圆极化双折叠透射阵天线

1.本实用新型属于天线技术领域，尤其涉及一种圆极化透射阵天线。


背景技术：

2.传统的透射阵天线，馈源与阵列之间的距离较远，导致天线的剖面较高，应用受到限制。基于射线追踪原理的折叠透射阵天线，通过将馈源置于极化旋转反射背板上，可以将天线剖面降低至原天线的1/3，但这种结构受到透射阵列极化栅特性的限制，大多为线极化天线，很少有将这种降低天线剖面的方法应用于圆极化透射阵天线。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于提供一种低剖面的圆极化双折叠透射阵天线。
4.为了实现上述目的，本实用新型采取如下的技术解决方案：
5.圆极化双折叠透射阵天线，包括：收/发透射阵列，所述收/发透射阵列由若干个阵列排布的收/发单元组成，所述收/发单元包括线极化接收贴片、金属地板、圆极化发射贴片、第一介质板和第二介质板；所述金属地板设置于所述第一介质板和所述第二介质板之间，所述圆极化发射贴片设置于所述第一介质板的背离所述金属地板的一侧表面上，所述线极化接收贴片设置于所述第二介质板的背离所述金属地板的一侧表面上；间隔设置于所述收/发透射阵列下方的极化旋转反射背板，所述线极化接收贴片和所述极化旋转反射背板相对，所述极化旋转反射背板包括若干个阵列排布的极化旋转单元；设置于所述收/发透射阵列的中心位置处的馈源，所述馈源和所述线极化接收贴片位于同一侧表面，所述馈源和所述线极化接收贴片的极化方向相同。
6.进一步的，所述圆极化发射贴片为圆形金属贴片，所述圆形金属贴片的圆心偏离所述收/发单元的中心，所述圆形金属贴片上加工有一缝隙，所述缝隙的轴线过所述圆形金属贴片的圆心。
7.进一步的，所述线极化接收贴片为长方形金属贴片，所述长方形金属贴片的中心偏离所述收/发单元的中心，且所述长方形金属贴片的中心位于所述收/发单元的中心线上。
8.进一步的，所述极化旋转单元包括第三介质板、极化旋转贴片及金属背板，所述极化旋转贴片和所述金属背板分别设置于所述第三介质板的两侧表面上，所述极化旋转贴片和所述收/发透射阵列相对。
9.进一步的，所述极化旋转贴片的形状为双箭头形，所述极化旋转贴片的中心和所述极化旋转单元的中心重合。
10.进一步的，所述极化旋转贴片为在一个正方形贴片上加工两个t形镂空形成的双箭头形状，所述t形镂空沿正方形贴片的对角线间隔设置，且所述t形镂空的头部朝向所述正方形贴片的中心。
11.进一步的，所述收/发透射阵列中各收/发单元相对于收/发单元的中心旋转的角
度不同。
12.进一步的，所述线极化接收贴片的极化方向和所述馈源的极化方向平行于所述极化旋转反射背板所在平面。
13.进一步的，所述馈源为方形的贴片天线，通过同轴探针馈电。
14.进一步的，所述圆极化发射贴片和所述线极化接收贴片通过金属化过孔连接，所述金属化过孔位于所述收/发单元的中心。
15.由以上技术方案可知，本实用新型设计了具有极化选择、极化转换和相位调控三种功能的收/发单元，并将馈源集成于由阵列排布的收/发单元组成的收/发透射阵列的中心位置处，通过多次反射，可以降低天线的剖面，而且仅使用线极化馈源就能实现天线系统的圆极化辐射。
附图说明
16.图1为本实用新型实施例圆极化双折叠透射阵天线的结构示意图；
17.图2为本实用新型实施例圆极化双折叠透射阵天线的原理示意图；
18.图3为本实用新型实施例收/发单元的结构示意图；
19.图4为本实用新型实施例圆极化发射贴片的结构示意图；
20.图5为本实用新型实施例线极化接收贴片的结构示意图；
21.图6a和图6b分别为本实用新型实施例收/发单元的s参数幅度仿真曲线图及将圆极化发射贴片旋转不同角度时的s
2(rcp)1(y)
的幅度和相位仿真曲线图；
22.图7a和图7b分别为收/发单元在xoz面和yoz面斜入射条件下的s
2(rcp)1(y)
的幅度和相位仿真曲线图；
23.图8为本实用新型实施例极化旋转单元的结构示意图；
24.图9为本实用新型实施例极化旋转贴片的尺寸结构示意图；
25.图10为本实用新型实施例极化旋转单元在斜入射条件下的交叉极化反射波幅度和相位曲线图；
26.图11为本实用新型实施例馈源的结构尺寸图及其在10ghz的辐射方向图；
27.图12为本实用新型实施例收/发透射阵列的圆极化发射贴片的分布图；
28.图13为本实用新型实施例收/发透射阵列的相位分布图；
29.图14为本实施例圆极化双折叠透射阵天线在10ghz的归一化辐射方向图；
30.图15为本实施例圆极化双折叠透射阵天线在10ghz的轴比曲线图；
