一種基于雙方環單元的單層雙頻微帶反射陣列天線的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種基于雙方環單元的單層雙頻微帶反射陣列天線，包括：饋源和微帶反射陣列，所述的微帶反射陣列包括若干個均勻排列的單層雙方環單元，所述的雙方環單元包括兩個同心設置的方環，且兩個方環分別工作于不同的頻率上。本發明的微帶反射陣列天線通過合理的設置單層雙方環單元的柵格周期及單元的其他尺寸參數，充分考慮不同頻率之間的互耦影響，使得該天線能夠工作在距離較遠的兩個頻率處，從而使得反射陣天線的口徑得到了復用；且具有良好的輻射性能，設計的天線結構簡單，成本低，易于工程實現。
【專利說明】
-種基于雙方環單元的單層雙頻微帶反射陣列天線
技術領域
[0001] 本發明屬于天線技術領域，特別設及一種基于雙方環單元的單層雙頻微帶反射陣 列天線。
【背景技術】
[0002] 雷達、衛星通信等應用中通常都需要高增益天線，傳統高增益天線主要包括拋物 面反射天線和陣列天線，但是運兩種天線均存在諸多不足之處。拋物面反射天線雖然結構 簡單，而且工作頻段很寬，但是其體積和重量大，導致其便攜隱蔽性差，安裝困難，高頻段表 面制造工藝要求高，要實現波束掃描只能通過機械的方式實現。陣列天線可W采用移相器 來調節每個單元的福射相位，從而實現靈活的電控波束掃描，但是其饋電網絡過于復雜，不 僅增加了設計難度W及加工成本，而且使得傳輸損耗變大，工作效率較低。
[0003] 微帶反射陣列天線與拋物面天線相比，具有重量輕、加工簡單、成本低、工作效率 較高、易實現波束掃描、饋電簡單且易于與其他物體表面共形等優點，在某些領域內，已經 可W用來替代拋物面天線和陣列天線。微帶反射陣天線是由饋源和反射陣列組成，通過對 陣中每個單元進行設計而使其將饋源福射波的散射相位進行一定的調節，使得經反射陣反 射的場在陣列口面上形成預定的相位分布，從而福射出設定的波束。解決反射陣的窄帶問 題和實現雙頻工作問題一直W來都是微帶反射陣天線的重要任務。目前已經有一些技術來 實現反射陣的雙頻工作，總的說來主要有單層和雙層的兩種結構形式。單層結構是將不同 頻段的單元都置于同一層介質基片上的結構形式，運對單元的形式要求較高，只能實現距 離較近的兩個頻率的工作，而且單元之間的互禪導致帶寬變窄，增益變低。雙層結構可W分 為兩種不同的形式，即低頻陣面置于高頻陣面之上或高頻陣面置于低頻陣面之上，但是運 兩種形式都會存在上層單元對于下層單元的遮擋，使得反射陣的性能惡化。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于，為克服現有技術中的微帶反射陣在實現雙頻工作過程中存在 著上述技術問題，提出一種基于雙方環單元的單層雙頻微帶反射陣列天線，該微帶反射陣 列天線能夠支持兩個距離較遠的工作頻率，對于微帶反射陣列天線實現多頻或者口徑復用 來說具有重要的參考價值。
[0005] 為了實現上述目的，本發明提供了一種基于雙方環單元的單層雙頻微帶反射陣列 天線，所述的天線包括:饋源和微帶反射陣列，所述的微帶反射陣列包括若干個均勻排列的 單層雙方環單元;所述的雙方環單元包括兩個同屯、設置的方環，且兩個方環分別工作于不 同的頻率上。
[0006] 作為上述技術方案的進一步改進，所述雙方環單元的外環和內環分別工作在 13.58G化和30G化頻率處，上述雙方環單元的柵格周期為5mm，對于13.58G化的工作頻率來 說，其為0.23個波長;對于30G化的工作頻率來說，其為0.5個波長;外環寬度為0.15mm，內環 的內邊長bl表示為:bl = k*b，其中b為內環的外邊長，k取0.7。為了減小雙方環單元工作在 不同頻率時相互之間的影響，結合亞波(subwavelength)技術的思想，合理選擇雙方環單元 的上述柵格周期及單元的參數，結果表明所設計的反射陣在上述兩個頻率處均具有良好的 福射性能。
