低剖面的寬帶的寬角陣列波束掃描圓極化陣列天線的製作方法

2023-05-04 13:22:37

本發明涉及一種陣列天線，具體地，涉及具有低剖面和寬帶特性的寬角陣列波束掃描圓極化陣列天線。

背景技術：

隨著無線通信技術的發展，具有圓極化特性的天線佔據有越來越重要的地位。由於圓極化具有減小多徑效應帶來的對通信線路的幹擾，能減少信號傳輸時由於極化失配帶來的能量損失並且為天線的放置取向提供了更多的自由度，使得圓極化天線相比於線極化天線在通信系統中具有更多的優勢。除此之外，相控陣技術在衛星通信、遙感遙測領域相比其他類型的天線具有明顯的優勢，其可以通過控制每個單元的激勵幅度和相位，實現在預定的區域形成特定波束並進行快速波束掃描。由于波束的指向改變不需要使用複雜的機械設備調整而是通過移相器改變單元的相應激勵來實現，使得系統可以對幹擾信號進行抑制並在所需要的信號方向集中能量，以此來實現改善系統的信噪比。隨著系統應用場景的多變，往往要求天線具有寬帶特性來覆蓋更多的工作頻段。結合以上優點的具有寬帶特性的寬角陣列波束掃描圓極化天線陣將具有明顯的應用優勢。

實現陣列寬波束掃描的方式有許多，但是目前大多寬波束掃描系統都是基於寬波束單元來實現，例如專利文獻cn1983718b公開的寬帶寬波束微帶天線單元，這些陣列多為線極化並存在帶寬較窄且只能在有限的維度進行波束掃描等局限性。然而圓極化寬波束單元較難獲得，而且目前的圓極化單元多基於可重構且無法形成均勻的波束覆蓋。除此之外，寬波束單元意味著陣列的最大增益將不可避免地減小。傳統的陣列如半球陣和圓錐陣列等寬角掃描陣列通過激勵不同的陣面扇區單元來實現寬角陣列波束掃描，然而這些陣列在某一特性方向所能激勵的單元有限且佔據很大的空間。綜合以上討論，設計一種低剖面、具有寬帶特性的寬角陣列波束掃描圓極化天線陣是十分必要的。

技術實現要素：

針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種低剖面的寬帶的寬角陣列波束掃描圓極化陣列天線。

根據本發明提供的一種低剖面的寬帶的寬角陣列波束掃描圓極化陣列天線，包括：金屬地板和設置在金屬地板上的多個輻射單元；

輻射單元為圓極化正交偶極子單元；

所述多個輻射單元分布形成相互同心的圓環子陣列；

輻射單元與陣面法向之間具有傾角，以使輻射單元的主波束偏離陣面法向。

優選地，所述多個輻射單元在偏離陣面法向±60°的圓錐形空間範圍內方位角全覆蓋。

優選地，金屬地板為漣漪狀金屬地板，所述漣漪狀金屬地板包括單元一側金屬壁和單元對側金屬壁，輻射單元嵌入在單元一側金屬壁上。

優選地，金屬地板將輻射單元的輻射部分與饋電部分相分隔開。

優選地，作為反射地板的所述單元一側金屬壁與水平面的夾角相同於輻射單元偏離陣面法向的傾角；同一圓環子陣列中的輻射單元之間在周向上均布。

優選地，輻射單元包括正交偶極子、同軸線、同軸接頭；

輻射單元的正交偶極子印刷在微波介質板上，微波介質板的下方為一金屬腔，正交偶極子通過同軸線連接至同軸接頭；

金屬腔的底端嵌入金屬地板。

優選地，一部分相鄰圓環子陣列的輻射單元的所述傾角之間相同，另一部分相鄰圓環子陣列的輻射單元的所述傾角之間不相同。

優選地，輻射單元邊長為λ/2且高度為λ/4，金屬腔的深度為λ/4，同軸線長λ/4，金屬環高度為λ/4；其中，λ為工作頻率中心頻點對應的自由空間波長。

優選地，同心的圓環子陣列共有3個，分別記為內環、中環、外環；

內環、中環、外環中的輻射單元的數量分別為10、22、32；

內環、中環中的輻射單元偏離陣面法向的傾角為40°；

外環中的輻射單元偏離陣面法向的傾角為50°；

內環、中環、外環中單元對側金屬壁與水平面的夾角為30°。

優選地，當低剖面的寬帶的寬角陣列波束掃描圓極化陣列天線掃描0°～10°時，激勵所有的輻射單元；

當低剖面的寬帶的寬角陣列波束掃描圓極化陣列天線的主波束掃描10°～60°的範圍時，只激勵輻射單元法向方位角在掃描方向方位角±90°的扇區範圍內的輻射單元，對應所有輻射單元總數的一半。

與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：

本發明提供一種低剖面的寬帶的寬角陣列波束掃描圓極化陣列天線。通過使用漣漪狀地板及具有傾斜單元的圓環子陣列，來使陣列在寬角陣列波束掃描時能有較小的增益下降並保持低剖面。該陣列可由64個圓極化正交偶極子單元及一個漣漪狀地板組成，陣列前兩環(內環、中環)單元法向偏離陣面法向40°角，最後一環(外環)的單元偏離陣面法向傾角優化為50°角用來調節陣列的增益下降量。圓環子陣列單元對側的地板金屬壁傾角設置為30°來儘可能地減少地板對電磁波的遮擋效應。本發明可以實現在8～9.1ghz頻率範圍，陣列主波束覆蓋偏離陣列法向±60°的錐形區域範圍且具有小於3db的增益起伏，同時該陣列相比於傳統用於寬角陣列波束掃描的半球形陣列及圓錐形陣列具有低剖面的特點。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯：

