CN113078477B - 波束独立可控的宽带双频双圆极化反射阵天线 - Google Patents

波束独立可控的宽带双频双圆极化反射阵天线 Download PDF

Info

Publication number
CN113078477B
CN113078477B CN202110395801.2A CN202110395801A CN113078477B CN 113078477 B CN113078477 B CN 113078477B CN 202110395801 A CN202110395801 A CN 202110395801A CN 113078477 B CN113078477 B CN 113078477B
Authority
CN
China
Prior art keywords
band
dual
phase shift
circularly
metal layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110395801.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113078477A (zh
Inventor
蒋之浩
童宣锋
洪伟
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southeast University
Network Communication and Security Zijinshan Laboratory
Original Assignee
Southeast University
Network Communication and Security Zijinshan Laboratory
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southeast University, Network Communication and Security Zijinshan Laboratory filed Critical Southeast University
Priority to CN202110395801.2A priority Critical patent/CN113078477B/zh
Priority to PCT/CN2021/087607 priority patent/WO2022217558A1/zh
Publication of CN113078477A publication Critical patent/CN113078477A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113078477B publication Critical patent/CN113078477B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/14—Reflecting surfaces; Equivalent structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/48—Earthing means; Earth screens; Counterpoises
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/52—Means for reducing coupling between antennas; Means for reducing coupling between an antenna and another structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/10—Resonant slot antennas
    • H01Q13/106—Microstrip slot antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

本发明涉及无线通信系统电子器件领域，公开了一种波束独立可控的宽带双频双圆极化反射阵天线，包括双波段宽带圆极化馈源和平面反射阵，双波段宽带圆极化馈源放置于平面反射阵的焦平面附近，平面反射阵包括呈共口径周期交错排布的低频和高频双圆极化相移单元，各双圆极化相移单元均包括圆形贴片层、蚀刻有工字形缝隙的金属地层、两段长度不同的微带线层和金属底板层等。本发明结合动态相位和旋转相位，在K波段和Ka波段都实现了对左旋相位和右旋相位的同时独立调控，采取了开十字形缝隙处理以及微带线缝隙耦合贴片等形式，保证了反射阵天线最终的双频宽带特性，具备低剖面、易加工、易集成和低成本等优势，在卫星通信等领域具有重要应用前景。

