CN117691361B - 基于可调相极化扭转表面的宽带低剖面圆极化反射阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明属于反射阵列天线技术领域，具体涉及基于可调相极化扭转表面的宽带低剖面圆极化反射阵列天线。本发明包括上下设置的多功能极化转换器和可调相极化扭转表面；可调相极化扭转表面包括若干个呈周期性排列的可调相极化扭转表面单元；多功能极化转换器包括若干个呈周期性排列的多功能极化转换器单元。本发明提出的可调相极化扭转表面单元具有极化扭转特性，可将入射电磁波的极化方向扭转为正交极化方向的电磁波，可应用于折叠型反射阵列中，降低阵列的整体剖面。本发明提出的多功能极化转换器具有极化选择和极化转换两个作用，可反射X极化方向的电磁波，透射Y极化的电磁波，且将Y极化方向的电磁波转换为圆极化电磁波。

Description

基于可调相极化扭转表面的宽带低剖面圆极化反射阵列天线

技术领域

本发明属于反射阵列天线技术领域，具体涉及基于可调相极化扭转表面的宽带低剖面圆极化反射阵列天线。

背景技术

随着6G移动通信、雷达、卫星等无线通讯系统的迅速发展，高增益、宽带、低剖面已经成为现代毫米波天线的发展趋势之一。此外，为了满足现代移动通信对信号抗干扰、实现运动载体通讯等需求，还需要天线具备圆极化特性，以减少极化损失。反射阵列天线作为一种兼具低剖面微带阵列天线和高增益反射面天线特点的新型天线，具有增益大、馈电简单、易加工、成本低等优点。但是，传统的圆极化反射阵列天线常常需要馈源也具有圆极化特性，对馈源性能要求较高，导致馈源结构复杂，成本较高。此外，由于采取空间馈电方式，反射阵列天线馈源与阵面之间剖面较高，不易与其他系统集成，这限制了其在当前毫米波通讯系统中的应用。

近年来，采用成本较低的线极化天线作为馈源，通过在反射阵列面上加载极化栅格，可实现圆极化特性。C.Zhang等人提出了一种基于线极化馈源的圆极化反射阵列天线，其在由线极化馈源馈电的折叠反射阵列天线的基础上，再增加一层线极化转圆极化的极化栅格，使得最终辐射出去的电磁波为圆极化。该圆极化反射阵列天线剖面大大降低，但是，由于反射阵列单元的窄带特性，最终实现的圆极化反射阵列带宽也较窄。

发明内容

本发明针对上述现有技术中的不足，提出了基于可调相极化扭转表面的宽带低剖面圆极化反射阵列天线，该天线能在较低的剖面下实现较宽的带宽。

本发明为实现上述发明目的，采取的技术方案如下：

基于可调相极化扭转表面的宽带低剖面圆极化反射阵列天线，包括上下设置的多功能极化转换器和可调相极化扭转表面；所述可调相极化扭转表面包括若干个呈周期性排列的可调相极化扭转表面单元；所述可调相极化扭转表面单元包括从上至下依次层叠设置的上层金属贴片层、第一上层介质基板层、中间金属地层、第一下层介质基板层及下层微带线层；所述上层金属贴片层包括若干个呈周期性排列的正方形金属贴片；所述中间金属地层刻蚀有两条正交的耦合缝隙；所述两条正交的耦合缝隙的中间相交为矩形缝隙；所述下层微带线层设置两条传输线；所述传输线两端均加载匹配枝节；所述多功能极化转换器包括若干个呈周期性排列的多功能极化转换器单元；所述多功能极化转换器单元包括从上至下依次层叠设置的第二上层介质基板层、中上介质基板层、中下介质基板层、第二下层介质基板层及下层金属栅格层；所述第二上层介质基板层上表面设置上层弯折线；所述中上介质基板层上表面设置中上弯折线，且与第二上层介质基板层下表面之间设置为上层空气层；所述中下介质基板层上表面设置中下层弯折线，且与中上介质基板层下表面之间设置为中间空气层；所述第二下层介质基板层上表面与中下介质基板层下表面之间设置为下层空气层；所述下层金属栅格层为矩形栅格；所述天线还包括极化扭转相位补偿反射表面；所述极化扭转相位补偿反射表面的中心镂空设置馈源喇叭。

