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CN105514622B - 一种四频微带反射阵列天线 - Google Patents

一种四频微带反射阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种四频微带反射阵列天线,包括:馈源和微带反射阵列,馈源为角锥喇叭天线,微带反射阵列包括多个均匀排列的单层十字形振子单元和双层矩形贴片单元;其中,多个单层十字形振子单元横向排列成行,纵向排列成列;每个单层十字形振子单元的四周分布有四个双层矩形贴片单元,十字形振子单元的中心与其相邻的四个双层矩形贴片单元的中心具有相同的距离;该四频微带反射阵列天线的工作频率分别为9GHz、13.58GHz、24GHz和30GHz,单层十字形振子单元通过两个相交的方向分别工作于9GHz和13.58GHz,双层矩形贴片单元通过两个相交的方向分别工作于24GHz和30GHz。

Description

一种四频微带反射阵列天线
技术领域
本发明属于天线技术领域,特别涉及一种四频微带反射阵列天线。
背景技术
抛物面天线和阵列天线作为传统的星载天线受到广泛的应用。抛物面天线虽然增益高、工作频带宽,但是其具有体积大、重量大、安装难、加工困难等缺点,尤其在高频时。阵列天线虽然体积小,扫描方式灵活且范围较大,但是其效率低、馈电网络复杂、传输损耗大、加载的有源器件价格昂贵。这些缺点在一定程度上限制了上述两种天线在雷达、卫星通信等方面的应用。
微带反射阵天线是将抛物面天线和阵列天线的若干优点进行结合而形成的一种天线形式,它是由馈源和反射阵列组成,通过对阵中每个单元进行设计而使其将馈源辐射波的散射相位进行一定的调整,使得经反射阵反射的场在阵列口面上形成想要的相位分布,从而辐射出设定的波束。比起上述两种高增益天线,微带反射阵天线具有如下优点:体积小、重量轻、加工简单且成本低、效率较高、易实现波束扫描、易与载体共形等。这些优点使得反射阵天线在军事和民用领域均具有很高的应用价值。微带反射阵天线的主要缺点是带宽窄,在一定程度上限制了其应用。随着通信技术的迅猛发展,对天线的要求越来越高,宽带和多频反射阵的研究越来越迫切,而且具有很强的实用价值。在现有的文献中,大多数的多频都局限于双频,对于三频段及以上的设计较少。在多频微带反射阵的设计中,常见的有单层和双层两种结构形式。单层结构是将不同频段的单元都置于同一层介质基片上的结构形式,这对单元的形式要求较高。双层结构可以分为两种不同的形式:低频阵面置于高频阵面之上和高频阵面置于低频阵面之上。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中采用的微带反射阵天线难于实现四频段工作的技术问题,从而提供一种四频微带反射阵列天线,对于微带反射阵列天线实现多频或者口径复用来说具有重要的参考价值。
为了实现上述目的,本发明提供了一种四频微带反射阵列天线,包括:馈源和微带反射阵列,所述馈源为角锥喇叭天线,所述微带反射阵列包括多个均匀排列的单层十字形振子单元和双层矩形贴片单元;其中,
多个单层十字形振子单元横向排列成行,纵向排列成列;每个单层十字形振子单元的四周分布有四个双层矩形贴片单元,所述十字形振子单元的中心与其相邻的四个双层矩形贴片单元的中心具有相同的距离;该四频微带反射阵列天线的工作频率分别为9GHz、13.58GHz、24GHz和30GHz,所述单层十字形振子单元通过两个相交的方向分别工作于9GHz和13.58GHz,所述双层矩形贴片单元通过两个相交的方向分别工作于24GHz和30GHz。
上述技术方案中,采用如下方式确定所述单层十字形振子单元或双层矩形贴片单元的单元尺寸大小:
首先采用如下公式计算每个频率处微带反射阵列各个单元位置处所需补偿的相位值:
其中,k0是真空中的传播常数,不同的频率对应的传播常数不同;(xi,yi)是第i个单元的中心坐标;di代表馈源相位中心与第i个单元之间的距离;为辐射波束方向;ΦR(xi,yi)就是第i个单元所需补偿的相位;
在得到微带反射阵列各个位置处的单元所需补偿的相位值后,结合各个频率处的反射相位曲线,通过线性差值算法求出单元的尺寸大小。
