CN113036411A - 一种宽带圆极化反射阵天线单元 - Google Patents

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吴凡
洪伟
王婧雪
徐刚
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Abstract

本发明公开了一种宽带圆极化反射阵天线单元，由双极化磁电偶极子天线、微扰结构、和地板构成，可采用简单的双面印刷电路板加工实现，包括由上至下的第一金属层、金属化过孔、第一介质层、粘合层、第二介质层和第二金属层。所述圆极化反射阵单元基于磁电偶极子天线实现，充分利用了磁电偶极子的宽带特性，引入宽带微扰结构，实现反射阵单元的宽带圆极化工作。其特点和优势在于，单元厚度较薄，并且不需要额外引入空气层；在获得宽带性能的同时，实现了低剖面、易加工和较高机械强度的设计。

Description

一种宽带圆极化反射阵天线单元
技术领域
本发明涉及微波毫米波领域，具体涉及一种宽带圆极化反射阵天线单元。
背景技术
高增益天线在远距离通信、深空探测、雷达等领域有着广泛的应用前景，而传统的高增益天线，如抛物面天线和介质透镜等，在物理形态、重量、加工维护的难度上都有一定的欠缺。反射阵天线作为一种新型的高增益天线，有着低剖面、轻质量和易加工等优势，但固有工作带宽比较窄，成为限制其应用的主要原因之一。圆极化天线作为一种特定极化形式的天线，可以用来预防和对抗信道干扰和收发失配，也成为卫星通信等领域的一项青睐技术。用反射阵天线的形式，设计圆极化工作的天线，其带宽宽展问题则变得尤为突出。现有技术多采用微带天线作为反射阵天线单元的基本形式，通过增加介质厚度或是降低介质等效介电常数来提升工作带宽，可以实现接近40％的宽带设计，但这些设计几乎都须依赖空气层的引入，使得反射阵单元的结构稳定度相对低，精密的加工和制造要求很高，以至于现有的技术和方法较难适用于毫米波、太赫兹等更高的工作频段的设计。
发明内容
技术问题：本发明提出了一种结构简单，机械强度较高，加工制作简单的宽带圆极化磁电偶极子反射阵天线单元，其工作带宽与现有圆极化微带反射阵天线单元可实现的最大工作带宽相当，但有着天线单元剖面低，不需要空气层和加工简单等方面的优势。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的宽带圆极化反射阵天线单元由双极化磁电偶极子天线、微扰结构、介质层和地板构成，其特征在于该天线单元包括由上至下顺序排列的第一金属层、第一介质层、粘合层、第二介质层和第二金属层；其中，金属化过孔穿过第一介质层、粘合层、第二介质层与两侧的第一金属层和第二金属层连接构成双极化磁电偶极子天线；第一金属层分为四个部分，即上下两个对称的扇形和左右两个对称的扇形，其中左右两个对称的扇形中间连接的金属条构成微扰结构，在上下两个对称的扇形和左右两个对称的扇形靠近的中间位置设有金属化过孔；第二金属层为地板。
所述第一介质层、第二介质层，为实现磁电偶极子正常工作模式，达到接近四分之一波导波长的介质层总厚度；为便于加工、实现期望厚度，采用了将第一介质层和第二介质层粘合的方式，其中第一和第二介质层各自的厚度可以根据商用材料任意选取，介电常数应尽量接近。
所述金属化过孔的数目可以是单个，也可以是多个，若数目超过一个时，其孔间距不宜超过四分之一波导波长。
所述金属化过孔需紧靠第一金属层中金属图案的轮廓边缘，如数目超过一个，应呈直角分布状排列。
所述第一金属层中四个倒角方片形状的边长应接近四分之一波导波长。
所述第一金属层的十字缝隙的宽度应小于十分之一波导波长。
所述第一金属层的方片倒角设计中，其倒角设计的曲率半径应大于等于零小于等于方片半径。
有益效果：本发明公开了一种基于磁电偶极子结构的宽带圆极化反射阵天线单元，利用了磁电偶极子天线的宽带特性，并引入宽带微扰结构，实现了宽频带，优轴比的圆极化反射阵天线单元工作，该结构可以通过印刷电路板方式加工，不需要额外的空气或泡沫层，与现有宽带圆极化设计相比，具有加工便利、公差控制好、更适合毫米波频段设计、更高机械强度等优点。
附图说明
图1为本发明宽带圆极化反射阵天线单元的剖视结构示意图；
图2为本发明宽带圆极化反射阵天线单元正面结构示意图；
图3为本发明宽带圆极化反射阵天线单元的圆极化性能图；
图4为本发明宽带圆极化反射阵天线单元的反射相位与单元旋转变化关系图；
图5为本发明宽带圆极化反射阵天线单元的交叉极化与单元旋转变化关系图；
图6为本发明宽带圆极化反射阵天线的典型仿真和实测方向图；
图7为本发明宽带圆极化反射阵天线的增益与轴比带宽性能图；
图中有：第一金属层1、金属化过孔2、第一介质层3、粘合层4、第二介质层5、第二金属层6。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式公开了一种宽带圆极化反射阵天线单元，由双极化磁电偶极子天线、微扰结构、介质层和地板构成，如图1所示，该天线单元包括由上至下顺序排列的第一金属层1、第一介质层3、粘合层4、第二介质层5和第二金属层6；其中，金属化过孔2穿过第一介质层3、粘合层4、第二介质层5与两侧的第一金属层1和第二金属层6连接构成双极化磁电偶极子天线；第一金属层1分为四个部分，即上下两个对称的扇形和左右两个对称的扇形，其中左右两个对称的扇形中间连接的金属条构成微扰结构，在上下两个对称的扇形和左右两个对称的扇形靠近的中间位置设有金属化过孔2；第二金属层6为地板。
其中，第一金属层中四片倒角正方形金属片用以实现电偶极子及其辐射，金属化过孔用以逼近垂直放置的金属壁并实现磁偶极子辐射，由第一金属层、金属化过孔和第二金属层共同构成了两对对角线方向极化的磁电偶极子天线。通过引入一条沿对角线方向的金属条带，实现对其中一个极化的磁电偶极子天线的扰动，引发反射相位的变化，进而实现圆极化工作。
所述圆极化单元的极化性能可以通过调节各项几何参数而改变，恰当的选取结构中某些关键参数的值，可以实现单元的宽带圆极化工作。所提出的单元的极化和带宽性能如图3所示，该圆极化反射阵单元在很宽的频段(大于40％百分比带宽)内，都很好的抑制了交叉极化，并将其控制在-15dB以下，展现了优良的圆极化特性。
通过旋转反射阵天线单元，可以有效的反射圆极化相位进行调节。图4所示为反射相位随单元旋转的变化，可以看到反射相位与旋转角度成线性关系，有利于简化设计复杂度，实现反射阵天线的波束综合。另外，图5所示为不同单元旋转角度时，单元的交叉极化水平，可以看出，尽管单元旋转时互藕略有变化，但单元的极化性能依然得以维持，交叉极化水平低于-15dB。
利用所述的磁电偶极子宽带圆极化反射阵单元，可以设计具有高增益笔形波束的圆极化反射阵天线，反射阵列一般由多个、二维周期性排列的反射单元组成，通过给每个单元设计特定的旋转角度，实现反射阵天线的波束综合，如图6所示，为一个16×16规模、由所述反射阵单元构成的反射阵天线在中心频率处的典型仿真和实测方向图，其设计波束指向为镜面反射方向。可以看出预期的笔形波束和较低的交叉极化水平得以实现，仿真和实测方向图吻合良好。
图7为上述反射阵天线的宽带增益和轴比性能，可以看到，所设计的反射阵天线，可以在大于40％的百分比带宽内，实现轴比小于3的优良圆极化性能，波束汇聚功能优良，在工作带宽内，增益波动较小。

