CN113644432B - 一种双圆极化相控阵天线阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双圆极化相控阵天线阵列，属于天线技术领域。包含有若干个相控阵天线阵元；相控阵天线阵元包含有微带贴片的辐射单元、双圆极化馈电网络、集中参数容性加载单元以及AMC反射地板；辐射单元包含有位置为一上一下的两个偶极子，两个偶极子呈十字交叉分布；偶极子的辐射臂均为渐变结构的椭圆形；偶极子的辐射臂末端均设置有集中参数容性加载单元；辐射单元置于AMC反射地板的正上方；双圆极化馈电网络为四馈点网络，分别给两个相邻的辐射臂提供90°或270°相位差的馈电，且能够实现左旋圆极化或右旋圆极化；双圆极化馈电网络包含有电桥组合单元，电桥组合单元采用GaAs工艺。实现超宽带和低剖面的双圆极化相控阵天线阵列。

Description

一种双圆极化相控阵天线阵列

技术领域

本发明涉及一种双圆极化相控阵天线阵列，属于天线技术领域。

背景技术

电磁波在传播过程中遇到反射折射会引起极化方向偏转，这会导致在接收端电磁波的极化方向与天线的极化方向不同（极化失配），然而圆极化波可以使用任意线极化天线接收，圆极化天线也可接收任意极化方向的来波。圆极化波在雨、雪天气中的衰减小，穿透电离层能力强，不受地球两极磁场产生的法拉第效应影响，安装调试简单（不用调整极化），所以在卫星通信、无线局域网、电子对抗、合成孔径成像雷达等方面具有大量的应用。工程上，一般发射为左旋圆极化，接收为右旋圆极化，实现双圆极化即可用于发射也可用于接收。

现有圆极化卫星通信地面天线多为反射面天线，天线剖面很高，而且天线都是为了实现单一频段的工作，其用在通信或者雷达等上时工作带宽都相对较窄。由于通信、雷达等多个频段融合应用以及合成孔径雷达、电子对抗等宽频段圆极化相控阵的需求，以及在很多场景下提出的RCS等低剖面的要求，超宽带低剖面圆极化天线具有很大的应用空间。其中在C/Ku频段，由于天线尺寸相对较大，实现超宽带低剖面相对较难。

现有超宽带低剖面阵列天线大多采用线极化形式，应用场景多为线极化的雷达，对于卫星通信等所需要的超宽带低剖面圆极化天线涉及相对较少。通过对现有技术文献的检索发现，苏州大学一篇名称为《超宽带圆极化阵列及馈电网络的研究》的论文记载有关于圆极化天线阵列的超宽带和其馈电网络的研究，据记载：圆极化阵列工作在S（2~4GHz）波段附近，实现了2.1倍频程的轴比带宽和2.6倍频程的阻抗带宽，但其馈电网络相对复杂，并且其为非相控阵扫描设计。西安电子科技大学一篇名称为《S波段宽带圆极化天线的设计》的论文也记载了关于圆极化天线的研究，据记载：实现了S波段圆极化阵列天线的设计，工作带宽为11%，带宽较窄。合肥工业大学一篇名称为《超宽带圆极化天线单元及阵列研究》的论文记载有关于超宽带圆极化天线阵列的研究，据记载：实现了一款6-13GHz（阻抗带宽和轴比73.68%）的5*5阵列天线的设计，扫描角度±45°，未实现双圆极化。专利名称为《一种紧耦合低剖面超宽带双极化相控阵阵列天线》的专利文献中记载：实现了一种紧耦合低剖面超宽带双极化相控阵阵列天线，该阵列天线的有源驻波带宽约2.5~18GHz，本身设计为双线极化，而且其结构设计相对复杂，天线剖面尺寸达到7mm。专利名称为《一种超宽带低剖面天线阵列结构 》的专利文献中记载：实现了一种超宽带低剖面天线阵列结构，但是只能实现单线极化。

微带贴片天线具有剖面低、易于加工的特点，微带贴片天线在工程中实现了大规模的应用。目前常规的微带圆极化天线或受制于单个单元形式引起的增益过低以及无法相扫的缺点，或者受制于大型相控阵列天线带宽过窄，而无法实现宽带相扫的问题。以上两种情况都无法满足宽带相扫的工程需求。超宽带相控阵天线由于需要考虑整个频带内大扫描角度栅瓣的问题，天线单元间距不宜做的太大。对于矩形布阵，间距限值一般为： ，其中是最大扫描角，是相控阵工作波段对应的最小波长。这个尺寸相对于谐振类天线而言，在低频段尺寸很小，设计相对较难，故对于大带宽的相控阵列天线设计相对较难（低频相对尺寸过小，高频相对尺寸过大）。紧耦合阵天线的出现改变了这一局面，然而紧耦合阵的实际工程应用相对较少，并不能满足当前工程设计的需要。

