單層雙頻圓極化反射陣天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種單層雙頻圓極化反射陣天線。本發(fā)明單層雙頻圓極化反射陣天線，包括：圓極化饋源和單層反射陣列；其中，所述單層反射陣列的上表面設置雙頻天線單元，所述單層反射陣列的下表面采用頻率選擇表面。本發(fā)明通過采用頻率選擇表面作為單層反射陣列的下表面，降低不同頻率的天線單元之間的耦合作用，改善天線的方向性。
【專利說明】單層雙頻圓極化反射陣天線
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及天線技術，尤其涉及一種單層雙頻圓極化反射陣天線。
【背景技術】
[0002]隨著信息技術的迅猛發(fā)展，要求天線具有多功能性。雙頻圓極化反射陣天線作為一種在兩個工作頻段上均能實現(xiàn)良好圓極化性能的天線技術，已成為反射陣天線技術的研究熱點。
[0003]傳統(tǒng)的雙頻圓極化反射陣天線包括單層雙頻線-圓極化轉換反射陣天線。單層雙頻線-圓極化轉換反射陣天線是將線極化饋源發(fā)出的線極化波經(jīng)陣面各個天線單元沿兩個正交方向進行特定的相位補償以后反射出同相的圓極化波，以實現(xiàn)線極化波向圓極化波的轉換。但是，單層雙頻線-圓極化轉換反射陣天線在高頻的方向性較差。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明提供一種單層雙頻圓極化反射陣天線，以改善單層雙頻線-圓極化轉換反射陣天線的方向性。
[0005]第一方面，本發(fā)明提供一種單層雙頻圓極化反射陣天線，包括:圓極化饋源和單層反射陣列，其中，所述單層反射陣列的上表面設置雙頻天線單元，所述單層反射陣列的下表面采用頻率選擇表面。
[0006]結合第一方面，在第一方面的第一種可能的實現(xiàn)方式中，所述圓極化饋源固定設置在所述單層反射陣列的幾何中心上方。
[0007]結合第一方面或第一方面的第一種可能的實現(xiàn)方式，在第一方面的第二種可能的實現(xiàn)方式中，所述圓極化饋源采用軸向模螺旋天線。
[0008]結合第一方面的第二種可能的實現(xiàn)方式，在第一方面的第三種可能的實現(xiàn)方式中，所述雙頻天線單元交替排列在所述單層反射陣列的上表面。
[0009]結合第一方面的第三種可能的實現(xiàn)方式，在第一方面的第四種可能的實現(xiàn)方式中，所述雙頻天線單元采用十字振子。
[0010]結合第一方面的第四種可能的實現(xiàn)方式，在第一方面的第五種可能的實現(xiàn)方式中，所述單層反射陣列中雙頻天線單元分別對應不同的頻率選擇表面單元。
[0011]結合第一方面的第五種可能的實現(xiàn)方式，在第一方面的第六種可能的實現(xiàn)方式中，所述雙頻天線單元包括高頻天線單元和低頻天線單元，其中，所述高頻天線單元對應的頻率選擇表面單元為中空四邊形，所述低頻天線單元對應的頻率選擇表面單元為中空十字形。
[0012]結合第一方面的第六種可能的實現(xiàn)方式，在第一方面的第七種可能的實現(xiàn)方式中，所述雙頻天線單元采用旋轉單元的方式進行相位補償。
[0013]本發(fā)明采用頻率選擇表面作為單層雙頻圓極化反射陣天線中單層反射陣列的下表面，降低不同頻率天線單元之間的相互影響，從而改善單層雙頻線-圓極化轉換反射陣天線的方向性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明單層雙頻圓極化反射陣天線實施例一的側視結構示意圖；