Description

波束独立可控的宽带双频双圆极化反射阵天线
技术领域
本发明属于无线通信系统电子器件领域，具体涉及一种波束独立可控的宽带双频双圆极化反射阵天线。
背景技术
目前太空探测器的正常工作，通常要借助于卫星通信，常用的卫星通信频段包括C、K和Ka等波段。K频段、Ka波段均属于对某一特定无线电频率范围的称谓，K波段是指频率在18-26.5GHz范围内的无线电波、Ka波段是指频率在26.5-40GHz范围内的无线电波。为了实现远距离稳定通信的需求，通常需要通信的发射端和接收端都采用高增益的圆极化天线，类如相控阵天线，反射面天线等。
相控阵天线是通过复杂的馈电网络或者接收/发射模组激励相控阵中的每个单元实现高增益特性，其缺点在于较高的馈电网络损耗和较高的成本；反射面天线是基于准光学原理，馈源发射的球面波照射到反射面后被反射形成高增益的平面波，其缺点在于抛物面在毫米波频段较难精准加工。
为了克服相控阵和反射面天线的缺点，平面反射阵天线应运而生，其平面化结构、轻便、低成本、低剖面和低损耗的优点，使其在移动通信、卫星通信等领域受到了越来越广泛的关注。基于不同频率、不同结构相移单元在反射阵上的亚波长排布，已经实现了多频多极化反射阵天线，然而实现波束独立可控的双圆极化反射阵天线却寥寥无几，而双频双圆极化波束独立可控反射阵天线更是少之又少。现有的双频双圆极化反射阵天线分为两类，一类是基于多功能层实现的，上层是双频线圆极化转换器，下层是双频线极化反射阵天线，其缺点是功能层较多、结构复杂、剖面高、带宽窄；另一类是基于电路实现的，在共口径的双频辐射体下方各加载一个正交耦合器实现双频双圆极化反射阵天线，其缺点是带宽窄、双频的频率比较小。
发明内容
技术目的：为了满足移动通信、卫星通信等应用对天线提出的高增益需求，本发明提供了波束独立可控的宽带双频双圆极化反射阵，该反射阵天线具有低剖面、易于加工等结构上的优势，并且能够提供双频双圆极化、宽带、高增益、低轴比、增益抖动小、圆极化波束独立可控的功能。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：
一种波束独立可控的宽带双频双圆极化反射阵天线，其特征在于：包括相对设置的双波段宽带圆极化馈源和平面反射阵，平面反射阵包括多个呈共口径周期性交错排布的K波段双圆极化相移单元和Ka波段双圆极化相移单元；所述K波段双圆极化相移单元和Ka波段双圆极化相移单元均包括四层金属层；
所述K波段双圆极化相移单元中，四层金属层由上至下分别为中心蚀刻有十字形缝隙的第一圆形金属贴片、蚀刻有正交工字形缝隙的第一金属地板、位于同一金属层上两段长度不同的第一微带传输线、第一金属底板；其中两段第一微带传输线的末端均设有第一金属化过孔，第一金属化过孔连接至第一金属地板；
所述Ka波段双圆极化相移单元中，四层金属层由上至下分别为第二圆形金属贴片、蚀刻有正交工字形缝隙的第二金属地板，位于同一金属层上两段长度不同的第二微带传输线、第二金属底板；其中两段第二微带传输线的末端设有第二金属化过孔，第二金属化过孔连接至第二金属地板；
所述第一圆形金属贴片和第二圆形金属贴片均朝向双波段宽带圆极化馈源设置。
具体地，所述双波段宽带圆极化馈源包括K波段宽带圆极化馈源和Ka波段宽带圆极化馈源，K波段宽带圆极化馈源放置于平面反射阵的焦平面附近，距平面反射阵的垂直距离为F1，平面反射阵的直径为D，其中，0.6≤F1/D≤1.5；
所述Ka波段宽带圆极化馈源放置于平面反射阵的焦平面附近，距平面反射阵的垂直距离为F2，其中，0.6≤F2/D≤1.5。
具体地，所述K波段双圆极化相移单元和Ka波段双圆极化相移单元呈共口径周期交错排布，其中K波段双圆极化相移单元呈二维周期性排布在边长为K波段周期长度的正方形网格顶点上，Ka波段双圆极化相移单元呈二维周期性排布在边长为K波段周期长度或1.5个Ka波段周期长度的正方形网格中心点上，K波段双圆极化相移单元的Ka波段周期长度为0.3～0.5个K波段波长，Ka波段双圆极化相移单元的Ka波段周期长度为0.5～0.7个Ka波段波长。
具体地，所述K波段双圆极化相移单元包括K波段第一金属层、K波段第二金属层、K波段第三金属层和K波段第四金属层；在K波段第一金属层和K波段第二金属层之间设有第一基片层，在K波段第二金属层和K波段第三金属层之间设有第二基片层，在K波段第三金属层和K波段第四金属层之间设有空气层，在第一基片层和第二基片层之间设有第一粘接层；
所述Ka波段双圆极化相移单元包括Ka波段第一金属层、Ka波段第二金属层、Ka波段第三金属层和Ka波段第四金属层；在Ka波段第一金属层和Ka波段第二金属层中间设有第一基片层，在Ka波段第二金属层和Ka波段第三金属层中间设有第二基片层，在Ka波段第三金属层和Ka波段第四金属层中间设有空气层，在第一基片层和第二基片层中间设有第一粘接层。
具体地，所述K波段第一金属层和Ka波段第一金属层形状为圆形、环形、“十”字形或多边形中的任一种，多边形包括三角形、四边形等。
具体地，所述K波段双圆极化相移单元的第一圆形金属贴片上的缝隙在贴片中间，或者在贴片边缘，形状为“十”字形、“米”字形或者无缝隙。
具体地，所述第一金属地板和第二金属地板上的缝隙形状为“一”字形、“工”字形、“十”字形、“Z”字形或椭圆形中的任一种。
具体地，所述第一微带传输线或第二微带传输线的形式均为开路微带线、短路微带线、开路带状线、短路带状线、基片集成波导或基片集成同轴线中的任一种。
具体地，所述K波段双圆极化相移单元中的两段第一微带传输线之间长度差为四分之一个K波段波长，反射相位相差180°；
所述Ka波段双圆极化相移单元中的两段第二微带传输线之间长度差为四分之一个Ka波段波长，反射相位相差180°。
