一種基于雙方環(huán)單元的單層雙頻微帶反射陣列天線(xiàn)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種基于雙方環(huán)單元的單層雙頻微帶反射陣列天線(xiàn)，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(gè)均勻排列的單層雙方環(huán)單元，所述的雙方環(huán)單元包括兩個(gè)同心設(shè)置的方環(huán)，且兩個(gè)方環(huán)分別工作于不同的頻率上。本發(fā)明的微帶反射陣列天線(xiàn)通過(guò)合理的設(shè)置單層雙方環(huán)單元的柵格周期及單元的其他尺寸參數(shù)，充分考慮不同頻率之間的互耦影響，使得該天線(xiàn)能夠工作在距離較遠(yuǎn)的兩個(gè)頻率處，從而使得反射陣天線(xiàn)的口徑得到了復(fù)用；且具有良好的輻射性能，設(shè)計(jì)的天線(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，易于工程實(shí)現(xiàn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
-種基于雙方環(huán)單元的單層雙頻微帶反射陣列天線(xiàn)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于天線(xiàn)技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種基于雙方環(huán)單元的單層雙頻微帶反射陣 列天線(xiàn)。
【背景技術(shù)】
[0002] 雷達(dá)、衛(wèi)星通信等應(yīng)用中通常都需要高增益天線(xiàn)，傳統(tǒng)高增益天線(xiàn)主要包括拋物 面反射天線(xiàn)和陣列天線(xiàn)，但是運(yùn)兩種天線(xiàn)均存在諸多不足之處。拋物面反射天線(xiàn)雖然結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單，而且工作頻段很寬，但是其體積和重量大，導(dǎo)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(shí)現(xiàn)波束掃描只能通過(guò)機(jī)械的方式實(shí)現(xiàn)。陣列天線(xiàn)可W采用移相器 來(lái)調(diào)節(jié)每個(gè)單元的福射相位，從而實(shí)現(xiàn)靈活的電控波束掃描，但是其饋電網(wǎng)絡(luò)過(guò)于復(fù)雜，不 僅增加了設(shè)計(jì)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(xiàn)與拋物面天線(xiàn)相比，具有重量輕、加工簡(jiǎn)單、成本低、工作效率 較高、易實(shí)現(xiàn)波束掃描、饋電簡(jiǎn)單且易于與其他物體表面共形等優(yōu)點(diǎn)，在某些領(lǐng)域內(nèi)，已經(jīng) 可W用來(lái)替代拋物面天線(xiàn)和陣列天線(xiàn)。微帶反射陣天線(xiàn)是由饋源和反射陣列組成，通過(guò)對(duì) 陣中每個(gè)單元進(jìn)行設(shè)計(jì)而使其將饋源福射波的散射相位進(jìn)行一定的調(diào)節(jié)，使得經(jīng)反射陣反 射的場(chǎng)在陣列口面上形成預(yù)定的相位分布，從而福射出設(shè)定的波束。解決反射陣的窄帶問(wèn) 題和實(shí)現(xiàn)雙頻工作問(wèn)題一直W來(lái)都是微帶反射陣天線(xiàn)的重要任務(wù)。目前已經(jīng)有一些技術(shù)來(lái) 實(shí)現(xiàn)反射陣的雙頻工作，總的說(shuō)來(lái)主要有單層和雙層的兩種結(jié)構(gòu)形式。單層結(jié)構(gòu)是將不同 頻段的單元都置于同一層介質(zhì)基片上的結(jié)構(gòu)形式，運(yùn)對(duì)單元的形式要求較高，只能實(shí)現(xiàn)距 離較近的兩個(gè)頻率的工作，而且單元之間的互禪導(dǎo)致帶寬變窄，增益變低。雙層結(jié)構(gòu)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(yùn) 兩種形式都會(huì)存在上層單元對(duì)于下層單元的遮擋，使得反射陣的性能惡化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于，為克服現(xiàn)有技術(shù)中的微帶反射陣在實(shí)現(xiàn)雙頻工作過(guò)程中存在 著上述技術(shù)問(wèn)題，提出一種基于雙方環(huán)單元的單層雙頻微帶反射陣列天線(xiàn)，該微帶反射陣 列天線(xiàn)能夠支持兩個(gè)距離較遠(yuǎn)的工作頻率，對(duì)于微帶反射陣列天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)多頻或者口徑復(fù)用 來(lái)說(shuō)具有重要的參考價(jià)值。