CN201252154Y - 宽带双线极化偶极子天线阵 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及用于接收、发射无线电波的宽带双线极化偶极子天线阵，本实用新型包括两个以上双极化偶极子辐射元、导体反射板和馈电系统；所述双极化偶极子辐射元包括两个相互呈“T”形中垂设置的偶极子天线单元，且天线单元的极化方向分别与天线阵的两种极化状态相平行；双极化偶极子辐射元中两个相互呈“T”形中垂设置的偶极子天线单元之间的中心距为相应方向辐射元间距的一半；所述双极化偶极子辐射元为矩形栅格的顺序排列组阵，或为三角形栅格的逆序组阵。本实用新型实现了一种宽带双线极化天线阵，其具有高隔离、低交叉极化、结构简单及馈电灵活方便的优点，同时具备实现宽角扫描双线极化阵的工程潜力。
Description
技术领域
本实用新型涉及用于接收、发射无线电波的宽带双线极化天线，具体是一种宽带双线极化天线阵。
背景技术
对高分辨SAR合成孔径雷达系统来说，为获得成像目标不同物质特性的细节信息，除要求天线具有大的工作宽带外，还要求SAR具有多极化(HH、VV、HV、VH)工作模式，这就要求天线具备宽带双线极化工作能力。在民用方面，地面通信系统为抗多径衰落而采用的极化分集技术，也推动双线极化天线技术的发展。因此宽带双线极化天线技术在军用和民用领域的应用范围越来越广泛。
同时，在某些具体的应用中，还有诸如：副瓣、隔离、重量和扫描角等方面的特殊要求。例如：对于宽角扫描平面天线阵，要求天线单元具有宽角匹配的潜力；对于极化合成孔径类领域，常常要求设计的天线具备低副瓣、低交叉极化和高隔离度等方面的特性。
常见的双线极化阵列天线主要有以下三种形式：其一是双线极化裂缝波导天线，其二是双线极化微带贴片天线，其三是双线极化偶极子天线。对于双线极化裂缝波导天线，其优点是效率较高，其缺点是带宽随单元的增加而减小，目前已知的8单元线阵的最大带宽不过15％(汪伟，李磊，张智慧，星载合成孔径雷达双线极化天线阵研究，遥感技术与应用Vol.22(2)，2007.4，pp：166-172.)，同时大规模组阵时存在固有的周期性幅、相误差问题。对于双线极化微带贴片天线其优点是剖面低、重量轻，缺点是常规形式带宽较窄，而宽带设计通常需要较为复杂的馈电结构(Robert F.Thomasand John Huang，Ultra-Wideband UHF Microstrip Array for GeoSARApplication，APS.1998，pp：2096-2099)，同时难以实现宽角扫描。对于双线极化偶极子天线阵，因为其可充分利用偶极子天线单元所具有的低交叉极化、宽角扫描、宽带甚至超宽带等方面优点，故其在宽带双线极化天线技术领域获得了较为广泛的应用。
目前已知的双线极化偶极子天线阵，其实现方式主要有以下两种：一种是基本辐射元由双偶极子天线单元相互正交排列而成(JosephR.Ippolito，Henry.Villegas，Johns.Wilson，Base Station Antenna forDual Polarization.US6072439.Jun.2000.)，另一种是基本辐射元由四偶极子天线单元呈网格状排列而成(Martin L.Zimmerman.Dual-PolarizedRadiating Element WithHigh Isolation Between Polariza-tion Channels.US6529172.Mar.2003.)。对于前者天线单元相互正交的排列方式，单元的结构形式将受到严格限制，很多偶极子单元形式将无法得到应用。对于后者，由于每个辐射元皆由四偶极子天线单元组成，为实现高隔离，要求每个单元平衡馈电，这造成馈电网络的设计将较为复杂。