具体地，根据各个K波段双圆极化相移单元中第一微带传输线的长度不同，将平面反射阵中的K波段双圆极化相移单元命名为K波段双圆极化相移单元一至K波段双圆极化相移单元八，相邻K波段双圆极化相移单元对应的反射相位相差22.5°；对相位差连续的八个K波段双圆极化相移单元整体做旋转处理，形成K波段右旋圆极化3比特×左旋圆极化3比特共64个状态；
根据各个Ka波段双圆极化相移单元中第二微带传输线的长度不同，将平面反射阵中的Ka波段双圆极化相移单元命名为Ka波段双圆极化相移单元一至Ka波段双圆极化相移单元八，相邻Ka波段双圆极化相移单元对应的反射相位相差22.5°；对相位差连续的八个Ka波段双圆极化相移单元整体做旋转处理，形成Ka波段右旋圆极化3比特×左旋圆极化3比特共64个状态。
有益效果：与现有技术相比，本发明提供了一种高增益波束独立可控宽带双频双圆极化反射阵天线，其优势在于：
(1)结合动态相位变化和旋转相位变化，在K波段和Ka波段都实现了对左旋相位和右旋相位的同时独立调控，即实现了双频双圆极化波束独立可控。
(2)利用K波段双圆极化相移单元和Ka波段双圆极化相移单元共口径周期交错排布的方式实现了双频特性，同时，在K波段双圆极化相移单元的贴片上采取了开“十”字形缝隙处理的方式，缩减了K波段圆形贴片的尺寸，提高了K波段和Ka波段之间的隔离度，保证了K波段和Ka波段的移相精确度。
(3)K波段双圆极化相移单元和Ka波段双圆极化相移单元都采用微带线缝隙耦合贴片的形式，结合缝隙产生的谐振和贴片产生的谐振，使得K波段双圆极化相移单元和Ka波段双圆极化相移单元都具备了宽带特性；此外，利用同时改变微带线长度和金属地板上缝隙尺寸的方式，实现了宽带的相移响应，保证了反射阵天线最终的双频宽带特性，包括增益和轴比宽带特性。
(4)所提出的反射阵天线只采用了单功能层，具备低剖面、易加工、易集成、低成本的优势，反射阵的剖面只有0.28λK，λK表示K波段自由空间波长，与此前已有的双功能层反射阵天线相比剖面降低了近80％，且具备更宽的带宽。
附图说明
图1为本发明所提出的波束独立可控宽带双频双圆极化反射阵天线的三维示意图；
图2是K波段双圆极化相移单元的三维示意图；
图3是Ka波段双圆极化相移单元的三维示意图；
其中，1-K波段宽带圆极化馈源，2-Ka波段宽带圆极化馈源，3-平面反射阵，4-K波段双圆极化相移单元，5-Ka波段双圆极化相移单元；
3a-第一基片层，3b-第二基片层，3c-第一粘接层；
4a-第一圆形金属贴片，4b-第一金属地板，4c-第一微带传输线，4d-第一金属化过孔，4e-第一金属底板；
5a-第二圆形金属贴片，5b-第二金属地板，5c-第二微带传输线，5d-第二金属化过孔，5e-第二金属底板；
图4给出了K波段和Ka波段双圆极化相移单元一至八分别对应的反射系数幅度和反射相位，图4a对应K波段，图4b对应Ka波段；
图5给出了K波段和Ka波段双圆极化相移单元一至八旋转不同角度后所形成的右旋圆极化3比特×左旋圆极化3比特共64个状态反射相位的分布图，图5a对应K波段反射相位，图5b对应Ka波段反射相位；
图6给出了所述波束独立可控宽带双频双圆极化反射阵天线利用K波段右旋圆极化馈源喇叭天线激励时仿真的右旋圆极化和左旋圆极化归一化辐射方向图，图6a对应19GHz时xz面，图6b对应19GHz时yz面，图6c对应20GHz时xz面，图6d对应20GHz时yz面，图6e对应21GHz时xz面，图6f对应21GHz时yz面；
图7给出了所述波束独立可控宽带双频双圆极化反射阵天线利用K波段左旋圆极化馈源喇叭天线激励时仿真的右旋圆极化和左旋圆极化归一化辐射方向图，图7a对应19GHz时xz面，图7b对应19GHz时yz面，图7c对应20GHz时xz面，图7d对应20GHz时yz面，图7e对应21GHz时xz面，图7f对应21GHz时yz面；
图8给出了所述波束独立可控宽带双频双圆极化反射阵天线利用K波段右旋/左旋圆极化馈源喇叭天线激励时仿真的增益和轴比随频率变化的曲线，图8a对应增益，图8b对应轴比。
图9给出了所述波束独立可控宽带双频双圆极化反射阵天线利用Ka波段右旋圆极化馈源喇叭天线激励时仿真的右旋圆极化和左旋圆极化归一化辐射方向图，图9a对应29GHz时xz面，图9b对应29GHz时yz面，图9c对应30GHz时xz面，图9d对应30GHz时yz面，图9e对应31GHz时xz面，图9f对应31GHz时yz面；
图10给出了所述波束独立可控宽带双频双圆极化反射阵天线利用Ka波段左旋圆极化馈源喇叭天线激励时仿真的右旋圆极化和左旋圆极化归一化辐射方向图，图10a对应29GHz时xz面，图10b对应29GHz时yz面，图10c对应30GHz时xz面，图10d对应30GHz时yz面，图10e对应31GHz时xz面，图10f对应31GHz时yz面；
图11给出了所述波束独立可控宽带双频双圆极化反射阵天线利用Ka波段右旋/左旋圆极化馈源喇叭天线激励时仿真的增益和轴比随频率变化的曲线，图11a对应增益，图11b对应轴比。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明
如图1所示，本发明提出了一种波束独立可控的宽带双频双圆极化反射阵天线，反射阵天线包括K波段宽带圆极化馈源1，Ka波段宽带圆极化馈源2和一个平面反射阵3。K波段宽带圆极化馈源1和Ka波段宽带圆极化馈源2都放置在平面反射阵3的焦平面附近。平面反射阵3的直径为D，此处设置为180mm，K波段宽带圆极化馈源1距平面反射阵3的垂直距离为F1，F1/D的值在1～1.5之间，此处设为1.2；Ka波段宽带圆极化馈源2距平面反射阵3的垂直距离为F2，F2/D的值在1～1.5之间，此处设为1.3。
