CN112952398B - 一种双通道Ku波段接收天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双通道Ku波段接收天线，包括两个Vivaldi天线接收终端和一个反射阵阵列，两个Vivaldi天线接收终端分别放置于以反射阵阵列中心为原点的x轴负半轴和y轴负半轴上方、偏离z轴方向20°的方位，同时两个Vivaldi天线也都倾斜20°，使其槽线末端指向反射阵阵列中心，两个Vivaldi天线的极化方式为正交极化。本发明所公开的双通道Ku波段接收天线，针对不同方位、正交极化的Vivaldi天线发射的球面波束，均可将其转化为沿法向反射的高增益波束，也即实现了法向入射正交极化来波的空间分离和独立接收。

Description

一种双通道Ku波段接收天线
技术领域
本发明属于天线领域，特别涉及该领域中的一种双通道Ku波段、正交线极化来波、不同方位独立接收的接收天线。
背景技术
反射阵天线，结合了阵列天线与抛物面反射天线的优点，既具有平面结构，能形成高增益的波束，又不需要复杂的馈电网络，因此其具有低剖面、可折叠、低成本等优势。反射阵天线一直吸引着研究人员的兴趣，关于反射阵天线的研究成果也不断的被报道。在关于反射阵天线的研究中，同一反射阵的多功能复用，是一个研究热点，其多功能复用形式包括频率复用、极化复用和时空复用。在这些形式中，极化复用是最基本的复用形式，因为任一极化形式的电磁波可由一对正交极化波来叠加生成，如果同一反射阵阵面可对一对正交极化波具有完全独立可设计的功能，不仅可以大大提高其口面的利用效率、降低成本，理论上还可以对任意极化形式的电磁波设计复杂可变的功能，所以极化复用的反射阵天线是具备极大应用前景的一种反射阵天线。
根据光路可逆原理，如果由点源发射的低增益波束通过反射阵天线可以转化为高增益反射波束，那么也即实现了高增益波束方向来波通过反射阵天线转化为点源位置处的聚焦，也即对入射电磁波的接收。而实现对特定方向入射电磁波的正交极化分量的分离、进而独立接收，在工程上具有巨大的意义，因为正交极化的电磁波分量可以携带不同的通信信息，将其分离至不同空间方位，通过放置天线进行独立接收，即实现了双通道独立信号的接收。这种双通道独立接收天线的实现，不仅需要上一段落中介绍的极化复用的反射阵阵列，同时需要宽带且低剖面的小尺寸天线作为接收终端，以保证宽带效果、低遮挡和降低噪声。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种双通道Ku波段接收天线，通过将工作于Ku波段的极化复用的双通道反射阵阵列与作为接收终端(馈源)的两个正交极化的Vivaldi天线相结合，可实现法向入射电磁波的x、y极化分量的空间分离及独立接收。
本发明采用如下技术方案：
一种双通道Ku波段接收天线，其改进之处在于：包括两个Vivaldi天线接收终端和一个反射阵阵列，两个Vivaldi天线接收终端分别放置于以反射阵阵列中心为原点的x轴负半轴和y轴负半轴上方、偏离z轴方向20°的方位，同时两个Vivaldi天线也都倾斜20°，使其槽线末端指向反射阵阵列中心，两个Vivaldi天线的极化方式为正交极化；所述的反射阵阵列由N*N个工作于Ku波段的反射阵单元构成，N为自然数，单元结构为将两层正交交叉的双扇形金属结构的金属贴片分别刻蚀于第一层介质基板的两面，再将该介质基板与一个具有金属背板的第二层介质基板进行压合，在上述的两层正交交叉双扇形金属结构中，顶层的正交交叉双扇形金属结构的臂长为第二层正交交叉双扇形金属结构对应的臂长的0.8倍。
进一步的，两个Vivaldi天线的槽线末端距离反射阵阵列中心的距离均为109.6mm，两个Vivaldi天线所激励的正交极化球面波均被反射为法向出射的高增益波束。
进一步的，反射阵阵列由30*30个反射单元所构成，单元结构边长均为5mm，阵面尺寸为150×150mm2。
