CN115395242B - 一种三维共口径多频同极化透反射阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种三维共口径多频同极化透反射阵天线，主要解决现有透反射阵天线口径复用程度低，辐射波束的极化状态不一致等问题。该天线包括馈源和三维透反射阵面，该三维透反射阵面由宽带透射阵面和双频反射阵面构成，其中宽带透射阵面，是由M1×N1个结构相同但参数不同的宽带透射单元构成，双频反射阵面，是由M2×N2个结构相同但参数不同的双频反射单元构成。其中，宽带透射单元包括位于上方的接收单元和位于下方的发射单元，双频反射单元包括位于上方的垂直相移层和位于下方的平面金属地板。本发明透反射阵天线能工作在三个频段，且透射波束和反射波束具有相同的极化状态。

Description

一种三维共口径多频同极化透反射阵天线
技术领域
本发明属于电磁场与微波技术领域，特别涉及一种三维共口径多频同极化透反射阵天线，可用于多频、双向以及高增益通信场景中。
背景技术
透射阵天线和反射阵天线是两种新型的高增益天线，分别是介质透镜天线和抛物面天线的理想替代者，均具有剖面低、体积小的优点。透射阵天线包括馈源和透射阵面，透射阵面由多个具有不同透射相位的单元构成，目前透射阵单元主要分为多层频率选择表面型单元和接收再发射型单元。多层频率选择表面型单元通常由多个印制有相移贴片的介质层构成，其通过调节相移贴片的尺寸调节单元的透射相位，而接收再发射型单元通常包括接收单元、传输线和发射单元三个部分，该类单元通过调节传输线的长度调节单元的透射相位。由于多层频率选择表面单元通常为谐振结构，其透射频带的带宽较窄，而利用传输线调节透射相位的接收再发射型单元具有更宽的透射频带。反射阵天线与透射阵天线有相似的结构，其包括馈源和反射阵面，其中反射阵面由多个具有不同反射相位的反射单元构成，用于反射馈源辐射的电磁波。
由于透射阵和反射阵天线具有相似的结构，因此可以通过共口径设计，使得两者共享同一馈源和阵面，构成具有多功能的透反射阵天线，使得天线在辐射口径大小相同的条件下，具有多频或多极化的工作特性。目前透反射阵天线主要包括两种类型，一种类型是多频透反射阵天线，一种类型是双极化透反射阵天线，其中多频透反射阵天线相当于两个工作在不同频段的透射阵和反射阵天线共用同一辐射口径，而双极化透反射阵天线相当于两个工作在不同极化的透射阵和反射阵天线共用同一个辐射口径。对于多频率透反射阵天线，反射频段和透射频段的参数会相互干扰，从而影响天线透射波束和反射波束的辐射性能。在实际应用场景中，通常需要使得反射波束和透射波束处于同一极化，而对于双极化透反射阵天线，由于透射波束和反射波束处于不同的极化状态，从而实际应用受到限制。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种三维共口径多频同极化透反射阵天线，主要解决现有透反射阵天线口径复用程度低，辐射波束的极化状态不一致等问题，使透射阵天线和反射阵天线共用同一辐射口径，实现口径复用。所设计的天线的工作频段包括一个透射频段和两个反射频段，且该天线所辐射的透射波束和反射波束具有相同的极化状态。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种三维共口径多频同极化透反射阵天线，包括用于辐射准球面波的馈源和用于形成透反射波束的三维透反射阵面；所述三维透反射阵面由用于形成透射波束的宽带透射阵面和用于形成反射波束的双频反射阵面构成；
所述宽带透射阵面，由M1×N1个结构相同但参数不同的宽带透射单元构成，所述宽带透射单元用于在透射频段接收和发射电磁波并调节透射相位；所述双频反射阵面，由M2×N2个结构相同但参数不同的双频反射单元构成，所述双频反射单元用于在高、低频反射频段反射电磁波并调节反射相位；
所述宽带透射单元，由位于上方的接收单元和位于下方的发射单元构成，所述发射单元用于发射电磁波，所述接收单元用于接收电磁波并调节相位；所述双频反射单元，由位于上方的垂直相移层和位于下方的平面金属地板构成，以三维透反射阵面为参考，在空间直角坐标系中，所述平面金属地板位于XY平面；所述平面金属地板用于反射电磁波，所述垂直相移层用于在高、低频反射频段调节反射电磁波的反射相位；
所述双频反射单元位于相邻两个接收单元之间，使得双频反射单元和宽带透射单元各自独立工作、互不干扰；且所述平面金属地板与发射单元紧贴。
在一个实施例中，所述接收单元包括第一上垂直介质基板，所述第一上垂直介质基板的正面印制有上垂直金属地板、上对称型偶极子和上引向贴片，背面印制有上耦合贴片、上馈电线和相移线；