实用新型内容
本实用新型提供一种宽带双线极化偶极子天线阵。其具有高隔离、低交叉极化、结构简单及馈电灵活方便的优点，同时具备实现宽角扫描双线极化阵的工程潜力。
具体的设计方案如下：
宽带双线极化偶极子天线阵包括两个以上双极化偶极子辐射元、导体反射板和馈电系统；
所述双极化偶极子辐射元包括两个相互呈“T”形中垂设置的偶极子天线单元，且天线单元的极化方向分别与天线阵的两种极化状态相平行；双极化偶极子辐射元中两个相互呈“T”形中垂设置的偶极子天线单元之间的中心距为相应方向辐射元间距的一半；
所述双极化偶极子辐射元为矩形栅格的顺序排列组阵(即各双极化偶极子辐射元中偶极子天线单元的排列方式完全相同)，或为三角形栅格的逆序组阵(相邻行或列的对应双极化偶极子辐射元中的偶极子天线单元呈左右或上下对调排列)。若采用矩形栅格的顺序排列方式，天线阵两种极化的相位中心将存在一定的偏移，该偏移量将等于辐射元两天线单元的中心间距。若采用三角形栅格的逆序排列方式，则不存在相位中心的偏移问题。各辐射元之间的间距可采用常规阵列天线的设计方法确定。
所述偶极子天线单元为半波振子类天线、或渐变槽天线、或兔耳朵(Bunny Ear)天线、或韦尔第(Vivaldi)天线等。
对于偶极子天线单元为微带半波振子类天线，为方便对微带半波振子类天线单元的馈电，导体反射板上与双极化偶极子辐射元相对应处分别设有相互呈“T”形中垂排列的安装长槽；相互呈“T”形中垂设置的微带半波振子类天线单元通过安装长槽固定设于导体反射板上；
穿过每个微带半波振子类天线单元设有导电线，导电线将安装长槽分成小段分段短路，每小段安装长槽长度小于λH/3；λH为工作频率高端的自由空间波长。
这些安装长槽将被偶极子天线的辐射场二次激励，从而恶化天线的阻抗特性及方向图特性。为抑制该辐射将导体反射板上这些安装长槽用一些穿过微带半波振子类天线单元的导电线短路，即将安装长槽分成若干小段，每小段长槽长度要小于λH/3(λH为工作频率高端的自由空间波长)。
对于偶极子天线单元为微带韦尔第(Vivaldi)天线，相互呈“T”形中垂设置的微带韦尔第(Vivaldi)天线单元通过L形结构件直接固定在导体反射板上。
对各辐射元进行激励的馈电系统，可根据天线的工作体制进行选择设计，可以是无源馈电功分网络，也可是收、发有源馈电系统。
本实用新型与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1、每个双线极化辐射元由一对中垂排列的偶极子类天线单元排列而成，当天线单元采用此种方式工作时，由于每种极化振子在另一种极化振子上所耦合的能量相互对消，两种极化的天线单元在结构上互不干涉，从而保证两种天线单元之间的耦合很小，对各自辐射阻抗的影响也较小，同时可获得良好的极化隔离性能，使得这种双线极化天线的组阵方式具有更好的单元适用性，目前已知的偶极子类天线单元(包括半波振子类天线、渐变槽天线、兔耳朵(Bunny Ear)天线、韦尔第(Vivaldi)天线等)皆可用于此种双线极化阵列天线的设计。
2、当双线极化辐射元中的两个线极化天线单元相互中垂排列时，每种极化振子在另一种极化振子上所耦合的能量相互对消，保证了两种天线单元之间的相互耦合很小，对各自辐射阻抗的影响也较小，因此可获得良好的交叉极化性能及端口隔离性能。
3、鉴于优点1，当天线单元采用宽带、超宽带偶极子类天线时，可保证此双线极化天线可实现宽带甚至超宽带的工作性能；
4、鉴于优点1，当天线单元采用可实现宽角扫描的偶极子类天线时，可保证此双线极化天线具备宽角扫描的能力；