如图1所示，平面反射阵3由K波段双圆极化相移单元4和Ka波段双圆极化相移单元5构成。K波段双圆极化相移单元4和Ka波段双圆极化相移单元5在平面反射阵3上呈共口径周期交错排布，其中K波段双圆极化相移单元4呈二维周期性排布在边长为K波段周期长度的正方形网格顶点上，Ka波段双圆极化相移单元5呈二维周期性排布在边长为K波段周期长度或1.5个Ka波段周期长度的正方形网格中心点上；K波段双圆极化相移单元4的周期为0.3～0.5个K波段波长，此处设置为0.4个K波段波长，Ka波段双圆极化相移单元5的周期为0.5～0.7个Ka波段波长，此处设置为0.6个Ka波段波长。
如图2所示，K波段双圆极化相移单元4由四层金属层，两层基片层和一层粘接层构成；其中K波段第一金属层为中心蚀刻有“十”字形缝隙的第一圆形金属贴片4a，K波段第二金属层为蚀刻有正交“工”字形缝隙的第一金属地板4b，K波段第三金属层为两段长度不同的第一微带传输线4c，两段微带传输线的末端设有第一金属化过孔4d连接至K波段第一金属地板4b，K波段第四金属层为第一金属底板4e。
在K波段第一金属层和K波段第二金属层中间设有第一基片层3a，在K波段第二金属层和K波段第三金属层中间设有第二基片层3b，在K波段第三金属层和K波段第四金属层中间设有空气层，在第一基片3a和第二基片层3b中间设有第一粘接层3c。
K波段双圆极化相移单元4根据八种K波段第三金属层4c两段长度不同微带线的状态命名分为K波段双圆极化相移单元一至单元八。K波段双圆极化相移单元一至单元八的第三金属层4c两段长度不同微带传输线之间的反射相位相差都是180°，保证了每个K波段双圆极化相移单元4都可以接收馈源发射的右旋/左旋圆极化波，并且反射相同旋向的右旋/左旋圆极化波。相邻K波段双圆极化相移单元对应的微带线相位相差22.5°，即K波段双圆极化相移单元一和K波段双圆极化相移单元二之间的相位相差22.5°，K波段双圆极化相移单元二和K波段双圆极化相移单元三之间的相位相差22.5°，依此类推。对K波段双圆极化相移单元一至单元八整体做旋转处理，最终形成K波段右旋圆极化3比特×左旋圆极化3比特共64个状态。图4中的a图，对应K波段的八个相移单元，各个相移单元本质上都是K波段双圆极化相移单元，区别在于这八个单元在第三金属层上微带线长度的不同，相邻的单元之间相位相差22.5°，其余都相同。八个单元的设计是根据反射阵对圆极化相位调控精度确定的。将这八个单元每个分别旋转不同的角度便形成K波段3比特左旋圆极化×3比特右旋圆极化共64种状态。根据反射阵面上K波段左旋圆极化和右旋圆极化所需的相位调控，将对应64种状态中的一种放置于该位置。本发明中，设置的圆极化调控精度是3比特，对应到线极化调控精度为4比特，即相邻单元间的相位相差22.5°，若设置的圆极化调控精度是n(n≥1)比特，则对应的线极化调控精度为(n+1)比特。
当K波段右旋/左旋宽带圆极化喇叭馈源1激励时，所辐射出的右旋/左旋圆极化波的两个正交线极化分量被K波段双圆极化相移单元4的第一圆形金属贴片4a接收，并通过正交“工”字形缝隙耦合到第一微带传输线4c，经过微带线末端的第一金属化过孔4d后返回，通过正交“工”字形缝隙耦合到第一圆形金属贴片4a后向外辐射。由于两段长度不同第一微带传输线4c的长度相差四分之一波长，即两个正交线极化分量的反射相位相差180°，反射波依然为与入射极化旋向相同的圆极化。通过旋转微带线长度不同的K波段双圆极化相移单元一至单元八，可以实现右旋圆极化3比特×左旋圆极化3比特共64个状态，满足了对右旋/左旋圆极化波束的独立可控。
如图3所示，Ka波段双圆极化相移单元5由四层金属层，两层基片层和一层粘接层构成；其中Ka波段第一金属层为第二圆形金属贴片5a，Ka波段第二金属层为蚀刻有正交“工”字形缝隙的第二金属地板5b，Ka波段第三金属层为两段长度不同的第二微带传输线5c，两段微带传输线的末端设有第二金属化过孔5d连接至Ka波段第二金属层，Ka波段第四金属层为第二金属底板5e。
在Ka波段第一金属层和Ka波段第二金属层中间设有第一基片层3a，在Ka波段第二金属层和Ka波段第三金属层中间设有第二基片层3b，在Ka波段第三金属层和Ka波段第四金属层中间设有空气层，在第一基片3a和第二基片层3b中间设有第一粘接层3c。
同理，Ka波段双圆极化相移单元5根据八种Ka波段第三金属层5c两段长度不同微带线的状态命名分为Ka波段双圆极化相移单元一至单元八。Ka波段双圆极化相移单元一至单元八的第三金属层5c两段长度不同微带传输线之间的反射相位相差都是180°，保证了每个Ka波段双圆极化相移单元5都可以接收馈源发射的右旋/左旋圆极化波，并且反射相同旋向的右旋/左旋圆极化波。相邻Ka波段双圆极化相移单元对应的微带线相位相差22.5°，即Ka波段双圆极化相移单元一和Ka波段双圆极化相移单元二之间的相位相差22.5°，Ka波段双圆极化相移单元二和Ka波段双圆极化相移单元三之间的相位相差22.5°，依此类推。对Ka波段双圆极化相移单元一至单元八整体做旋转处理，最终形成Ka波段右旋圆极化3比特×左旋圆极化3比特共64个状态。图4中的b图，对应Ka波段的八个相移单元，各个相移单元本质上都是Ka波段双圆极化相移单元，区别在于这八个单元在第三金属层上微带线长度的不同，相邻的单元之间相位相差22.5°，其余都相同。将这八个单元每个分别旋转不同的角度便形成Ka波段3比特左旋圆极化×3比特右旋圆极化共64种状态。根据反射阵面上Ka波段左旋圆极化和右旋圆极化所需的相位调控，将对应64种状态中的一种放置于该位置。