所述发射单元包括下垂直介质基板，所述下垂直介质基板的正面印制有下垂直金属地板、下对称型偶极子和下引向贴片，背面印制有下耦合贴片和下馈电线；
所述第一上垂直介质基板位于YZ平面，所述下垂直介质基板位于XZ平面；
所述第一上垂直介质基板和下垂直介质基板均为长方形结构，其中第一上垂直介质基板的下边沿开有上矩形槽，下垂直介质基板的上边沿开有下矩形槽，且上矩形槽和下矩形槽交叉卡合，使接收单元和发射单元构成十字形结构。
在一个实施例中，所述上垂直金属地板包括位于第一上垂直介质基板下部的上垂直长方形金属贴片，所述上垂直长方形金属贴片开有第一上长方形槽、上圆形谐振腔和第二上长方形槽，第一上长方形槽和第二上长方形槽分别开在上垂直长方形金属贴片的上边沿与下边沿，上圆形谐振腔位于第一上长方形槽和第二上长方形槽之间，与第一上长方形槽连通，与第二上长方形槽不连通；所述上垂直长方形金属贴片的上边沿上方两端连接关于第一上长方形槽对称的上垂直左金属贴片和上垂直右金属贴片；
所述下垂直金属地板包括位于下垂直介质基板上部的下垂直长方形金属贴片，所述下垂直长方形金属贴片上开有第二下长方形槽、下圆形谐振腔和第一下长方形槽，第二下长方形槽和第一下长方形槽分别开在下垂直长方形金属贴片的上边沿与下边沿，下圆形谐振腔位于第二下长方形槽和第一下长方形槽之间，与第一下长方形槽连通，与第二下长方形槽不连通；所述下垂直长方形金属贴片的下边沿下方两端连接关于第一下长方形槽对称的下垂直左金属贴片和下垂直右金属贴片；
所述上对称型偶极子包括第一上倒L型贴片和第二上倒L型贴片，第一上倒L型贴片和第二上倒L型贴片连接于上垂直长方形金属贴片的上方，并关于第一上长方形槽对称；
所述下对称型偶极子包括第一下倒L型贴片和第二下倒L型贴片，第一下倒L型贴片和第二下倒L型贴片连接于下垂直长方形金属贴片的下方，并关于第一下长方形槽对称；
所述上引向贴片位于上对称型偶极子的上方中心处，所述下引向贴片位于下对称型偶极子的下方中心处；
所述上耦合贴片包括左上耦合贴片和右上耦合贴片，分别位于第一上倒L型贴片和第二上倒L型贴片末端相同高度的位置；
所述下耦合贴片包括左下耦合贴片和右下耦合贴片，分别位于第一下倒L型贴片和第二下倒L型贴片末端相同高度的位置；
所述上馈电线包括依次连接的上扇形贴片、第一上弯折馈电贴片和第二上弯折馈电贴片；第一上弯折馈电贴片跨过所述第一上长方形槽；
所述下馈电线包括依次连接的下扇形贴片、第一下弯折馈电贴片和第二下弯折馈电贴片；第一下弯折馈电贴片跨过所述第一下长方形槽；
所述相移线包括四个首尾相连的长方形相移贴片，其两端分别与第二上弯折馈电贴片、第二下弯折馈电贴片相连。
在一个实施例中，每个宽带透射单元的相移线的长度lt由该单元在透射频段的中心频率fT处所需补偿的透射相位φT(xi,yj)决定；
其中，φT(xi,yj)通过如下公式计算：
在上述公式中，(xi,yj)是第i行第j列的宽带透射单元中心处的坐标值，λT是透射频段的中心频率对应的自由空间工作波长，RTij是馈源在fT处的相位中心到上述单元中心的距离，rTij是从宽带透射阵面中心指向上述单元中心的单位向量，rT0是透射波束辐射方向的单位矢量,φT0是透射相位的初始值。
在一个实施例中，所述垂直相移层包括平行相对的第二上垂直介质基板和第三上垂直介质基板，所述第二上垂直介质基板的内侧表面印制有第一Z型金属线、第二Z型金属线和金属曲折线；所述第一Z型金属线和第二Z型金属线关于第二上垂直介质基板的中心轴镜像对称，且均位于金属曲折线的上方；
所述平面金属地板包括平面介质基板，所述平面介质基板的下表面印制有平面金属贴片；
所述第二上垂直介质基板和第三上垂直介质基板放置于XZ平面。
在一个实施例中，所述第二上垂直介质基板和第三上垂直介质基板均为长方形结构，且第二上垂直介质基板与第三上垂直介质基板贴合后放置于宽带透射单元上端，位于相邻两个接收单元之间，并与之相互正交放置于XZ平面；两垂直介质基板的左右两侧与相邻接收单元紧贴，使各结构相对位置固定、不易松动；
所述平面金属地板位于相邻两个接收单元之间，且所述平面金属地板的平面金属贴片与发射单元的上边沿紧贴，使两者相对位置固定、不易松动。
在一个实施例中，每个双频反射单元的第一Z型金属线和第二Z型金属线末端的长度lz由该单元在高频反射频段的中心频率fH处所需补偿的反射相位φH(xi,yj)决定；每个双频反射单元的金属曲折线末端的长度lq由该单元在低频反射频段的中心频率fL处所需补偿的反射相位φL(xi,yj)决定；
