带有频选结构的频段共享口径的四频高增益天线的制作方法

本发明涉及卫星通信天线
技术领域：
，特别涉及一种带有频选结构的频段共享口径的四频高增益天线。
背景技术：
：伴随着Ka频段同步卫星的发射，卫星地面移动通信业务将逐步向Ka频段(Tx:29.4～31.0GHz；Rx:19.6～21.2GHz)逐步推进。由于Ka频段与目前普遍使用的动中通频率相比高出了许多，大量的现有成熟技术无法直接应用到Ka频段的天线上，因此需要进行大量的研究工作，主要集中在天线形式和微波网络器件的研究。鉴于现有主要通信还集中在Ku频段(Tx:14.0～14.5GHz；Rx:12.25～12.75GHz)，为了实现平稳过渡，Ku/Ka四频双极化动中通天线将会成为下阶段动中通天线的主要形式之一。其中，对于Ku/Ka四频双极化动中通天线现有的解决方案是使用Ku/Ka四频反射面天线或者Ku/Ka四频平板阵列天线。然而，反射面天线体积大、质量重，反射表面为曲面结构，在加工制作时需要保持极好的表面光滑度，导致加工要求高，制作困难。尤其在Ka高频段，更是对加工精度提出了巨大的挑战。而对于Ku/Ka四频平板阵列天线，其解决方案一般为使用多块天线面板拼装而成，每一个特定面板实现特定频段的覆盖。然而，这种方案必将会造成天线制造成本以及天线占用面积的上升，不符合天线低成本和小型化的发展趋势。为了弥补反射面天线以及平板相控阵各自不足之处，相关技术中提出了微带平面反射阵的概念。但是由于微带阵列固有的特点，其增益带宽一般较窄。传统的微带反射阵设计将不能有效的同时覆盖Ku/Ka四个所需频段。也就是说直接设计一款超宽带反射阵同时覆盖Ku/Ka频段是不太现实的。一个可行的方法是设计一款多频反射阵以实现Ku/Ka频段的覆盖。然而比较遗憾的是，现有的多频反射阵设计报道较少。迄今为止，高于三个频段的反射阵鲜有报道。原因之一在于研究人员不能找到性能优越的单元结构以实现Ku/Ka频段的相位补偿。因此，如何实现使用微带平面反射阵同时覆盖Ku/Ka频段成了工业界和学术界的重难点。技术实现要素：本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种带有频选结构的频段共享口径的四频高增益天线，该天线可以实现Ku频段与Ka频段共享口径，节约天线占用面积，增加了天线利用率，降低天线重量和制造成本。为达到上述目的，本发明实施例提出了一种带有频选结构的频段共享口径的四频高增益天线，包括：至少一个初级馈源，用于发射和接收电磁波；调相阵面，用于将所述至少一个初级馈源发射的球面波转换为第一平面波，或者接收第二平面波并汇聚到所述至少一个初级馈源内；天线支撑结构，所述天线支撑结构分别与所述至少一个初级馈源和所述调相阵面相连，用于固定所述至少一个初级馈源与所述调相阵面的相对位置。本发明实施例的带有频选结构的频段共享口径的四频高增益天线，具有重量轻、剖面低、成本低的优点，实现了Ku频段与Ka频段共享口径，节约天线占用面积，增加了天线利用率，降低天线重量，并且可以应用于卫星通信场景，包括移动式场景，以及也可以应用于其他通信、雷达等场景。另外，根据本发明上述实施例的带有频选结构的频段共享口径的四频高增益天线还可以具有以下附加的技术特征：进一步地，在本发明的一个实施例中，所述调相阵面包括：第一介质板，所述第一介质板的上表面和下表面分别设置有第一金属电路图案和第二金属电路图案，且所述第一金属电路图案包括第一类调相单元和第二类调相单元，其中，所述第一类调相单元通过旋转单元角度补偿第一频段相位，所述第二类调相单元通过变化单元尺寸补偿第二频段相位；第一泡沫层；第二介质板，所述第二介质板的上表面设置有第三金属电路图案，以通过所述第三金属电路图案和所述第二金属电路图案对电磁波频率进行空间选择；第二泡沫层；第三介质板，所述第三介质板的上表面设置有第四金属电路图案，以通过对所述第四金属图案的大小进行调整，进而获取第三频段相位和第四频段相位；第三泡沫层和金属地板。可选地，在本发明的一个实施例中，初级馈源为抛物面天线的馈源天线。进一步地，在本发明的一个实施例中，所述初级馈源在Ka频段为双圆极化形式，且在Ku频段为双线极化形式。进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第一金属电路图案为边角带有切口的方形贴片与切口圆环组合得到，其中，边角带有切口的方形贴片为所述第一类调相单元，且切口圆环为所述第二类调相单元。进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第二金属电路图案和所述第三金属电路图案均为方形槽与方形环组合得到，以使得在预设频率下的带通和带阻满足预设条件。