进一步的，反射阵单元的两层介质基板均是厚度为2mm，介电常数为3.5的F4b板材。
进一步的，反射阵单元中第二层正交交叉双扇形金属结构的臂长调节范围为1.1mm—2.35mm。
进一步的，反射阵单元中两层正交交叉双扇形金属结构的交叉点中间均为圆形金属片，且两层圆形金属片的直径相等，均为0.426mm。
进一步的，反射阵单元中两层正交交叉双扇形金属结构的扇形结构张角相等，均为30°。
进一步的，该接收天线能够在12.5—18GHz频率范围内实现法向反射15dB以上的增益，且在中心频点15.5GHz法向反射的口径效率达25.5％。
本发明的有益效果是：
本发明所公开的双通道Ku波段接收天线，针对不同方位、正交极化的Vivaldi天线发射的球面波束，均可将其转化为沿法向反射的高增益波束，也即实现了法向入射正交极化来波的空间分离和独立接收。具体的说，通过设计反射阵阵列每个单元的正交交叉双扇形金属结构的臂长，来分别实现对Vivaldi天线发射的正交极化的球面波的相位补偿，进而均转化为沿法向反射的高增益的波束，根据光路可逆原理，也即实现了法向入射x、y极化电磁波的空间分离、聚焦及独立接收。Vivaldi天线采用微带线转槽线的结构，能够在Ku波段有效辐射球面波。并且Vivaldi天线既有效的降低了遮挡，又降低了整体接收天线的剖面尺寸。
附图说明
图1是本发明实施例1所公开接收天线的整体结构示意图；
图2(a)是本发明实施例1所公开接收天线中Vivaldi天线接收终端10发射x极化电磁波的示意图；
图2(b)是本发明实施例1所公开接收天线中Vivaldi天线接收终端20发射y极化电磁波的示意图；
图3是本发明实施例1所公开接收天线中反射阵阵列的结构示意图；
图4(a)是本发明实施例1所公开接收天线中反射阵阵列的单元结构示意图；
图4(b)是本发明实施例1所公开接收天线反射阵阵列单元中第二层正交交叉双扇形金属结构的示意图；
图5(a)是本发明实施例1所公开接收天线中反射阵阵列单元在x极化入射波激励下x极化反射波的幅度随lx和ly的变化示意图；
图5(b)是本发明实施例1所公开接收天线中反射阵阵列单元在x极化入射波激励下x极化反射波的相位随lx和ly的变化示意图；
图6(a)是本发明实施例1所公开接收天线中8种lx尺寸的单元对x极化入射波同极化的反射幅度调制的曲线图；
图6(b)是本发明实施例1所公开接收天线中8种lx尺寸的单元对x极化入射波同极化的3比特反射相位调制的曲线图；
图7(a)是本发明实施例1所公开接收天线中针对Vivaldi天线接收终端10激励的x极化入射波的3比特补偿相位分布图；
图7(b)是本发明实施例1所公开接收天线中针对Vivaldi天线接收终端20激励的y极化入射波的3比特补偿相位分布图；
图8(a)是本发明实施例1所公开接收天线中Vivaldi天线接收终端10激励x极化入射波时15.5GHz频率处的三维远场分布图；
图8(b)是本发明实施例1所公开接收天线中Vivaldi天线接收终端20激励y极化入射波时15.5GHz频率处的三维远场分布图；
图9(a)为对应于图8(a)的三维远场图的xoz、yoz面的二维远场分布图；
图9(b)为对应于图8(b)的三维远场图的xoz、yoz面的二维远场分布图；
图10为针对Vivaldi天线接收终端10激励x极化入射波时，接收天线在宽带范围内所实现的沿法向反射的增益及对应的口径效率图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