圖1是本發明陣列布局及結構示意圖。

圖2是本發明陣列平面視圖及陣列漣漪狀金屬反射板a-a剖視圖。

圖3是本發明實施例在8ghz於phi＝0°平面主波束掃描至0°、20°、40°、60°的方向圖。

圖4是本發明實施例在8.5ghz於phi＝0°平面主波束掃描至0°、20°、40°、60°的方向圖。

圖5是本發明實施例在9.1ghz於phi＝0°平面主波束掃描至0°、20°、40°、60°的方向圖。

圖中示出：

金屬地板1

單元一側金屬壁101

單元對側金屬壁102

輻射單元2

第一環的前兩個單元201

第二環的第一個單元202

同軸接頭3

微波介質板4

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助於本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變化和改進。這些都屬於本發明的保護範圍。

本發明的天線陣列波束可以在8～9.1ghz頻帶內覆蓋±60°的圓錐形空間範圍，具有圓極化及低剖面特性且在掃描範圍內滿足增益波動小於3db、有源駐波比小於2及軸比小於3db。與現有技術的寬角陣列波束掃描天線陣列相比，本發明由於採用了全新的布局方式，通過圓極化單元的傾斜並結合漣漪狀的金屬地板使得陣列具有圓極化寬帶的寬角陣列波束掃描的特性。同時，由於陣列採用漣漪狀的布局，陣列相比於傳統的陣列還有剖面低、佔據空間小等優點。

本發明提供一種具有低剖面的寬帶的圓極化寬角陣列波束掃描陣列天線，通過採用具有傾斜的輻射單元2的同心圓環子陣列的布局來使陣列在掃描±60°的錐形區域範圍內具有方位面全覆蓋的能力。通過將圓環子陣列的輻射單元傾斜一定的角度並結合漣漪狀的金屬地板1來使陣列的最大掃描角擴大並減小陣列在波束掃描範圍內增益的變化幅度。

低剖面的寬帶的圓極化寬角陣列波束掃描陣列天線中輻射單元2採用邊長約為λ/2(其中λ為工作頻率中心頻點對應的自由空間波長)、高度約為λ/4的圓極化正交偶極子單元。單元正交偶極子部分印刷在微波介質板4上並將採用邊長約為λ/2、高度約為λ/4的方形盒金屬腔體以減小單元之間的互耦。微波介質板4上正交偶極子饋電點通過下方長度約為λ/4的同軸線與金屬腔上同軸接頭3進行連接；圓環子陣列中的輻射單元在每環的周向採取等間距排列。每一圓環子陣列中的輻射單元2均採取一定的傾角，通過對輻射單元2施加的傾角來使陣列的波束掃描範圍增大並在掃描範圍內減小增益的波動。輻射單元2中由底部的同軸接頭3進行饋電，通過控制每個輻射單元的饋電幅度和相位，可以使陣列的波束掃向不同的角度，輻射單元在周向根據陣列所輻射電磁波的極化情況來選擇相應圓極化相位補償。

進一步地，本發明的詳細結構請參閱圖1和圖2，低剖面的寬帶的圓極化寬角陣列波束掃描陣列天線包括：64個邊長為23mm的圓極化正交偶極子單元，輻射單元的偶極子部分印刷於厚度為0.508mm、介電常數為4.5的微波介質板4上，微波介質板4下包含一個與微波介質板4相同邊長、腔內側深度為9mm、腔壁厚為2mm的金屬腔，微波介質板4上的正交偶極子饋電點通過介質板下方的約λ/4長同軸線連至單元金屬腔上的同軸接頭3，外接激勵通過同軸接頭3向每個單元饋電。

陣列有三個同心圓環子陣列組成，由內向外分為記為內環(第一環)、中環(第二環)、外環(第三環)，這三個環中的輻射單元個數分別為10、22、32。輻射單元按照逆時針順序及由內而外的順序編號，第二環的第一個單元方位角位於第一環前兩個單元的中間，以此類推。圓環子陣列前兩環單元面偏離陣面法向的角度為40°，最外環中輻射單元的偏離角度可以用來調節陣列的增益變化情況，這裡優化為50°。金屬地板1的單元一側金屬壁101與水平面的夾角，與輻射單元2偏離陣面法向傾角一致，充當輻射單元的反射地板，調節單元對側金屬壁102的傾角以減小金屬壁對輻射單元的遮擋效應，這裡選為與水平面形成30°夾角。陣列地板中心的倒截頂圓錐形的凹陷是用來調節陣列的尺寸及陣列環內單元間距，這裡將水平部分半徑設置為2mm，金屬壁傾角調節為33°。

輻射單元2嵌於金屬地板上，調節輻射單元2背腔內側的底面高出金屬反射板1mm，至此陣列的輻射單元部分與陣列的底部饋電部分相分離開。通過控制給每個輻射單元2的激勵幅度和相位可以使陣列波束掃描所需的範圍。由於陣列在掃描一確定方位時，背向該掃描方向的單元輻射方向並不在陣列主波束範圍內並只會增加陣列的副瓣，所以這裡採取當陣列掃描0°～10°時，激勵所有的輻射單元2，當陣列主波束掃描10°～60°的範圍時，只激勵陣列中輻射單元法向方位角在掃描方向方位角±90°的扇區範圍內的輻射單元2，對應陣列總輻射單元數的一半。上述方式通過可重構開關來實現激勵扇區的選擇。

陣列仿真得到的結果表明，那本發明提供的陣列在8～9.1ghz，主波束掃描至偏離陣列法向±60°的錐形區域範圍內滿足增益變化小於3db，有源駐波比小於2及軸比小於3db。

以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明並不局限於上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變化或修改，這並不影響本發明的實質內容。在不衝突的情況下，本申請的實施例和實施例中的特徵可以任意相互組合。