CN114614263A - 一种双层金属表面的低剖面宽频带透射阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双层金属表面的低剖面宽频带透射阵列天线，包括透射阵列和馈源天线；透射阵列为由若干呈周期性分布的透射单元构成的阵列；透射单元包括上层金属表面、介质基板、下层金属表面和一根金属柱；上层金属表面和下层金属表面印刷在介质基板上下层；上层金属表面和下层金属表面中间各有一条缝隙，上下层缝隙正交分布；金属柱连接上下层金属表面；馈源天线向透射阵列发射球面电磁波，经过金属表面实现90°线极化旋转，辐射平面电磁波。本发明的双层金属表面的低剖面宽频带透射阵列天线阵面由一层介质基板组成，其相对剖面较低，工作频带较宽，可靠性高，能够承受一定程度上的大功率，可以适用于较为复杂的工作环境。

Description

一种双层金属表面的低剖面宽频带透射阵列天线
技术领域
本发明涉及无线通信领域中的天线设计技术，特别涉及一种双层金属表面的低剖面宽频带透射阵列天线。
背景技术
在卫星通信、航空航天和雷达探测等领域中，为了应对通信距离远、空间环境相对复杂等问题，需要使用定向性良好的高增益天线。较为常见的高增益天线有抛物面天线、透镜天线、微带相控阵天线等。其中抛物面天线和透镜天线剖面较高，加工较为复杂；微带相控阵天线虽然剖面低，易加工，但是需要复杂的馈电网络，可用带宽较窄。透射阵列天线作为一种高增益天线，它结合了透镜天线与微带阵列天线的优点，具有结构简单、无需设计复杂馈电网络、波束灵活可控等优势，相较于反射阵列天线还可以有效避免馈源遮挡效应，因此受到了研究学者的广泛关注。
在当前透射阵列天线的设计中，为了保证透射单元具备调节相位的能力，通常采用多层结构，这不可避免的使透射阵列天线变得较为复杂；此外，当前多层结构透射阵列天线增益带宽较窄，需要进一步提升和改善。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明目的在于提供一种双层金属表面的低剖面宽频带透射阵列天线，利用透射单元的状态变换获得了0°和180°两种相位，同时在两种相位状态下保持了较宽的通带范围。透射阵列天线仅用一层介质基板，稳定性较好，相对剖面较低，能够承受一定程度上的大功率，适用于较为复杂的工作环境，适用于远距离通信和雷达探测等领域应用。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
本发明提供了一种双层金属表面的低剖面宽频带透射阵列天线，包括透射阵列和馈源天线；
所述透射阵列为由若干呈周期性分布的透射单元构成的阵列；
所述透射单元包括介质基板、上层金属表面、下层金属表面和一根金属柱；上层金属表面和下层金属表面分别印刷在介质基板上下表面，上层金属表面和下层金属表面中间各有一条缝隙，上下层缝隙正交分布，金属柱连接上下层金属表面；
所述馈源天线的相位中心位于透射阵列的焦点处，向透射阵列发射球面电磁波，经过上下层金属表面相对旋转180°调节单元相位，实现90°线极化旋转，辐射平面电磁波。
对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：
上述方案中，优选的，透射阵列的轮廓为矩形或圆形。
优选的，馈源天线采用角锥或圆锥喇叭天线，馈源天线的辐射方向朝向透射阵列。
优选的，上层金属表面和下层金属表面结构相同，为方形，边长与介质基板边长相同，上下层金属表面中间缝隙宽度相同，缝隙长度与上下金属表面边长相同，金属柱的上下端分别连接上层金属表面和下层金属表面的缝隙中部。
优选的，介质基板厚度为H，边长为P，缝隙宽度为S，连接上下层金属表面的金属柱直径为D，金属表面缝隙中用于连接金属柱的延伸金属线长边长度L为(S+D)/2。
优选的，在透射阵列中，单元的排布间距为上下金属表面的边长。
优选的，金属柱是圆柱或棱柱。
优选的，透射单元的上金属表面沿Y轴放置的缝隙分为+X轴和–X轴，连接金属柱的金属条与+X轴相连为状态A；连接金属柱的金属条与–X轴相连为状态B，透射单元状态A和状态B在14.1GHz-19.1GHz时，相位参数相差180°，幅度参数在-1dB以上。
优选的，透射阵列的剖面高度对应0.055倍中心工作频率的波长，增益下降3dB对应的频率范围为14.2GHz-20.3GHz，对应3dB相对增益带宽为35.4％。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