其中，φH(xi,yj)和φL(xi,yj)通过如下公式计算：
在上述公式中，(xi,yj)是第i行第j列的双频反射单元中心处的坐标值，λH和λL分别是高频和低频反射频段的中心频率对应的自由空间工作波长，RHij和RLij分别是馈源在fH处和fL处的相位中心到上述单元中心的距离，rHij和rLij均为从双频反射阵面中心指向上述单元中心的单位向量，rH0和rL0分别是反射波束在高频段和低频段的辐射方向的单位矢量,φH0和φL0分别是高频和低频反射相位的初始值。
在一个实施例中，所述三维透反射阵面位于馈源下方，二者的距离f为160.0～240.0mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
第一，本发明采用M1×N1个结构相同但参数不同的宽带透射单元构成宽带透射阵面，由于接收单元和发射单元工作带宽较宽，且相移线能在宽频带内调节单元的透射相位，因此该宽带透射阵面能在较宽的透射频带范围内将馈源辐射的准球面电磁波转化为平面电磁波，并形成透射波束。
第二，本发明采用M2×N2个结构相同但参数不同的双频反射单元构成双频反射阵面，由于Z型金属线和金属曲折线能在两个不同的反射频段范围内独立工作，因此双频反射单元能够分别调节这两个反射频段的反射相位，由双频反射单元构成的双频反射阵面能够在两个不同频段将馈源辐射的准球面电磁波转化为平面电磁波，并在两个不同频段形成反射波束。
第三，由于双频反射单元的垂直相移层与接收单元相互正交，因此双频反射单元和宽带透射单元具有很高的极化隔离度，即在调节反射频段的相位时，透射频段的性能变化很小，且在调节透射频段的相位时，反射频段的性能变化很小。此外，由于宽带透射单元的接收单元与发射单元相互正交，因此该宽带透射单元具有极化旋转的作用，使得宽带透射单元透射的电磁波和双频反射单元反射的电磁波具有相同的极化状态。
附图说明
图1是本发明三维共口径多频同极化透反射阵天线的结构分解图。
图2是本发明透反射阵天线中宽带透射单元的结构分解图。
图3(a)是本发明透反射阵天线中接收单元的前视图、后视图及侧视图。
图3(b)是本发明透反射阵天线中发射单元的前视图、后视图及侧视图。
图4是宽带透射单元在8.5GHz处的透射相位与相移线长度的关系图。
图5是本发明透反射阵天线中双频反射单元的结构分解图。
图6是本发明透反射阵天线中双频反射单元的前视图及侧视图。
图7(a)是双频反射单元在7.0GHz处的反射相位与Z型金属线末端长度的关系图。
图7(b)是双频反射单元在10.0GHz处的反射相位与金属曲折线末端长度的关系图。
图8是本发明实施例1在8.5GHz处，方位角和90°、俯仰角θ＝90°～270°时的x极化辐射方向图。
图9是本发明实施例2在7.0GHz处，方位角和90°、俯仰角θ＝–90°～90°时的x极化辐射方向图。
图10是本发明实施例2在10.0GHz处，方位角和90°、俯仰角θ＝–90°～90°时的x极化辐射方向图。
图11是本发明实施例1在6.0～11.0GHz的频段范围内，方位角俯仰角θ＝180°时的x极化增益曲线图。
图12是本发明实施例2在6.0～11.0GHz的频段范围内，方位角俯仰角θ＝0°时的x极化增益曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例和效果作进一步详细描述。
参照图1，给出如下两种实施例：
实施例1
本实施例的三维共口径多频同极化透反射阵天线，工作在三个频段，且透射波束和反射波束具有相同的极化状态。具体地，其包括馈源1和三维透反射阵面2，其中，馈源1用于辐射准球面波，三维透反射阵面2用于形成透反射波束。该馈源辐射方向图的–10dB半波束宽度为40°，三维透反射阵面2一般应位于馈源1的下方，二者的距离f为160.0～240.0mm，本实施例中选择188.5mm。三维透反射阵面2由宽带透射阵面3和双频反射阵面4构成，宽带透射阵面3用于形成透射波束，双频反射阵面4则用于形成反射波束。
宽带透射阵面3由M1×N1个结构相同但参数不同的宽带透射单元5构成，双频反射阵面4由M2×N2个结构相同但参数不同的双频反射单元6构成，本实施例中，M1＝N1＝16，M2＝N2＝15。
宽带透射单元5用于在透射频段接收和发射电磁波并调节透射相位，其由位于上方的接收单元51和位于下方的发射单元52构成，其中发射单元52用于发射电磁波，接收单元51则用于接收电磁波并调节相位。