[0015]圖2為本發(fā)明單層雙頻圓極化反射陣天線實施例一中軸向模螺旋天線的結構示意圖；
[0016]圖3A為本發(fā)明單層雙頻圓極化反射陣天線實施例一中高頻天線單元的結構示意圖；
[0017]圖3B為本發(fā)明單層雙頻圓極化反射陣天線實施例一中低頻天線單元的結構示意圖；
[0018]圖4A為本發(fā)明單層雙頻圓極化反射陣天線實施例一中高頻天線單元沿X軸和y軸的極化電場的相位變化曲線；
[0019]圖4B為本發(fā)明單層雙頻圓極化反射陣天線實施例一中低頻天線單元沿X軸和y軸的極化電場的相位變化曲線；
[0020]圖5為本發(fā)明單層雙頻圓極化反射陣天線實施例二的整體結構示意圖；
[0021]圖6A為本發(fā)明單層雙頻圓極化反射陣天線實施例二中單層反射陣列上表面示例圖；
[0022]圖6B為本發(fā)明單層雙頻圓極化反射陣天線實施例二中單層反射陣列下表面示例圖；
[0023]圖7A為本發(fā)明單層雙頻圓極化反射陣天線實施例二中高頻天線單元的反射透射幅度隨頻率變化的曲線圖；
[0024]圖7B為本發(fā)明單層雙頻圓極化反射陣天線實施例二中低頻天線單元的反射透射幅度隨頻率變化的曲線圖；
[0025]圖8A為本發(fā)明單層雙頻圓極化反射陣天線實施例二中高頻天線單元的增益方向圖；
[0026]圖SB為本發(fā)明單層雙頻圓極化反射陣天線實施例二中低頻天線單元的增益方向圖。
【具體實施方式】
[0027]圖1為本發(fā)明單層雙頻圓極化反射陣天線實施例一的側視結構示意圖。如圖1所示，單層雙頻圓極化反射陣天線100，包括:圓極化饋源10和單層反射陣列20，其中，單層反射陣列20的上表面設置雙頻天線單元(高頻天線單元21和低頻天線單元22)，單層反射陣列20的下表面采用頻率選擇表面。
[0028]單層反射陣列20包括拓撲結構相似的高頻天線單元21和低頻天線單元22,在圓極化饋源10照射單層反射陣列20時，通過對各高頻天線單元21和/或低頻天線單元22進行相位補償以產(chǎn)生所需的輻射波束。其中，相位補償可以采用改變高頻天線單元21和/或低頻天線單元22的尺寸以及改變高頻天線單元21和/或低頻天線單元22的旋轉角度等方式實現(xiàn)。
[0029]低頻天線單元22的個數(shù)略多于高頻天線單元21的個數(shù)，以保證單層雙頻反射陣天線在高頻和低頻的增益近似，但在對高頻或低頻有特殊要求時，也可以根據(jù)實際需求對高低頻天線單元的個數(shù)進行設置，在這里不對其進行限制。
[0030]由于頻率選擇表面本身不吸收能量，能夠有效控制入射波的透射和反射，因此，本發(fā)明采用頻率選擇表面代替?zhèn)鹘y(tǒng)反射陣的純金屬地板，利用頻率選擇表面的頻率選擇特性，減小了不同頻率天線單元之間的耦合作用，使反射陣天線在兩個頻段均獲得良好的圓極化特性。
[0031]通常情況下，圓極化饋源10固定設置在單層反射陣列20的幾何中心的上方，使得單層反射陣列20中以幾何中心對稱的高頻天線單元21或低頻天線單元22對圓極化饋源10發(fā)出的入射波的接收程度近似或相同，從而便于對高頻天線單元21或低頻天線單元22進行相位補償。
