反透射一体化多功能平面空馈阵列天线、无线通信系统的制作方法

本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种反透射一体化多功能平面空馈阵列天线、无线通信系统。

背景技术：

目前，业内常用的现有技术是这样的：平面空馈阵列天线是将传统曲面空馈天线(包括反射面天线和介质透镜天线)和平面微带阵列天线的若干优点而形成的一种新型高增益天线，它主要是由平面印刷阵列和馈源天线组成，其中馈源天线通常置于平面印刷阵列的焦点处。在其阵列表面上拥有若干具备独立调节相位能力的辐射单元，通过对阵列上每个单元进行合适的相位补偿，馈源发出的入射球面电磁波经过平面印刷阵列转换为特定方向的平面电磁波。由于其体积小、重量轻、结构简单、制作成本低、无需设计复杂的馈电网络、高增益等众多优点，已经在远距离通信系统中获得了广泛的应用。

根据辐射方向的不同，传统的平面空馈阵列天线主要分为平面反射阵天线和平面透射阵天线两大类型。其中，平面反射阵天线是将馈源天线发出的入射球面电磁波经阵列表面反射后，在阵列前向形成平面电磁波；平面透射阵天线是将馈源天线发出的入射球面电磁波经阵列表面透射，在阵列的后向形成平面电磁波。平面空馈阵列天线通常采用反(透)射型相移结构作为阵列单元，通过改变阵列上每个单元的尺寸或旋转角度大小来补偿各个单元之间的相位差别，从而在阵列的前(后)向形成同相的高增益波束。然而，传统平面空馈阵列天线功能比较单一，只能实现单向高增益辐射波束，而且其辐射方向主要取决于采用阵列单元的类型。如果阵列单元采用反射型相移结构，则天线的辐射方向在阵列的前方(即平面反射阵天线)；如果阵列单元采用透射型相移结构，则天线的辐射方向在阵列的后方(即平面透射阵天线)。

虽然现有的平面空馈阵列天线技术已经获得了广泛的应用，但随着无线通信系统的智能化和频率分集技术的日益普遍，远程通信系统迫切要求一款平面空馈阵列天线能够集平面反射阵天线和平面透射阵天线的功能于一身，实现天线辐射方向的灵活调控，以便于该天线能够同时应用于多种不同远程通信系统，但通过现有方法技术实现该要求非常困难。

综上所述，现有技术存在的问题是：随着无线通信系统的智能化和频率分集技术的日益普遍，远程通信系统迫切要求一款平面空馈阵列天线能够集平面反射阵天线和平面透射阵天线的功能于一身，实现天线辐射方向的灵活调控，以便于该天线能够同时应用于多种不同远程通信系统，但通过现有方法技术实现该要求非常困难，仅能实现单向高增益辐射。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种反透射一体化多功能平面空馈阵列天线、无线通信系统。

本发明是这样实现的，一种反透射一体化多功能平面空馈阵列天线，所述反透射一体化多功能平面空馈阵列天线设置有：

vivaldi天线；

vivaldi天线为平面空馈阵列天线的馈源；

采用四层结构的十字振子作为阵列单元，并且在阵列单元底端加载双圆环形频率选择表面；

平面阵列是由不同尺寸的十字振子单元和相同尺寸的双圆环形频率选择表面单元周期性排列而成的，阵列上的各个单元均按照调节十字振子尺寸的方式对各自的相位进行补偿。

进一步，所述阵列单元采用四层结构，每层介质板的上表面均敷有金属十字振子，双圆环形频率选择表面单元加载在第四层介质板的底端；

金属十字振子是调相单元，通过改变振子长度l的方式可以对单元的电磁波散射相位进行调节；

双圆环形频率选择表面，在低频段呈现反射特性，对馈源发出的入射波经过单元全反射；在高频段呈现透射特性，对馈源发出的入射波经过单元全透射。

进一步，所述反透射一体化多功能平面空馈阵列天线在9ghz，10ghz处，阵列天线的最大辐射方向为前向，增益分别达到17.9db和18.2db，表现出平面反射阵天线的功能；在10.8ghz处，阵列天线的前向和后向均为最大辐射方向，增益达到16.2db；阵列天线的最大辐射方向为后向，增益分别达到15.9db，19.2db和17.9db，表现出平面透射阵天线的功能。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述的反透射一体化多功能平面空馈阵列天线的无线通信系统。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明采用四层介质板结构的十字振子作为阵列单元，其中单元底端加载双圆环形频率选择表面。利用vivaldi天线作为阵列的馈源，通过调节阵列上每个十字振子单元的尺寸，使该平面空馈阵列天线能够兼具平面反射阵天线和平面透射阵天线的功能；vivaldi天线作为该平面空馈阵列天线的馈源、采用四层结构的十字振子作为阵列单元，并且在单元底端加载双圆环形频率选择表面。平面阵列是由不同尺寸的十字振子单元和相同尺寸的双圆环形频率选择表面单元周期性排列而成的，阵列上的各个单元均按照调节十字振子尺寸的方式对各自的相位进行补偿，保证经馈源照射后平面空馈阵列天线能够在阵列的前向或后向形成同相高增益辐射波束。

