CN118017236B - 基于一分四方形子阵的圆极化阵列阵AoA天线 - Google Patents

基于一分四方形子阵的圆极化阵列阵AoA天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于一分四方形子阵的圆极化阵列阵AoA天线，属于天线技术领域。该阵列阵AoA天线由若干个一分四方形子阵组成；所述一分四方形子阵包括2×2个辐射圆极化波的天线单元，将各天线单元的辐射体进行一次相对旋转以提供内部相对相位；将阵列阵AoA天线划分为4×4的模块，各模块中的辐射体分别叠加0°、90°、180°、270°的二次相对旋转，并在馈电端口叠加相应的相位延迟，形成子阵级旋转馈电。本发明利用辐射体的第一次旋转提供一分四方形子阵内部相位差，再利用辐射体的第二次旋转，结合馈电端口的相位延迟，实现了子阵级旋转馈电；本发明能够极大程度降低圆极化阵列阵的实现难度，同时极大程度的提升天线的轴比。

Description

基于一分四方形子阵的圆极化阵列阵AoA天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种基于一分四方形子阵的圆极化阵列阵AoA天线。
背景技术
宽带卫星通信取得了许多发展，圆极化相控阵因其高灵活性和可扩展性得到广泛应用。传统上，相控阵中的每个天线单元都电路模块相连，以实现相移和功率放大。然而高频段卫星通信所需相控阵中的天线单元尺寸进一步减小，导致电路模块放置空间不足。
人们提出了阵列阵AoA天线的架构可以减少收发电路模块数量，阵列阵中仍然具有完全填充的天线单元，具有更高的孔径效率。其中一类不规则子阵平铺结构，由于子阵形状不规则且排列复杂，使得馈电网络的设计和电路模块的有效放置具有挑战性，子阵列的不规则形状不利于大规模相控阵在毫米波段的可实现性。另一类保证了子阵的规则性，但是在子阵内加入了移相网络，移相网络的加入导致设计复杂性和额外的插入损。
随天线工作频率上升，单元尺寸减小，圆极化阵列阵中依靠圆极化天线单元实现宽带宽角扫描是一个巨大的挑战。现有针对毫米波频段以上的宽带圆极化天线主要集中在不扫描的阵列天线。
发明内容
为解决现有的技术问题，本发明提供了一种基于一分四方形子阵的圆极化阵列阵AoA天线。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于一分四方形子阵的圆极化阵列阵AoA天线，其特征在于，所述阵列阵AoA天线由若干个一分四方形子阵组成；
所述一分四方形子阵，包括2×2个辐射圆极化波的天线单元，各天线单元馈入电场的幅值相位相等；所述一分四方形子阵中，将各天线单元的辐射体进行一次相对旋转以提供内部相对相位；所述一分四方形子阵对应有四种内部相对相位，分别为内部相对相位B1、内部相对相位B2、内部相对相位B3、内部相对相位B4；采用优化算法得到所述阵列阵AoA天线中四种内部相对相位的排布方式；
按从左至右、从下至上的顺序将所述阵列阵AoA天线划分为4×4的模块，各模块中的四个一分四方形子阵的辐射体分别依次叠加0°、90°、180°、270°的二次相对旋转，同时四个一分四方形子阵的馈电端口分别依次叠加0°、90°、180°、270°的相位延迟，形成子阵级旋转馈电。
进一步地，所述优化算法为杂草入侵优化算法。
进一步地，所述辐射体的馈电点位于天线单元的中心位置，使得辐射体能够关于馈电点任意旋转而不用改变馈电网络。
进一步地，所述内部相对相位B1对应的四个辐射体的旋转状态为0°、60°、60°、120°；所述内部相对相位B2对应的四个辐射体的旋转状态为0°、-60°、-60°、-120°；所述内部相对相位B3对应的四个辐射体的旋转状态为0°、-60°、60°、0°；所述内部相对相位B4对应的四个辐射体的旋转状态为0°、60°、-60°、0°。
