CN113555697A - 一种基于折合式平面反射阵技术的圆极化高增益天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于折合式平面反射阵技术的圆极化高增益天线，涉及电磁场与微波技术领域，包括馈源、主反射面和副反射面，其中，馈源位于主反射面的相位中心，馈源置于主反射面的一侧，副反射面放置在主反射面的另一侧；副反射面正对馈源并与主反射面平行；主反射面由若干个排列成阵列的主反射面单元组成，副反射面由多个整齐排列成阵列的副反射面单元组成；副反射面单元包括第一介质基板、第二介质基板、顶部发射层、中间接地层、底部接收层和第一粘合层。本发明天线实现了单极化透射的同时兼具极化转换器的功能；天线具有高增益、低剖面、窄波束的特性，并且在一定的频段内可以辐射圆极化波。
Description
技术领域
本发明涉及电磁场与微波技术领域，特别是一种基于折合式平面反射阵技术的圆极化高增益天线。
背景技术
圆极化天线在对抗多径干扰或衰落以及降低电离层的“法拉第旋转”效应方面非常有效。所以，在卫星通信、移动通信等应用场合都需要圆极化天线。在卫星通讯、射电天文、雷达通信、深空探索等工程应用领域，对天线高增益、窄波束、低剖面、小型化的需求也日益增多。传统的抛物面天线仍是使用比较广泛的高增益天线，它具有结构简单、指向性强和低副瓣的优点，但是抛物面天线体积庞大和机械波束扫描的特性，使得它在对集成度和灵活性要求比较高的电路中的应用存在很大的局限性。
折合式平面反射阵天线(Folded Refelctarray Antenna，FRA)是在平面反射阵天线基础上提出的一种高增益天线，相较于平面反射阵天线，折合式平面反射阵天线高度降低了一半，并且消除了口径遮挡问题。由于折合式平面反射阵天线具有低剖面、高辐射效率、体积小、损耗低、重量轻、低成本、窄波束和易加工等优点，一经提出就受到了广泛关注。折合式平面反射阵天线由馈源、主反射面以及副反射面组成。目前的研究工作主要集中在主反射面性能的改进，而有关副反射面的研究较少。因此，对副反射面的结构和性能改进具有非常重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于折合式平面反射阵技术的圆极化高增益天线，本发明采用可以实现线极化-圆极化转换的频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)作为折合式反射面天线的副反射面，设计一种Ka波段的圆极化高增益、窄波束、低剖面天线，其中心频率在30GHz。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
根据本发明提出的一种基于折合式平面反射阵技术的圆极化高增益天线，包括馈源、主反射面和副反射面，其中，
馈源位于主反射面的相位中心，馈源置于主反射面的一侧，副反射面放置在主反射面的另一侧；
副反射面正对馈源并与主反射面平行；
主反射面由若干个排列成阵列的主反射面单元组成，副反射面由多个整齐排列成阵列的副反射面单元组成；
副反射面单元包括第一介质基板、第二介质基板、顶部发射层、中间接地层、底部接收层和第一粘合层；其中，顶部发射层附在第一介质基板上表面，中间接地层附在第一层介质基板下表面，底部接收层附在第二介质基板下表面，第一粘合层用于将第一介质基板下表面与第二介质基板上表面粘合，顶部发射层与底部接收层通过金属过孔相连；顶部发射层为切角的矩形金属贴片，底部接收层为带有U型槽的金属贴片。
作为本发明所述的一种基于折合式平面反射阵技术的圆极化高增益天线进一步优化方案，主反射面单元包括第三介质基板、第四介质基板、第一金属贴片、第二金属贴片、第三金属贴片和第二粘合层，其中，第一金属贴片附在第三介质基板的上表面，第二金属贴片附在第四介质基板的上表面，第三介质基板的下表面通过第二粘合层设置在第二金属贴片上，第三金属贴片为金属地，第三金属贴片位于第四介质基板的下表面。
作为本发明所述的一种基于折合式平面反射阵技术的圆极化高增益天线进一步优化方案，副反射面单元是一种孔径耦合型结构，底部接收层接收的能量由过孔耦合至顶层发射层。
作为本发明所述的一种基于折合式平面反射阵技术的圆极化高增益天线进一步优化方案，顶部发射层、中间接地层和底部接收层均为金属层；采用RF28半固化PP片作为第一粘合层、第二粘合层，分别将第一介质基板和第二介质基板，第三介质基板和第四介质基板压合。