上述技术方案中,所述单层十字形振子单元包括:十字形振子、介质基片、金属地板;所述十字形振子附着在所述介质基片的表面,所述介质基片的下表面贴在所述金属地板上;所述十字形振子采用金属材料制成。
上述技术方案中,所述单层十字形振子单元的栅格周期p为13mm,介电常数为2.2,十字形振子在x方向和y方向的宽度w均为1mm,介质基片厚度h为1.5mm。
上述技术方案中,当入射波为y极化时,所述单层十字形振子单元工作在9GHz,当入射波为x极化时,所述单层十字形振子单元工作在13.58GHz。
上述技术方案中,所述双层矩形贴片单元包括上层贴片、下层贴片,以及两层介质基片、金属地板;所述上层贴片附着在上层介质基片的上表面,所述下层贴片附着在下层介质基片的上表面,所述下层介质基片贴在所述金属地板上;所述矩形贴片由金属材料制成。
上述技术方案中,所述双层矩形贴片单元的栅格周期q为单层十字形振子单元栅格周期的一半;双层矩形贴片单元的总厚度与单层十字形振子单元的厚度相同;介电常数为2.2;上层贴片的边长为下层贴片边长的k倍。
上述技术方案中,k的取值为0.65。
上述技术方案中,当入射波为y极化时,所述双层矩形贴片单元工作在24GHz;当入射波为x极化时,所述双层矩形贴片单元工作在30GHz。
本发明的优点在于:
本发明的四频微带反射阵列天线通过设置的单层十字形振子单元和双层矩形贴片单元,并充分考虑不同频率单元之间的互耦影响,使得该天线能够同时工作在9GHz、13.58GHz、24GHz和30GHz四个频率处,从而使得反射阵列天线的口径得到了充分的复用;本发明的微带反射阵列天线具有良好的四频辐射性能,易于工程实现,其结构相对简单,具有较高的工程应用价值。
附图说明
图1为本发明的四频微带反射阵列天线中的微带反射阵列的俯视图;
图2为本发明的单层十字形振子单元的结构示意图;
图3为本发明的双层矩形贴片单元的结构示意图;
图4为在双层矩形贴片单元存在时十字形振子单元在9GHz处的反射相位曲线;
图5为在双层矩形贴片单元存在时十字形振子单元在13.58GHz处的反射相位曲线;
图6为在十字形振子单元存在时双层矩形贴片单元在24GHz处的反射相位曲线;
图7为在十字形振子单元存在时双层矩形贴片单元在30GHz处的反射相位曲线;
图8为本发明的四频微带反射阵列天线的结构示意图;
图9为本发明的四频微带反射阵列天线工作在9GHz时的辐射方向图;
图10为本发明的四频微带反射阵列天线工作在13.58GHz时的辐射方向图;
图11为本发明的四频微带反射阵列天线工作在24GHz时的辐射方向图;
图12为本发明的四频微带反射阵列天线工作在30GHz时的辐射方向图。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步的描述。
如图8所示,本发明的一种四频微带反射阵列天线,包括:馈源和微带反射阵列,所述馈源为角锥喇叭天线,所述微带反射阵列包括多个均匀排列的单层十字形振子单元和双层矩形贴片单元。其中,多个单层十字形振子单元横向排列成行,纵向排列成列;每个单层十字形振子单元的四周分布有四个双层矩形贴片单元,所述十字形振子单元的中心与其相邻的四个双层矩形贴片单元的中心具有相同的距离。该天线的工作频率分别为9GHz、13.58GHz、24GHz和30GHz,所述单层十字形振子单元通过两个相交的方向分别工作于9GHz和13.58GHz,所述的双层矩形贴片单元通过两个相交的方向分别工作于24GHz和30GHz。
下面对该四频微带反射阵列天线中的各个部分做进一步的说明。
图1为微带反射阵列表面的结构示意图。如图1所示,在微带反射阵列的不同位置处,各单元的尺寸大小存在差异(其中,单层十字形振子单元的尺寸大小包括十字形振子的长度,如图2中的L1、L2;双层矩形贴片单元的尺寸大小包括其所含双层贴片的大小,如图3中a1,b1,a2,b2),这是因为馈源到微带反射阵列上不同位置处单元的距离不同,导致从馈源发出的波到达微带反射阵列表面各个单元处产生相位差,而反射阵列天线实现聚焦波束要求经微带反射阵列各个单元反射之后的波具有相同的相位,因此通过调节单元的尺寸来补偿反射阵各个单元由于距离差带来的相位差,使得微带反射阵列在特定方向上实现同相叠加。