进一步的作为本发明的优选技术方案，所述馈源喇叭输出X极化方向的线极化电磁波，入射到多功能极化选择器的下表面，反射到可调相极化扭转表面上。

进一步的作为本发明的优选技术方案，所述可调相极化扭转表面上的若干个可调相极化扭转超表面单元通过上层金属贴片层接收X极化的电磁波，经过中间金属地层上的Y轴方向的耦合缝隙到下层微带线层上，再通过微带线扭转实现90°极化扭转以及相应的相位补偿，经由中间金属地层上X轴方向的耦合缝隙到上层金属贴片层，再次入射到多功能极化转换器上。

进一步的作为本发明的优选技术方案，所述两条传输线关于极化扭转相位补偿反射表面单元的中心点呈180°旋转对称。

进一步的作为本发明的优选技术方案，所述上层金属贴片层还可以设置为矩形金属贴片、十字形金属贴片及工字形金属贴片中的任意一种。

进一步的作为本发明的优选技术方案，所述两条正交的耦合缝隙的中间相交还可以为十字形缝隙、领结形缝隙及锯齿形缝隙中的任意一种。

进一步的作为本发明的优选技术方案，所述下层微带线层还可以设置为共面波导、悬置微带线及槽线中的任意一种。

进一步的作为本发明的优选技术方案，所述下层金属栅格层还可以设置为开口环形栅格、箭形栅格及十字形栅格中的任意一种。

本发明所述的基于可调相极化扭转表面的宽带低剖面圆极化反射阵列天线，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明提出的可调相极化扭转表面单元具有极化扭转特性，可将入射电磁波的极化方向扭转为正交极化方向的电磁波，可应用于折叠型反射阵列中，降低阵列的整体剖面。