Vivaldi天线是一种由槽线进行激励的小尺寸天线，一般通过同轴馈电、进而微带线转槽线的结构来辐射，虽然其匹配性能一般，但是其能实现宽带的辐射，且由于其尺寸小，对波束的遮挡可以近似忽略，同时可以保证接收信号的低噪声，因此将Vivaldi天线用作双通道接收天线的接收终端具有独特的优势。本发明公开了一种高效的双通道Ku波段接收天线，极化复用的反射阵阵列工作于Ku波段，可以对入射的x、y极化电磁波进行独立的3比特相位调控，通过设计其对两种极化电磁波的反射相位分布，结合两个位于空间不同方位的正交极化的Vivaldi天线作为接收终端(馈源)，实现了Ku波段的法向入射正交线极化波的双通道独立接收。
实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种双通道Ku波段接收天线，包括两个Vivaldi天线接收终端(馈源)和一个反射阵阵列，两个Vivaldi天线接收终端10、20分别放置于以反射阵阵列30中心为原点的x轴负半轴和y轴负半轴上方、偏离z轴方向20°的方位，同时两个Vivaldi天线也都倾斜20°，使其槽线末端指向反射阵阵列中心，两个Vivaldi天线的极化方式为正交极化，如图2(a)和2(b)所示，Vivaldi天线发射低增益球面波，通过反射阵阵列反射为法向出射的高增益波束；如图3所示，所述的反射阵阵列由30*30个工作于Ku波段的反射阵单元构成，如图4(a)所示，单元结构为将两层正交交叉的双扇形金属结构的金属贴片分别刻蚀于第一层介质基板34的两面，再将该介质基板与一个具有金属背板33的第二层介质基板35进行压合，在上述的两层正交交叉双扇形金属结构中，顶层的正交交叉双扇形金属结构31的臂长为第二层正交交叉双扇形金属结构32对应的臂长的0.8倍，其它参数均与第二层金属结构相同。第二层正交交叉双扇形金属结构如图4(b)所示，lx为x方向扇形结构臂长，ly为y方向扇形结构臂长，α为扇形结构张角，R为中间圆形金属片直径，p为单元结构边长，其中lx和ly是可变参量，其他参数为α＝30°，R＝0.426mm，p＝5mm，
Vivaldi天线10的极化方式为x极化，Vivaldi天线20的极化方式为y极化，两个Vivaldi天线的槽线末端距离反射阵阵列中心的距离均为109.6mm，两个Vivaldi天线所激励的正交极化球面波均被反射为法向出射的高增益波束。
反射阵阵列单元结构边长均为5mm，阵面尺寸为150×150mm2。反射阵单元的两层介质基板均是厚度为2mm，介电常数为3.5的F4b板材。
通过调整正交交叉双扇形金属结构沿来波极化方向的扇形结构的臂长，可实现对Ku波段的x、y极化来波3比特的独立相位调控。反射阵单元中第二层正交交叉双扇形金属结构的臂长调节范围为1.1mm—2.35mm。
反射阵单元中两层正交交叉双扇形金属结构的交叉点中间均为圆形金属片，且两层圆形金属片的直径相等，均为0.426mm。反射阵单元中两层正交交叉双扇形金属结构的扇形结构张角相等，均为30°。
该双通道独立接收天线能够在12.5—18GHz频率范围内实现法向反射15dB以上的天线增益，且在中心频点15.5GHz处法向反射的口径效率达25.5％。
图5(a)是本发明实施例1所公开接收天线中反射阵阵列单元在x极化入射波激励下x极化反射波的幅度随lx和ly的变化示意图，图5(b)是本发明实施例1所公开接收天线中反射阵阵列单元在x极化入射波激励下x极化反射波的相位随lx和ly的变化示意图。可以观察到，通过分别改变lx和ly，该单元结构具有对x、y极化的入射电磁波的同反射相位的独立调制能力，同时x极化入射波的同极化反射幅度可以保持在0.98以上，相位只与lx有关，与ly无关。
通过仿真优化，本实施例选取了8种lx和ly的长度，来实现对x、y极化入射波的同极化反射相位的独立3比特调制。该单元结构具有对x、y极化波进行独立调制的能力，图6(a)和图6(b)展示了lx等于8种长度时，x极化入射波的同极化反射幅度和相位，可以发现在15GHz附近，8种单元对于x极化入射波的同极化反射相位实现了很好的3比特的调制效果，同时幅度均保持在0.95以上。