当Ka波段右旋/左旋宽带圆极化喇叭馈源2激励时，所辐射出的右旋/左旋圆极化波的两个正交线极化分量被Ka波段双圆极化相移单元5的圆形金属贴片5a接收，并通过正交“工”字形缝隙耦合到第二微带传输线5c，在经过微带线末端的第二金属化过孔5d后返回，通过正交“工”字形缝隙耦合到第二圆形金属贴片5a后向外辐射。由于两段长度不同第二微带传输线5c的长度相差四分之一波长，即两个正交线极化分量的反射相位相差180°，反射波依然为与入射极化旋向相同的圆极化。通过旋转微带线长度不同的Ka波段双圆极化相移单元一至单元八，可以实现右旋圆极化3比特×左旋圆极化3比特共64个状态，满足了对右旋/左旋圆极化波束的独立可控。
本发明中，平面反射阵由K波段双圆极化相移单元和Ka波段双圆极化相移单元呈共口径交错周期排布组成，其剖面仅为0.28λK。K波段和Ka波段相移单元呈共口径周期交错排布，其中K波段相移单元周期为0.4个K波段波长，Ka波段相移单元周期为0.6个Ka波段波长。K波段双圆极化相移单元和Ka波段双圆极化相移单元都采用微带线缝隙耦合贴片的形式，结合缝隙产生的谐振和贴片产生的谐振，K波段相移单元阻抗带宽达14.5％，Ka波段相移单元阻抗带宽达15.7％。在K波段第一金属层圆形贴片中间蚀刻有“十”字形的缝隙，“十”字形缝隙的引入缩减了K波段圆形贴片的尺寸，降低了K波段和Ka波段之间的相互干扰，提升了双频工作性能。对于K波段双圆极化相移单元和Ka波段双圆极化相移单元，通过同时改变微带线长度和金属地板上缝隙尺寸的方式，实现了宽带的相移响应，保证了双频反射阵天线最终的宽带特性，包括增益和轴比宽带特性。
根据平面反射阵上K/Ka波段亚波长周期排布对应单元所需的左旋圆极化和右旋圆极化相位，对K/Ka波段双圆极化相移单元一至单元八整体做旋转处理，最终形成右旋圆极化3比特×左旋圆极化3比特共64个状态，即实现了K/Ka波段双圆极化波束的独立可控。最终，K波段右旋圆极化波指向θ＝20°，
Figure BDA0003018546380000092
(θ指俯仰角度，
Figure BDA0003018546380000093
指方位角度)，其增益为27.34dBic，轴比为0.54dB，效率为36.27％；K波段左旋圆极化波指向θ＝20°，
Figure BDA0003018546380000094
其增益为27.42dBic，轴比为0.41dB，效率为36.93％；K波段右旋/左旋圆极化的2dB增益带宽均为15％；轴比小于2dB的带宽均为20％。Ka波段右旋圆极化波指向θ＝-10°，
Figure BDA0003018546380000095
其增益为30.16dBic，轴比为0.81dB，效率为31.4％；Ka波段左旋圆极化波指向θ＝-10°，
Figure BDA0003018546380000096
其增益为30.31dBic，轴比为0.67dB，效率为32.51％；Ka波段右旋/左旋圆极化的2dB增益带宽均为11.7％；轴比小于2dB的带宽均为10.8％。
本发明最终形成的64个状态，如表1所示。
表1
Figure BDA0003018546380000091
表中第一行单元11～单元88为64个单元状态的序号，第二行括号内前一部分指双圆极化相移单元一至单元八，后一部分指单元整体旋转的角度。
图4给出了所述K波段和Ka波段双圆极化相移单元一至单元八分别对应的反射系数幅度和反射相位，可以看出同一单元正交线极化之间的反射相位相差都是180°，且相邻单元之间的反射相位相差是22.5°。
图5给出了所述K波段和Ka波段双圆极化相移单元一至单元八旋转不同角度后所形成的右旋圆极化3比特×左旋圆极化3比特共64个状态的反射相位的分布图。可以看出这64个状态可以提供3比特即45°相移精度的右旋和左旋圆极化波的独立相移控制。
图6给出了所述波束独立可控宽带双频双圆极化反射阵天线利用K波段右旋圆极化馈源喇叭天线激励时在xz平面和yz平面内仿真的右旋圆极化和左旋圆极化归一化辐射方向图。可以看出在xz平面内有一个指向20°方向的右旋圆极化波。
以平面反射阵2所在的平面为xy平面，z轴垂直于xy平面。
图7给出了所述波束独立可控宽带双频双圆极化反射阵天线利用K波段左旋圆极化馈源喇叭天线激励时在xz平面和yz平面内仿真的右旋圆极化和左旋圆极化归一化辐射方向图。可以看出在yz平面内有一个指向20°方向的左旋圆极化波。
图8给出了所述波束独立可控宽带双频双圆极化反射阵天线利用K波段右旋/左旋圆极化馈源喇叭天线激励时仿真的增益和轴比随频率变化的曲线。可以看出K波段右旋/左旋圆极化的2dB增益带宽均为15％；轴比小于2dB的带宽均为20％。
图9给出了所述波束独立可控宽带双频双圆极化反射阵天线利用Ka波段右旋圆极化馈源喇叭天线激励时在xz平面和yz平面内仿真的右旋圆极化和左旋圆极化归一化辐射方向图。可以看出在yz平面内有一个指向-10°方向的右旋圆极化波。
图10给出了所述波束独立可控宽带双频双圆极化反射阵天线利用Ka波段左旋圆极化馈源喇叭天线激励时在xz平面和yz平面内仿真的右旋圆极化和左旋圆极化归一化辐射方向图。可以看出在xz平面内有一个指向-10°方向的左旋圆极化波。
图11给出了所述波束独立可控宽带双频双圆极化反射阵天线利用Ka波段右旋/左旋圆极化馈源喇叭天线激励时仿真的增益和轴比随频率变化的曲线。可以看出Ka波段右旋/左旋圆极化的2dB增益带宽均为11.7％；轴比小于2dB的带宽均为10.8％。
综上所述，本发明提供了一款能够工作于K和Ka波段的波束独立可控宽带双频双圆极化反射阵天线，该反射阵天线具有低剖面、易于加工等结构上的优势，并且能够提供双频双圆极化、宽带、高增益、低轴比、增益抖动小、圆极化波束独立可控的功能，在未来移动通信和卫星通信等领域有着重要的应用前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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 (9)