作为本发明所述的一种基于折合式平面反射阵技术的圆极化高增益天线进一步优化方案，摆放副反射面时，底部接收层一面正对主反射面，底部接收层的U型槽缝隙方向应与馈源主模电场方向垂直，以保证天线使用。
作为本发明所述的一种基于折合式平面反射阵技术的圆极化高增益天线进一步优化方案，第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板和第四介质基板的材料为TLY-5材料。
作为本发明所述的一种基于折合式平面反射阵技术的圆极化高增益天线进一步优化方案，馈源采用矩形角锥喇叭天线。
作为本发明所述的一种基于折合式平面反射阵技术的圆极化高增益天线进一步优化方案，馈源材料为铜导体，采用标准矩形波导WR28进行馈电。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
（1）本发明基于折合式平面反射阵天线技术，以线极化-圆极化转换的FSS作为副反射面，设计了Ka波段的圆极化高增益天线。天线实现了单极化透射的同时兼具极化转换器的功能；
（2）天线具有高增益、低剖面、窄波束的特性，并且在一定的频段内可以辐射圆极化波；
（3）在29GHz-32GHz内增益都大于25dBi，最大口径效率可达44.4 %，天线在28.9GHz-30.6GHz频段内具有较好的线极化-圆极化转换特性。
附图说明
图1为圆极化高增益天线原理图。
图2为馈源结构示意图；其中，(a)为主视图，（b）为左视图。
图3为主反射面单元结构图；其中，(a)为主视图，（b）为左视图。
图4为副反射面单元结构图；其中，(a)为单元整体结构，(b)为顶部发射层结构，(c)为底部接收层结构。
图5为不同极化方向入射时副反射面单元传输响应；其中，(a)为y极化入射时副反射面单元反射系数，(b)为x极化入射时副反射面单元传输特性。
图6为圆极化高增益天线阵列在CST软件中模型图；其中，(a)为三维结构图，(b)为正视图，（c）为左视图。
图7为线极化-圆极化转换FSS单元与圆极化FRA轴比比较图。
图8为圆极化FRA在29GHz-32GHz频率范围内仿真辐射方向图；其中，(a)为29GHz，(b)为30GHz，(c)为31GHz，(d)为32GHz。
图中的附图标记解释为：1-6是用于标记主反射面单元结构，其中，1为主反射面单元中的第一金属贴片，2 为第二金属贴片，3为第三金属贴片，4为第三介质基板、5为第二粘合层，6为第四介质基板；7-14是用于标记副反射面单元结构，其中，7为副反射面单元的顶部发射层，8为连接顶部发射层7与底部接收层14的金属过孔，9为第一介质基板，10为中间接地层，11为第一粘合层，12为第二介质基板，13为底部接收层14上的U形槽，14为底部接收层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。
FSS是由完全相同的谐振单元排列在介质基板上组成的二维或三维周期性阵列结构，理论分析时FSS通常被看作是无限大平面周期结构。在频率选择方面，FSS可以透过一定频段电磁波的同时反射另一个频段的电磁波。在极化选择方面，对极化敏感，FSS可以反射TE极化波透射TM极化波，或者反射TM极化波透射TE极化波，从而实现单极化透射。因此FSS本质上是“空间滤波器”和“空间反射器”的结合。FSS的馈电形式与折合式平面反射阵天线一致，属于空间馈电方式，这有利于把FSS和折合式平面反射阵天线进行一体化设计，即可将FSS应用于折合式平面反射阵天线的副反射面。FSS结构形式多样，可以改变副反射面结构形式，使得天线可以具有高增益、宽频段工作、选择性滤波或极化转换器等多种特性。
折合式平面反射阵天线由馈源、主反射面和副反射面三个部分组成，并以线极化-圆极化转换的FSS作为副反射面。天线工作在Ka波段，中心频率在30GHz。馈源采用矩形角锥喇叭天线，材料为铜导体，采用标准矩形波导WR28进行馈电。主反射面单元选用普通双层贴片结构，有两层TLY-5介质基板，通过半固化PP片将两片附有贴片的介质基板进行压合。副反射面单元是一种孔径耦合型结构，同样采用TLY-5材料作为介质基板材料，采用RF28半固化片作为粘合层将两层介质基板压合。