Claims (7)

1.一种宽带圆极化反射阵天线单元，由双极化磁电偶极子天线、微扰结构、介质层和地板构成，其特征在于该天线单元包括由上至下顺序排列的第一金属层(1)、第一介质层(3)、粘合层(4)、第二介质层(5)和第二金属层(6)；其中，金属化过孔(2)穿过第一介质层(3)、粘合层(4)、第二介质层(5)与两侧的第一金属层(1)和第二金属层(6)连接构成双极化磁电偶极子天线；第一金属层(1)分为四个部分，即上下两个对称的扇形和左右两个对称的扇形，其中左右两个对称的扇形中间连接的金属条构成微扰结构，在上下两个对称的扇形和左右两个对称的扇形靠近的中间位置设有金属化过孔(2)；第二金属层(6)为地板。
2.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化反射阵天线单元，其特征在于：所述第一介质层(3)、第二介质层(5)，为实现磁电偶极子正常工作模式，达到接近四分之一波导波长的介质层总厚度；为便于加工、实现期望厚度，采用了将第一介质层和第二介质层粘合的方式，其中第一和第二介质层各自的厚度可以根据商用材料任意选取，介电常数应尽量接近。
3.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化反射阵天线单元，其特征在于：所述金属化过孔(2)的数目可以是单个，也可以是多个，若数目超过一个时，其孔间距不宜超过四分之一波导波长。
4.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化反射阵天线单元，其特征在于：所述金属化过孔(2)需紧靠第一金属层中金属图案的轮廓边缘，如数目超过一个，应呈直角分布状排列。
5.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化反射阵天线单元，其特征在于：所述第一金属层(1)中四个倒角方片形状的边长应接近四分之一波导波长。
6.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化反射阵天线单元，其特征在于：所述第一金属层的十字缝隙的宽度应小于十分之一波导波长。
7.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化反射阵天线单元，其特征在于：所述第一金属层的方片倒角设计中，其倒角设计的曲率半径应大于等于零小于等于方片半径。
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