因此为适应卫星通信、电子对抗、合成孔径等应用的现状，需要开展宽带、超宽带或者多频点低剖面圆极化相控阵天线的研制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种实现超宽带和低剖面的双圆极化相控阵天线阵列。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种双圆极化相控阵天线阵列，包含有若干个相控阵天线阵元；所述相控阵天线阵元包含有微带贴片的辐射单元、双圆极化馈电网络、集中参数容性加载单元以及AMC反射地板；所述辐射单元包含有位置为一上一下的两个偶极子，两个偶极子呈十字交叉分布；所述偶极子的辐射臂均为渐变结构的椭圆形；所述偶极子的辐射臂末端均设置有集中参数容性加载单元；所述辐射单元置于AMC反射地板的正上方；所述双圆极化馈电网络为四馈点网络，分别给两个相邻的辐射臂提供90°或270°相位差的馈电，且能够实现左旋圆极化或右旋圆极化；所述双圆极化馈电网络包含有电桥组合单元，所述电桥组合单元采用GaAs工艺。

优化地，所述偶极子的辐射臂，其椭圆形的短轴与长轴之比为0.5：1至0.8：1。

优化地，所述电桥组合单元包含有一个90°电桥和两个180°电桥。

优化地，所述偶极子的辐射臂分别为第一辐射臂、第二辐射臂、第三辐射臂以及第四辐射臂。

优化地，所述双圆极化馈电网络包含有两个输入端口，分别为LHCP和RHCP，且激励信号从所述两个输入端口输入；通过所述90°电桥接入LHCP或RHCP的激励信号，且其中一个输出端口与第一180°电桥连接，另一个输出端口与第二180°电桥连接；所述第一180°电桥的其中一个输出端口连接至第四辐射臂的激励端口，第一180°电桥的另一个输出端口连接至第二辐射臂的激励端口；所述第二180°电桥的其中一个输出端口连接至第三辐射臂的激励端口，第二180°电桥的另一个输出端口连接至第一辐射臂的激励端口。

优化地，所述相控阵天线阵元按均匀的矩形排布。

优化地，所述相控阵天线阵元的工作频段为6-18GHz。

本发明的工作原理为：传统的微带贴片单极子天线通过加载技术可以实现低剖面，但是相对带宽一般不到10%，进一步考虑采用宽带的蝶形偶极子作为相控阵天线阵元，但是蝶形偶极子的工作带宽一般为两倍频程，不能实现三倍频程。本发明为实现双圆极化，通过采用十字交叉的偶极子作为辐射单元，偶极子的辐射臂采用渐变结构的椭圆形；椭圆形是在蝶形的基础上做的改进，椭圆形辐射臂相比蝶形辐射臂，其渐变的轮廓最大程度的保证了增益对辐射面积的要求，同时结合末端加载方式，相比顶部加载等方式减小了阵元的厚度，椭圆形渐变结构和末端加载两者共同实现阵元尺寸的减小，满足相控阵列高频部分对天线单元间距值的要求，进而有效的展宽了工作带宽。相控阵列天线电压驻波比、增益、波束宽度等是天线的重要指标，此类十字交叉阵元受电压驻波比变大而影响工作带宽，本技术方案采用的末端电容性加载可以很好的改善电压驻波比。同时考虑到分布参数方式的末端加载结构复杂，设计难度相对较大，本技术方案采用的是集中参数加载技术，但是集中加载都会降低天线辐射效率，减小天线辐射增益。为提高天线辐射效率，增加天线的辐射增益，本技术方案进一步的采用AMC反射地板。AMC反射地板相比传统金属板而言，其采用共面紧凑型光子晶体结构（UC-PBG），共面紧凑型光子晶体周期贴片之间的间隙相当于电路中的电容C，周期贴片之间细线连接部分相当于电路中的电感L，同样可以构成一个经典的LC谐振电路，可以实现对入射波引入的相移为0°，通过改变镜像电流的作用结果可突破使用平台的边界条件约束，提供一种控制表面波传播、金属表面衍射特性等功能的新的边界条件。由此AMC反射地板改提高了天线辐射效率，增加了天线辐射增益，进一步展宽天线的工作带宽，与传统的反射地板相比较，AMC结构实现的天线剖面厚度减小，进一步实现了低剖面。本发明的馈电网络采用GaAs工艺的电桥组合结构，由于GaAs工艺的电桥具有尺寸小，工作带宽宽，插入损耗低的特点，工程设计中大大简化了馈电网络设计的难度。采用该种馈电网络，使相控阵天线的工程设计能够更加方便、快捷，小尺寸的特点方便相控阵阵列天线在有限尺寸空间的馈线布局，同时该馈电网络同时具有左旋和右旋激励输入端口，适用阵列不同的发射需求和接收需求。