在确定不同位置处单元的尺寸大小时,首先采用如下公式计算每个频率处微带反射阵列各个单元位置处所需补偿的相位值:
其中,k0是真空中的传播常数,不同的频率对应的传播常数不同;(xi,yi)是第i个单元的中心坐标;di代表馈源相位中心与第i个单元之间的距离;为辐射波束方向;ΦR(xi,yi)就是第i个单元所需补偿的相位。
在得到微带反射阵列各个位置处的单元所需补偿的相位值后,结合各个频率处的反射相位曲线,通过线性差值算法就可以求出每个单元的尺寸大小。
图2为单层十字形振子单元的结构示意图,该单元包括一十字形振子,以及一介质基片、金属地板;所述十字形振子附着在所述介质基片的表面。所述介质基片的下表面紧贴在金属地板上。所述十字形振子采用金属材料制成。由于单层十字形振子单元在x方向和y方向相互独立,所以可以分别调节单层十字形振子单元两个方向的尺寸(即L1或L2),让其一个方向的尺寸变化实现一个频率的相位补偿,另一个方向的尺寸变化实现另一个频率的相位补偿,从而利用一个单元在不同的极化方向实现两个不同的工作频率。本发明中采用该单元在两个不同的极化方向实现9GHz和13.58GHz两个工作频率,其中当入射波为y极化时单层十字形振子单元工作在9GHz,当入射波为x极化时单层十字形振子单元工作在13.58GHz。该单层十字形振子单元的栅格周期p为13mm,介电常数为2.2,单元的尺寸大小(L1、L2)根据前文所述方法进行确定;单层十字形振子单元的十字形振子宽度w、介质基片厚度h可通过在工作频率的频点处优化的方式获取,所述优化的目的在于使得单层十字形振子单元的反射特性较好。如在一个实例中,十字形振子在两个方向的宽度w均设计为1mm,介质厚度h设计为1.5mm。若栅格周期或介电常数发生变化,十字形振子的宽度w和介质厚度h的值一般也会发生相应变化,具体值需要经过优化来确定。
图3为双层矩形贴片单元的结构示意图,如图所示,该单元包括两层矩形贴片,即上层贴片、下层贴片,以及介质基片、金属地板。所述上层贴片附着在上层介质基片的上表面,下层贴片附着在下层介质基片的上表面,所述下层介质基片的下表面紧贴在金属地板上。所述矩形贴片由金属材料制成。由于双层矩形贴片单元在x方向和y方向相互独立,所以可以分别调节矩形贴片单元两个方向的尺寸(a1,b1,a2,b2),让其一个方向的尺寸变化实现一个频率的相位补偿,另一个方向的尺寸变化实现另一个频率的相位补偿,从而利用一个单元在不同的极化方向实现两个不同的工作频率。本发明中采用该单元在两个不同的极化方向实现24GHz和30GHz两个工作频率,其中当入射波为y极化时双层矩形贴片单元工作在24GHz,当入射波为x极化时双层矩形贴片单元工作在30GHz。该双层矩形贴片单元的栅格周期q为单层十字形振子单元栅格周期的一半,即q=6.5mm,双层矩形贴片单元的总厚度(上层介质基片与下层介质基片的厚度之和)必须为上述单层十字形振子单元的厚度,即h=h1+h2=1.5mm,在一个实施例中,将双层矩形贴片单元每一层厚度均设计为0.75mm,即h1=h2=0.75mm,介电常数为2.2;上层贴片的边长为下层贴片边长的k倍。即a2=k*a1,b2=k*b1,其中a1和b1分别为下层贴片的在x方向和y方向的长度。a2和b2分别为上层贴片的在x方向和y方向的长度。为了使单元反射相位曲线较为平滑且反射相位范围较大,经参数扫描分析得出k的取值为0.65。
在高频电磁仿真软件HFSS中对上述两种单元的反射特性进行分析,分析时考虑了十字形振子单元和双层矩形贴片单元之间的互耦影响。图4给出了当双层矩形贴片单元存在时十字形振子单元在9GHz处的反射相位曲线;图5给出了当双层矩形贴片单元存在时十字形振子单元在13.58GHz处的反射相位曲线;图6给出了当十字形振子单元存在时双层矩形贴片单元在24GHz处的反射相位曲线;图7给出了当十字形振子单元存在时双层矩形贴片单元在30GHz处的反射相位曲线。这些反射相位曲线结合微带反射阵列各个位置处的单元所需补偿的相位值,可以求得各个单元的尺寸大小。
如图9所示,为本发明的四频微带反射阵列天线工作于9GHz时的辐射方向图,本发明中,当反射阵工作于9GHz时,其工作的极化方式为y方向的线极化。从图中可以看出,当反射阵列天线工作在9GHz时,其辐射增益为17.82dB。
