一种工作在C波段和X波段的单层双频反射阵列天线

一种工作在c波段和x波段的单层双频反射阵列天线
技术领域
1.本发明属于无线电设备中天线领域，具体涉及一种工作在c波段和x波段的单层双频反射阵列天线。


背景技术：

2.当今时代，科技发展日新月异，其中无线通信的发展更为显著。反射阵列天线是一种新型的反射面天线，它由一系列反射单元组成，这些反射单元具有的相移特性能够补偿电磁波从馈源入射到反射面上的相位，最终达到反射波同相辐射的效果，使波束的定向性以及增益在很大程度上得到改善。
3.虽然平面反射阵列天线具有体积小、重量轻等优势，但它也具有工作带宽较窄的缺点，这一缺点也限制了它的应用范围。对于普通的微带反射阵列天线，它的工作带宽一般仅有10％左右的大小。为了改善反射阵列的窄带特性，研究人员分别提出了多谐振、多层、多频等方法。其中双频反射阵列可以工作在两个不同的频段，既弥补了反射阵列带宽窄的缺点，也满足一些需要工作在不同频段的实际要求。
4.近些年来，单层结构的反射阵列天线的研究发展迅速，如：thomas smith在论文“design,manufacturing,and testing of a 20/30-ghz dual-band circularly polarized reflectarray antenna”中提出了一种双频圆极化反射阵列天线，利用两个开口环实现了反射阵列天线在20ghz和30ghz工作，但实测方向图上的波束的对称性较差；zahra hamzavi-zarghani和zahra atlasbaf在论文“a new broadband single-layer dual-band reflectarray antenna in x-and ku-bands”提出了一种工作在x和ku波段单层双频反射阵列天线，通过在方形贴片上蚀刻缝隙，改变缝隙的大小可以在x波段和ku波段上实现相移，但相移曲线的线性度和平滑度较差；r.shamsaee malfajani和b.abbasi arand在论文“dual-band orthogonally polarized single-layer reflectarray antenna”设计了一种正交极化的双频反射阵列天线，作者分别在圆环和圆形贴片上加载延迟线实现相移，从而同时工作在x和k波段，但天线的孔径效率受到反射阵列采用正馈的方式馈电的影响而降低。