1.一种波束独立可控的宽带双频双圆极化反射阵天线，其特征在于：包括平面反射阵(3)、正对平面反射阵(3)设置的K波段宽带圆极化馈源(1)和Ka波段宽带圆极化馈源(2)，平面反射阵(3)包括多个呈共口径周期性交错排布的K波段双圆极化相移单元(4)和Ka波段双圆极化相移单元(5)；所述K波段双圆极化相移单元(4)和Ka波段双圆极化相移单元(5)均包括四层金属层；
K波段宽带圆极化馈源(1)和Ka波段宽带圆极化馈源(2)都放置于平面反射阵(3)的焦平面附近，K波段宽带圆极化馈源(1)距平面反射阵(3)的垂直距离为F1，Ka波段宽带圆极化馈源(2)距平面反射阵的垂直距离为F2，F1/D的值在1～1.5之间，F2/D的值在0.6～1.5之间，D为平面反射阵的直径；
K波段双圆极化相移单元(4)呈二维周期性排布在边长为K波段周期长度的正方形网格顶点上，Ka波段双圆极化相移单元(5)呈二维周期性排布在边长为K波段周期长度或1.5个Ka波段周期长度的正方形网格中心点上；
所述K波段双圆极化相移单元(4)中，四层金属层由上至下分别为中心蚀刻有十字形缝隙的第一圆形金属贴片(4a)、蚀刻有正交工字形缝隙的第一金属地板(4b)、位于同一金属层上两段长度不同的第一微带传输线(4c)、第一金属底板(4e)；其中两段第一微带传输线(4c)的末端均设有第一金属化过孔(4d)，第一金属化过孔(4d)连接至第一金属地板(4b)；
所述Ka波段双圆极化相移单元(5)中，四层金属层由上至下分别为第二圆形金属贴片(5a)、蚀刻有正交工字形缝隙的第二金属地板(5b)，位于同一金属层上两段长度不同的第二微带传输线(5c)、第二金属底板(5e)；其中两段第二微带传输线(5c)的末端设有第二金属化过孔(5d)，第二金属化过孔(5d)连接至第二金属地板(5b)；
所述第一圆形金属贴片(4a)和第二圆形金属贴片(5a)均朝向K波段宽带圆极化馈源(1)和Ka波段宽带圆极化馈源(2)设置。
2.根据权利要求1所述的波束独立可控的宽带双频双圆极化反射阵天线，其特征在于：所述K波段双圆极化相移单元(4)的K波段周期长度为0.3～0.5个K波段波长，Ka波段双圆极化相移单元(5)的Ka波段周期长度为0.5～0.7个Ka波段波长。
3.根据权利要求1所述的波束独立可控的宽带双频双圆极化反射阵天线，其特征在于：所述K波段双圆极化相移单元(4)包括K波段第一金属层、K波段第二金属层、K波段第三金属层和K波段第四金属层；在K波段第一金属层和K波段第二金属层之间设有第一基片层(3a)，在K波段第二金属层和K波段第三金属层之间设有第二基片层(3b)，在K波段第三金属层和K波段第四金属层之间设有空气层，在第一基片层(3a)和第二基片层(3b)之间设有第一粘接层(3c)；
所述Ka波段双圆极化相移单元(5)包括Ka波段第一金属层、Ka波段第二金属层、Ka波段第三金属层和Ka波段第四金属层；在Ka波段第一金属层和Ka波段第二金属层中间设有第一基片层(3a)，在Ka波段第二金属层和Ka波段第三金属层中间设有第二基片层(3b)，在Ka波段第三金属层和Ka波段第四金属层中间设有空气层，在第一基片层(3a)和第二基片层(3b)中间设有第一粘接层(3c)。
4.根据权利要求3所述的波束独立可控的宽带双频双圆极化反射阵天线，其特征在于：所述K波段第一金属层和Ka波段第一金属层形状为圆形、环形、“十”字形或多边形中的任一种。
5.根据权利要求1所述的波束独立可控的宽带双频双圆极化反射阵天线，其特征在于：所述K波段双圆极化相移单元(4)的第一圆形金属贴片(4a)上的缝隙在贴片中间，或者在贴片边缘，形状为“十”字形、“米”字形或者无缝隙。
6.根据权利要求1所述的波束独立可控的宽带双频双圆极化反射阵天线，其特征在于：所述第一金属地板(4b)和第二金属地板(5b)上的缝隙形状为“一”字形、“工”字形、“十”字形、“Z”字形或椭圆形中的任一种。
7.根据权利要求1所述的波束独立可控的宽带双频双圆极化反射阵天线，其特征在于：所述第一微带传输线(4c)或第二微带传输线(5c)的形式均为开路微带线、短路微带线、开路带状线、短路带状线、基片集成波导或基片集成同轴线中的任一种。
8.根据权利要求1所述的波束独立可控的宽带双频双圆极化反射阵天线，其特征在于：所述K波段双圆极化相移单元(4)中的两段第一微带传输线(4c)之间长度差为四分之一个K波段波长，反射相位相差180°；
所述Ka波段双圆极化相移单元(5)中的两段第二微带传输线(5c)之间长度差为四分之一个Ka波段波长，反射相位相差180°。
9.根据权利要求8所述的波束独立可控的宽带双频双圆极化反射阵天线，其特征在于：根据各个K波段双圆极化相移单元(4)中第一微带传输线的长度不同，将平面反射阵(3)中的K波段双圆极化相移单元(4)命名为K波段双圆极化相移单元一至K波段双圆极化相移单元八，相邻K波段双圆极化相移单元对应的反射相位相差22.5°；对相位差连续的八个K波段双圆极化相移单元整体做旋转处理，形成K波段右旋圆极化3比特×左旋圆极化3比特共64个状态；
根据各个Ka波段双圆极化相移单元(5)中第二微带传输线的长度不同，将平面反射阵(3)中的Ka波段双圆极化相移单元(5)命名为Ka波段双圆极化相移单元一至Ka波段双圆极化相移单元八，相邻Ka波段双圆极化相移单元对应的反射相位相差22.5°；对相位差连续的八个Ka波段双圆极化相移单元整体做旋转处理，形成Ka波段右旋圆极化3比特×左旋圆极化3比特共64个状态。
CN202110395801.2A 2021-04-13 2021-04-13 波束独立可控的宽带双频双圆极化反射阵天线 Active CN113078477B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110395801.2A CN113078477B (zh) 2021-04-13 2021-04-13 波束独立可控的宽带双频双圆极化反射阵天线
PCT/CN2021/087607 WO2022217558A1 (zh) 2021-04-13 2021-04-15 波束独立可控的宽带双频双圆极化反射阵天线