进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第四金属电路图案由双方环内嵌方形贴片得到，通过调节边长大小进行相位补偿。进一步地，在本发明的一个实施例中，当所述第一金属图案和所述第四金属图案的频点处用于笔形波束聚焦时，所需的空间相位补偿根据以下公式得到：其中，f为设计频点，为第mn个单元的相位补偿，k为自由空间波数，为阵列中心到所述第mn个单元的位置矢量，为初级馈源到所述第mn个单元的位置矢量，为天线最大辐射方向单位矢量，Δφ为参考相位，N为任意整数。可选地，在本发明的一个实施例中，至少一个初级馈源包括第一至第三初级馈源。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。附图说明本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为根据本发明实施例的带有频选结构的频段共享口径的四频高增益天线的结构示意图；图2为根据本发明一个实施例的带有频选结构的频段共享口径的四频高增益天线的结构示意图；图3为根据本发明一个实施例的带有频选结构的频段共享口径的四频高增益天线所采用的频率选择表面的几何结构示意图；图4为根据本发明一个实施例的频率选择表面反射、传输振幅随着频率变化的曲线示意图；图5为根据本发明一个实施例的带有频选结构的频段共享口径的四频高增益天线在Ka波段所采用的调相单元的结构示意图；图6为根据本发明一个实施例的20.4GHz调相单元的反射相位以及振幅随着单元旋转角度变化曲线示意图；图7为根据本发明一个实施例的当20.4GHz单元旋转角度时对Ku波段的透射振幅影响曲线示意图；图8为根据本发明一个实施例的30.2GHz调相单元的反射相位以及振幅随着单元尺寸大小变化曲线示意图；图9为根据本发明一个实施例的当30.2GHz单元变化尺寸大小时对Ku波段的透射振幅影响曲线示意图；图10为根据本发明一个实施例的带有频选结构的频段共享口径的四频高增益天线在Ku波段所采用的调相单元的结构示意图；图11为根据本发明一个实施例的Ku波段调相单元工作在多谐振模式时的相移以及振幅曲线示意图；图12为根据本发明一个实施例的Ku波段调相单元工作在Phoenix模式时的相移以及振幅曲线示意图；图13为根据本发明一个实施例的全波仿真获得的阵列三维辐射方向示意图；图14为根据本发明一个实施例的全波仿真获得的阵列在Ku波段增益随着频率变化曲线示意图；图15为根据本发明一个实施例的全波仿真获得的阵列在Ka接收波段增益随着频率变化曲线示意图；图16为根据本发明一个实施例的全波仿真获得的阵列在Ka发射波段增益随着频率变化曲线示意图；图17为根据本发明一个实施例的全波仿真获得的阵列在Ka接收波段轴比随着频率变化曲线示意图；图18为根据本发明一个实施例的全波仿真获得的阵列在Ka发射波段轴比随着频率变化曲线示意图。具体实施方式下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。下面参照附图描述根据本发明实施例提出的带有频选结构的频段共享口径的四频高增益天线。图1是本发明一个实施例的带有频选结构的频段共享口径的四频高增益天线的结构示意图。如图1所示，该带有频选结构的频段共享口径的四频高增益天线10包括：至少一个初级馈源11、调相阵面12和天线支撑结构13。其中，至少一个初级馈源11用于发射和接收电磁波。调相阵面12用于将至少一个初级馈源11发射的球面波转换为第一平面波，或者接收第二平面波并汇聚到至少一个初级馈源11内。天线支撑结构13分别与至少一个初级馈源11和调相阵面12相连，天线支撑结构13用于固定至少一个初级馈源11与调相阵面12的相对位置。本发明实施例的四频高增益天线10可以将Ku频段以及Ka频段调相功能集成在同一口径上，具有重量轻、剖面低、结构紧凑、成本低等显著优点，并且由于共享物理口径，增加了天线口面利用率。可选地，在本发明的一个实施例中，如图2所示，至少一个初级馈源11包括第一至第三初级馈源，即初级馈源101、初级馈源102和初级馈源103，初级馈源101、初级馈源102和初级馈源103用于发射和接收电磁波。进一步地，在本发明的一个实施例中，如图2所示，调相阵面12包括：第一介质板105、第一泡沫层107、第二介质板109、第二泡沫层110、第三介质板112、第三泡沫层113和金属地板114。