进一步地，所述一分四方形子阵中的各天线单元通过一分四功分器进行馈电。
本发明的有益效果是：
（1）本发明利用天线单元中辐射体的第一次旋转提供了一分四方形子阵内部所需要的相位差，简化了一分四功分器设计，降低了馈电网络的复杂度和损耗，同时还实现了圆极化的补偿、降低了交叉极化、提升了轴比；然后利用天线单元中辐射体的第二次旋转，结合一分四方形子阵馈电端口的相位延迟，实现了子阵级旋转馈电，从而进一步地实现了圆极化的补偿、降低了交叉极化、提升了轴比。
（2）本发明能够极大程度降低圆极化阵列阵的实现难度，同时极大程度的提升一分四方形圆极化阵列阵AoA天线的轴比，尤其对扫描状态下的轴比改善明显；同时具有扫描角度大以及可以低副瓣赋形的优势。
附图说明
图1是实施例中基于一分四方形子阵的圆极化阵列阵AoA天线的三维结构示意图；
图2是实施例中两个天线单元的侧视图；
图3是实施例中基于优化算法得到的四种内部相对相位的排布方式示意图；
图4是实施例中一分四方形子阵四种旋转状态的示意图；
图5是实施例中基于一分四方形子阵的圆极化阵列阵AoA天线的俯视图；
图6是实施例中一分四方形子阵的S参数仿真结果图；
图7是实施例中基于一分四方形子阵的圆极化阵列阵AoA天线的低副瓣赋形的法向方向图；
图8是实施例中基于一分四方形子阵的圆极化阵列阵AoA天线的低副瓣赋形的45度扫描方向图；
图9是实施例中基于一分四方形子阵的圆极化阵列阵AoA天线的轴比仿真结果图。
附图标号说明：1. 第一介质基板、2.第一半固化片、3.天线金属地板、4.第二介质基板、5.第二半固化片、6.第三介质基板、7.底层金属地板、8.金属柱、9.金属通孔、10.圆形孔。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。但是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。
本实施例提供了一种8×8的基于一分四方形子阵的圆极化阵列阵AoA天线，其整体结构示意图如图1所示，该阵列阵AoA天线由16个一分四方形子阵组成；所述一分四方形子阵，包括2×2个辐射圆极化波的天线单元；所述天线单元尺寸为2.86mm×2.86mm，如图2所示，包括尺寸相同且自上至下紧密贴合的第一介质基板、第一半固化片、天线金属地板、第二介质基板、第二半固化片、第三介质基板和底层金属地板。
所述第一介质基板的材料为RogersRT5880，厚度为0.762mm、相对介电常数为2.2，耗角正切值为0.0009；所述第二介质基板以及第三介质基板的材料都为TaconicRF30，相对介电常数为3，耗角正切值为0.0014，第二介质基板的厚度为0.254mm，第三介质基板的厚度为0.254mm。
所述第一介质基板的上表面设置有阿基米德螺旋辐射体，初始半径为0.41mm，螺距为0.82mm；所述天线金属地板中心位置开有直径为0.8mm的圆形孔；所述第三介质基板的上表面设置有带状线，所述带状线通过直径为0.15mm的金属柱连接阿基米德螺旋辐射体，该金属柱的中轴线与天线单元的中轴线重合，金属柱不与天线金属地板接触；所述天线金属地板和底层金属地板之间设置有金属通孔阵列，金属通孔的直径为0.15mm；一分四方形子阵中各天线单元的带状线和金属通孔阵列共同构成一分四功分器D1，为各天线单元馈入幅值相位相等的电场。