(2)本发明提出的可调相极化扭转表面单元具有30.2％的-10dB极化扭转带宽。

(3)本发明提出的可调相极化扭转表面单元利用真延迟线实现超过360°的相位调节，且能在较宽的频段内实现线性相位。

(4)本发明提出的多功能极化转换器具有极化选择和极化转换两个作用，可反射X极化方向的电磁波，透射Y极化的电磁波，且将Y极化方向的电磁波转换为圆极化电磁波。

(5)本发明提出的多功能极化转换器单元具有较宽的极化转换带宽。

(6)本发明提出的基于可调相极化扭转表面的圆极化反射阵列天线由于其极化选择特性，通过引入多功能极化选择器，剖面能够降低一半。

(7)本发明提出的基于可调相极化扭转表面的圆极化反射阵列天线，采用双面微波介质板，结构简单，加工容易，成本和重量都相对较小，因而可以大规模生产。

附图说明

图1是本发明实施例天线立体结构示意图；

图2是本发明实施例天线侧视图；

图3是本发明实施例天线的可调相极化扭转表面示意图；

图4是本发明实施例天线的多功能极化转换器示意图；

图5是本发明实施例天线的可调相极化扭转表面单元立体结构示意图；

图6是本发明实施例天线的上层金属贴片层及第一上层介质基板层结构示意图；

图7是本发明实施例天线的中间金属地层及两条正交的耦合缝隙结构示意图；

图8是本发明实施例天线的第一下层介质基板层及下层微带线层结构示意图；

图9是本发明实施例天线的多功能极化转换器单元结构示意图；

图10是本发明实施例天线的第二上层介质基板层及上层弯折线结构示意图；

图11是本发明实施例天线的中上介质基板层及中上弯折线结构示意图；

图12是本发明实施例天线的第二下层介质基板层及下层金属栅格层结构示意图；

图13是本发明实施例天线的可调相极化扭转表面单元反射幅度和相位响应性能图；

图14是本发明实施例天线的可调相极化扭转表面单元在不同微带线长度下的反射幅度和相位响应性能图；

图15是本发明实施例天线的多功能极化转换器单元的幅度和相位响应性能图；

图16是本发明实施例天线在中心频率的E面和H面方向图；

图17是本发明实施例天线在中心频率的主极化方向图和轴比方向图；

图18是本发明实施例天线的增益和轴比随频率变化性能图。

附图中，1-可调相极化扭转表面单元；2-多功能极化转换器单元；3-上层金属贴片层；4-第一上层介质基板层；5-中间金属地层；6-第一下层介质基板层；7-下层微带线层；8-耦合缝隙；9-传输线；10-上层弯折线；11-第二上层介质基板层；12-上层空气层；13-中上弯折线；14-中上介质基板层；15-中间空气层；16-中下层弯折线；17-中下介质基板层；18-下层空气层；19-第二下层介质基板层；20-下层金属栅格层。

具体实施方式

下面结合附图详细的描述本发明的作进一步的解释说明，以使本领域的技术人员可以更深入地理解本发明并能够实施，但下面通过参考实例仅用于解释本发明，不作为本发明的限定。

如图1-12所示，基于可调相极化扭转表面的宽带低剖面圆极化反射阵列天线，包括上下设置的多功能极化转换器和可调相极化扭转表面；可调相极化扭转表面包括若干个呈周期性排列的可调相极化扭转表面单元1；可调相极化扭转表面单元1包括从上至下依次层叠设置的上层金属贴片层3、第一上层介质基板层4、中间金属地层5、第一下层介质基板层6及下层微带线层7；上层金属贴片层3包括若干个呈周期性排列的正方形金属贴片；中间金属地层5刻蚀有两条正交的耦合缝隙8；两条正交的耦合缝隙8的中间相交为矩形缝隙；下层微带线层7设置两条传输线9；传输线9两端均加载匹配枝节；多功能极化转换器包括若干个呈周期性排列的多功能极化转换器单元2；多功能极化转换器单元2包括从上至下依次层叠设置的第二上层介质基板层11、中上介质基板层14、中下介质基板层17、第二下层介质基板层19及下层金属栅格层20；第二上层介质基板层11上表面设置上层弯折线10；中上介质基板层14上表面设置中上弯折线13，且与第二上层介质基板层11下表面之间设置为上层空气层12；中下介质基板层17上表面设置中下层弯折线16，且与中上介质基板层14下表面之间设置为中间空气层15；第二下层介质基板层19上表面与中下介质基板层17下表面之间设置为下层空气层18；下层金属栅格层20为矩形栅格；天线还包括极化扭转相位补偿反射表面；极化扭转相位补偿反射表面的中心镂空设置馈源喇叭。

馈源喇叭输出X极化方向的线极化电磁波，入射到多功能极化选择器的下表面，由于多功能极化选择器的极化选择特性，X极化方向的电磁波无法透过该结构，而是反射到可调相极化扭转表面上。可调相极化扭转表面上的若干个可调相极化扭转超表面单元1通过上层金属贴片层3接收X极化的电磁波，经过中间金属地层5上的Y轴方向的耦合缝隙8到下层微带线层7上，再通过微带线扭转实现90°极化扭转以及相应的相位补偿，经由中间金属地层5上X轴方向的耦合缝隙8到上层金属贴片层3，再次入射到多功能极化转换器上。两条传输线9关于极化扭转相位补偿反射表面单元的中心点呈180°旋转对称。

上层金属贴片层3还可以设置为矩形金属贴片、十字形金属贴片及工字形金属贴片中的任意一种。两条正交的耦合缝隙8的中间相交还可以为十字形缝隙、领结形缝隙及锯齿形缝隙中的任意一种。下层微带线层7还可以设置为共面波导、悬置微带线及槽线中的任意一种。下层金属栅格层20还可以设置为开口环形栅格、箭形栅格及十字形栅格中的任意一种。

本实施例中提到X轴方向为竖直方向，Y轴方向为水平方向，各个部分的尺寸如下：介质基板的介电常数ε_r为[2.2，6.2]，厚度均为[0.02λ，0.1λ]，金属地板厚度为[0.005λ，0.1λ]。其中λ为自由空间波长。