具体地，结合图2与图4所示，调相阵面12用于将初级馈源发出的球面波转换为平面波，或者接收平面波并汇聚到初级馈源内，调相阵面12为层叠结构。具体地，第一介质板105的上表面和下表面分别设置有第一金属电路图案104和第二金属电路图案106，且第一金属电路图案104包括第一类调相单元和第二类调相单元，其中，第一类调相单元通过旋转单元角度补偿第一频段相位401，第二类调相单元通过变化单元尺寸补偿第二频段相位402。第二介质板109的上表面设置有第三金属电路图案108，以通过第三金属电路图案108和第二金属电路图案106对电磁波频率进行空间选择。第三介质板112的上表面设置有第四金属电路图案111，以通过对第四金属图案111的大小进行调整，进而获取第三频段相位和第四频段相位，即通过调整第四金属图案111的大小以实现第三频段和第四频段的相位调节。其中，第二金属电路图案106与第三金属电路图案108几何形状一致，第二金属电路图案106和第三金属电路图案108均为周期性排布，通过第二金属图案106和第三金属电路图案108实现对电磁波频率的空间选择，实现特定的带阻和带通功能。可选地，在本发明的一个实施例中，初级馈源为抛物面天线的馈源天线。例如，初级馈源101、初级馈源102和初级馈源103可以采用抛物面天线的馈源天线作为馈源。进一步地，在本发明的一个实施例中，初级馈源在Ka频段可以为双圆极化形式，且在Ku频段为双线极化形式。进一步地，在本发明的一个实施例中，如图4所示，第一金属电路图案104为边角带有切口的方形贴片与切口圆环组合得到，其中，边角带有切口的方形贴片402为第一类调相单元，且切口圆环401为第二类调相单元。可以理解的是，第一金属电路图案104为边角带有切口的方形贴片与切口圆环组合构成，其中边角带有切口的方形贴片402为第一类调相单元，通过变化单元尺寸补偿相位，切口圆环401为第二类调相单元，通过旋转单元角度补偿相位。进一步地，在本发明的一个实施例中，如图2所示，第二金属电路图案106和第三金属电路图案108均为方形槽201与方形环202和方形环203组合得到，以使得在预设频率下的带通和带阻满足预设条件。可以理解的是，第二金属电路图案106和第三金属电路图案108为方形槽201以及方形环202、方形环203组合构成，以实现在特定频率下的带通和带阻功能。进一步地，在本发明的一个实施例中，第四金属电路图案111由双方环内嵌方形贴片得到，以通过调节边长大小进行相位补偿。即言，第四金属电路图案111由双方环内嵌方形贴片构成，通过调节其边长大小进行相位补偿。进一步地，在本发明的一个实施例中，当第一金属图案104和第四金属图案111的频点处用于笔形波束聚焦时，所需的空间相位补偿根据以下公式得到：其中，f为设计频点，为第mn个单元的相位补偿，k为自由空间波数，为阵列中心到第mn个单元的位置矢量，为初级馈源到第mn个单元的位置矢量，为天线最大辐射方向单位矢量，Δφ为参考相位，N为任意整数。在本发明的实施例中，本发明实施例的天线10具有以下优点：(1)实现了Ku频段与Ka频段的共享口径设计，集成度高，增加了天线口面利用率，满足了高增益天线小型化与低成本发展需求；(2)Ku频段和Ka频段波束性能可以独立调控，增加了天线设计的灵活性以及自由度，极大降低天线系统设计复杂度和成本。下面以一个具体实施例对本发明实施例的天线10进行详细赘述。在本发明的一个具体实施例中，如图2所示，初级馈源101、初级馈源102、初级馈源103用于发射和接收电磁波。初级馈源101工作中心频率为30.2GHz，双圆极化；初级馈源102工作中心频率为20.4GHz，双圆极化；初级馈源103工作频率覆盖12～15GHz，双线极化。具体地，初级馈源101、初级馈源102、初级馈源103可以采用正馈、偏馈两种形式，如图2示意图为偏馈形式，需要确定馈源位置、反射阵物理口径大小，以及主波束出射方向，其中，一般馈源位置以天线效率最高为最佳。首先，需要设计一款低损耗的频率选择表面，使其在30.2/20.4GHz处全反射入射电磁波，在12.25～14.5GHz全透射电磁波。所采用的频率选择表面几何结构如图3所示，通过调节方形槽201实现12.25～14.5GHz的传输系数控制，通过调节方形环202以及方形环203的尺寸分别实现20.4和30.2GHz频段的反射系数控制。经过优化以后，仿真得到的频率选择表面随着频率变化透射/反射系数如图4所示，从图中可以清晰的看到，在Ku波段的传输损耗低于0.15dB,在Ka(20.4/30.2GHz)波段的反射损耗低于0.05dB。