本发明的有益效果是：通过采用宽带十字交叉偶极子，偶极子的辐射臂采用渐变的椭圆形，馈电单元采用GaAs工艺的电桥组合，加载单元采用末端容性加载方式，以及采用AMC反射地板，共同实现超宽带和低剖面的双圆极化相控阵天线阵列。其中：实现三倍频程的带宽，带宽范围为6-18GHz；实现很低的剖面；天线阵列结合时延线移相器可实现最大12GHz的瞬时带宽；阵列结构简单，易于加工，同时覆盖频段宽，在相控阵低剖面设计中，可以减少设计工作量，缩短工程研制周期；可以结合具体的工程需求做成通用单元，快速方便地应用到机载，弹载卫星通信、电子对抗、数据链通信等通信系统中；通过后端馈电网络设计，用无源组阵的方式，代替传统的反射面天线同时，本发明实现的天线可应用到更低频率，实现低频段的低剖面、双圆极化设计。

附图说明

图1是天线阵元示意性结构图；

图2是天线阵元俯视图；

图3是电桥组合结构原理框图；

图4是实施例对应的天线单元电压驻波比测试图；

图5是实施例对应的天线单元方位、俯仰方向图（6GHz）；

图6是实施例对应的天线单元方位、俯仰方向图（12GHz）；

图7是实施例对应的天线单元方位、俯仰方向图（18GHz）；

图8为实施例对应的天线单元方位、俯仰轴比图（6GHz）；

图9为实施例对应的天线单元方位、俯仰轴比图（12GHz）；

图10为实施例对应的天线单元方位、俯仰轴比图（18GHz）；

图11为实施例对应的4*4天线阵列分布图；

图12为实施例对应的阵列方位面扫描0°、±30°、±60°方向图（12GHz，实线未加标识对应0°，三角形标识对应+30°，菱形标识对应-30°，加号标识对应-60°，圆形标识对应+60°）；

图13为实施例对应的阵列俯仰面扫描0°°、±30°、±60°方向图（12GHz，实线未加标识对应0°，三角形标识对应+30°，菱形标识对应-30°，加号标识对应-60°，圆形标识对应+60°）；

图14为实施例对应的阵列方位面0°、30°、60°轴比图（12GHz，实线未加标识对应0°，三角形标识对应+30°，圆形标识对应+60°）；

图15为实施例对应的阵列俯仰面0°、30°、60°轴比图（12GHz，实线未加标识对应0°，三角形标识对应+30°，圆形标识对应+60°）。

图中，1-相控阵天线阵元，2-辐射单元，201-第一辐射臂，202-第二辐射臂，203-第三辐射臂，204-第四辐射臂，3-集中参数容性加载单元，4-AMC反射地板。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种双圆极化相控阵天线阵列，实现三倍频程的轴比带宽以及阻抗带宽，工作带宽范围为6-18GHz，方位面和俯仰面的扫描角实现±60°。

如图1和图2所示，相控阵天线阵列采用多个均匀且呈矩形分布的相控阵天线阵元1，相控阵天线阵元1采用一上一下的两个十字交叉的偶极子辐射单元2，辐射单元2为微带金属贴片。偶极子的辐射臂为椭圆形，分别为：第一辐射臂201，第二辐射臂202，第三辐射臂203，第四辐射臂204。

如图3所示，天线阵元的双圆极化馈电网络为四馈点网络，通过电桥组合单元实现，分别给两个相邻的辐射臂提供90°相位差的馈电。双圆极化馈电网络还包含有两个激励信号输入端口LHCP和RHCP。电桥组合单元由一个90°电桥和两个180°电桥构成。通过90°电桥接入LHCP或RHCP的激励信号，90°电桥的一个输出端口与第一180°电桥（图中位于上方的180°电桥）连接，另一个输出端口与第二180°电桥（图中位于下方的180°电桥）连接；第一180°电桥的其中一个输出端口连接至第四辐射臂（图中辐射臂4）的激励端口，第一180°电桥的另一个输出端口连接至第二辐射臂（图中辐射臂2）的激励端口；第二180°电桥的其中一个输出端口连接至第三辐射臂（图中辐射臂3）的激励端口，第二180°电桥的另外一个输出端口连接至第一辐射臂（图中辐射臂1）的激励端口。当双圆极化馈电网络从LHCP输入端口接入激励信号时，第一辐射臂至第四辐射臂通过馈电网络得到的信号激励相位（以第一辐射臂得到的相位作为基准相位，即其与自身的相位差为0°）分别为：0°，90°，180°，270°,得到左旋圆极化波。当双圆极化馈电网络从RHCP输入端口接入激励信号时，第一辐射臂至第四辐射臂通过馈电网络得到的信号激励相位（以第一辐射臂得到的相位作为基准相位，即其与自身的相位差为0°）分别为：0°，270，180°，90°，得到右旋圆极化波。