双频反射单元6用于在高、低频反射频段反射电磁波并调节反射相位，其由位于上方的垂直相移层61和位于下方的平面金属地板62构成。其中平面金属地板62用于反射电磁波，垂直相移层61用于在高、低频反射频段调节反射电磁波的反射相位。本实施例中，以三维透反射阵面2为参考，则在空间直角坐标系中，平面金属地板62位于XY平面。
双频反射单元6位于相邻两个接收单元51之间，使得双频反射单元6和宽带透射单元5各自独立工作、互不干扰；且平面金属地板62与发射单元52紧贴。
参照图2和图3，本实施例中，接收单元51包括第一上垂直介质基板511和印制在第一上垂直介质基板511正面的上垂直金属地板512、上对称型偶极子513、上引向贴片514，以及印制在第一上垂直介质基板511背面的上耦合贴片515、上馈电线516和相移线517。发射单元52包括下垂直介质基板521和印制在下垂直介质基板521正面的下垂直金属地板522、下对称型偶极子523、下引向贴片524，以及印制在下垂直介质基板521背面的下耦合贴片525和下馈电线526。
根据前述的坐标系，第一上垂直介质基板511位于YZ平面，下垂直介质基板521则位于XZ平面。
本实施例中，第一上垂直介质基板511和下垂直介质基板521均为长方形结构，两者所用材料的相对介电常数均为2.2、损耗角正切均为0.002。第一上垂直介质基板511的高度h1为19.2mm，宽度w1为16.0mm，厚度t1为0.5mm；下垂直介质基板521的高度h2为14.5mm，宽度w2为16.0mm，厚度t2为0.5mm。其中第一上垂直介质基板511的下边沿开有上矩形槽5111，下垂直介质基板521的上边沿开有下矩形槽5211。上矩形槽5111和下矩形槽5211的高度s1均为1.25mm，宽度k1均为0.5mm，且上矩形槽5111和下矩形槽5211上下交叉卡合，使接收单元51和发射单元52构成十字形结构。
本实施例中，上垂直金属地板512主要由上垂直长方形金属贴片5121和位于上垂直长方形金属贴片5121上方的上垂直左金属贴片5122、上垂直右金属贴片5123构成。其中上垂直长方形金属贴片5121位于第一上垂直介质基板511下部，上垂直左金属贴片5122和上垂直右金属贴片5123对称连接在上垂直长方形金属贴片5121的上边沿上方两端。下垂直金属地板522主要由下垂直长方形金属贴片5221和位于该贴片下方的下垂直左金属贴片5222、下垂直右金属贴片5223构成；其中下垂直长方形金属贴片5221位于下垂直介质基板521上部，下垂直左金属贴片5222和下垂直右金属贴片5223对称连接在下垂直长方形金属贴片5221的下边沿下方两端。
其中，上垂直长方形金属贴片5121的高度hg1为11.7mm，宽度wg1为16.0mm，下垂直长方形金属贴片5221的高度hg2为7.0mm，宽度wg2为16.0mm；上垂直左金属贴片5122、上垂直右金属贴片5123、下垂直左金属贴片5222和下垂直右金属贴片5223的高度hp均为1.4mm，宽度wp均为0.6mm。
进一步，上垂直长方形金属贴片5121上开有第一上长方形槽5124、上圆形谐振腔5125和第二上长方形槽5126。其中，第一上长方形槽5124和第二上长方形槽5126分别开在上垂直长方形金属贴片5121的上边沿与下边沿，上圆形谐振腔5125位于第一上长方形槽5124和第二上长方形槽5126之间，与第一上长方形槽5124连通，但与第二上长方形槽5126不连通。上垂直左金属贴片5122和上垂直右金属贴片5123关于第一上长方形槽5124对称。
下垂直长方形金属贴片5221上开有第二下长方形槽5226、下圆形谐振腔5225和第一下长方形槽5224。其中，第二下长方形槽5226和第一下长方形槽5224分别开在下垂直长方形金属贴片5221的上边沿与下边沿，下圆形谐振腔5225位于第二下长方形槽5226和第一下长方形槽5224之间，与第一下长方形槽5224连通，与第二下长方形槽5226不连通。下垂直左金属贴片5222和下垂直右金属贴片5223关于第一下长方形槽5224对称。
本实施例中，第一上长方形槽5124和第一下长方形槽5224的高度su1均为3.61mm，宽度ku1均为0.6mm；上圆形谐振腔5125和下圆形谐振腔5225的半径r1均为1.2mm；第二上长方形槽5126和第二下长方形槽5226的高度su2均为1.0mm，宽度ku2均为0.5mm。
进一步，上对称型偶极子513包括左右对称的第一上倒L型贴片5131和第二上倒L型贴片5132，第一上倒L型贴片5131和第二上倒L型贴片5132连接于上垂直长方形金属贴片5121的上方，并关于第一上长方形槽5124对称。第一上倒L型贴片5131和第二上倒L型贴片5132的高度hs1均为4.2mm、宽度ws1均为6.9mm、线宽ks1均为0.8mm，两者的间距ds1为1.6mm。