将主反射面单元和副反射面单元组阵，最终将馈源天线放置在主反射面相位中心，副反射面正对主反射面，并且副反射面的底部接收层一面朝向主反射面，组成圆极化折合式平面反射阵天线。
图1给出了本发明天线的结构和工作原理，馈源辐射一种极化方向的线极化波，经单极化透射的副反射面全反射至主反射面，利用主反射面上的双层贴片结构，对线极化波进行相位补偿和极化扭转。从而将入射的球面波转换成平面波，同时将入射波的极化方向扭转90°。因此由主反射面反射的线极化波与原极化方向正交，可透过副反射面，并再次辐射。辐射时，副反射面独特的顶层发射层结构将入射的线极化转化为圆极化波出射。F是焦距，D为天线口面直径，H为馈源中心到副反射面的距离，即天线高度，H=F/2。
图2所示为本案采用的馈源天线结构示意图，图2中的（a）为主视图，图2中的(b)为侧视图，本案采用标准矩形波导WR28进行馈电，宽度和高度分别为7.112mm和3.556mm，长度为10mm，辐射口径大小为20mm×15mm，辐射高度为16mm。
图3所示为主反射面单元结构图，图3中的（a）为主视图，图3中的(b)为侧视图；主反射面单元由第三介质基板4（厚度为H 1，相对介电常数ε r1 ）、第四介质基板6（厚度为H 1，相对介电常数ε r1 ）、第一金属贴片1、第二金属贴片2、第三金属贴片3和第二粘合层5组成。根据实际加工需要，附有贴片的第三介质基板和第四介质基板需要通过第二粘合层(厚度为H 2，相对介电常数ε r2 )进行压合。中间层贴片的w沿x方向，l沿y方向，顶层贴片尺寸由中间层贴片尺寸和系数k决定。
图4给出了副反射面单元结构图，单元由第一介质基板9和第二介质基板12，顶部发射层7、中间接地层10、底部接收层14和第一粘合层11组成，单元结构沿yox面放置。图4中的（a）为单元整体结构，图4中的（b）为顶部发射层附在第一介质基板上表面的结构图，顶部发射层上开有金属过孔8与底部接收层相连，图4中的（c）为底部接收层附在第二介质基板下表面的结构图。第一介质基板和第二介质基板均选用TLY-5(厚度为h 1，相对介电常数为ε r1 )材料，结合实际需要，采用RF28(厚度为h 2，相对介电常数为ε r3 )半固化片作为第一粘合层将两块介质基板压合。中间接地层为金属贴片。顶部发射层为切角矩形金属贴片，主要作用是将线极化转换成圆极化形式辐射出去；采用带有U型槽13的金属贴片作为底部接收层，在工作频段内，它可将一种线极化波全反射并且将另一种与之完全正交的线极化波进行透射。底部接收层与顶部发射层通过金属化过孔相连，从而实现能量的耦合。
图5中的(a)所示为y线极化波以不同角度入射时线极化-圆极化转换FSS单元传输响应的仿真结果。当入射角在0°至40°的范围内变化时，反射系数都在0dB左右，表明FSS对y线极化波有良好的抑制作用，y线极化波被全反射，当入射角度达到60°时劣化明显，在31.7GHz处出现传输极点达到最低点低于-24dB，因此y极化波入射角在0°至50°的变化范围内，FSS单元都能保持较好的反射特性。本发明天线焦径比F/D等于1时，主反射面与FSS间距H= 49.5mm，天线口面直径为99mm，因此最大入射角度约为47°，基本上可以满足单极化透射设计要求。图5中的(b)给出了x线极化波入射时FSS的传输特性曲线，从图中可以看出其-10dB阻抗带宽为28.6GHz-32GHz，透射系数维持在-3dB左右，也就是x线极化波在这个频段内都可以被透射出去。线极化转圆极化要求透射系数包含x和y两个方向上的分量相同且维持在-3dB左右。
图6所示为圆极化折合式反射阵天线模型图，图6中的（a）为整体结构，图6中的（b）为左视图，图6中的（c）为正视图，馈源位于主反射面的相位中心，副反射面正对馈源，平行主反射面放置，并且底部接收层一面正对主反射面，与主反射面之间的距离为H。主反射面口面直径为D。副反射面是线极化-圆极化FSS单元整齐排列在一起形成的阵列。需要注意的是，副反射面位置摆放时，接收层“U”型缝隙方向应与馈源主模电场方向垂直，以保证天线正常使用。
综合得出圆极化FRA工作流程可以描述为，馈源位于主反射面的相位中心对副反射面辐射一种线极化的球面波，并且波的极化方向使波不能透过副反射面。球面波经副反射面全反射，再由主反射面进行相位补偿和极化扭转，反射出与原极化方向完全正交的线极化平面波，副反射面对此线极化波透射，并且在通带范围内，经过顶部发射层，将部分频段的线极化波转换为圆极化波。