主要的，电桥采用GaAs （砷化镓）工艺制成。

如图1所示，在四个辐射臂的末端增设有集中参数容性加载单元3，即采用的是电容性的加载方式。在辐射单元2的下方加载有AMC反射地板4。本实施例中采用的AMC反射地板4采用的结构为：将 UC-PBG周期性贴片蚀刻在一个金属地板上构成AMC反射地板4。

为验证本发明的天线阵元在6-18GHz频带内是否满足方向图以及轴比等指标要求，做出以下验证：根据天线经验计算公式计算出相关联的参数数值，其中椭圆形短轴与长轴之比取值0.62，然后采用三维电磁仿真软件HFSS周期结构仿真流程，对应实现的天线阵元尺寸为：8.5mm×8.5mm×3.8mm。天线阵元电压驻波比的仿真输出如图4所示，方向图的仿真输出如图5-7所示，轴比的仿真输出如图8-10所示。

如图11所示，将以上天线阵元组成4*4相控阵列，进一步验证天线阵列的指标。得到的阵列电尺寸高度为4.8mm。通过三维电磁仿真软件HFSS进行仿真实验，仿真结果对应的是右旋圆极化方式。由于天线对称性，左旋圆极化仿真结果与右旋圆极化类似。如图12-15为12GHz中心频率时阵列的方向图和轴比图。

由图可以看出，天线阵列具有良好的指标输出，通过本技术方案实现了三倍频程的工作带宽，3.8mm的剖面高度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种双圆极化相控阵天线阵列，其特征在于：包含有若干个相控阵天线阵元；所述相控阵天线阵元包含有微带贴片的辐射单元、双圆极化馈电网络、集中参数容性加载单元以及AMC反射地板；所述辐射单元包含有位置为一上一下的两个偶极子，两个偶极子呈十字交叉分布；所述偶极子的辐射臂均为渐变结构的椭圆形；所述偶极子的辐射臂末端均设置有集中参数容性加载单元；所述辐射单元置于AMC反射地板的正上方；所述双圆极化馈电网络为四馈点网络，分别给两个相邻的辐射臂提供90°或270°相位差的馈电，且能够实现左旋圆极化或右旋圆极化；所述双圆极化馈电网络包含有电桥组合单元，所述电桥组合单元采用GaAs工艺。

2.根据权利要求1所述的一种双圆极化相控阵天线阵列，其特征在于：所述偶极子的辐射臂，其椭圆形的短轴与长轴之比为0.5：1至0.8：1。

3.根据权利要求2所述的一种双圆极化相控阵天线阵列，其特征在于：所述电桥组合单元包含有一个90°电桥和两个180°电桥。

4.根据权利要求3所述的一种双圆极化相控阵天线阵列，其特征在于：所述偶极子的辐射臂分别为第一辐射臂、第二辐射臂、第三辐射臂以及第四辐射臂。

5.根据权利要求4所述的一种双圆极化相控阵天线阵列，其特征在于：所述双圆极化馈电网络包含有两个输入端口，分别为LHCP和RHCP，且激励信号从所述两个输入端口输入；通过所述90°电桥接入LHCP或RHCP的激励信号，且其中一个输出端口与第一180°电桥连接，另一个输出端口与第二180°电桥连接；所述第一180°电桥的其中一个输出端口连接至第四辐射臂的激励端口，第一180°电桥的另一个输出端口连接至第二辐射臂的激励端口；所述第二180°电桥的其中一个输出端口连接至第三辐射臂的激励端口，第二180°电桥的另一个输出端口连接至第一辐射臂的激励端口。

6.根据权利要求1-5项任一项所述的一种双圆极化相控阵天线阵列，其特征在于：所述相控阵天线阵元按均匀的矩形排布。

7.根据权利要求6所述的一种双圆极化相控阵天线阵列，其特征在于：所述相控阵天线阵元的工作频段为6-18GHz。

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