如图5-8所示，可调相极化扭转超表面单元1为正方形结构，它的边长a为[0.3λ，λ]。其中正方形金属贴片尺寸sur_w为[0.1λ，0.5λ]，相邻两个贴片之间的缝隙sur_s为[0.01λ，0.1λ]。缝隙的长度slot_l为[0.02λ，λ],宽度slot_w为[0.01λ，0.2λ],中间匹配缝隙宽度wideslot为[0.01λ，0.2λ]。微带线的宽度mic_w为[0.01λ,0.2λ]，阻抗匹配枝节的宽度stub_w为[0.01λ,0.2λ]，长度stub_l为[0.01λ,0.2λ]。弯折型带状线总长度length＝2l₁+2l₂+2l₃为[0.1λg,1.5λg]，其中λg为介质波长，通过调节微带线9的总长度，使得可调相极化扭转超表面单元1具有相位调节效果。

如图9-12所示，多功能极化选择器单元2为正方形结构，它的边长b为[0.2λ，λ]。其中弯折线尺寸l₁,l₂,l₃和l₄尺寸为[0.1λ，0.5λ]，w₁和w₂尺寸为[0.01λ，0.1λ]。栅格宽度w尺寸为[0.01λ，0.1λ]，相邻栅格之间间隙s尺寸为[0.1λ，0.5λ]。其中λ为自由空间波长。

可调相极化扭转表面单元1的介质基板的介电常数εr为3.38，第一上层介质基板层4厚度h1＝0.508mm，第一下层介质基板层6厚度h2＝0.254mm；可调相极化扭转表面单元1的边长是a＝6mm。

正方形金属贴片的边长sur_w＝2.2mm,相邻两个贴片之间的间距sur_s＝0.3mm；金属地板上蚀刻的缝隙的尺寸为slot_l＝3.4mm,slot_w＝0.2mm，中间匹配缝隙宽度wideslot＝0.9mm，微带线的宽度mic_w＝0.25mm，阻抗匹配枝节的尺寸stub_w＝0.4mm，stub_l＝0.7mm。弯折型带状线的总长度length＝2l₁+2l₂+2l₃为2.2mm-12.8mm，通过调节微带线的长度可以得到具有不同相位的极化选择器单元。

多功能极化选择器单元2的介质基板的介电常数εr为3.5，四层介质的厚度均为h3＝0.508mm，上层空气层和下层空气层厚度为h4＝2.5mm，下层空气层厚度为h5＝3.3mm。边长b＝6mm，弯折线尺寸l₁＝3.2mm,l₂＝2.4mm,l₃＝2.6mm和l₄＝0.6mm，w₁＝0.2mm，w₂＝0.6mm。栅格宽度w＝0.3mm，相邻栅格之间间隙s＝0.7mm。

如图13所示，在floquet模式下，|r_xx|表示入射波极化方向沿着x轴，反射波极化方向也沿着x轴的电磁波的幅度。|r_yx|和∠r_yx表示入射波极化方向沿着x轴，反射波极化方向沿着y轴的电磁波的幅度和相位。当x极化的电磁波入射到可调相极化扭转反射单元，其能转换为y极化方向的电磁波，且在23.3-31.8GHz频段内，其-10dB极化扭转带宽为30％。此外，其反射相位随频率变化曲线的线性度也较好。

如图14所示，在22-30.4GHz频段内，可调相极化扭转表面单元的插入损耗均小于1dB。在中心频点27GHz处，其反射相位随微带线的总长度而线性变化，并且能够实现超过360度的相位变化，且随频率变化的线性度较好。

如图15所示，在floquet模式下，当平面波垂直入射时，多功能极化转换器单元2在22.6-31GHz频段内，X极化方向的电磁波被全部反射，Y极化方向的电磁波透射过去，表明该多功能极化转换器具有极化选择特性。此外，透射出去的Y极化方向的电磁波转换为两个正交方向，即u和v方向，且这两个方向的电磁波相位相差90°，表明Y极化方向的电磁波转换为圆极化辐射出去，表明该多功能极化转换器还具有线转圆极化的特性，且转换带宽较宽。

如图16-17所示，该圆极化反射阵列天线在中心频率27GHz处的副瓣电平均小于-13dB。此外，在theta＝0°时，其交叉极化电平均小于-15dB，且轴比较好。