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于雙方環(huán)單元的單層雙頻微帶反射陣列 天線(xiàn)，所述的天線(xiàn)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(gè)均勻排列的 單層雙方環(huán)單元;所述的雙方環(huán)單元包括兩個(gè)同屯、設(shè)置的方環(huán)，且兩個(gè)方環(huán)分別工作于不 同的頻率上。
[0006] 作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述雙方環(huán)單元的外環(huán)和內(nèi)環(huán)分別工作在 13.58G化和30G化頻率處，上述雙方環(huán)單元的柵格周期為5mm，對(duì)于13.58G化的工作頻率來(lái) 說(shuō)，其為0.23個(gè)波長(zhǎng);對(duì)于30G化的工作頻率來(lái)說(shuō)，其為0.5個(gè)波長(zhǎng);外環(huán)寬度為0.15mm，內(nèi)環(huán) 的內(nèi)邊長(zhǎng)bl表示為:bl = k*b，其中b為內(nèi)環(huán)的外邊長(zhǎng)，k取0.7。為了減小雙方環(huán)單元工作在 不同頻率時(shí)相互之間的影響，結(jié)合亞波(subwavelength)技術(shù)的思想，合理選擇雙方環(huán)單元 的上述柵格周期及單元的參數(shù)，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的反射陣在上述兩個(gè)頻率處均具有良好的 福射性能。
[0007] 作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述雙方環(huán)單元的介質(zhì)采用介電常數(shù)er = 2.25 的材料制成，厚度h = Imm。
[0008] 作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，為了使外環(huán)和內(nèi)環(huán)不發(fā)生重疊，外環(huán)的外邊長(zhǎng) 尺寸變化范圍為3mm~5mm，內(nèi)環(huán)的外邊長(zhǎng)尺寸變化范圍為1mm~3mm。
[0009] 作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的微帶反射陣列天線(xiàn)在兩個(gè)工作頻率處的 極化方式為線(xiàn)極化。
[0010] 作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的饋源采用角錐卿趴天線(xiàn)，其饋電方式為 正饋，波束方向均指向垂直陣面方向。
[0011] 本發(fā)明的一種基于雙方環(huán)單元的單層雙頻微帶反射陣列天線(xiàn)優(yōu)點(diǎn)在于：
[0012] 本發(fā)明的微帶反射陣列天線(xiàn)通過(guò)合理的設(shè)置單層雙方環(huán)單元的柵格周期及單元 的其他尺寸參數(shù)，充分考慮不同頻率之間的互禪影響，使得該天線(xiàn)能夠工作在13.58G化和 30G化距離較遠(yuǎn)的兩個(gè)頻率處，從而使得反射陣天線(xiàn)的口徑得到了復(fù)用;本發(fā)明的基于雙方 環(huán)單元的單層雙頻微帶反射陣列天線(xiàn)在上述兩個(gè)頻率處均具有良好的福射性能，且設(shè)計(jì)的 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，易于工程實(shí)現(xiàn)。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1為本發(fā)明中的微帶反射陣列表面結(jié)構(gòu)圖。
[0014] 圖2為本發(fā)明中的雙方環(huán)單元結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015] 圖3為本發(fā)明中的雙方環(huán)單元的不同內(nèi)環(huán)尺寸對(duì)13.58G化處反射相位曲線(xiàn)的影 響。
[0016] 圖4為本發(fā)明中的雙方環(huán)單元的不同外環(huán)尺寸對(duì)30G化處反射相位曲線(xiàn)的影響。