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110395801.2A CN113078477B (zh) 2021-04-13 2021-04-13 波束独立可控的宽带双频双圆极化反射阵天线

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113078477A CN113078477A (zh) 2021-07-06
CN113078477B true CN113078477B (zh) 2022-03-29

Family

ID=76617454

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110395801.2A Active CN113078477B (zh) 2021-04-13 2021-04-13 波束独立可控的宽带双频双圆极化反射阵天线

Country Status (2)

Country Link
CN (1) CN113078477B (zh)
WO (1) WO2022217558A1 (zh)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114649692B (zh) * 2022-05-19 2022-08-23 东南大学 一种波束独立可控的双频双圆极化透射阵天线
CN114899621B (zh) * 2022-05-31 2024-02-23 中国人民解放军空军工程大学 解耦圆极化四涡旋波束天线及设计方法
CN115395242B (zh) * 2022-08-09 2023-10-10 西安电子科技大学 一种三维共口径多频同极化透反射阵天线
CN116470295B (zh) * 2023-03-30 2024-08-06 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 具有两种圆极化超表面单元的双频可重构反射阵列天线
WO2024197952A1 (zh) * 2023-03-31 2024-10-03 华为技术有限公司 天线单元、天线阵列、阵列天线和信号处理方法
CN116387840B (zh) * 2023-05-25 2023-08-22 四川九洲电器集团有限责任公司 幅相联合调制超构表面和包含该超构表面的透射阵天线
CN116435761B (zh) * 2023-06-14 2024-02-06 南京邮电大学 双圆极化反射阵天线及其辐射波束独立控制方法
CN116565544B (zh) * 2023-06-26 2024-01-26 合肥工业大学 一种几何相位预置技术的极化和波束可重构贴片阵列天线
CN117498046A (zh) * 2023-09-26 2024-02-02 电子科技大学 一种Ka波段双圆极化2bit阵列天线
CN117060097B (zh) * 2023-10-13 2024-01-19 电子科技大学 一种基于反射阵和漏波天线阵的共口径天线