与传统平面空馈阵列天线设计相比，本发明的平面空馈阵列天线具有工作频带宽和能够实现阵列辐射方向随频率变化灵活调控的优势。这种反透射一体化多功能平面空馈阵列天线的提出和设计，有力地推进了平面空馈阵列天线技术的发展和应用。

附图说明

图1是本发明实施例提供的反透射一体化多功能平面空馈阵列天线结构示意图；

图中：(a)整体结构图；(b)阵列结构图。

图2是本发明实施例提供的反透射一体化多功能平面空馈阵列天线的功能示意图。

图3是本发明实施例提供的阵列单元的结构示意图；

图中：(a)整体侧视图；(b)十字阵子结构图；(c)双圆环形频率选择表面单元结构。

图4是本发明实施例提供的双圆环频率选择表面的反透射系数随频率的变化示意图；

图中：(a)幅值；(b)相位。

图5是本发明实施例提供的四层介质板结构的十字振子单元的反透射系数随频率的变化情况示意图；

图中：(a)幅值；(b)相位。

图6是本发明实施例提供的底端加载双圆环频率选择表面的十字振子单元的的反透射系数随频率的变化情况示意图；

图中：(a)幅值；(b)相位。

图7是本发明实施例提供的底端加载双圆环频率选择表面的十字振子单元的反透射系数在不同频率处随l的变化情况示意图；

图中：(a)幅值；(b)相位。

图8是本发明实施例提供的vivaldi天线的平面结构图。

图9是本发明实施例提供的反透射一体化多功能平面空馈阵列天线在不同频率处的e面辐射方向图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对传统平面空馈阵列天线仅能实现单向高增益辐射的不足，本发明通过在阵列的底端加载双圆环型频率选择表面单元，并利用其在不同频率的反透射特性，使天线辐射方向随频率变化的灵活调控，有效地在同一款平面空馈阵列天线上集成了平面反射阵天线和平面透射阵天线的功能，实现了平面空馈阵列天线的智能化和功能多样性。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的反透射一体化多功能平面空馈阵列天线包括：vivaldi天线、阵列单元、双圆环形频率选择表面；

vivaldi天线作为该平面空馈阵列天线的馈源、采用四层结构的十字振子作为阵列单元，并且在单元底端加载双圆环形频率选择表面；平面阵列是由不同尺寸的十字振子单元和相同尺寸的双圆环形频率选择表面单元周期性排列而成的，阵列上的各个单元均按照调节十字振子尺寸的方式对各自的相位进行补偿，从而保证经馈源照射后平面空馈阵列天线能够在阵列的前向或后向形成同相高增益辐射波束。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

本发明的反透射一体化多功能平面空馈阵列天线包括：vivaldi天线作为该平面空馈阵列天线的馈源、采用四层结构的十字振子作为阵列单元，并且在单元底端加载双圆环形频率选择表面。平面阵列是由不同尺寸的十字振子单元和相同尺寸的双圆环形频率选择表面单元周期性排列而成的，阵列上的各个单元均按照调节十字振子尺寸的方式对各自的相位进行补偿，从而保证经馈源照射后平面空馈阵列天线能够在阵列的前向或后向形成同相高增益辐射波束。本发明的反透射一体化多功能平面空馈阵列天线的功能示意图如图2所示：

从图中可以看出，反透射一体化多功能平面空馈阵列天线可以在高频段实现平面透射阵天线的功能，在阵列前向实现高增益辐射波束；在低频段实现平面反射阵天线的功能，在阵列后向实现高增益辐射波束。因此，本发明的平面空馈阵列天线可以通过改变频率实现其辐射方向的灵活调控。

阵列单元结构如图3所示：从图中可以看出，本发明的多功能阵列单元采用四层结构，每层介质板的上表面均敷有金属十字振子，双圆环形频率选择表面单元加载在第四层介质板的底端。其中，金属十字振子是调相单元，通过改变振子长度l的方式可以对单元的电磁波散射相位进行调节；双圆环形频率选择表面的作用是在低频段呈现反射特性，对馈源发出的入射波经过单元全反射(相当于金属地板)；在高频段呈现透射特性，对馈源发出的入射波经过单元全透射(相当于高通滤波器)。因此，阵列单元可以通过切换不同频率和改变十字振子尺寸的方式实现不同频率处反透射相位的独立调节。

图4给出了双圆环频率选择表面的反透射系数的幅值和相位随频率的变化情况。从图4(a)可以看出，在低频段(8～9.5ghz)处，双圆环频率选择表面的反射系数幅值在0.9以上，对大部分入射电磁波全反射；在高频段(11～12.5ghz)处，双圆环频率选择表面的透射系数幅值在0.9以上，对大部分入射电磁波全透射。因此，利用双圆环频率选择表面在高(低)频率呈现出透(反)射特性，可以保证通过切换频率实现反透射特性的变换。但从图3(b)可以看出，双圆环频率选择表面在8～12.5ghz的反透射相移变化范围较小(均在200度左右)，不能用来调节反透射相位。