下对称型偶极子523包括左右对称的第一下倒L型贴片5231和第二下倒L型贴片5232，第一下倒L型贴片5231和第二下倒L型贴片5232连接于下垂直长方形金属贴片5221的下方，并关于第一下长方形槽5224对称。第一下倒L型贴片5231和第二下倒L型贴片5232的高度hs2均为4.2mm、宽度ws2均为6.9mm、线宽ks2均为0.8mm，两者的间距ds2为1.6mm。
进一步，上引向贴片514和下引向贴片524的高度ht均为0.8mm，宽度wt均为8.0mm；其中，上引向贴片514位于上对称型偶极子513的上方中心处，与上对称型偶极子513的间距dt1为2.0mm，下引向贴片524位于下对称型偶极子523的下方中心处，与下对称型偶极子523的间距dt2为2.0mm。
进一步，上耦合贴片515包括左上耦合贴片5151和右上耦合贴片5152，其位于上对称型偶极子513末端相同高度的位置，具体是分别位于第一上倒L型贴片5131和第二上倒L型贴片5132末端相同高度的位置。下耦合贴片525包括左下耦合贴片5251和右下耦合贴片5252，其位于下对称型偶极子523末端相同高度的位置，具体是分别位于第一下倒L型贴片5231和第二下倒L型贴片5232末端相同高度的位置；其中，四个耦合贴片的高度hb均为0.8mm，宽度wb均为2.0mm。
进一步，上馈电线516包括上扇形贴片5161、第一上弯折馈电贴片5162和第二上弯折馈电贴片5163；第一上弯折馈电贴片5162跨过第一上长方形槽5124。下馈电线526包括下扇形贴片5261、第一下弯折馈电贴片5262和第二下弯折馈电贴片5263；第一下弯折馈电贴片5262跨过第一下长方形槽5224。其中，上扇形贴片5161和下扇形贴片5261的半径r2均为2.12mm，两扇形的圆心角α均为45°；第一上弯折馈电贴片5162和第一下弯折馈电贴片5262的线宽wf1均为0.4mm，线长lf1均为4.73mm；第二上弯折馈电贴片5163的线宽wf2为0.9mm，线长lf2为6.85mm；第二下弯折馈电贴片5263的线宽wf3为0.9mm，线长lf3为6.3mm。
进一步，相移线517包括四个首尾相连的长方形相移贴片，其两端分别与上馈电线516、下馈电线526相连，具体地，是分别与第二上弯折馈电贴片5163、第二下弯折馈电贴片5263相连。该相移线517的线宽wk为0.9mm，线长lt通过该宽带透射单元5在透射频段的中心频率fT处所需补偿的透射相位φT(xi,yj)求得，两者的关系曲线如图4所示，其中，所需补偿的透射相位φT(xi,yj)通过公式<1>求出，其需换算为角度制，lt的单位为mm。
在上述公式中，(xi,yj)是第i行第j列的宽带透射单元5中心处的坐标值，λT是透射频段的中心频率对应的自由空间工作波长，RTij是馈源1在fT处的相位中心到上述单元中心的距离，rTij是从宽带透射阵面3中心指向上述单元中心的单位向量，rT0是透射波束辐射方向的单位矢量,φT0是透射相位的初始值。
参照图5和图6，垂直相移层61主要由第二上垂直介质基板611、第三上垂直介质基板612、以及印刷在第二上垂直介质基板611内侧表面的第一Z型金属线613、第二Z型金属线614和金属曲折线615构成。参考前述坐标系，第二上垂直介质基板611和第三上垂直介质基板612放置于XZ平面，且在本实施例中，二者均为长方形结构。
其中，第二上垂直介质基板611和第三上垂直介质基板612所用材料的相对介电常数均为2.2、损耗角正切均为0.002，两者的高度h3均为11.0mm，宽度w3均为15.5mm，厚度t3均为0.5mm，且第二上垂直介质基板611印制有金属的一面与第三上垂直介质基板612贴合后放置于宽带透射单元5上端，位于相邻两个接收单元51之间，并与之相互正交放置于XZ平面。两垂直介质基板的左右两侧与相邻接收单元紧贴，使各结构相对位置固定、不易松动。
进一步，第一Z型金属线613和第二Z型金属线614关于第二上垂直介质基板611的中心轴镜像对称，二者均位于金属曲折线615上方间距d为0.5mm的位置。
其中，第一Z型金属线613和第二Z型金属线614的高度hz均为3.0mm，宽度wz均为7.0mm，线宽kz均为0.6mm，线间距gz均为0.6mm；所述金属曲折线615的高度hq为5.4mm，宽度wq为14.8mm，线宽kq为0.6mm，线间距gq为0.6mm。