[0007] 作為上述技術方案的進一步改進，所述雙方環單元的介質采用介電常數er = 2.25 的材料制成，厚度h = Imm。
[0008] 作為上述技術方案的進一步改進，為了使外環和內環不發生重疊，外環的外邊長 尺寸變化范圍為3mm~5mm，內環的外邊長尺寸變化范圍為1mm~3mm。
[0009] 作為上述技術方案的進一步改進，所述的微帶反射陣列天線在兩個工作頻率處的 極化方式為線極化。
[0010] 作為上述技術方案的進一步改進，所述的饋源采用角錐卿趴天線，其饋電方式為 正饋，波束方向均指向垂直陣面方向。
[0011] 本發明的一種基于雙方環單元的單層雙頻微帶反射陣列天線優點在于：
[0012] 本發明的微帶反射陣列天線通過合理的設置單層雙方環單元的柵格周期及單元 的其他尺寸參數，充分考慮不同頻率之間的互禪影響，使得該天線能夠工作在13.58G化和 30G化距離較遠的兩個頻率處，從而使得反射陣天線的口徑得到了復用;本發明的基于雙方 環單元的單層雙頻微帶反射陣列天線在上述兩個頻率處均具有良好的福射性能，且設計的 天線結構簡單，成本低，易于工程實現。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發明中的微帶反射陣列表面結構圖。
[0014] 圖2為本發明中的雙方環單元結構示意圖。
[0015] 圖3為本發明中的雙方環單元的不同內環尺寸對13.58G化處反射相位曲線的影 響。
[0016] 圖4為本發明中的雙方環單元的不同外環尺寸對30G化處反射相位曲線的影響。
[0017] 圖5為本發明中的雙方環單元在13.58G化處的反射相位曲線。
[0018] 圖6為本發明中的雙方環單元在30G化處的反射相位曲線。
[0019] 圖7為本發明中的單層雙頻微帶反射陣列天線結構模型示意圖。
[0020] 圖8為本發明中的單層雙頻微帶反射陣列天線工作在13.58G化時的福射方向圖。
[0021] 圖9為本發明中的單層雙頻微帶反射陣列天線工作在30G化時的福射方向圖。
【具體實施方式】
[0022] 下面結合附圖和實施例對本發明所述的一種基于雙方環單元的單層雙頻微帶反 射陣列天線進行詳細說明。
[0023] 如圖1所示，本發明的一種基于雙方環單元的單層雙頻微帶反射陣列天線，包括： 饋源和微帶反射陣列，所述微帶反射陣列包括若干個均勻排列的單層雙方環單元。所述的 雙方環單元包括兩個同屯、設置的方環，且兩個方環分別工作于不同的頻率上。
[0024] 如圖1所示，反射陣列是由不同尺寸的雙方環單元W-定的柵格周期均勻排列在 介質基片上構成的。不同位置處雙方環單元的尺寸大小不同，運是因為饋源到反射陣上各 個位置處雙方環單元的距離不同，導致從饋源發出的波到達反射陣表面各個單元處產生相 位差，通過調節單元的尺寸來補償反射陣各個單元由于距離差帶來的相位差，使得經反射 陣各個雙方環單元反射之后的波具有相同的相位，從而使得反射陣在特定方向上實現高增 益的波束。
[0025] 采用下列公式計算每個頻率處反射陣各個單元位置處所需補償的相位值：
[0026]
[0027] 其中，ko =化A是真空中的傳播常數，不同的頻率對應的傳播常數不同；（xi，yi)是 第i個雙方環單元的中屯、坐標;di表示饋源相位中屯、與第i個雙方環單元之間的距離；（00， 4 0)為福射波束方向；郵Ui，yi)即為第i個雙方環單元所需補償的相位。
[0028] 確定了每個頻率處的反射相位曲線和各個雙方環單元位置處所需補償的相位之 后，通過線性差值算法就可W求出每個單元的尺寸。