另一方面，为了实现Ka频段的相位调节，所采用的第一金属电路图案104的具体几何形式如图5所示。通过调节401的旋转角度实现20.4GHz的相位调节，并且仿真得到的单元性能如图6所示。可以看到，该单元实现了360°的相位覆盖，而最大的单元损耗小于0.3dB。与此同时，为了考察旋转401时对Ku频段的遮挡情况，仿真得到了如图7曲线，从中可以清晰的看到，旋转401对Ku频段的透射振幅影响在一个可以接受的范围内。为了实现30.2GHz频率的相位调控，对图5中的402的边长进行调节即可以实现相位补偿。仿真得到的单元性能如图8所，实现了300°的相位范围，最大的单元损耗小于2dB。这里需要指出的是，由于第一频段相位401和第二频段相位402之间的强互耦作用，导致了较高的能量损耗。同理，考察了变化第二频段相位402尺寸时对Ku频段的遮挡情况，如图9所示，从中可以看出，变化第二频段相位402对Ku频段的传输系数影响较小。其次，需要实现Ku(12.5/14.25GHz)频段的覆盖。由于12.5GHz和14.25GHz频率相隔较近，二者之间频率比为1.14，因此只需要设计一款宽带反射阵同时覆盖两个频段即可。所采用的单元具体几何形式如图10所示。其几何结构为双方环内嵌方形贴片组合构成，通过调节其边长实现相位补偿。但是，这里需要指出的是，通过对其边长采取不同的调控策略能实现不同的单元工作模式，即多谐振模式以及Phoenix单元模式。其中当工作于多谐振单元模式时，单元反射系数如图11所示，其相移范围高达400°以上；而工作于Phoenix单元模式时，单元的反射系数如图12所示，其相移范围在12.5GHz和14.25GHz均为恒定的360°。为了实现12.5GHz和14.25GHz的独立调控目的，还采用了双频相位优化方法。也就是让反射阵的相位误差在两个设计频点处同时最小。为了验证以上单元结构的正确性以及有效性，本发明实施例进行了全波仿真。仿真的反射阵物理口径大小为0.2米，四个频点的主波束方向以及极化形式如表1所示，表1为全波仿真的四个频点主波束指向以及极化形式表。表1频点[GHz]12.514.2520.430.2主波束方向，俯仰角[°]15151515主波束方向，方位角[°]902701800极化形式线极化线极化圆极化圆极化需要说明的是，为了体现本发明实施例的带有频选结构的频段共享口径的四频高增益天线可以在四个频点处具有独立操控波束能力，特意地让四个频点的主波束出射方向不一致。自然的，对于四个频点处波束指向一致也是可以实现的。因为四个频点波束指向一致是表格1的一种特例。而这种独立调控不同频点处的主波束方向能力是传统的反射面天线所不具备的。随后，仿真得到的三维辐射方向图如图13所示，其中(a)～(d)分别为12.5、14.25、20.4、30.2GHz的三维辐射方向图。如图13所示，仿真得到的主波束实现了沿着我们预先设定的方向出射目标，验证了不同频率不同波束出射方向的独立波束调控功能。仿真得到的在Ku频段的增益曲线如图14所示，可以清晰的看到增益曲线出现了两个双峰，并且两个双峰分别位于12.25～12.75GHz和14.0～14.5GHz所需频段内。另外，从图14中还可以得知，频选表面和Ka频段单元带来的增益遮挡下降在12.25～12.75GHz频段处为1～1.5dB,而在14.0～14.5GHz频段处增益下降为0.5dB。仿真得到的20.4GHz增益曲线如图15所示，从中可以看出，在所需要的频段19.6～21.2GHz范围内，增益波动较小，满足增益带宽指标需求。仿真得到的30.2GHz增益曲线如图16所示，从中可以看出，在所需要的频段29.4～31GHz范围内，增益波动较小，满足增益带宽指标需求。另外，由于在Ka波段，天线极化形式为圆极化，因此，考察了天线的轴比带宽性能。如图17和图18所示，在所需要的频段内，天线轴比小于3dB，实现了较好的圆极化性能。根据本发明实施例的带有频选结构的频段共享口径的四频高增益天线，具有重量轻、剖面低、成本低的优点，实现了Ku频段与Ka频段共享口径，节约天线占用面积，增加了天线利用率，降低天线重量，并且可以应用于卫星通信场景，包括移动式场景，以及也可以应用于其他通信、雷达等场景，其具有以下突出优点：(1)实现了Ku频段与Ka频段的共享口径设计，集成度高，增加了天线利用率，满足了高增益天线小型化与低成本发展需求；(2)Ku频段和Ka频段波束性能可以独立调控，增加了天线设计的灵活性以及自由度，极大降低天线系统设计复杂度和成本。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。当前第1页1 2 3