本发明中的透射阵列天线由印刷在介质基板两层金属表面和金属柱组成，与具有多层结构的透射阵列相比，该透射阵列仅有一层介质基板，且没有空气层，剖面较低、结构较为简单、工作频宽较宽、性能较为稳定。在透射单元实现相移功能方面，通过旋转180°其中一层金属表面，可以使得电场反向，从而获得0°和180°两个相位状态，同时在两种相位状态下保持了较宽的通带范围。由于透射单元的上层金属表面中的缝隙与下层金属表面中的缝隙相互正交，能够将接收到的电磁波极化方向旋转90°并辐射出去。与其它多层结构的透射阵列天线相比，本发明在3dB增益下降范围内，对应的频带范围较宽。
此天线具有频带宽、结构简单、剖面较低等优点，适合用于微波中继站、卫星通信、雷达探测等领域。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为本发明具体实施方式中双层金属表面的低剖面宽频带透射阵列天线结构示意图；
图2为本发明具体实施方式中透射单元的立体结构图；
图3为本发明具体实施方式中透射单元的主视图；
图4(a)、(b)为本发明具体实施方式中透射单元的金属表面结构图，其中图4(a)为上层金属表面具体结构及参数示意图，图4(b)为下层金属表面具体结构及参数示意图；
图5(a)、(b)、图5(c)、(d)分别为本发明具体实施方式中透射单元上、下层金属表面中连接的相对位置示意图，(a)、(b)相对状态A示意图，(c)、(d)相对状态B示意图；
图6为本发明具体实施方式中透射单元两种状态的透射幅度和透射相位随频率变化示意图；
图7为本发明具体实施方式中透射单元的透射幅度和透射相位随斜入射角Theta的变化示意图；
图8为本发明具体实施方式中工作在16.5GHz频带的双层金属表面的低剖面宽频带透射阵列天线的E面方向图；
图9为本发明具体实施方式中工作在16.5GHz频带的双层金属表面的低剖面宽频带透射阵列天线的H面方向图；
图10为本发明具体实施方式中双层金属表面的低剖面宽频带透射阵列天线随频率变化的增益仿真曲线图。
图中：1、透射阵列；2、透射单元；3、馈源天线；101、上层金属表面；102、金属柱；103、介质基板；104、下层金属表面。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1所示，为本发明的双层金属表面的低剖面宽频带透射阵列天线的结构示意图，本发明双层金属表面的低剖面宽频带透射阵列天线，包括透射阵列1和馈源天线3。
馈源天线3采用角锥喇叭天线或圆锥喇叭天线，位于透射阵列1的正下方，并且馈源天线3的相位中心位于透射阵列1的焦点处，向透射阵列发射的球面电磁波，经过金属表面实现90°线极化旋转，随后辐射平面电磁波。
透射阵列由若干呈周期性分布的透射单元构成阵列，透射阵列的轮廓为矩形或圆形。
在本发明的一个实施例中，馈源天线3采用角锥喇叭天线，工作频带覆盖12GHz-22GHz。馈源天线2的辐射方向朝向透射阵列。
在本发明的一个实施例中，透射阵列1由20×20个透射单元2组成，透射单元呈周期性分布。
如图2所示，透射单元2包括上层金属表面101、金属柱102、介质基板103、下层金属表面104；上层金属表面101和下层金属表面即104印刷在介质基板103上下层，上层金属表面101和下层金属表面104中间各有一条缝隙，上下层缝隙正交分布，金属柱102的上下端分别连接上下层金属表面的缝隙中部。金属柱是圆柱或棱柱。
在本发明的一个实施例中，上层金属表面和下层金属表面结构相同，为方形，边长与介质基板边长相同，上下层金属表面中间缝隙宽度相同，缝隙长度与上下金属表面边长相同。
透射阵列中，透射单元的间距为上、下金属金属表面的边长。透射阵列的轮廓为矩形或圆形。
在本发明的一个实施例中，透射阵列中上层金属表面101和下层金属表面104均采用黄铜材料，印刷在介质基板103上，如图3所示，介质基板103选用材料为Rogers RO4003C，相对介电常数为3.55，介质基板103的厚度H为1mm，对应0.055倍中心工作频率的波长；金属柱102的直径为0.2mm。
在本发明的一个实施例中，如图4(a)、(b)所示，透射单元中，设介质基板的边长为P，上下层金属表面边长也为P；上下层金属表面中缝隙宽度为S，长为P；金属柱的直径为D；连接金属柱的短金属线宽度和长度分别为W和L，其中L＝(S+D)/2；金属表面透射单元中金属表面(101、104)的具体尺寸见表1所示；
表1
Figure BDA0003569056370000061
在透射单元实现相移的过程中，通过旋转180°其中一层金属表面，可以使得电场反向作用，获得0°和180°两个相位状态，同时在两种相位状态下保持了较宽的通带范围。