如图10所示,为本发明的四频微带反射阵列天线工作于13.58GHz时的辐射方向图,本发明中,当反射阵工作于13.58GHz时,其工作的极化方式为x方向的线极化。从图中可以看出,当反射阵列天线工作在13.58GHz时,其辐射增益为20.15dB。
如图11所示,为本发明的四频微带反射阵列天线工作于24GHz时的辐射方向图,本发明中,当反射阵工作于24GHz时,其工作的极化方式为y方向的线极化。从图中可以看出,当反射阵列天线工作在24GHz时,其辐射增益为26.47dB。
如图12所示,为本发明的四频微带反射阵列天线工作于30GHz时的辐射方向图,本发明中,当反射阵工作于30GHz时,其工作的极化方式为x方向的线极化。从图中可以看出,当反射阵列天线工作在30GHz时,其辐射增益为27.85dB。
由图9、图10、图11和图12可以得出,本发明的四频微带反射阵列天线在9GHz、13.58GHz、24GHz和30GHz处均有良好的辐射性能。
最后所应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,都不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种四频微带反射阵列天线,其特征在于,包括:馈源和微带反射阵列,所述馈源为角锥喇叭天线,所述微带反射阵列包括多个均匀排列的单层十字形振子单元和双层矩形贴片单元;其中,
多个单层十字形振子单元横向排列成行,纵向排列成列;每个单层十字形振子单元的四周分布有四个双层矩形贴片单元,所述十字形振子单元的中心与其相邻的四个双层矩形贴片单元的中心具有相同的距离;该四频微带反射阵列天线的工作频率分别为9GHz、13.58GHz、24GHz和30GHz,所述单层十字形振子单元通过两个相交的方向分别工作于9GHz和13.58GHz,所述双层矩形贴片单元通过两个相交的方向分别工作于24GHz和30GHz;
所述双层矩形贴片单元包括上层贴片、下层贴片,以及两层介质基片、金属地板;所述上层贴片附着在上层介质基片的上表面,所述下层贴片附着在下层介质基片的上表面,所述下层介质基片贴在所述金属地板上;所述矩形贴片由金属材料制成;所述双层矩形贴片单元的栅格周期q为单层十字形振子单元栅格周期的一半;双层矩形贴片单元的总厚度与单层十字形振子单元的厚度相同;介电常数为2.2;上层贴片的边长为下层贴片边长的k倍;k的取值为0.65。
2.根据权利要求1所述的四频微带反射阵列天线,其特征在于,采用如下方式确定所述单层十字形振子单元或双层矩形贴片单元的单元尺寸大小:
首先采用如下公式计算每个频率处微带反射阵列各个单元位置处所需补偿的相位值:
其中,k0是真空中的传播常数,不同的频率对应的传播常数不同;(xi,yi)是第i个单元的中心坐标;di代表馈源相位中心与第i个单元之间的距离;为辐射波束方向;ΦR(xi,yi)就是第i个单元所需补偿的相位;
在得到微带反射阵列各个位置处的单元所需补偿的相位值后,结合各个频率处的反射相位曲线,通过线性差值算法求出单元的尺寸大小。
3.根据权利要求1所述的四频微带反射阵列天线,其特征在于,所述单层十字形振子单元包括:十字形振子、介质基片、金属地板;所述十字形振子附着在所述介质基片的表面,所述介质基片的下表面贴在所述金属地板上;所述十字形振子采用金属材料制成。
4.根据权利要求3所述的四频微带反射阵列天线,其特征在于,所述单层十字形振子单元的栅格周期p为13mm,介电常数为2.2,十字形振子在x方向和y方向的宽度w均为1mm,介质基片厚度h为1.5mm。
5.根据权利要求1所述的四频微带反射阵列天线,其特征在于,当入射波为y极化时,所述单层十字形振子单元工作在9GHz,当入射波为x极化时,所述单层十字形振子单元工作在13.58GHz。
6.根据权利要求1所述的四频微带反射阵列天线,其特征在于,当入射波为y极化时,所述双层矩形贴片单元工作在24GHz;当入射波为x极化时,所述双层矩形贴片单元工作在30GHz。
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