[0017] 圖5為本發(fā)明中的雙方環(huán)單元在13.58G化處的反射相位曲線(xiàn)。
[0018] 圖6為本發(fā)明中的雙方環(huán)單元在30G化處的反射相位曲線(xiàn)。
[0019] 圖7為本發(fā)明中的單層雙頻微帶反射陣列天線(xiàn)結(jié)構(gòu)模型示意圖。
[0020] 圖8為本發(fā)明中的單層雙頻微帶反射陣列天線(xiàn)工作在13.58G化時(shí)的福射方向圖。
[0021] 圖9為本發(fā)明中的單層雙頻微帶反射陣列天線(xiàn)工作在30G化時(shí)的福射方向圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所述的一種基于雙方環(huán)單元的單層雙頻微帶反 射陣列天線(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0023] 如圖1所示，本發(fā)明的一種基于雙方環(huán)單元的單層雙頻微帶反射陣列天線(xiàn)，包括： 饋源和微帶反射陣列，所述微帶反射陣列包括若干個(gè)均勻排列的單層雙方環(huán)單元。所述的 雙方環(huán)單元包括兩個(gè)同屯、設(shè)置的方環(huán)，且兩個(gè)方環(huán)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(huán)單元W-定的柵格周期均勻排列在 介質(zhì)基片上構(gòu)成的。不同位置處雙方環(huán)單元的尺寸大小不同，運(yùn)是因?yàn)轲佋吹椒瓷潢嚿细?個(gè)位置處雙方環(huán)單元的距離不同，導(dǎo)致從饋源發(fā)出的波到達(dá)反射陣表面各個(gè)單元處產(chǎn)生相 位差，通過(guò)調(diào)節(jié)單元的尺寸來(lái)補(bǔ)償反射陣各個(gè)單元由于距離差帶來(lái)的相位差，使得經(jīng)反射 陣各個(gè)雙方環(huán)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(shí)現(xiàn)高增 益的波束。
[0025] 采用下列公式計(jì)算每個(gè)頻率處反射陣各個(gè)單元位置處所需補(bǔ)償?shù)南辔恢担?br>[0026]
[0027] 其中，ko =化A是真空中的傳播常數(shù)，不同的頻率對(duì)應(yīng)的傳播常數(shù)不同；（xi，yi)是 第i個(gè)雙方環(huán)單元的中屯、坐標(biāo);di表示饋源相位中屯、與第i個(gè)雙方環(huán)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(gè)雙方環(huán)單元所需補(bǔ)償?shù)南辔弧?br>[0028] 確定了每個(gè)頻率處的反射相位曲線(xiàn)和各個(gè)雙方環(huán)單元位置處所需補(bǔ)償?shù)南辔恢?后，通過(guò)線(xiàn)性差值算法就可W求出每個(gè)單元的尺寸。
[0029] 基于上述結(jié)構(gòu)的微帶反射陣列天線(xiàn)，在本實(shí)施例中，所述饋源為角錐卿趴天線(xiàn)，其 饋電方式為正饋，波束方向指向垂直陣面方向。該天線(xiàn)的工作頻率分別為13.58G化和 30G化，所述雙方環(huán)單元中的外環(huán)工作于13.58GHz，其內(nèi)環(huán)工作于30GHz。如圖2所示，為雙方 環(huán)單元的結(jié)構(gòu)示意圖，該單元為單層形式，兩個(gè)方環(huán)呈同屯、放置，為了減小雙方環(huán)單元工作 在不同頻率時(shí)之間的相互影響，對(duì)單元的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行掃描優(yōu)化，最終選擇雙方環(huán)單元的 柵格周期為L(zhǎng) = 5mm，對(duì)于13.58G化的工作頻率來(lái)說(shuō)，其為0.23個(gè)波長(zhǎng);對(duì)于30G化的工作頻 率來(lái)說(shuō)，其為0.5個(gè)波長(zhǎng)。所述雙方環(huán)單元的介質(zhì)采用介電常數(shù)Er = 2.25的材料。綜合考慮 13.58GHz和30G化處的反射相位曲線(xiàn)的范圍大小及其線(xiàn)性度(反射相位范圍越大，線(xiàn)性度越 好的優(yōu)先），經(jīng)過(guò)優(yōu)化最終選定介質(zhì)厚度為h= 1mm，雙方環(huán)單元的外環(huán)寬度為W = O. 15mm，內(nèi) 環(huán)的內(nèi)邊長(zhǎng)bi為:bi = k*b，其中b為內(nèi)環(huán)的外邊長(zhǎng)，k取0.7。
