CN112421227B - 一种具有极化旋转特性的宽频带双层金属透射阵列天线 - Google Patents

一种具有极化旋转特性的宽频带双层金属透射阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有极化旋转特性的宽频带双层金属透射阵列天线，包括由呈周期性分布若干透射单元组成的透射阵列和馈源天线。透射单元包括上层金属层、下层金属层和一根金属柱；有两条长度不同的U形缝隙的上层金属层和下层金属层的U形缝隙呈正交分布；金属柱连接上金属层和下层金属层。馈源天线的相位中心位于透射阵列的焦点处，向透射阵列发射的球面电磁波；透射阵列将来自馈源天线发射的球面电磁波转换成平面电磁波。本发明的具有极化旋转特性的宽频带双层金属透射阵列天线所用金属层少，不受介质的影响，功率容量大，可靠性高，适用于较为严格的工作环境。

Description

一种具有极化旋转特性的宽频带双层金属透射阵列天线
技术领域
本发明涉及天线设计技术，特别涉及一种具有极化旋转特性的宽频带双层金属透射阵列天线。
背景技术
随着现代卫星通信和雷达探测系统等技术的快速发展，对宽频带高增益天线的需求日益增加。传统具有高增益特性的天线有透镜天线和微带阵列天线。透镜天线中的介质透镜剖面较高。加工复杂；微带阵列天线虽然剖面低，易加工，但是需要复杂的馈电网络，可用带宽较窄。透射阵列天线是一种离散的平面透镜，它结合了透镜天线与微带阵列天线的优点。透射阵列由于其平面结构，不需要复杂的馈电网络而受到广泛关注。
当前透射阵列设计至少使用了三层金属结构，保证透射单元具有足够的相移范围；或者具有双层结构，透射单元的相移范围不足360°；或者需要介质支撑，不适合应用于较为严格的环境，例如温度变化幅度较大的场所。当前双层金属结构的透射阵列增益平稳度较低，-1dB增益带宽对应的频带较窄。
因此，提出了一种具有极化旋转特性的宽频带双层金属透射阵列天线，利用透射单元的状态变换和变缝隙的长度，实现透射单元360°相移覆盖，同时保持了较宽的通带范围。所提出的透射阵列不需要介质层，稳定性好，适用于空间探索和雷达探测等某些恶劣的环境。
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宽频带、双层金属结构的透射阵列天线。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种具有极化旋转特性的宽频带双层金属透射阵列天线，包括透射阵列和馈源天线；
所述透射阵列是由若干透射单元呈周期性分布而组成的阵列，所述透射单元包括上层金属层、下层金属层和一根金属柱；上层金属层和下层金属层中开有两条长度不同的U形缝隙，且上层金属层和下层金属层的U形缝隙呈正交分布；
所述馈源天线的相位中心位于透射阵列的焦点处，向透射阵列发射的球面电磁波；透射阵列将来自馈源天线发射的球面电磁波转换成平面电磁波。
对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：
优选的，所述上金属层和下层金属层结构相同，两条长度不同的U形缝隙开口向外，U形缝隙宽度相同，金属柱的两端分别连接到上金属层与下金属层之间的两条U形缝隙之间。
优选的，透射阵列中，透射单元的间距为上、下金属层的边长。
优选的，所述透射阵列的轮廓为矩形或圆形。
优选的，透射单元中U形缝隙满足：长U形缝隙长边长度L1为上、下金属层边长P的0.75～0.9，短U形缝隙长边长度L2为0.94L1-0.01L1×L1，长U形缝隙短边长度L11为0.35L1，U形缝隙短边长度L22为0.35L2。
优选的，所述金属柱是圆柱或棱柱。
优选的，馈源天线采用角锥或圆锥喇叭天线，馈源天线的辐射方向朝向透射阵列。
优选的，当透射单元的上金属层长U形缝隙开口方向朝向Y轴或-Y轴，下金属层长U形缝隙开口方向朝向-X轴，相对状态为0；当透射单元的上金属层长U形缝隙开口方向朝向Y轴或-Y轴，下金属层长U形缝隙开口方向朝向X轴，相对状态为1；
透射单元在结合相对状态0与相对状态1情况下，改变U形缝隙的长度L1为0.75～0.9P，透射单元的幅度参数在-2dB以上，相位参数满足360°。
优选的，增益下降1dB对应的频率范围为8.2GHz-9.6GHz，对应1dB相对增益带宽为15.7％。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