图5给出了四层介质板结构的十字振子单元的反透射系数的幅值和相位随频率的变化情况。从图5(a)可以看出，单元在整个频带内(8.6～12.5ghz)呈现透射特性，透射系数幅值保持在0.8以上，所以该单元在整个频带内仅仅实现了透射，不能保证通过切换频率实现反透射特性的变换。但从图5(b)可以看出，该单元在8.6～12.5ghz的反透射相移变化范围较大(均超过360度)，因此选择四层介质板结构的十字振子单元调节反透射相位。

图6给出了底端加载双圆环频率选择表面的十字振子单元的反透射系数的幅值和相位随频率的变化情况。从图6(a)可以看出，在低频段(8.5～10ghz)处，该单元的反射系数幅值在0.9以上，对大部分入射电磁波全反射；在高频段(11～12.5ghz)处，该单元的透射系数幅值在0.9以上，对大部分入射电磁波全透射，因此该单元可以通过切换频率实现反透射特性的变换。从图6(b)可以看出，该单元在8.5～12.5ghz的反透射相移变化范围较大(均超过360度)，因此该单元可以用来调节反透射相位。所以，采用底端加载双圆环频率选择表面的十字振子单元，既可以通过切换频率实现反透射特性的变换，又可以用来调节反透射相位，满足了多功能平面空馈阵列单元的内在性能要求。

图7给出了9～12.5ghz的范围内，底端加载双圆环频率选择表面的十字振子单元的反透射系数的幅值和相位随振子长度l的变化情况。从图7(a)可以看出，随着振子长度l从7mm变化到11.5mm，单元在9，10ghz的反射系数幅值大于0.9，此时单元对入射波全反射；11ghz的透射系数幅值在0.7左右，此时单元对入射波半反射，半透射；12，12.5ghz的透射透射系数幅值在0.9以上，此时单元对入射波全透射。从图7(b)可以看出，随着振子长度l从7mm变化到11.5mm，单元在9～12.5ghz的反透射相位变化范围在300度以上，并且不同频率处的相位曲线近似保持平行，呈现出良好的反透射相位变化趋势一致性。因此，采用改变十字振子长度l的方法，既能保证该单元能够在高(低)频率呈现出透(反)射特性，又能确保该单元较宽的频带内具备反透射相位变化范围，也满足了反透射一体化多功能平面空馈阵列单元的技术要求。

由于馈源天线到阵列各个单元的路径不同，所以各个单元之间存在由路径差别所造成的相位差。为了使设计阵列的各个单元保持相同相位，本发明对阵列上各个单元的十字振子长度l进行调节，补偿各个单元之间的相位差别。

由于vivaldi天线具有宽带，端射式的优点；本发明采用vivaldi天线作为透射阵天线的馈源。其结构如图8所示。

从图9中可以看出，本发明的平面空馈阵列天线在各个频率处均实现了高增益辐射波束。在9ghz，10ghz处，该阵列天线的最大辐射方向为前向，增益分别达到17.9db和18.2db，表现出平面反射阵天线的功能；在10.8ghz处，该阵列天线的前向和后向均为最大辐射方向，增益达到16.2db，表现出双向辐射的功能；在11，12，12.5ghz处，该阵列天线的最大辐射方向为后向，增益分别达到15.9db，19.2db和17.9db，表现出平面透射阵天线的功能。因此，图9的结果表明，本发明的阵列天线在低频处实现了前向高增益辐射，在中间频率处实现了双向辐射，在高频处实现了后向高增益辐射，可以通过频率切换实现对该阵列天线的最大辐射方向的灵活调控。更进一步来说，本发明提出的阵列天线在低频段表现出平面反射阵天线的功能，在高频段表现出平面透射阵天线的功能，所以在同一款天线上同时集成了平面反射阵天线和平面透射阵天线的功能，实现了其多功能性。

本发明的新型反透射一体化多功能平面空馈阵列天线。本发明采用了加载双圆环形频率选择表面的四层十字振子作为阵列单元，使该单元在不同频段具有不同的反透射特性；再通过调整阵列上每个单元上的十字振子的尺寸，本发明的天线就能够分别在高(低)频段实现前(后)向高增益辐射波束，有效地在同一款天线上集成了平面反射阵天线和平面透射阵天线的功能。

传统的平面空馈阵列天线功能单一固化，仅仅只能实现单向高增益辐射，无法同时集平面反射阵天线和平面透射阵天线的功能于一体。相比较而言，本发明所提出的基于双圆环形频率选择表面衬底结构的平面空馈阵列天线，利用所加载的频率选择表面在高(低)频率展现出的透(反)射特性以及变单元尺寸调节相位的方法，在高(低)频率实现了前(后)向高增益辐射波束，从而实现了通过切换高低频率的方式灵活调整天线辐射方向，有效地在一款天线上同时实现了平面反射阵天线和平面透射阵天线的功能。因此，相比于传统平面空馈阵列天线；本发明的平面空馈阵列天线，其功能多样化和智能化程度明显提高，有力地促进了平面空馈阵列天线技术的发展和应用。所以本发明适合多功能平面空馈阵列天线设计。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。