进一步，每个双频反射单元6的第一Z型金属线613和第二Z型金属线614末端的长度lz通过该双频反射单元6在高频反射频段的中心频率fH处所需补偿的反射相位φH(xi,yj)求得，两者的关系曲线如图7中(a)所示；其中，所需补偿的反射相位φH(xi,yj)通过公式<2>求出，其需换算为角度制，lz的单位为mm。
进一步，每个双频反射单元6的金属曲折线615末端的长度lq通过该双频反射单元6在低频反射频段的中心频率fL处所需补偿的反射相位φL(xi,yj)求得，两者的关系曲线如图7中(b)所示；其中，所需补偿的反射相位φL(xi,yj)通过公式<3>求出，其需换算为角度制，lq的单位为mm。
在上述公式中，(xi,yj)是第i行第j列的双频反射单元6中心处的坐标值，λH和λL分别是高频和低频反射频段的中心频率对应的自由空间工作波长，RHij和RLij分别馈源1在fH处和fL处的相位中心到上述单元中心的距离，rHij和rLij均为从双频反射阵面4中心指向上述单元中心的单位向量，rH0和rL0分别是反射波束在高频段和低频段的辐射方向的单位矢量,φH0和φL0分别是高频和低频反射相位的初始值。
进一步，平面金属地板62主要由平面介质基板621和印制在其下表面的平面金属贴片622构成；该平面金属地板62位于相邻两个接收单元51之间，且平面金属贴片622与下方的发射单元52紧贴的上边沿紧贴，使两者相对位置固定、不易松动。该平面介质基板621所用材料的相对介电常数为2.2、损耗角正切为0.002，其长度a1为16.0mm，宽度b1为15.5mm，厚度t为0.5mm；该平面金属贴片622的长度a2为16.0mm，宽度b2为15.0mm。
实施例2
本实施例与实施例1具有相同的结构和参数，仅将实施例1中的馈源绕z轴顺时针旋转90°。
本发明的效果可以通过以下仿真进一步说明：
一、仿真软件：
商用Ansoft HFSS 15.0软件。
二、仿真内容：
仿真1，当方位角和90°、俯仰角θ＝90°～270°时，对本发明实施例1在8.5GHz处的x极化辐射方向图进行了仿真，仿真结果如图8所示。其中，实线为实施例1在/>时的x极化辐射方向图，短划线为实施例1在/>时的x极化辐射方向图。由图8可知，在8.5GHz处，实施例1的最大增益在θ＝180°方向，该最大增益的值为24.7dBi。
仿真2，当方位角和90°、俯仰角θ＝–90°～90°时，对本发明实施例2在7.0GHz处的x极化辐射方向图进行了仿真，仿真结果如图9所示。其中，实线为实施例2在时的x极化辐射方向图，短划线为实施例2在/>时的x极化辐射方向图。由图9可知，在7.0GHz处，实施例2的最大增益在θ＝0°方向，该最大增益的值为22.2dBi。
仿真3，当方位角和90°、俯仰角θ＝–90°～90°时，对本发明实施例2在10.0GHz处的x极化辐射方向图进行了仿真，仿真结果如图10所示。其中，实线为实施例2在/>时的x极化辐射方向图，短划线为实施例2在/>时的x极化辐射方向图。由图10可知，在10.0GHz处，实施例2的最大增益在θ＝0°方向，该最大增益的值为24.6dBi。
仿真4，当方位角俯仰角θ＝180°时，对本发明实施例1在6.0～11.0GHz的频段范围内的x极化增益进行了仿真，仿真结果如图11所示。由图11可知，实施例1在8.5GHz处有最大增益，该最大增益的值为24.7dBi，对应的口径效率为44.6％，实施例1最大增益下降1dB对应的工作频带为7.5～9.7GHz，对应的工作带宽为14.0％。
仿真5，当方位角俯仰角θ＝0°时，对本发明实施例2在6.0～11.0GHz的频段范围内的x极化增益进行了仿真，仿真结果如图12所示。由图12可知，在6.0～8.5GHz的低频范围内，实施例2在7.0GHz处有最大增益，该最大增益的值为22.2dBi，对应的口径效率为37.0％，实施例2在低频处最大增益下降1dB对应的工作频带为6.9～7.5GHz，对应的工作带宽为8.3％；在8.5～11.0GHz的高频范围内，实施例2在10.0GHz处有最大增益，该最大增益的值为24.6dBi，对应的口径效率为31.5％，实施例2在高频处最大增益下降1dB对应的工作频带为9.5～11.0GHz，对应的工作带宽为14.6％。
以上描述仅是本发明的两个实施例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解接本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理和结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求和保护范围内。