5、此种双线极化天线实现方式，电讯及结构设计皆较为简单，便于实现天线单元与馈电系统一体化设计的高性能双线极化天线系统。
附图说明
图1为本实用新型结构示意图，所述双极化天线矩形栅格的顺序排列方式；
图2为本实用新型双极化偶极子辐射元为三角形栅格的逆序排列组阵示意图；
图3为本实用新型对导体反射板上微带半波振子类天线单元安装长槽的寄生耦合抑制方法示意图；
图4为本实用新型一个L波段3×8单元的双线极化微带偶极子天线阵结构示意图，
图5为本实用新型图4结构天线阵的水平极化线源的电压驻波比测试图；
图6为本实用新型图4结构天线阵的垂直极化线源的电压驻波比测试图；
图7为本实用新型图4结构天线阵的双极化端口隔离性能测试图；
图8为本实用新型图4结构天线阵的垂直极化状态下的中频测试方向图；
图9为本实用新型图4结构天线阵的水平极化状态下的中频测试方向图；
图10本实用新型一个P波段4×6单元的双线极化的超宽带天线阵的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
实施例1：
参见图1和图2，图中每个辐射元1，由垂直极化偶极子天线单元3和水平极化偶极子天线单元4，按如图所示的呈“T”形中垂方式排列而成，并且每个辐射元中两极化偶极子天线单元的中心距为相应方向辐射元间距的一半，即of≈dx/2。根据阵中每个辐射元所属两种极化单元的位置关系，各辐射元之间可既可采用矩形栅格的顺序排列方式(即阵中所有辐射元中天线单元的排列方式完全相同)，如图1；也可采用三角形栅格的逆序排列方式(即阵中相邻行、列辐射元中的天线单元呈左右或上下对调排列)，如图2中辐射元1和另一辐射元2。若采用顺序排列方式，天线阵两种极化的相位中心将存在一定的偏移，该偏移量将等于辐射元两天线单元的中心间距。若采用逆序方式，则不存在相位中心的偏移问题。各辐射元之间的间距dx和dy采用业内所共知的常规阵列天线的设计方法确定。
如图3所示，宽带双线极化偶极子天线阵包括四个双极化偶极子辐射元、导体反射板7和馈电系统，当双极化偶极子辐射元中的垂直极化偶极子天线单元3和水平极化偶极子天线单元4采用某些微带半波振子类天线时，为方便对振子的馈电，导体反射板7上与垂直极化偶极子天线单元3和水平极化偶极子天线单元4相对应的位置要开一些相互呈“T”形中垂排列的垂直安装长槽5和水平安装长槽6。这些安装长槽将被偶极子天线的辐射场二次激励，特别是垂直极化偶极子天线单元3对相邻水平极化偶极子水平安装长槽6的耦合激励，因为这些安装长槽的长度通常与偶极子天线单元的宽度相当，因此将在工作频带内谐振，从而大大恶化垂直极化天线的端口驻波及远场波瓣性能。为抑制这种耦合激励，本实用新型采用一些穿过微带振子的导电线8将长槽分段短路，即将安装长槽分成若干小段，导电线8的个数要确保每小段安装长槽长度d要小于λH/3(λH为工作频率高端的自由空间波长)。
实施例2：
一个L波段3×8单元的双线极化微带偶极子天线阵，结构简图如图4。该天线阵由24个辐射元1、一个导体反射板7及三个双极化行馈网络9组成。各辐射元按矩形栅格顺序排列，其中行向含有8个辐射元，列向含有3个辐射元，并且dx＝0.62λ0，dy＝0.65λ0。而每个辐射元由1个垂直极化的微带偶极子天线3和1个水平极化的微带偶极子天线4相互呈“T”形中垂排列而成(图中所用天线单元是本领域所共知的一种天线单元，并可见参考文献：Brian Edward and Daniel Rees，A Broadband Printed Dipolewith Integrated BALUN.MJ，1987，30(5)，PP339-344.)。为方便各天线单元与行馈网络的连接，导体反射板7在与天线单元相对应的位置上将开有一些相互呈“T”形中垂的垂直安装长槽5和水平安装长槽6。为抑制偶极子天线对这些安装长槽的耦合激励，本实施例对每个安装长槽用两根穿过微带偶极子天线的导电线8将安装长槽均匀分成3小段，以确保每小段长槽的长度小于λH/3(λH为工作频率高端的自由空间波长)。