[0032]在上述基礎上，圓極化饋源10采用軸向模螺旋天線。軸向模螺旋天線輻射圓極化波，且具有結構簡單和波束易控制等優(yōu)點，故采用軸向模螺旋天線作為反射陣天線的饋源。如圖2所示，軸向模螺旋天線包括金屬銅板11、螺旋部分12和將上述兩部分連接在一起的饋電部分13。其中，螺旋部分12的輻射方向與螺旋線圓周長有關，當螺旋線的圓周長比一個波長小很多時，輻射最強的方向垂直于螺旋軸；當螺旋線圓周長為一個波長的數(shù)量級時，最強輻射出現(xiàn)在螺旋軸方向上。
[0033]如圖3A和圖3B所示，高頻天線單元21和低頻天線單元22均采用十字振子，且分別對應不同的頻率選擇表面單元。其中，高頻天線單元21對應的頻率選擇表面單元24為中空四邊形，低頻天線單元22對應的頻率選擇表面單元23為中空十字形。
[0034]如圖1所示,本發(fā)明中高頻天線單元21和低頻天線單元22交替排列在單層反射陣列20的上表面。
[0035]由于圓極化饋源到反射陣列各天線單元的路徑不同，因此，各天線單元之間存在由路徑差別所造成的相位差。另外，傳統(tǒng)反射陣天線采取調節(jié)天線單元尺寸的方式補償相位，而對于單層結構的天線單元，其相移范圍通常小于360°，造成反射陣列上部分天線單元不能實現(xiàn)相位補償，大口徑的反射陣天線尤其明顯。本發(fā)明采用旋轉天線單元方式對反射陣列上各天線單元進行相位補償，天線單元的旋轉角度與補償?shù)南辔恢g存在兩倍的數(shù)值關系，因此，避免反射陣列上天線單元相位補償范圍受限的問題，適合大口徑圓極化反射陣天線的設計，保證了天線良好的方向性。
[0036]為了使單層雙頻圓極化反射陣天線各天線單元保持相同相位，本發(fā)明對反射陣列上各天線單元進行一定的角度旋轉，從而補償各天線單元之間的相位差別。每個天線單元進行旋轉以后，由圓極化饋源照射的圓極化波經(jīng)反射陣列反射后，形成同相的圓極化筆形波束，其中，在旋轉之前，每個天線單元沿X軸和y軸的極化電場的反射相位相差180°。
[0037]由于天線單元采用十字振子，通過調節(jié)十字振子的橫向和/或縱向尺寸可以實現(xiàn)上述相位相差180°的要求。圖4A和圖4B示出高低頻天線單元沿x，y軸的極化電場反射相位隨頻率的變化，從圖4A和圖4B中可以看出，高低頻天線單元分別在14GHz和8GHz左右沿正交方向的相位差保持在180°，從而滿足天線單元旋轉技術的要求。
[0038]兩個頻段的天線單元均按照旋轉單元的方式進行相位補償，從而保證經(jīng)圓極化饋源照射后，單層反射陣列在兩個頻段都能發(fā)出同相的圓極化波束。
[0039]以下通過仿真實驗說明本發(fā)明單層雙頻圓極化反射陣列天線的性能。[0040]采用如圖5所示的單層雙頻圓極化反射陣天線結構，圓極化饋源采用軸向模螺旋天線200，軸向模螺旋天線200中各部分采用金屬銅制作，軸向模螺旋天線200可以采用如圖2所示的天線結構；單層反射陣列300可以采用如圖6A和圖6B所示的反射陣列結構。
[0041]其中，工作在低頻(8GHz)的軸向模螺旋天線的螺旋部分螺旋線直徑為1.2毫米，螺距為8毫米，螺旋線纏繞8圈，螺圈直徑12毫米；工作在高頻(14GHz)的軸向模螺旋天線的螺旋部分螺旋線直徑為1.2毫米，螺距為5毫米，螺旋線纏繞10圈，螺圈直徑7毫米。