Claims (5)

1.一种三维共口径多频同极化透反射阵天线，其特征在于，包括用于辐射准球面波的馈源(1)和用于形成透反射波束的三维透反射阵面(2)；所述三维透反射阵面(2)由用于形成透射波束的宽带透射阵面(3)和用于形成反射波束的双频反射阵面(4)构成；
所述宽带透射阵面(3)，由M1×N1个结构相同但参数不同的宽带透射单元(5)构成，所述宽带透射单元(5)用于在透射频段接收和发射电磁波并调节透射相位；所述双频反射阵面(4)，由M2×N2个结构相同但参数不同的双频反射单元(6)构成，所述双频反射单元(6)用于在高、低频反射频段反射电磁波并调节反射相位；
所述宽带透射单元(5)，由位于上方的接收单元(51)和位于下方的与接收单元(51)正交的发射单元(52)构成，所述发射单元(52)用于发射电磁波，所述接收单元(51)用于接收电磁波并调节相位；所述双频反射单元(6)，由位于上方的垂直相移层(61)和位于下方的平面金属地板(62)构成，以三维透反射阵面(2)为参考，在空间直角坐标系中，所述平面金属地板(62)位于XY平面；所述平面金属地板(62)用于反射电磁波，所述垂直相移层(61)用于在高、低频反射频段调节反射电磁波的反射相位；
所述双频反射单元(6)位于相邻两个接收单元(51)之间，使得双频反射单元(6)和宽带透射单元(5)各自独立工作、互不干扰；且所述平面金属地板(62)与发射单元(52)紧贴；
所述接收单元(51)包括第一上垂直介质基板(511)，所述第一上垂直介质基板(511)的正面印制有上垂直金属地板(512)、上对称型偶极子(513)和上引向贴片(514)，背面印制有上耦合贴片(515)、上馈电线(516)和相移线(517)；
所述发射单元(52)包括下垂直介质基板(521)，所述下垂直介质基板(521)的正面印制有下垂直金属地板(522)、下对称型偶极子(523)和下引向贴片(524)，背面印制有下耦合贴片(525)和下馈电线(526)；
所述第一上垂直介质基板(511)位于YZ平面，所述下垂直介质基板(521)位于XZ平面；
所述第一上垂直介质基板(511)和下垂直介质基板(521)均为长方形结构，其中第一上垂直介质基板(511)的下边沿开有上矩形槽(5111)，下垂直介质基板(521)的上边沿开有下矩形槽(5211)，且上矩形槽(5111)和下矩形槽(5211)交叉卡合，使接收单元(51)和发射单元(52)构成十字形结构；
所述垂直相移层(61)包括平行相对的第二上垂直介质基板(611)和第三上垂直介质基板(612)，所述第二上垂直介质基板(611)的内侧表面印制有第一Z型金属线(613)、第二Z型金属线(614)和金属曲折线(615)；所述第一Z型金属线(613)和第二Z型金属线(614)关于第二上垂直介质基板(611)的中心轴镜像对称，且均位于金属曲折线(615)的上方；
所述平面金属地板(62)包括平面介质基板(621)，所述平面介质基板(621)的下表面印制有平面金属贴片(622)；
所述第二上垂直介质基板(611)和第三上垂直介质基板(612)放置于XZ平面；
所述第二上垂直介质基板(611)和第三上垂直介质基板(612)均为长方形结构，且第二上垂直介质基板(611)与第三上垂直介质基板(612)贴合后放置于宽带透射单元(5)上端，位于相邻两个接收单元(51)之间，并与之相互正交放置于XZ平面；两垂直介质基板的左右两侧与相邻接收单元紧贴，使各结构相对位置固定、不易松动；
所述平面金属地板(62)位于相邻两个接收单元(51)之间，且所述平面金属地板(62)的平面金属贴片(622)与发射单元(52)的上边沿紧贴，使两者相对位置固定、不易松动。
2.根据权利要求1所述三维共口径多频同极化透反射阵天线，其特征在于，所述上垂直金属地板(512)包括位于第一上垂直介质基板(511)下部的上垂直长方形金属贴片(5121)，所述上垂直长方形金属贴片(5121)开有第一上长方形槽(5124)、上圆形谐振腔(5125)和第二上长方形槽(5126)，第一上长方形槽(5124)和第二上长方形槽(5126)分别开在上垂直长方形金属贴片(5121)的上边沿与下边沿，上圆形谐振腔(5125)位于第一上长方形槽(5124)和第二上长方形槽(5126)之间，与第一上长方形槽(5124)连通，与第二上长方形槽(5126)不连通；所述上垂直长方形金属贴片(5121)的上边沿上方两端连接关于第一上长方形槽(5124)对称的上垂直左金属贴片(5122)和上垂直右金属贴片(5123)；