图5-6给出了该实施例2天线两种极化线源的端口驻波实测曲线，表明该天线在1.2-1.4GHz(相对带宽约15％)的工作频带内端口驻波优于1.5。
图7给出该实施例2天线双极化端口隔离度的测试结果，表明该天线在整个工作频带内双极化端口隔离度优于39dB，具有很好的端口隔离性能。
对于实施例2阵列天线远场方向图的测试结果表明，该天线在整个工作频带内的全空间交叉极化优于-25dB。图8-9给出了本实用新型所述天线的中频行向典型波瓣图。
实施例3：
一个P波段4×6单元的双线极化的超宽带天线阵，如图10，天线单元采用微带韦尔第(Vivaldi)天线单元(参考文献：R.Jana swamy and D.H.Schaubert，Analysis of the tapered slot antenna，IEEE TAP.，vol.35，pp.1058，Sept.1987.)。为实现两种极化状态相位中心的一致性，各天线单元采用如图2所示的单元排列方式。各天线单元利用一个L形的结构件10直接固定在导体反射板7上，并由N形连接器11进行馈电。取dx＝0.5λ0，dy＝0.5λ0。对此天线阵采用业内所公认的HFSS11.0(由Ansoft公司研发的高频结构仿真软件)进行仿真，结果表明该天线在一个倍频程内，带内驻波比优于1.6，交叉极化优于-25dB，端口隔离度优于28dB。
本实用新型天线包括可产生两个正交线极化的双极化辐射元件，还包括对导体反射板上所开安装长槽的寄生辐射进行抑制的方法，从而提供三种高性能的双线极化天线阵的简单工程实现方法。尽管本实用新型在此参照一个优选实施例方案进行了描述，但本领域技术人员应认识到在不脱离所附权利要求书中阐明的本实用新型的精神和范围情况下，可对其进行很多变化。
Claims (4)
1、宽带双线极化偶极子天线阵，包括两个以上双极化偶极子辐射元、导体反射板和馈电系统，其特征在于：
所述双极化偶极子辐射元包括两个相互呈“T”形中垂设置的偶极子天线单元，且天线单元的极化方向分别与天线阵的两种极化状态相平行；双极化偶极子辐射元中两个相互呈“T”形中垂设置的偶极子天线单元之间的中心距为相应方向辐射元间距的一半；
所述双极化偶极子辐射元为矩形栅格的顺序排列组阵，或为三角形栅格的逆序组阵。
2、根据权利要求1所述的宽带双线极化偶极子天线阵，其特征在于：所述偶极子天线单元为半波振子类天线、或渐变槽天线、或兔耳朵天线、或韦尔第天线。
3、根据权利要求1所述的宽带双线极化偶极子天线阵，其特征在于：对于偶极子天线单元为微带半波振子类天线，导体反射板上与双极化偶极子辐射元相对应处分别设有相互呈“T”形中垂排列的安装长槽；
相互呈“T”形中垂设置的微带半波振子类天线单元通过安装长槽固定设于导体反射板上；
穿过每个微带半波振子类天线单元设有导电线，导电线将安装长槽分成小段分段短路，每小段安装长槽长度小于λH/3；
λH为工作频率高端的自由空间波长。
4、根据权利要求1所述的宽带双线极化偶极子天线阵，其特征在于：
对于偶极子天线单元为微带韦尔第天线，相互呈“T”形中垂设置的微带韦尔第天线单元通过L形结构件直接固定在导体反射板上。
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