[0029] 基于上述結構的微帶反射陣列天線，在本實施例中，所述饋源為角錐卿趴天線，其 饋電方式為正饋，波束方向指向垂直陣面方向。該天線的工作頻率分別為13.58G化和 30G化，所述雙方環單元中的外環工作于13.58GHz，其內環工作于30GHz。如圖2所示，為雙方 環單元的結構示意圖，該單元為單層形式，兩個方環呈同屯、放置，為了減小雙方環單元工作 在不同頻率時之間的相互影響，對單元的各個參數進行掃描優化，最終選擇雙方環單元的 柵格周期為L = 5mm，對于13.58G化的工作頻率來說，其為0.23個波長;對于30G化的工作頻 率來說，其為0.5個波長。所述雙方環單元的介質采用介電常數Er = 2.25的材料。綜合考慮 13.58GHz和30G化處的反射相位曲線的范圍大小及其線性度(反射相位范圍越大，線性度越 好的優先），經過優化最終選定介質厚度為h= 1mm，雙方環單元的外環寬度為W = O. 15mm，內 環的內邊長bi為:bi = k*b，其中b為內環的外邊長，k取0.7。
[0030] 柵格周期的選取是通過權衡兩個頻率處其波長的大小得出的。選擇單元柵格周期 L = 5mm，對于13.58G化的頻率來說，其為0.23個波長，前人提出的subwavelength技術應用 于反射陣的設計，已經證明柵格周期大小可W遠小于半波長，當然一般來說就算依據 subwavelength技術，柵格周期也不能過小，不然單元的反射相位范圍會過小，設計反射陣 時會引起較大的相位誤差。依據subwave length技術，常見的柵格周期大小取0.2-0.3個波 長為宜;對于30G化的頻率來說，其為0.5個波長，傳統反射陣單元柵格周期大小一般取0.5 個波長左右。因此運里選取柵格周期為5mm，之后的兩個頻率處的反射相位曲線也驗證了柵 格周期選擇該值的可靠性。在選定了柵格周期之后，外環寬度、內環內外邊長的關系，W及 介質介電常數和厚度是通過參數掃描分析得出一組較優的組合。運里的柵格周期也可W選 擇其他值，但只能是5mm附近的值，當柵格周期為其他值時，外環寬度、內環內外邊長的關 系，W及介質介電常數和厚度的值就需要重新進行參數掃描分析來確定。
[0031] 本發明中采用所述的雙方環單元實現反射陣雙頻性能的基本條件是兩個方環的 尺寸可W獨立的變化，且相互之間的影響很小，并且在每個環尺寸變化的范圍內，其對應頻 率的反射相位曲線范圍和線性度能得到保證。運對單元參數的選取有較高的要求。上述柵 格周期選擇5mm，就決定外環尺寸必須小于5mm，而且，外環跟內環尺寸范圍不能重合。為了 使單元的兩個方環尺寸獨立變化時不重疊，本發明中外環的外邊長尺寸變化范圍為3mm~ 5mm，內環的外邊長尺寸變化范圍為1mm~3mm。
[0032] 如圖3所示，為雙方環單元的不同內環尺寸對13.58G化處反射相位曲線的影響，從 圖中可W看出，當內環外邊長b取1.7mm、1.95mm、2.2mm、2.45mm、2.7mm時，雙方環單元在 13.58G化處的反射相位曲線差別很小，說明內環尺寸對外環的影響很小。即當反射陣中采 用不同外環尺寸來補償13.58GHz處的相位時，內環尺寸的選擇在其變化范圍內不受限制。
[0033] 如圖4所示，為雙方環單元的不同外環尺寸對30GHz處反射相位曲線的影響，從圖 中可W看出，當外環外邊長a取3.5mm、3.75mm、4mm、4.25mm、4.5mm、4.75mm時，雙方環單元在 30GHz處的反射相位曲線差別很小，說明外環尺寸對內環的影響也很小。即當反射陣中采用 不同的內環尺寸來補償30GHz處的相位時，外環尺寸的選擇在其變化范圍內不受限制。