将一分四方形子阵中各天线单元的辐射体进行一次逆时针相对旋转以提供内部相位差，即内部相位差并不是由一分四功分器D1提供，而是由各天线单元辐射体旋转不同的角度提供。本实施例中，一分四方形子阵分为四种旋转状态，如图4所示，旋转状态P1：0°、60°、60°、120°，旋转状态P2：0°、-60°、-60°、-120°，旋转状态P3：0°、-60°、60°、0°，旋转状态P4：0°、60°、-60°、0°；各旋转状态分别对应一种内部相对相位，分别为内部相对相位B1：0°、60°、60°、120°，内部相对相位B2：0°、-60°、-60°、-120°，内部相对相位B3：0°、-60°、60°、0°，内部相对相位B4：0°、60°、-60°、0°；本实施例中采用杂草入侵优化算法得到该阵列阵AoA天线中四种内部相对相位的排布方式，结果如图3所示，将不同内部相对相位对应的一分四方形子阵放入对应位置即可完成该阵列阵AoA天线的初步构建。
按从左至右、从下至上的顺序将所述阵列阵AoA天线划分为4×4的模块，一个模块由一分四方形子阵C1、一分四方形子阵C2、一分四方形子阵C3、一分四方形子阵C4构成；在一个模块中的四个一分四方形子阵在馈电端口分别依次叠加0°、90°、180°、270°相位延迟，同时，四个一分四方形子阵中的辐射体在一次相对旋转的基础上再分别依次叠加0°、90°、180°、270°的二次逆时针相对旋转，实现子阵级旋转馈电，最终构成的阵列阵AoA天线的俯视图如图5所示。
本实施例的一分四方形子阵S参数仿真结果如图6所示，-15dB的阻抗带宽为45GHz到53.5GHz。
本实施例中8×8的基于一分四方形子阵的圆极化阵列阵AoA天线，法向低副瓣方向图如图7所示，天线增益高达19.5dBi，交叉极化为-20.5dB，副瓣电平为-15dB；扫描45度低副瓣方向图如图8所示，天线增益高达13.2dBi，交叉极化为-21dB，副瓣电平为-7dB；轴比如图9所示，在45GHz到55GHz频段范围内法向轴比小于2.6dB，大角度扫描45度时的轴比小于3dB。
以上仿真结果说明，本发明能够很大程度地降低带内轴比，即提高天线的圆极化性能。
在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (5)

1.一种基于一分四方形子阵的圆极化阵列阵AoA天线，其特征在于，所述阵列阵AoA天线由若干个一分四方形子阵组成；
所述一分四方形子阵，包括2×2个辐射圆极化波的天线单元，各天线单元馈入电场的幅值相位相等；所述一分四方形子阵中，将各天线单元的辐射体进行一次相对旋转以提供内部相对相位；所述一分四方形子阵对应有四种内部相对相位，分别为内部相对相位B1、内部相对相位B2、内部相对相位B3、内部相对相位B4；采用优化算法得到所述阵列阵AoA天线中四种内部相对相位的排布方式；
按从左至右、从下至上的顺序将所述阵列阵AoA天线划分为4×4的模块，各模块中的四个一分四方形子阵的辐射体分别依次叠加0°、90°、180°、270°的二次相对旋转，同时四个一分四方形子阵的馈电端口分别依次叠加0°、90°、180°、270°的相位延迟，形成子阵级旋转馈电。
2.如权利要求1所述的一种基于一分四方形子阵的圆极化阵列阵AoA天线，其特征在于，所述辐射体的馈电点位于天线单元的中心位置，使得辐射体能够关于馈电点任意旋转而不用改变馈电网络。
3.如权利要求1或2所述的一种基于一分四方形子阵的圆极化阵列阵AoA天线，其特征在于，所述一分四方形子阵中的各天线单元通过一分四功分器进行馈电。
4.如权利要求3所述的一种基于一分四方形子阵的圆极化阵列阵AoA天线，其特征在于，所述优化算法为杂草入侵优化算法。
5.如权利要求4所述的一种基于一分四方形子阵的圆极化阵列阵AoA天线，其特征在于，所述内部相对相位B1对应的四个辐射体的旋转状态为0°、60°、60°、120°；所述内部相对相位B2对应的四个辐射体的旋转状态为0°、-60°、-60°、-120°；所述内部相对相位B3对应的四个辐射体的旋转状态为0°、-60°、60°、0°；所述内部相对相位B4对应的四个辐射体的旋转状态为0°、60°、-60°、0°。
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