本发明透射阵列天线中采用的透射阵列由两层金属层和金属柱组成，与具有多层结构的透射阵列相比，该透射阵列仅有两层金属层，剖面较低；与带有介质层的透射阵列相比，该透射阵列不需要介质层，能够在较恶劣的环境下工作，性能稳定。在透射单元实现相移功能方面，所设计的单元采用状态变换和改变U形缝隙长度相结合的方式，实现360°的调相范围，同时保持了较宽的通带范围。由于透射单元的上层金属层(101)中的U形缝隙与下层金属层中的U形缝隙相互正交，能够将接收到的电磁波极化方向旋转90°并辐射出去。与其它双层结构的透射阵列天线相比，本发明在1dB增益下降范围内，对应的频带范围较宽。
此天线具有频带宽、无介质影响、结构简单等优点，适合用于微波中继站、卫星通信、雷达探测等领域。
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为本发明具体实施方式中具有极化旋转特性的宽频带双层金属透射阵列天线结构示意图；
图2为本发明具体实施方式中透射单元的立体结构图；
图3为本发明具体实施方式中透射单元的右视图；
图4(a)、(b)为本发明具体实施方式中透射单元的金属层表面结构图，其中图4(a)为上金属层表面具体结构及参数示意图，图4(b)为下金属层表面具体结构及参数示意图；
图5(a)、(b)为本发明具体实施方式中透射单元上、下金属层中“U”形缝隙相对位置示意图，(a)相对状态0示意图，(b)相对状态1示意图；
图6为本发明具体实施方式中透射单元两种状态的传输参数随频率变化示意图；
图7为本发明具体实施方式中透射单元两种状态的传输参数随“U”形缝隙长度变化示意图；
图8为本发明具体实施方式中工作在8.5GHz频带的宽频带双层金属透射阵列天线的E面方向图；
图9为本发明具体实施方式中工作在8.5GHz频带的宽频带双层金属透射阵列天线的H面方向图；
图10为本发明具体实施方式中宽频带双层金属透射阵列天线随频率变化的增益仿真曲线图。
图中：1、透射阵列；2、馈源天线；3、透射单元；101、上层金属层；102、金属柱；103、下层金属层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。
如图1所示，为本发明的宽频带双层金属透射阵列天线的结构示意图，本发明实施例包括透射阵列1和馈源天线2；馈源天线2采用角锥喇叭天线或圆锥喇叭天线，位于透射阵列1的正下方，并且馈源天线2的相位中心位于透射阵列1的焦点处。馈源天线1产生的球面波被透射阵列2接收，并被透射阵列2转换成平面波辐射出去。
在本发明的一个实施例中，透射阵列1由16×16个透射单元3组成，透射单元周期性分布。
在本发明的一个实施例中，如图2-4所示，透射单元包括上层金属层101、金属柱102和下层金属层103。上层金属层101中开有两条长度不同的U形缝隙，两条长度不同的U形缝隙开口向外，长U形缝隙的宽度与短U形缝隙的宽度相同。金属柱102的两端分别连接到上层金属层101与下层金属层103之间的两条U形缝隙之间。金属柱102是圆柱。下层金属层103结构尺寸与上层金属层101结构尺寸相同，U形缝隙方向与上层金属层中的U形缝隙相互正交。
透射阵列中，透射单元的间距为上、下金属层的边长。透射阵列的轮廓为矩形或圆形。
在本发明的一个实施例中，馈源天线2采用角锥喇叭天线，工作频带覆盖7GHz-10GHz。馈源天线2的辐射方向朝向透射阵列。
在本发明的一个实施例中，透射阵列的金属材料采用黄铜，透射单元的上金属层101与下金属层103的厚度均为1mm。上金属层101与下金属层103的间距为6mm。金属柱102的直径为0.8mm。
如图4所示，透射单元中金属层(101、103)的具体尺寸见表1所示
表1
参数 P W S L1
数值(mm) 18 1.5 1.3 13.4-16.2
参数 L11 L2 L22 D
数值(mm) 0.35*L1 0.94L1-0.01L1×L1 0.35*L2 0.8
其中，W、L1、L11、L2、L22为透射单元金属层中的U形缝隙具体尺寸。透射单元中U形缝隙满足：长U形缝隙长边长度L1为上、下层金属层边长P的0.75～0.9，短U形缝隙长边长度L2为0.94L1-0.01L1×L1，长U形缝隙短边长度L11为0.35L1，U形缝隙短边长度L22为0.35L2。