如图5(a)、(b)、图5(c)、(d)所示，为本发明的一个实施例中，透射单元具有两种状态，具体为透射单元中，上层金属表面101与下层金属表面104中的连接的相对位置不同，分为相对状态A(图5(a)、(b))与相对状态B(图5(c)、(d))。当透射单元的上金属表面由沿Y轴放置的缝隙分为+X轴和–X轴两块，连接金属柱的金属条和+X轴相连为状态A，连接金属柱的金属条和–X轴相连为状态B。
如图6所示，为本发明的一个实施例中，透射单元的相对状态A与相对状态B所对应的透射参数随频率变化图。相对状态A与相对状态B所对应的幅度参数相同，透射单元状态A和状态B在14.1GHz-19.1GHz时，相位参数相差180°，幅度参数在-1dB以上。
如图7所示，为本发明的一个实施例中，透射单元在不同入射角度Theta下透射幅度和透射相位，在Theta从0°变化至30°的范围下，透射单元的透射幅度变化曲线在2-dB以内，透射相位基本保持一致。
如图8所示，为本发明的一个实施例中，在16.5GHz时，透射阵列天线的E面方向图，第一副瓣与交叉极化均低于-15dB。
如图9所示，为本发明的一个实施例中，在16.5GHz时，透射阵列天线的H面方向图，第一副瓣与交叉极化均低于-15dB。
如图10所示，为本发明的一个实施例中，双层金属表面的低剖面宽频带透射阵列天线随频率变化的增益仿真曲线图，透射阵列的剖面高度对应0.055倍中心工作频率的波长，增益下降3dB对应的频率范围为14.2GHz-20.3GHz，对应3dB相对增益带宽为35.4％。
以上对本发明所提供的一种双层金属表面的低剖面宽频带透射阵列天线进行了详细介绍，并应用了详细的结构设计参数对本发明的原理及实施方式进行了阐述及实现。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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 (10)

1.一种双层金属表面的低剖面宽频带透射阵列天线，其特征在于，包括透射阵列和馈源天线；
所述透射阵列为由若干呈周期性分布的透射单元构成的阵列；
所述透射单元包括介质基板、上层金属表面、下层金属表面和一根金属柱；上层金属表面和下层金属表面分别印刷在介质基板上下表面，上层金属表面和下层金属表面中间各有一条缝隙，上下层缝隙正交分布，金属柱连接上下层金属表面；
所述馈源天线的相位中心位于透射阵列的焦点处，向透射阵列发射球面电磁波，经过上下层金属表面相对旋转180°调节单元相位，实现90°线极化旋转，辐射平面电磁波。
2.根据权利要求1所述的一种双层金属表面的低剖面宽频带透射阵列天线，其特征在于，所述透射阵列的轮廓为矩形或圆形。
3.根据权利要求1所述的一种双层金属表面的低剖面宽频带透射阵列天线，其特征在于，馈源天线采用角锥或圆锥喇叭天线，馈源天线的辐射方向朝向透射阵列。
4.根据权利要求1所述的一种双层金属表面的低剖面宽频带透射阵列天线，其特征在于，所述上层金属表面和下层金属表面结构相同，为方形，边长与介质基板边长相同，上下层金属表面中间缝隙宽度相同，缝隙长度与上下金属表面边长相同，金属柱的上下端分别连接上层金属表面和下层金属表面的缝隙中部。
5.根据权利要求4所述的一种双层金属表面的低剖面宽频带透射阵列天线，其特征在于，介质基板厚度为H，边长为P，缝隙宽度为S，连接上下层金属表面的金属柱直径为D，金属表面缝隙中用于连接金属柱的延伸金属线长边长度L为(S+D)/2。
6.根据权利要求4所述的一种双层金属表面的低剖面宽频带透射阵列天线，其特征在于，在透射阵列中，单元的排布间距为上下金属表面的边长。
7.根据权利要求1所述的一种双层金属表面的低剖面宽频带透射阵列天线，其特征在于，所述金属柱是圆柱或棱柱。
8.根据权利要求1所述的一种双层金属表面的低剖面宽频带透射阵列天线，其特征在于，透射单元的上金属表面沿Y轴放置的缝隙分为+X轴和–X轴，连接金属柱的金属条与+X轴相连为状态A；连接金属柱的金属条与–X轴相连为状态B，透射单元状态A和状态B在14.1GHz-19.1GHz时，相位参数相差180°，幅度参数在-1dB以上。
9.根据权利要求1所述的一种双层金属表面的低剖面宽频带透射阵列天线，其特征在于，透射阵列的剖面高度对应0.055倍中心工作频率的波长，增益下降3dB对应的频率范围为14.2GHz-20.3GHz，对应3dB相对增益带宽为35.4％。
10.一种权利要求1-9任一项所述双层金属表面的低剖面宽频带透射阵列天线在远距离微波中继站、卫星通信、雷达探测中应用。
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