x、y极化入射波的相位分布如图7(a)和7(b)所示，其具体的相位分布计算公式分别为：
Figure BDA0002946076400000051
Figure BDA0002946076400000052
其中Φx和Φy为针对正交极化波的坐标(x，y)处的相移值，λ为设计频点15GHz处的自由空间波长，F为设计的焦距，具体为117.7mm，Φ0为参考相位。
从图8(a)和8(b)可以发现，在15.5GHz，两个不同方位的Vivaldi馈源辐射的正交极化的球面波均被反射为法向出射的高增益波束。
从图9(a)和9(b)可以发现，除了实现双通道法向反射高增益波束的效果，该接收天线的交叉极化水平也被压制的很低，法向方向的交叉极化隔离度在30dB以上。
图10为针对Vivaldi天线接收终端10激励x极化入射波时，接收天线在宽带范围内所实现的沿法向反射的增益及对应的口径效率图。可以发现，该双通道独立接收天线能够在12.5-18GHz频率范围内实现法向反射15dB以上的增益，且在中心频点15.5GHz法向反射的口径效率达到了25.5％。因为结构的特殊对称性，Vivaldi天线接收终端20激励y极化入射波时的增益和效率值几乎没有区别，所以仅展示Vivaldi天线接收终端10激励时的增益和效率曲线。
综上，该双通道接收天线可以实现不同方位激励正交极化球面波的高增益法向反射，也即实现了法向来波正交极化分量的空间分离和独立接收，具有效率高、剖面低、双通道的优点，在工程领域中有巨大的应用潜力。

Claims (8)

1.一种双通道Ku波段接收天线，其特征在于：包括两个Vivaldi天线接收终端和一个反射阵阵列，两个Vivaldi天线接收终端分别放置于以反射阵阵列中心为原点的x轴负半轴和y轴负半轴上方、偏离z轴方向20°的方位，同时两个Vivaldi天线也都倾斜20°，使其槽线末端指向反射阵阵列中心，两个Vivaldi天线的极化方式为正交极化；所述的反射阵阵列由N*N个工作于Ku波段的反射阵单元构成，N为自然数，单元结构为将两层正交交叉的双扇形金属结构的金属贴片分别刻蚀于第一层介质基板的两面，再将该介质基板与一个具有金属背板的第二层介质基板进行压合，在上述的两层正交交叉双扇形金属结构中，顶层的正交交叉双扇形金属结构的臂长为第二层正交交叉双扇形金属结构对应的臂长的0.8倍。
2.根据权利要求1所述的双通道Ku波段接收天线，其特征在于：两个Vivaldi天线的槽线末端距离反射阵阵列中心的距离均为109.6mm，两个Vivaldi天线所激励的正交极化球面波均被反射为法向出射的高增益波束。
3.根据权利要求2所述的双通道Ku波段接收天线，其特征在于：反射阵阵列由30*30个反射单元所构成，单元结构边长均为5mm，阵面尺寸为150×150mm2。
4.根据权利要求3所述的双通道Ku波段接收天线，其特征在于：反射阵单元的两层介质基板均是厚度为2mm，介电常数为3.5的F4b板材。
5.根据权利要求4所述的双通道Ku波段接收天线，其特征在于：反射阵单元中第二层正交交叉双扇形金属结构的臂长调节范围为1.1mm—2.35mm。
6.根据权利要求5所述的双通道Ku波段接收天线，其特征在于：反射阵单元中两层正交交叉双扇形金属结构的交叉点中间均为圆形金属片，且两层圆形金属片的直径相等，均为0.426mm。
7.根据权利要求6所述的双通道Ku波段接收天线，其特征在于：反射阵单元中两层正交交叉双扇形金属结构的扇形结构张角相等，均为30°。
8.根据权利要求7所述的双通道Ku波段接收天线，其特征在于：该接收天线能够在12.5—18GHz频率范围内实现法向反射15dB以上的增益，且在中心频点15.5GHz法向反射的口径效率达25.5％。
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