[0030] 柵格周期的選取是通過(guò)權(quán)衡兩個(gè)頻率處其波長(zhǎng)的大小得出的。選擇單元柵格周期 L = 5mm，對(duì)于13.58G化的頻率來(lái)說(shuō)，其為0.23個(gè)波長(zhǎng)，前人提出的subwavelength技術(shù)應(yīng)用 于反射陣的設(shè)計(jì)，已經(jīng)證明柵格周期大小可W遠(yuǎn)小于半波長(zhǎng)，當(dāng)然一般來(lái)說(shuō)就算依據(jù) subwavelength技術(shù)，柵格周期也不能過(guò)小，不然單元的反射相位范圍會(huì)過(guò)小，設(shè)計(jì)反射陣 時(shí)會(huì)引起較大的相位誤差。依據(jù)subwave length技術(shù)，常見(jiàn)的柵格周期大小取0.2-0.3個(gè)波 長(zhǎng)為宜;對(duì)于30G化的頻率來(lái)說(shuō)，其為0.5個(gè)波長(zhǎng)，傳統(tǒng)反射陣單元柵格周期大小一般取0.5 個(gè)波長(zhǎng)左右。因此運(yùn)里選取柵格周期為5mm，之后的兩個(gè)頻率處的反射相位曲線(xiàn)也驗(yàn)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(huán)寬度、內(nèi)環(huán)內(nèi)外邊長(zhǎng)的關(guān)系，W及 介質(zhì)介電常數(shù)和厚度是通過(guò)參數(shù)掃描分析得出一組較優(yōu)的組合。運(yùn)里的柵格周期也可W選 擇其他值，但只能是5mm附近的值，當(dāng)柵格周期為其他值時(shí)，外環(huán)寬度、內(nèi)環(huán)內(nèi)外邊長(zhǎng)的關(guān) 系，W及介質(zhì)介電常數(shù)和厚度的值就需要重新進(jìn)行參數(shù)掃描分析來(lái)確定。
[0031] 本發(fā)明中采用所述的雙方環(huán)單元實(shí)現(xiàn)反射陣雙頻性能的基本條件是兩個(gè)方環(huán)的 尺寸可W獨(dú)立的變化，且相互之間的影響很小，并且在每個(gè)環(huán)尺寸變化的范圍內(nèi)，其對(duì)應(yīng)頻 率的反射相位曲線(xiàn)范圍和線(xiàn)性度能得到保證。運(yùn)對(duì)單元參數(shù)的選取有較高的要求。上述柵 格周期選擇5mm，就決定外環(huán)尺寸必須小于5mm，而且，外環(huán)跟內(nèi)環(huán)尺寸范圍不能重合。為了 使單元的兩個(gè)方環(huán)尺寸獨(dú)立變化時(shí)不重疊，本發(fā)明中外環(huán)的外邊長(zhǎng)尺寸變化范圍為3mm~ 5mm，內(nèi)環(huán)的外邊長(zhǎng)尺寸變化范圍為1mm~3mm。
[0032] 如圖3所示，為雙方環(huán)單元的不同內(nèi)環(huán)尺寸對(duì)13.58G化處反射相位曲線(xiàn)的影響，從 圖中可W看出，當(dāng)內(nèi)環(huán)外邊長(zhǎng)b取1.7mm、1.95mm、2.2mm、2.45mm、2.7mm時(shí)，雙方環(huán)單元在 13.58G化處的反射相位曲線(xiàn)差別很小，說(shuō)明內(nèi)環(huán)尺寸對(duì)外環(huán)的影響很小。即當(dāng)反射陣中采 用不同外環(huán)尺寸來(lái)補(bǔ)償13.58GHz處的相位時(shí)，內(nèi)環(huán)尺寸的選擇在其變化范圍內(nèi)不受限制。
[0033] 如圖4所示，為雙方環(huán)單元的不同外環(huán)尺寸對(duì)30GHz處反射相位曲線(xiàn)的影響，從圖 中可W看出，當(dāng)外環(huán)外邊長(zhǎng)a取3.5mm、3.75mm、4mm、4.25mm、4.5mm、4.75mm時(shí)，雙方環(huán)單元在 30GHz處的反射相位曲線(xiàn)差別很小，說(shuō)明外環(huán)尺寸對(duì)內(nèi)環(huán)的影響也很小。即當(dāng)反射陣中采用 不同的內(nèi)環(huán)尺寸來(lái)補(bǔ)償30GHz處的相位時(shí)，外環(huán)尺寸的選擇在其變化范圍內(nèi)不受限制。
[0034] 綜合圖3和圖4可W得出，在合理選取雙方環(huán)單元各個(gè)參數(shù)的情況下，雙方環(huán)單元 的兩個(gè)方環(huán)的尺寸可W獨(dú)立的變化，且相互之間的影響很小，驗(yàn)證了采用該雙方環(huán)單元實(shí) 現(xiàn)反射陣雙頻性能的可行性。
[0035] 在高頻電磁仿真軟件HFSS中對(duì)上述兩種單元的反射特性進(jìn)行分析，如圖5所示，為 雙方環(huán)單元在13.58G化處的反射相位曲線(xiàn)，分析低頻13.58G化時(shí)，內(nèi)環(huán)外邊長(zhǎng)b取2.2mm。從 圖中可W看出，當(dāng)外環(huán)外邊長(zhǎng)尺寸a從3mm變化到4.9mm時(shí)，雙方環(huán)單元在13.58GHz處反射相 位范圍約為330°，且線(xiàn)性度較好。