所述下垂直金属地板(522)包括位于下垂直介质基板(521)上部的下垂直长方形金属贴片(5221)，所述下垂直长方形金属贴片(5221)上开有第二下长方形槽(5226)、下圆形谐振腔(5225)和第一下长方形槽(5224)，第二下长方形槽(5226)和第一下长方形槽(5224)分别开在下垂直长方形金属贴片(5221)的上边沿与下边沿，下圆形谐振腔(5225)位于第二下长方形槽(5226)和第一下长方形槽(5224)之间，与第一下长方形槽(5224)连通，与第二下长方形槽(5226)不连通；所述下垂直长方形金属贴片(5221)的下边沿下方两端连接关于第一下长方形槽(5224)对称的下垂直左金属贴片(5222)和下垂直右金属贴片(5223)；
所述上对称型偶极子(513)包括第一上倒L型贴片(5131)和第二上倒L型贴片(5132)，第一上倒L型贴片(5131)和第二上倒L型贴片(5132)连接于上垂直长方形金属贴片(5121)的上方，并关于第一上长方形槽(5124)对称；
所述下对称型偶极子(523)包括第一下倒L型贴片(5231)和第二下倒L型贴片(5232)，第一下倒L型贴片(5231)和第二下倒L型贴片(5232)连接于下垂直长方形金属贴片(5221)的下方，并关于第一下长方形槽(5224)对称；
所述上引向贴片(514)位于上对称型偶极子(513)的上方中心处，所述下引向贴片(524)位于下对称型偶极子(523)的下方中心处；
所述上耦合贴片(515)包括左上耦合贴片(5151)和右上耦合贴片(5152)，分别位于第一上倒L型贴片(5131)和第二上倒L型贴片(5132)末端相同高度的位置；
所述下耦合贴片(525)包括左下耦合贴片(5251)和右下耦合贴片(5252)，分别位于第一下倒L型贴片(5231)和第二下倒L型贴片(5232)末端相同高度的位置；
所述上馈电线(516)包括依次连接的上扇形贴片(5161)、第一上弯折馈电贴片(5162)和第二上弯折馈电贴片(5163)；第一上弯折馈电贴片(5162)跨过所述第一上长方形槽(5124)；
所述下馈电线(526)包括依次连接的下扇形贴片(5261)、第一下弯折馈电贴片(5262)和第二下弯折馈电贴片(5263)；第一下弯折馈电贴片(5262)跨过所述第一下长方形槽(5224)；
所述相移线(517)包括四个首尾相连的长方形相移贴片，其两端分别与第二上弯折馈电贴片(5163)、第二下弯折馈电贴片(5263)相连。
3.根据权利要求2所述三维共口径多频同极化透反射阵天线，其特征在于，每个宽带透射单元(5)的相移线(517)的长度lt由该单元在透射频段的中心频率fT处所需补偿的透射相位φT(xi,yj)决定；
其中，φT(xi,yj)通过如下公式计算：
在上述公式中，(xi,yj)是第i行第j列的宽带透射单元(5)中心处的坐标值，λT是透射频段的中心频率对应的自由空间工作波长，RTij是馈源(1)在fT处的相位中心到上述单元中心的距离，rTij是从宽带透射阵面(3)中心指向上述单元中心的单位向量，rT0是透射波束辐射方向的单位矢量,φT0是透射相位的初始值。
4.根据权利要求1所述三维共口径多频同极化透反射阵天线，其特征在于，每个双频反射单元(6)的第一Z型金属线(613)和第二Z型金属线(614)末端的长度lz由该单元在高频反射频段的中心频率fH处所需补偿的反射相位φH(xi,yj)决定；每个双频反射单元(6)的金属曲折线(615)末端的长度lq由该单元在低频反射频段的中心频率fL处所需补偿的反射相位φL(xi,yj)决定；
其中，φH(xi,yj)和φL(xi,yj)通过如下公式计算：
在上述公式中，(xi,yj)是第i行第j列的双频反射单元(6)中心处的坐标值，λH和λL分别是高频和低频反射频段的中心频率对应的自由空间工作波长，RHij和RLij分别是馈源(1)在fH处和fL处的相位中心到上述单元中心的距离，rHij和rLij均为从双频反射阵面(4)中心指向上述单元中心的单位向量，rH0和rL0分别是反射波束在高频段和低频段的辐射方向的单位矢量,φH0和φL0分别是高频和低频反射相位的初始值。
5.根据权利要求1所述三维共口径多频同极化透反射阵天线，其特征在于，所述三维透反射阵面(2)位于馈源(1)下方，二者的距离f为160.0～240.0mm。
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