[0042]同時參考圖7A和圖7B，本實施例提供的單層雙頻圓極化反射陣天線工作在高頻(14GHz)時,高頻天線單元沿X軸(垂直于螺旋軸方向)，y軸(螺旋軸方向)的反射幅度接近OdB，所對應的頻率選擇表面呈現(xiàn)全反射特性，相當于地板，對饋源照射的能量全反射；而低頻天線單元的透射幅度在-1dB左右，所對應的頻率選擇表面呈現(xiàn)出透射特性，對饋源照射的能量全透射，所以不會對處于工作狀態(tài)的高頻天線單元產(chǎn)生相互耦合的影響。同樣，當單層雙頻圓極化反射陣天線工作在低頻(8GHz)時,低頻天線單元的反射幅度接近OdB,對饋源照射的能量全反射；高頻天線單元的透射幅度為-ldB，對饋源照射能量全透射，也不會影響低頻天線單元工作。
[0043]上述數(shù)據(jù)表明，通過采用頻率選擇表面代替?zhèn)鹘y(tǒng)的反射陣金屬地板，可以減小兩個頻段的天線單元之間的互耦作用。
[0044]圖8A和圖8B分別給出了單層雙頻圓極化反射陣天線在14GHz和8GHz的增益方向圖。從圖8A中可以看出，天線在14GHz的左旋圓極化(由于軸向模螺旋天線的極化方式是左旋圓極化，因此，反射陣天線的極化方式也是左旋圓極化)最高增益約為23.12dB，第一副瓣電平約為-16.4dB (6.7-23.12=-16.4)，最大輻射方向上的交叉極化小于-18dB ;從圖8B中可以看出，天線在8GHz的左旋圓極化最高增益約為18.65dB，第一副瓣電平約為-14.2dB(4.45-18.65=-14.2)，最大輻射方向上的交叉極化小于-17dB。因此，單層雙頻圓極化反射陣天線在兩個中心頻率的增益方向圖均實現(xiàn)了高增益和低副瓣。
[0045]另外，單層雙頻圓極化反射陣天線在高頻段的3dB軸比帶寬達到16.3%，在低頻段的3dB軸比帶寬為6.3%，高低頻圓極化性能良好。
[0046]表I示出本發(fā)明采用頻率選擇表面結構反射陣的單層雙頻圓極化反射陣天線與傳統(tǒng)金屬地板結構的雙頻圓極化反射陣(饋源、陣列單元、工作頻率及其他物理參數(shù)均相同)的性能參數(shù)比較:
[0047]表I性能參數(shù)比較
[0048]
【權利要求】
1.一種單層雙頻圓極化反射陣天線，其特征在于，包括:圓極化饋源和單層反射陣列，其中，所述單層反射陣列的上表面設置雙頻天線單元，所述單層反射陣列的下表面采用頻率選擇表面。
2.根據(jù)權利要求1所述的天線，其特征在于，所述圓極化饋源固定設置在所述單層反射陣列的幾何中心上方。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的天線，其特征在于，所述圓極化饋源采用軸向模螺旋天線。
4.根據(jù)權利要求3所述的天線，其特征在于，所述雙頻天線單元交替排列在所述單層反射陣列的上表面。
5.根據(jù)權利要求4所述的天線，其特征在于，所述雙頻天線單元采用十字振子。
6.根據(jù)權利要求5所述的天線，其特征在于，所述單層反射陣列中雙頻天線單元分別對應不同的頻率選擇表面單元。
7.根據(jù)權利要求6所述的天線,其特征在于,所述雙頻天線單元包括高頻天線單元和低頻天線單元，其中，所述高頻天線單元對應的頻率選擇表面單元為中空四邊形，所述低頻天線單元對應的頻率選擇表面單元為中空十字形。
8.根據(jù)權利要求7所述的天線，其特征在于，所述雙頻天線單元采用旋轉單元的方式進行相位補償。
【文檔編號】H01Q21/30GK103633440SQ201310646090
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月3日 優(yōu)先權日:2013年12月3日
【發(fā)明者】鐘顯江, 陳蕾, 楊才興, 王超, 史小衛(wèi) 申請人:西安電子科技大學