一種基於超材料技術的低柵瓣平板陣列天線的製作方法

2023-08-06 07:30:41 1

本發明屬於衛星通信、偵察對抗、移動通信等領域，涉及一種基於超材料技術的低柵瓣平板陣列天線。

背景技術：

平板陣列天線廣泛應用於移動衛星通信和偵察對抗中。平板陣列天線的輻射口面為平面，它由天線單元二維周期排列形成，天線陣面的寬度和高度可以靈活配置。相比反射面天線，平板陣列天線容易實現4：1乃至更大的寬高比。這種形式的天線適合裝載於移動載體平臺中，具有低輪廓的技術優勢。

平板陣列天線的組陣周期經常大於一個波長。大周期組陣的平板陣列天線具有以下優勢：饋電網絡設計簡單、插入損耗小；在同等的輻射面積下，使用大周期組陣的平板陣列天線，其天線單元個數少，加工成本低、重量輕。

大周期組陣的平板陣列天線的劣勢為：天線的輻射方向圖會出現柵瓣，導致天線效率下降。

將十字金屬線結構加載於陣列天線口面，能夠明顯降低天線的輻射柵瓣。該方案已經成功應用於Ku衛星通信頻段的平板陣列天線，其接收頻率為12.25-12.75GHz，發射頻率為14.0-14.5GHz。這種技術方案的局限在於工作帶寬窄，它適用的相對帶寬約為20％。對工作於Ka衛星通信頻段的平板陣列天線，其接收頻率為19.6-21.2GHz，發射頻率為29.4-31.0GHz，相對帶寬約50％，十字線結構的技術方案不再適用。

技術實現要素：

本發明的目的在於設計一種基於超材料技術的低柵瓣平板陣列天線，該天線包含大周期組陣的平板陣列天線和加載於平板陣列天線輻射口面處的超材料蓋板。超材料蓋板可以調節輻射口面的場分布，降低輻射方向圖的柵瓣電平，提高平板陣列天線的增益和口面效率。

本發明採用的技術方案為：

一種基於超材料技術的低柵瓣平板陣列天線，包含大周期組陣的平板陣列天線1和加載於平板陣列天線1輻射口面上的超材料蓋板2；所述的平板陣列天線1由多個平板陣列天線單元組成；所述的超材料蓋板2由多個90°旋轉對稱性的結構單元周期性排列而成；每個結構單元包含多個沿天線陣法線方向開設的空氣孔，所有空氣孔呈環狀排列，空氣孔的大小從內環至外環逐漸變大；超材料蓋板2的結構單元的重複周期與平板陣列天線單元的組陣周期一致。

其中，所述超材料蓋板2的基材為低損耗的微波介質平板。

其中，所述超材料蓋板2的上表面還設有上層超材料蓋板，上層超材料蓋板和超材料蓋板2結構相同。

其中，上層超材料蓋板和下層超材料蓋板之間留有空氣間隙3，空氣間隙的高度為0.05-0.12個波長。

本發明相比於背景技術，其優點為：

(1)基於超材料的技術方案能夠寬帶工作。該方案的相對工作帶寬超過1.6倍頻。該方案應用於衛星通信領域時，能夠滿足Ka頻段衛星通信的帶寬要求。

(2)基於超材料的技術方案能夠適應更大的組陣周期。當組陣周期大於兩個波長時，該技術方案仍然可行。

附圖說明

圖1是未加載超材料蓋板的平板陣列天線示意圖。

圖2是加載超材料蓋板的平板陣列天線的側視圖。

圖3是超材料蓋板的俯視圖，對應3×3個平板陣列天線單元。

具體實施方式

下面結合圖1至圖3對本發明作進一步說明。但本發明的保護範圍不局限於所述實施範例。

本發明提出一種基於超材料技術的低柵瓣平板陣列天線，將特殊設計的超材料蓋板加載於大周期組陣的平板陣列天線的輻射口面處。超材料蓋板的基材為低損耗微波介質平板，如聚四氟乙烯、聚苯乙烯，介質平板含有大量周期性排列的沿天線陣法線方向的空氣孔。超材料蓋板可以調節輻射口面的場分布，從而降低輻射方向圖的柵瓣電平，提高平板陣列天線的增益和口面效率。蓋板使用的超材料單元結構為非諧振單元，具有寬帶特性。該發明可以應用於Ka衛星通信頻段，同時覆蓋接收和發射頻段。

如圖1所示，作為一個實施例，未加載超材料蓋板的平板陣列天線1由金屬波導口周期排布而成，所述的平板陣列天線1由多個平板陣列天線單元組成；平板陣列天線具有工作頻帶寬、加工工藝成熟、可承受高功率等特性。平板陣列天線採用大周期布陣，對工作頻帶的高端頻率，其電尺寸超過2個波長。這種平板陣列天線的饋電網絡簡單，設計難度小。平板陣列天線的天線單元可以選用喇叭、微帶、波導縫隙等各類天線形式。其中，喇叭口天線具有工作頻帶寬、加工工藝成熟、可承受高功率等特性，在工程中應用最為廣泛。

如圖2所示，超材料蓋板2的上方還設有上層超材料蓋板，超材料蓋板2加載於平板陣列天線輻射口面，超材料蓋板2的下表面與平板陣列天線1的上表面緊密貼合；上層超材料蓋板和超材料蓋板2結構相同，結構單元上下相對應設置，之間留有空氣間隙3，空氣間隙的高度尺寸為0.05-0.12個波長，這種雙層設計可以減小超材料蓋板導致的回波損耗，有利於實現電磁波輻射時的阻抗匹配。

如圖3所示，每層超材料蓋板2由多個90°旋轉對稱性的結構單元周期性排列而成，結構單元的重複周期與平板陣列天線單元的組陣周期一致；每個結構單元沿天線陣面法線方向開設有多個空氣孔，空氣孔呈環狀排列，空氣孔的大小從內環至外環逐漸變大，這種介質開孔形式的超材料單元結構具有非諧振特性，可以寬帶工作。作為一個實施例，超材料蓋板的基材選用為低損耗的微波介質如聚四氟乙烯、聚苯乙烯，該介質材料能夠在高頻條件下工作，介質損耗正切小於0.1％，引入天線系統的插損小，性能穩定，具有良好的環境適應性；實施例空氣孔為圓孔，採用機械方法加工，工藝成熟。實施例圖3右下角用虛線標示出超材料蓋板的一個陣列單元，超材料蓋板的組成單元包含4個方環形的空氣孔陣列。從內環至外環，空氣孔的尺寸從小變大。