图7所示为圆极化FRA与线极化-圆极化FSS单元的轴比比较，FSS单元3dB轴比带宽为28.72GHz-30.46GHz，在这个频段内FSS单元有着较好的极化转换特性。综合可以得知，x线极化在3.4GHz(28.6GHz~32GHz)的通带范围内，在28.72GHz-30.46GHz频率范围内被转换为圆极化波。在29GHz-32GHz工作带宽内圆极化FRA轴比曲线相较于FSS单元轴比曲线略有偏移，变化趋势相同，总体看来基本吻合，阵列轴比在28.9GHz-30.6GHz频段内在3dB以下，3dB轴比带宽为5.6%。
图8中的（a）、（b）、（c）、（d）分别所示为圆极化FRA在频率29GHz、30GHz、31GHz、32GHz处仿真辐射方向图，增益都大于25dBi，E面和H面半功率波束宽度都在6°左右，辐射方向图基本保持不变，说明在工作带宽内天线性能保持稳定。天线波束宽度较窄，具有良好的指向性。整体而言，该天线在线极化波激励时，具有高增益、窄波束以及在一定频段内辐射圆极化波的特点。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于折合式平面反射阵技术的圆极化高增益天线，其特征在于，包括馈源、主反射面和副反射面，其中，
馈源位于主反射面的相位中心，馈源置于主反射面的一侧，副反射面放置在主反射面的另一侧；
副反射面正对馈源并与主反射面平行；
主反射面由若干个排列成阵列的主反射面单元组成，副反射面由多个整齐排列成阵列的副反射面单元组成；
副反射面单元包括第一介质基板、第二介质基板、顶部发射层、中间接地层、底部接收层和第一粘合层；其中，顶部发射层附在第一介质基板上表面，中间接地层附在第一层介质基板下表面，底部接收层附在第二介质基板下表面，第一粘合层用于将第一介质基板下表面与第二介质基板上表面粘合，顶部发射层与底部接收层通过金属过孔相连；顶部发射层为切角的矩形金属贴片，底部接收层为带有U型槽的金属贴片。
2.根据权利要求1所述的一种基于折合式平面反射阵技术的圆极化高增益天线，其特征在于，主反射面单元包括第三介质基板、第四介质基板、第一金属贴片、第二金属贴片、第三金属贴片和第二粘合层，其中，第一金属贴片附在第三介质基板的上表面，第二金属贴片附在第四介质基板的上表面，第三介质基板的下表面通过第二粘合层设置在第二金属贴片上，第三金属贴片为金属地，第三金属贴片位于第四介质基板的下表面。
3.根据权利要求1所述的一种基于折合式平面反射阵技术的圆极化高增益天线，其特征在于，副反射面单元是一种孔径耦合型结构，底部接收层接收的能量由过孔耦合至顶层发射层。
4.根据权利要求2所述的一种基于折合式平面反射阵技术的圆极化高增益天线，其特征在于，顶部发射层、中间接地层和底部接收层均为金属层；采用RF28半固化PP片作为第一粘合层、第二粘合层，分别将第一介质基板和第二介质基板，第三介质基板和第四介质基板压合。
5.根据权利要求1所述的一种基于折合式平面反射阵技术的圆极化高增益天线，其特征在于，摆放副反射面时，底部接收层一面正对主反射面，底部接收层的U型槽缝隙方向应与馈源主模电场方向垂直，以保证天线使用。
6.根据权利要求2所述的一种基于折合式平面反射阵技术的圆极化高增益天线，其特征在于，第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板和第四介质基板的材料为TLY-5材料。
7.根据权利要求1所述的一种基于折合式平面反射阵技术的圆极化高增益天线，其特征在于，馈源采用矩形角锥喇叭天线。
8.根据权利要求1所述的一种基于折合式平面反射阵技术的圆极化高增益天线，其特征在于，馈源材料为铜导体，采用标准矩形波导WR28进行馈电。
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2021
- 2021-06-21 CN CN202110685053.1A patent/CN113555697A/zh active Pending
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