[0034] 綜合圖3和圖4可W得出，在合理選取雙方環單元各個參數的情況下，雙方環單元 的兩個方環的尺寸可W獨立的變化，且相互之間的影響很小，驗證了采用該雙方環單元實 現反射陣雙頻性能的可行性。
[0035] 在高頻電磁仿真軟件HFSS中對上述兩種單元的反射特性進行分析，如圖5所示，為 雙方環單元在13.58G化處的反射相位曲線，分析低頻13.58G化時，內環外邊長b取2.2mm。從 圖中可W看出，當外環外邊長尺寸a從3mm變化到4.9mm時，雙方環單元在13.58GHz處反射相 位范圍約為330°，且線性度較好。
[0036] 圖6為雙方環單元在30G化處的反射相位曲線，在分析高頻30G化時，外環外邊長a 取4mm，此時內環外邊長b從Imm變化到3mm時，雙方環單元在30GHz處的反射相位范圍約為 315°，且線性度較好。
[0037] 圖7為本發明的一種基于雙方環單元的單層雙頻微帶反射陣列天線的結構模型示 意圖。陣面口徑為85mm*85mm，單元柵格周期取5mm的正方形周期，即陣面是由17*17共289個 單元組成的陣列，饋電方式采用正饋形式，兩個頻段處焦徑比F/D均取0.8,波束指向均為垂 直陣面方向。
[0038] 如圖8所示，為本發明的一種基于雙方環單元的單層雙頻微帶反射陣列天線在 13.58G化處的福射方向圖，從圖中可W看出，反射陣列天線在13.58G化處，其福射增益為 19. IdB。如圖9所示，為本發明的一種基于雙方環單元的單層雙頻微帶反射陣列天線在 30G化處的福射方向圖，從圖中可W看出，反射陣列天線在30G化處，其福射增益為27地。
[0039] 由圖8和圖9可W得出，本發明的一種基于雙方環單元的單層雙頻微帶反射陣列天 線在13.58G化和30G化處均有良好的福射性能。
[0040] 最后所應說明的是，W上實施例僅用W說明本發明的技術方案而非限制。盡管參 照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方 案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發明 的權利要求范圍當中。
【主權項】
1. 一種基于雙方環單元的單層雙頻微帶反射陣列天線，其特征在于，包括:饋源和微帶 反射陣列，所述的微帶反射陣列包括若干個均勻排列的單層雙方環單元，所述的雙方環單 元包括兩個同心設置的方環，且兩個方環分別工作于不同的頻率上。2. 根據權利要求1所述的基于雙方環單元的單層雙頻微帶反射陣列天線，其特征在于， 所述兩個方環中的外環的工作頻率為13.58GHz，內環的工作頻率為30GHz，所述雙方環單元 的柵格周期為5mm，外環寬度為0· 15mm，內環的內邊長bi表示為:bi = k*b，其中b為內環的外 邊長，k = 0.7。3. 根據權利要求2所述的基于雙方環單元的單層雙頻微帶反射陣列天線，其特征在于， 所述雙方環單元的介質采用介電常數er = 2.25的材料制成，厚度h=lmm。4. 根據權利要求3所述的基于雙方環單元的單層雙頻微帶反射陣列天線，其特征在于， 所述外環的外邊長尺寸變化范圍為3mm~5mm，所述內環的外邊長尺寸變化范圍為1mm~ 3mm 〇5. 根據權利要求1所述的基于雙方環單元的單層雙頻微帶反射陣列天線，其特征在于， 所述的饋源為角錐喇叭天線，其饋電方式為正饋，波束方向指向垂直陣面方向。
【文檔編號】H01Q1/38GK105826694SQ201610286821
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年5月3日
【發明人】薛飛, 王宏建, 董興超
【申請人】中國科學院國家空間科學中心