技术实现要素：

5.针对上述问题本发明提供了一种工作在c波段和x波段的单层双频反射阵列天线。
6.为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
7.一种工作在c波段和x波段的单层双频反射阵列天线，包括双频缝隙贴片天线和天线反射面，所述双频缝隙贴片天线位于天线反射面上方；
8.所述双频缝隙贴片天线作为反射阵列的辐射馈源，由双频缝隙贴片和馈源介质层组成，所述双频缝隙贴片贴合在馈源介质层的下方；
9.所述天线反射面由上至下依次为双频结构反射单元组成的n*n反射阵列、pcb板和金属地层，所述pcb板为两层介质层，上层为第一层介质层，下层为第二层介质层，所述双频
结构反射单元由双方环和外部的加载延迟线的方环组成，其中n为正整数。
10.进一步，在所述双频缝隙贴片上刻蚀两条缝隙，因此相较于传统的单频矩形贴片天线，它在c波段和x波段都具有比较好的辐射特性。
11.进一步，在所述第一层介质层和第二层介质层之间填充空气层，可以改善相移曲线的线性度和平滑度。
12.进一步，所述馈源介质层、第一层介质层和第二层介质层均为聚四氟乙烯。
13.进一步，所述双频结构反射单元4组成的n*n反射阵列呈镜像对称排布。
14.与现有技术相比本发明具有以下优点：
15.1.本发明的整体结构采用单层双频的设计思想，在仅仅一层上就容纳了工作在两个不同频段的反射单元，降低了反射阵列天线的剖面，损耗更小，加工更加简单。
16.2.本发明设计的双频反射阵列天线的频率比较高。根据反射阵列天线工作的频率为5.9ghz和10.4ghz，可计算得到频率比为1.76。
17.3.本发明采用的双频缝隙贴片天线在传统的矩形贴片天线基础上，通过在矩形贴片上蚀刻了两条对称的缝隙，实现了工作在多个频段的目的，改变矩形贴片的尺寸以及缝隙的大小可以调节天线工作的频段。
18.4.传统的单个方环或者单个方形贴片实现的相移不足360
°
，通过增加方环的个数可以增加相移的范围，但方环个数增多会使得加工难度增大，因此本发明使用了两个尺寸成比例变化的方环作为x波段的反射单元，在加工难度适当的范围内，实现了相移的最大化，最终仿真得到的单元相移约600
°
。
19.5.在单元排布方面，相较于传统的单元排布方式，本发明采用了镜像对称的单元排布方式，极大地降低了交叉极化分量。
20.6.单元周期为16mm，对于5.9ghz而言，单元周期小于波长的一半，采用这种亚波长技术可以拓宽反射阵列天线在低频处的带宽。
附图说明
21.图1为本发明的一种工作在c波段和x波段的单层双频反射阵列天线结构图；
22.图2为双频缝隙贴片天线正视图；
23.图3为反射阵列的pcb板正视图；
24.图4为双频结构反射单元的pcb板正视图；
25.图5为双频结构反射单元采用的镜像对称排布方式；
26.图6为反射阵列天线仿真得到的输入反射系数曲线；
27.图7为反射阵列天线仿真得到的方向图，(a)为5.9ghz下的e面方向图，(b)为10.4ghz下的e面方向图；
28.图8为反射阵列天线仿真得到的增益曲线；
29.图中：1-双频缝隙贴片天线，2-双频缝隙贴片，3-馈源介质层，4-双频结构反射单元，5-第一层介质层，6-第二层介质层，7-空气层，8-金属地层，9-双方环，10-加载延迟线的方环。
具体实施方式
30.下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制。该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。
31.实施例1
32.如图1所示，一种工作在c波段和x波段的单层双频反射阵列天线，包括双频缝隙贴片天线1和天线反射面，所述双频缝隙贴片天线1位于天线反射面上方；反射阵列天线采用正馈的馈电方式，即缝隙贴片天线垂直入射到反射阵列上，馈源距离天线反射面的距离为79.4mm。
33.如图2所示，所述双频缝隙贴片天线1作为反射阵列的辐射馈源，由双频缝隙贴片2和馈源介质层3组成，采用同轴馈电的方式进行馈电，所述双频缝隙贴片2贴合在馈源介质层3的下方，在所述双频缝隙贴片2上刻蚀两条对称的缝隙，馈源介质层3采用相对介电常数为2.65，厚度为2mm的聚四氟乙烯。双频缝隙贴片天线经过优化，最终选取缝隙的长为11mm，宽为0.185mm。。
34.所述天线反射面由上至下依次为双频结构反射单元4组成的n*n反射阵列、pcb板和金属地层8，所述pcb板为两层介质层，上层为第一层介质层5，下层为第二层介质层6，在所述第一层介质层5和第二层介质层6之间填充空气层7，厚度为5mm，第一层介质层5和第二层介质层6均采用相对介电常数为2.65，厚度为2mm的聚四氟乙烯；
35.如图3所示，双频结构反射单元4按照单元周期16mm的间距印刷在第一层介质层5上，反射阵列的规格是10
×
10，口径为180mm
×
180mm；
36.如图4所示，所述双频结构反射单元4由双方环9和外部的加载延迟线的方环10组成，其中n为正整数，双方环9的尺寸成比例变化，长度比例为0.75，宽度比例为0.08，尺寸较大的方环从2-10mm变化，尺寸较小的方环按照比例一同变化，从而获得在c波段的相移，相移大小大约为600
°
。加载延迟线的方环10中方环的边长为12mm，延迟线的长度从0-27mm变化，获得在x波段的相移大小大约为400
°
。
37.如图5所示，所述双频结构反射单元4组成的n*n反射阵列呈镜像对称排布，采用这种镜像对称的排布方式，降低了交叉极化分量，提高了天线的辐射效率。
38.经过仿真计算，本例的微带反射面天线能正常工作在5.9ghz和10.4ghz，频率比达到1.76，具有较好的双频特性，从而证明了本发明中反射单元双频结构的可行性。计算得到的该天线的输入反射系数曲线、方向图以及增益曲线如图6～8所示。
39.图6是反射阵列天线仿真得到的输入反射系数曲线。由图可知，通带的中心频率约为5.9ghz和10.4ghz。天线的工作频带为5.80ghz～5.93ghz和10.34ghz～10.56ghz。
40.图7是反射阵列天线仿真得到的工作在5.9ghz和10.4ghz下的方向图。可以看到，主波束指向性良好，旁瓣电平小于-10db，从天线反射面反射出去的电磁波实现了定向辐射。
41.图8是反射阵列天线仿真得到的增益曲线，在中心频率5.9ghz和10.4ghz处，天线的增益达到了16.5dbi和17.4dbi。此外，低频段在6.3ghz处达到了峰值增益17.6dbi，高频段在10.3ghz处达到了峰值增益17.6dbi，反射阵列天线在两个频段都实现了高增益辐射。