31.图16为本实施例圆极化双折叠透射阵天线的增益和轴比曲线图。
32.下面结合附图和各实施例对本实用新型进一步详细说明。
具体实施方式
33.下面结合附图对本实用新型进行详细描述，在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。需要说明的是，附图采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。同时，在本技术的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，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；术语“正”、“反”、“底”、“上”、“下”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。
34.如图1和图2所示，本实施例的圆极化双折叠透射阵天线包括间隔设置的收/发透射阵列1以及极化旋转反射背板2，极化旋转反射背板2位于收/发透射阵列1的下方，馈源3设置于收/发透射阵列1上，本实施例的馈源3为y极化馈源，馈源3位于收/发透射阵列1的中心位置处，馈源3为方形的贴片天线，通过同轴探针馈电。
35.收/发透射阵列1由多个阵列排布的收/发单元1-1组成。如图3所示，收/发单元1-1包括线极化接收贴片1-1a、金属地板1-1b、圆极化发射贴片1-1c、第一介质板1-1d和第二介质板1-1e。金属地板1-1b设置于第一介质板1-1d和第二介质板1-1e之间，圆极化发射贴片1-1c设置于第一介质板1-1d上，圆极化发射贴片1-1c位于第一介质板1-1d的背离金属地板1-1b的一侧表面上。线极化接收贴片1-1a设置于第二介质板1-1e上，线极化接收贴片1-1a位于第二介质板1-1e的背离金属地板1-1b的一侧表面上，线极化接收贴片1-1a和极化旋转反射背板2相对，馈源3和线极化接收贴片1-1a位于同一侧表面。圆极化发射贴片1-1c和线极化接收贴片1-1a之间通过金属化过孔连接，线极化接收贴片1-1a的极化方向和馈源3的极化方向相同，均平行于极化旋转反射背板2所在平面。
36.圆极化发射贴片用于将线极化接收贴片接收到的电磁能量以圆极化的方式发射出去，以实现极化转换。如图4所示，本实施例的圆极化发射贴片1-1c为圆形金属贴片，圆形金属贴片的圆心偏离收/发单元1-1的中心，为左旋圆极化天线，在圆形金属贴片上加工有一缝隙l，缝隙l的轴线过圆形金属贴片的圆心。线极化接收贴片用于反射并接收线极化的电磁波，以实现极化选择。如图5所示，线极化接收贴片1-1a为长方形金属贴片，长方形金属贴片的中心偏离收/发单元1-1的中心。金属化过孔位于收/发单元1-1的中心，收/发单元1-1的中心频率为10ghz。第一介质板1-1d和第二介质板1-1e的厚度为1.5mm，介电常数为3.5，tan＝0.002。如图4和图5所示，本实施例的圆形金属贴片和长方形金属贴片的尺寸参数分别如下：长方形金属贴片的宽a＝7.1mm，长方形金属贴片的长b＝8.8mm，长方形金属贴片的中心和收/发单元的中心之间的距离d＝2.2mm，金属化过孔的孔径c＝0.7mm，圆形金属贴片的圆心和收/发单元的中心之间的距离e＝2mm，圆形金属贴片的半径r＝3.9mm，缝隙l的长g＝5.2mm，缝隙l的宽w＝0.6mm，收/发单元的尺寸p＝14mm。长方形金属贴片的中心位于收/发单元的中心线上。
37.采用电磁仿真软件cst对实施例的收/发单元进行仿真。仿真时定义接收端和发射端分别为port 1和port 2，用s
m(i)n(j)
表示收/发单元的s参数，其中i(j)为端口m(n)的极化方式。图6a为仿真得到的收/发单元的s参数幅度曲线图，从图6a可以看出由于极化不匹配，s
1(x)1(x)
的幅度接近0db，说明x极化入射波被全反射；在10ghz处s
2(lcp)1(y)
的幅度超过了-0.17db，说明y极化入射波转化为左旋圆极化透射波的透射效率非常高，本实施例的收/发单元具有良好的极化选择特性和线-圆极化转换性能。图6b为将圆极化发射贴片相对于收/发单元的中心旋转不同角度时的s
2(rcp)1(y)
的幅度和相位曲线图。从图6b可以看出，发射贴片旋转时几乎不影响透射效率，但实现了360
°
透射相位调控。
38.图7a和图7b分别为收/发单元在xoz面和yoz面斜入射条件下的s
2(rcp)1(y)
的幅度和
相位曲线图。从图7a和图7b可以看出，当斜入射角度在45
°
范围内时，在10ghz处透射幅度均超过了-1db，而且透射相位基本保持不变，说明了收/发单元对斜入射不敏感。
39.极化旋转反射背板2由多个阵列排布的极化旋转单元2-1组成，如图8所示，极化旋转单元2-1包括第三介质板2-1a、极化旋转贴片2-1b及金属背板2-1c。极化旋转贴片2-1b和金属背板2-1c分别设置于第三介质板2-1a的两侧表面上，极化旋转贴片2-1b和收/发透射阵列1相对。本实施例的极化旋转贴片2-1b的形状为双箭头形，极化旋转贴片2-1b的中心和极化旋转单元2-1的中心重合，第三介质板2-1a的厚度为3mm，介电常数为2.65，tan＝0.003。如图9所示，本实施例的极化旋转贴片2-1b为在一个正方形贴片上加工两个t形镂空形成的双箭头形状，两个t形镂空沿正方形贴片的对角线间隔设置，t形镂空的头部朝向正方形贴片的中心，该正方形贴片的边长l＝5.8mm，两个t形镂空的头部之间的间隔t＝1mm，t形镂空的宽度s＝0.8mm，极化旋转单元2-1的尺寸q＝8.4mm。
40.采用电磁仿真软件cst对极化旋转单元进行仿真，仿真时设置入射波为x极化波。图10为极化旋转单元在斜入射条件下的交叉极化反射波幅度和相位曲线图。图10可以看出，即使斜入射角度增大到45
°
，在9.5～11ghz范围内交叉极化反射波幅度均超过了-0.7db，同时反射相位变化较小。极化旋转单元具有高效的极化旋转能力。且由于极化旋转单元结构对称，同样可以实现y极化入射波的极化旋转。图11为本实施例的馈源的结构尺寸图及其在10ghz的辐射方向图，其增益为6.2dbi。
41.本实用新型的收/发透射阵列由周期性的收/发单元组成，其具有三个功能：一是极化选择，即对y极化入射波高效透射，对x极化入射波全反射；二是极化转换，即将透射的y极化波转化为左旋圆极化波辐射；三是相位调控，即通过旋转发射贴片的角度实现对透射相位的360
°
调控，进而改变入射波的波前。极化旋转反射背板由周期性的极化旋转单元组成，可以将x(y)极化入射波经过反射后转变为y(x)极化波。
42.本实施例使用12
×
12个收/发单元构建尺寸为168mm
×
168mm的收/发透射阵列，焦径比f/d＝0.54，即焦距约为90mm。对于透射阵天线来说，需要通过相位补偿将馈源辐射的球面波转变为平面波，以实现高增益。在完成收/发单元的结构设计后，根据相位差补偿路径差的原理，通过旋转收/发透射阵列中圆极化发射贴片为不同角度进行相位补偿，本实用新型的相位补偿方法和传统透射阵天线的相位补偿方法相同，相位补偿方法不是本实用新型的创新之处，在此不做赘述。进行相位补偿后，最终得到的圆极化发射贴片的分布图如图12所示，对应的收/发透射阵列的相位分布图如图13所示。使用20
×
20个极化旋转单元组成极化旋转反射背板，收/发透射阵列和极化旋转反射背板之间的距离为h＝f/4＝22.5mm。
43.图14和图15分别为本实施例圆极化双折叠透射阵天线在10ghz的归一化辐射方向图和轴比曲线图，从图14可以明显观察到高增益笔状波束，而且交叉极化电平低于-20db。从图15可以看出在10ghz的轴比小于1db，表明了很好的圆极化特性。图16为本实施例圆极化双折叠透射阵天线的增益和轴比曲线图，从图16可以看出，实施例的天线在9.8ghz增益最高为21.9dbic，相对于馈源提高了15db，其对应的口径效率达到了40％；天线的-1db增益带宽覆盖了9.5-10.3ghz，同时在该频段范围内轴比小于1.5db。
44.由以上仿真结果可知，本实用新型将具有三种特性的接收-发射型单元应用于双折叠透射阵天线的设计中，仅用线极化馈源即实现了圆极化波辐射，将馈源集成于透射阵列中心，可以将天线的剖面降低至之前的1/4。传统透射阵天线的馈源位于透射阵列焦点
处，则天线剖面近似等于焦距f。本实用新型的馈源位于收/发透射阵列的中心，馈源辐射的y极化球面波在极化旋转反射背板和收/发透射阵列之间反射三次后(经过两次极化旋转依然是y极化球面波)透过收/发透射阵列转化为圆极化波，同时，收/发透射阵列通过收/发单元的相位差补偿路径差，从而将球面波转变为平面波，实现高增益。由射线追踪原理可知两个阵列之间的距离降低至f/4，大幅降低了天线的剖面。
45.以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型做任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。