[0036] 圖6為雙方環(huán)單元在30G化處的反射相位曲線(xiàn)，在分析高頻30G化時(shí)，外環(huán)外邊長(zhǎng)a 取4mm，此時(shí)內(nèi)環(huán)外邊長(zhǎng)b從Imm變化到3mm時(shí)，雙方環(huán)單元在30GHz處的反射相位范圍約為 315°，且線(xiàn)性度較好。
[0037] 圖7為本發(fā)明的一種基于雙方環(huán)單元的單層雙頻微帶反射陣列天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)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(gè) 單元組成的陣列，饋電方式采用正饋形式，兩個(gè)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(fā)明的一種基于雙方環(huán)單元的單層雙頻微帶反射陣列天線(xiàn)在 13.58G化處的福射方向圖，從圖中可W看出，反射陣列天線(xiàn)在13.58G化處，其福射增益為 19. IdB。如圖9所示，為本發(fā)明的一種基于雙方環(huán)單元的單層雙頻微帶反射陣列天線(xiàn)在 30G化處的福射方向圖，從圖中可W看出，反射陣列天線(xiàn)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(fā)明的一種基于雙方環(huán)單元的單層雙頻微帶反射陣列天 線(xiàn)在13.58G化和30G化處均有良好的福射性能。
[0040] 最后所應(yīng)說(shuō)明的是，W上實(shí)施例僅用W說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參 照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方 案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明 的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于雙方環(huán)單元的單層雙頻微帶反射陣列天線(xiàn)，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(gè)均勻排列的單層雙方環(huán)單元，所述的雙方環(huán)單 元包括兩個(gè)同心設(shè)置的方環(huán)，且兩個(gè)方環(huán)分別工作于不同的頻率上。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙方環(huán)單元的單層雙頻微帶反射陣列天線(xiàn)，其特征在于， 所述兩個(gè)方環(huán)中的外環(huán)的工作頻率為13.58GHz，內(nèi)環(huán)的工作頻率為30GHz，所述雙方環(huán)單元 的柵格周期為5mm，外環(huán)寬度為0· 15mm，內(nèi)環(huán)的內(nèi)邊長(zhǎng)bi表示為:bi = k*b，其中b為內(nèi)環(huán)的外 邊長(zhǎng)，k = 0.7。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于雙方環(huán)單元的單層雙頻微帶反射陣列天線(xiàn)，其特征在于， 所述雙方環(huán)單元的介質(zhì)采用介電常數(shù)er = 2.25的材料制成，厚度h=lmm。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于雙方環(huán)單元的單層雙頻微帶反射陣列天線(xiàn)，其特征在于， 所述外環(huán)的外邊長(zhǎng)尺寸變化范圍為3mm~5mm，所述內(nèi)環(huán)的外邊長(zhǎng)尺寸變化范圍為1mm~ 3mm 〇5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙方環(huán)單元的單層雙頻微帶反射陣列天線(xiàn)，其特征在于， 所述的饋源為角錐喇叭天線(xiàn)，其饋電方式為正饋，波束方向指向垂直陣面方向。
【文檔編號(hào)】H01Q1/38GK105826694SQ201610286821
【公開(kāi)日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2016年5月3日
【發(fā)明人】薛飛, 王宏建, 董興超
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心