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110401038A (zh) * 2019-07-23 2019-11-01 东南大学 ka波段实现波束扫描的反射式可编程超表面

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6081234A (en) * 1997-07-11 2000-06-27 California Institute Of Technology Beam scanning reflectarray antenna with circular polarization
TW200807809A (en) * 2006-07-28 2008-02-01 Tatung Co Ltd Microstrip reflection array antenna
ES2384836B1 (es) * 2009-09-01 2013-05-20 Fundacio Privada Centre Tecnologic De Telecomunicacions De Catalunya Sistema de antena tipo reflectarray.
CN103730739B (zh) * 2013-12-25 2015-12-02 西安电子科技大学 旋转单元型双频圆极化反射阵天线
EP3138157A1 (en) * 2014-04-30 2017-03-08 Agence Spatiale Européenne Wideband reflectarray antenna for dual polarization applications
CN105356066B (zh) * 2015-11-18 2017-12-29 中国科学院国家空间科学中心 一种X/Ku频段双频双极化微带平板反射阵列天线
CN109742556B (zh) * 2019-01-23 2020-12-25 东南大学 一种宽带圆极化毫米波多馈源多波束透镜天线
CN109818155B (zh) * 2019-03-26 2020-12-11 东南大学 一种波束独立可控的双圆极化毫米波反射阵天线
CN110911831B (zh) * 2019-11-27 2020-10-09 西安电子科技大学 一种采用单线极化馈源的双频圆极化平面透射阵天线
CN211062858U (zh) * 2020-02-24 2020-07-21 西南交通大学 一种高功率容量双频带椭圆贴片反射阵列天线
CN112467399B (zh) * 2020-11-18 2021-12-28 厦门大学 正馈激励多频点新型圆极化毫米波宽带平面反射阵列天线

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110401038A (zh) * 2019-07-23 2019-11-01 东南大学 ka波段实现波束扫描的反射式可编程超表面

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
一种新型线-圆极化转换反射阵天线设计;王泉等;《电子技术应用》(第12期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113078477A (zh) 2021-07-06
WO2022217558A1 (zh) 2022-10-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113078477B (zh) 波束独立可控的宽带双频双圆极化反射阵天线
CN111370860B (zh) 基于交指形阻性表面加载的强耦合超宽带相控阵天线
CN110323575B (zh) 电磁超材料加载的双极化强耦合超宽带相控阵天线
CN101242027B (zh) 定向耦合器馈电低轮廓背腔圆极化天线
WO2022027950A1 (zh) 毫米波双圆极化透镜天线及电子设备
CN113644432B (zh) 一种双圆极化相控阵天线阵列
CN111009728A (zh) 龙伯透镜及基于龙伯透镜阵列的低剖面阵列天线、卫星天线
CN113555697A (zh) 一种基于折合式平面反射阵技术的圆极化高增益天线
CN207852911U (zh) 一种基于连续波相控阵的带状线天线阵
CN113725601A (zh) 一种用于毫米波汽车雷达的多视场阵列天线
CN111490347A (zh) 基于集成馈电结构的超宽带平面螺旋天线装置
CN201130710Y (zh) 一种定向耦合器馈电低轮廓背腔圆极化天线
CN115084872B (zh) 一种超宽带宽扫描角紧耦合相控阵天线
CN114614249B (zh) 一种宽带圆极化磁电偶极子透射阵天线
Vahdani et al. A directive ultra wideband sinuous slot antenna
CN114447589A (zh) 一种基片集成圆极化电磁辐射结构及阵列
Tang et al. A high gain microstrip antenna integrated with the novel FSS
Guo et al. A High-gain Aperture-shared Dual-Band Circularly Polarized Antenna Using Polarizer Integrated Dual-Functional Surface
Zhang et al. Ultra-wideband circularly polarized planar array antenna using single-arm-spiral elements and dielectric-based IMGW
CN116053800A (zh) 一种采用线极化馈源的圆极化滤波透射阵天线
Sahoo et al. A review on Di-electrical resonant antenna based on the performance of gain and bandwidth
CN114614263B (zh) 一种双层金属表面的低剖面宽频带透射阵列天线
CN113285241B (zh) 基于可重组双功能层的宽带双圆极化反射阵天线和设备
Liu et al. An ultra-thin wide-angle scanned planar array antenna for satellite communication
Zou et al. Broadband Millimeter-Wave Microstrip Array for 5G Application

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant