣扫描角度变化曲线，可见该稀疏阵列在xoz面上能实现±60°的波束扫描，在主波束指向0°时，增益为28.14dBi，且当主波束扫描至±60°时增益降低了3.59dB。由于结构的对称性，该稀疏阵列在yoz面上的扫描结果与xoz面上几乎相同。
图12是本实施例所述稀疏阵列D面上的主瓣增益及旁瓣电平随主瓣扫描角度变化曲线，可见该稀疏阵列在D面上能实现±60°的波束扫描，在主波束指向0°时，增益为28.14dBi，且当主波束扫描至±60°时增益降低了3.42dB。
综上所述，本实施例的宽带低剖面高隔离度双圆极化天线单元基于SIW背腔式结构能够实现中心频率下E面176°，H面197°的3dB轴比波束宽度，基于三段耦合线定向耦合器馈电实现双圆极化实现了中心频率下大于25dB的极化隔离度，大于20dB的端口隔离度，以及大于35％的工作带宽。基于该单元组成的天线阵列通过本实施例提供的稀疏馈电方案能够实现二维宽角扫描，在主波束指向0°时，增益为28.14dBi，当扫描至±60°时，增益降低小于3.6dB，轴比低于4dB。本实施例宽带低剖面高隔离度双圆极化二维宽角扫描稀疏阵列能应用于S波段卫星通信领域。

Claims (7)

1.一种宽带低剖面高隔离度双圆极化二维宽角扫描稀疏阵列，该稀疏阵列由周期排布的天线单元组成，通过遗传算法优化在不同扫描角度的被激活天线单元端口，使稀疏阵列在工作时主波束的增益相比满阵时的增益降低小于等于0.5dB；工作时，对被激活端口馈电，其余端口均接匹配负载；
所述天线单元包括从上至下层叠设置的第一介质基板、接地板、第二介质基板，所述第一介质基板上表面设置有辐射体，所述第二介质基板下表面设置有馈电网络；
所述馈电网络包括三段耦合线定向耦合器、两段弯折输入微带线、两段弯折输出微带线，所述三段耦合线定向耦合器设置于第二介质基板下表面中部，其中第二段耦合线缝隙为锯齿状缝隙；所述三段耦合线定向耦合器的两个输出端口分别连接一段长度相同的弯折输出微带线，弯折微带线的另一端设置有馈电点，通过金属过孔连接辐射体，两个输入端口分别连接一段弯折输入微带线，所述两段弯折输入微带线的两个馈电端口L、R均连接同轴SMA接口；
所述辐射体包括设置于第一介质基板上表面中部的正方形金属贴片、以及设置于正方形金属贴片四侧的4个尺寸相同的等腰梯形金属贴片；所述正方形金属贴片的四个角分别通过一“L型”缝隙分隔为一小正方形金属贴片，其中相邻两小正方形金属贴片分别通过金属过孔连接馈电网络的馈电点；
所述接地板上设置有两个圆孔，用于使接地板与金属过孔不接触。
2.如权利要求1所述的一种宽带低剖面高隔离度双圆极化二维宽角扫描稀疏阵列，其特征在于，所述4个等腰梯形金属贴片均通过一排金属盲孔与接地板相连。
3.如权利要求2所述的一种宽带低剖面高隔离度双圆极化二维宽角扫描稀疏阵列，其特征在于，金属盲孔的数量取值范围为9～15。由于该结构可以通过改变等腰梯形金属贴片与正方形金属贴片之间的距离(0.5mm-2mm之间)，以及相邻等腰梯形金属贴片两腰之间缝隙的距离(0.2mm-1.5mm之间)，来实现保持谐振频率不变的情况下调整等效磁流之间的距离，从而拓宽天线的半功率波束宽度和轴比波束宽度，同时可以降低天线的剖面高度。
4.如权利要求2所述的一种宽带低剖面高隔离度双圆极化二维宽角扫描稀疏阵列，其特征在于，所述弯折输入微带线、弯折输出微带线的90度弯折处的外侧切角处理。
5.如权利要求2所述的一种宽带低剖面高隔离度双圆极化二维宽角扫描稀疏阵列，其特征在于，所述接地板上的圆孔与金属过孔的半径比值范围为1：2～4，金属过孔的半径取值范围为0.3mm-0.6mm。
6.如权利要求2所述的一种宽带低剖面高隔离度双圆极化二维宽角扫描稀疏阵列，其特征在于，所述正方形金属贴片上的“L型”槽，槽宽取值范围为0.1mm-0.5mm。
7.如权利要求2所述的一种宽带低剖面高隔离度双圆极化二维宽角扫描稀疏阵列，其特征在于，等腰梯形金属贴片与正方形金属贴片之间的距离为0.5mm-2mm；相邻等腰梯形金属贴片两腰之间缝隙的距离为0.2mm-1.5mm。
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