如图18所示，该23-32GHz频段范围内，该圆极化反射阵列天线在剖面降低为不折叠时的一半的前提下，具有23.1％的-2dB增益带宽和23％的3dB轴比带宽。

以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.基于可调相极化扭转表面的宽带低剖面圆极化反射阵列天线，其特征在于，包括上下设置的多功能极化转换器和可调相极化扭转表面；所述可调相极化扭转表面包括若干个呈周期性排列的可调相极化扭转表面单元(1)；所述可调相极化扭转表面单元(1)包括从上至下依次层叠设置的上层金属贴片层(3)、第一上层介质基板层(4)、中间金属地层(5)、第一下层介质基板层(6)及下层微带线层(7)；所述上层金属贴片层(3)包括若干个呈周期性排列的正方形金属贴片；所述中间金属地层(5)刻蚀有两条正交的耦合缝隙(8)；所述两条正交的耦合缝隙(8)的中间相交为矩形缝隙；所述下层微带线层(7)设置两条传输线(9)；所述传输线(9)两端均加载匹配枝节；所述多功能极化转换器包括若干个呈周期性排列的多功能极化转换器单元(2)；所述多功能极化转换器单元(2)包括从上至下依次层叠设置的第二上层介质基板层(11)、中上介质基板层(14)、中下介质基板层(17)、第二下层介质基板层(19)及下层金属栅格层(20)；所述第二上层介质基板层(11)上表面设置上层弯折线(10)；所述中上介质基板层(14)上表面设置中上弯折线(13)，且与第二上层介质基板层(11)下表面之间设置为上层空气层(12)；所述中下介质基板层(17)上表面设置中下层弯折线(16)，且与中上介质基板层(14)下表面之间设置为中间空气层(15)；所述第二下层介质基板层(19)上表面与中下介质基板层(17)下表面之间设置为下层空气层(18)；所述下层金属栅格层(20)为矩形栅格；所述天线还包括极化扭转相位补偿反射表面；所述极化扭转相位补偿反射表面的中心镂空设置馈源喇叭。

2.根据权利要求1所述的基于可调相极化扭转表面的宽带低剖面圆极化反射阵列天线，其特征在于，所述馈源喇叭输出X极化方向的线极化电磁波，入射到多功能极化选择器的下表面，反射到可调相极化扭转表面上。

3.根据权利要求2所述的基于可调相极化扭转表面的宽带低剖面圆极化反射阵列天线，其特征在于，所述可调相极化扭转表面上的若干个可调相极化扭转超表面单元(1)通过上层金属贴片层(3)接收X极化的电磁波，经过中间金属地层(5)上的Y轴方向的耦合缝隙(8)到下层微带线层(7)上，再通过微带线扭转实现90°极化扭转以及相应的相位补偿，经由中间金属地层(5)上X轴方向的耦合缝隙(8)到上层金属贴片层(3)，再次入射到多功能极化转换器上。

4.根据权利要求1所述的基于可调相极化扭转表面的宽带低剖面圆极化反射阵列天线，其特征在于，所述两条传输线(9)关于极化扭转相位补偿反射表面单元的中心点呈180°旋转对称。

5.根据权利要求1所述的基于可调相极化扭转表面的宽带低剖面圆极化反射阵列天线，其特征在于，所述上层金属贴片层(3)还可以设置为矩形金属贴片、十字形金属贴片及工字形金属贴片中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的基于可调相极化扭转表面的宽带低剖面圆极化反射阵列天线，其特征在于，所述两条正交的耦合缝隙(8)的中间相交还可以为十字形缝隙、领结形缝隙及锯齿形缝隙中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的基于可调相极化扭转表面的宽带低剖面圆极化反射阵列天线，其特征在于，所述下层微带线层(7)还可以设置为共面波导、悬置微带线及槽线中的任意一种。

8.根据权利要求1所述的基于可调相极化扭转表面的宽带低剖面圆极化反射阵列天线，其特征在于，所述下层金属栅格层(20)还可以设置为开口环形栅格、箭形栅格及十字形栅格中的任意一种。