透射单元在实现相位变化的过程中，需要改变“U”形缝隙的长度，具体改变长度参数L1，“U”形缝隙的其它长度参数相应的随之变化。
如图5(a)、(b)所示，透射单元具有两种状态，具体为透射单元中，上层金属层101与下层金属层103中的U形缝隙相对位置不同，分为相对状态0(图5(a))与相对状态1(图5(b))。当透射单元的上层金属层长U形缝隙开口方向朝向Y轴，下层金属层长U形缝隙开口方向朝向-X轴，相对状态为0；当透射单元的上层金属层长U形缝隙开口方向朝向Y轴，下层金属层长U形缝隙开口方向朝向X轴，相对状态为1。
如图6所示，为本发明的一个实施例中，透射单元的相对状态0与相对状态1所对应的传输参数随频率变化图。相对状态0与相对状态1所对应的幅度参数相同，但是相位参数相差180°。
如图7所示，为本发明的一个实施例中，在8.5GHz时，透射单元分别在相对状态0与相对状态1情况下，改变“U”形缝隙的长度L1在0.75～0.9P范围变化，透射单元的幅度参数在-2dB以上，相位参数可以满足360°。
如图8所示，为本发明的一个实施例中，在8.5GHz时，透射阵列天线的E面方向图，第一副瓣与交叉极化均低于-20dB。
如图9所示，为本发明的一个实施例中，在8.5GHz时，透射阵列天线的H面方向图，第一副瓣与交叉极化均低于-20dB。
如图10所示，为本发明的一个实施例中，宽频带双层金属透射阵列天线随频率变化的增益仿真曲线图，增益下降1dB对应的频率范围为8.2GHz-9.6GHz，对应1dB相对增益带宽为15.7％。
以上对本发明所提供的一种具有极化旋转特性的宽频带双层金属透射阵列天线进行了详细介绍，并应用了详细的结构设计参数对本发明的原理及实施方式进行了阐述及实现。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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 (7)

1.一种具有极化旋转特性的宽频带双层金属透射阵列天线，其特征在于，包括透射阵列和馈源天线；
所述透射阵列是由若干透射单元呈周期性分布而组成的阵列，所述透射单元包括上层金属层、下层金属层和一根金属柱；上层金属层和下层金属层中开有两条长度不同的U形缝隙，且上金属层和下层金属层的U形缝隙呈正交分布；
所述馈源天线的相位中心位于透射阵列的焦点处，向透射阵列发射的球面电磁波；透射阵列将来自馈源天线发射的球面电磁波转换成平面电磁波；
所述上层金属层和下层金属层结构相同，两条长度不同的U形缝隙开口向外，U形缝隙宽度相同，金属柱的两端分别连接到上层金属层与下金属层之间的两条U形缝隙之间；
当透射单元的上金属层长U形缝隙开口方向朝向Y轴或-Y轴，下金属层长U形缝隙开口方向朝向-X轴，相对状态为0；当透射单元的上金属层长U形缝隙开口方向朝向Y轴或-Y轴，下金属层长U形缝隙开口方向朝向X轴，相对状态为1；
透射单元在结合相对状态0与相对状态1情况下，改变U形缝隙的长度L1为0.75～0.9P，透射单元的幅度参数在-2dB以上，相位参数满足360°。
2.根据权利要求1所述的一种具有极化旋转特性的宽频带双层金属透射阵列天线，其特征在于，透射阵列中，透射单元的间距为上、下金属层的边长。
3.根据权利要求1所述的一种具有极化旋转特性的宽频带双层金属透射阵列天线，其特征在于，所述透射阵列的轮廓为矩形或圆形。
4.根据权利要求1所述的一种具有极化旋转特性的宽频带双层金属透射阵列天线，其特征在于，透射单元中U形缝隙满足：长U形缝隙长边长度L1为上、下金属层边长P的0.75～0.9，短U形缝隙长边长度L2为0.94L1-0.01L1×L1，长U形缝隙短边长度L11为0.35L1，U形缝隙短边长度L22为0.35L2。
5.根据权利要求1所述的一种具有极化旋转特性的宽频带双层金属透射阵列天线，其特征在于，所述金属柱是圆柱或棱柱。
6.根据权利要求1所述的一种具有极化旋转特性的宽频带双层金属透射阵列天线，其特征在于，馈源天线采用角锥或圆锥喇叭天线，馈源天线的辐射方向朝向透射阵列。
7.根据权利要求1所述的一种具有极化旋转特性的宽频带双层金属透射阵列天线，其特征在于，增益下降1dB对应的频率范围为8.2GHz-9.6GHz，对应1dB相对增益带宽为15.7％。
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