一种宽带双频透射阵单元、天线及其使用方法

本发明属于微波毫米波天线，具体涉及一种宽带双频透射阵单元、天线及其使用方法。

背景技术：

1、随着无线通信技术的飞速发展，为了解决通信距离远、空间环境复杂所带来的一系列问题，需要使用方向性较好的高增益天线，透射阵天线作为一种高增益天线，因其制作简单、无需复杂的相控阵天线馈电网络、避免反射阵天线的馈电遮挡等优点而备受关注，在很多应用场合下，单个工作频带的天线不能适应通信需要，为了拓宽透射阵天线的应用领域，对双频透射阵的研究是非常有意义的，近年来，在ka频带(下行链路：(17.7-21.2)ghz；上行链路：(27.5-31)ghz引起了极大的关注，这主要是由于允许频率重用的点波束覆盖，因此容量更高，在双链路卫星通信等领域，双频双极化透射阵天线具有广阔的应用前景。

2、目前，各种双频透射阵天线被提出来，它们都存在自己的优点，但同时也存在一定不足：

3、(1)2017年，kient.pham及ronansauleau等学者提出了ka波段的1-bit双频双线极化透射阵天线，透射阵天线的双频双极化特性是通过相互交错在下行链路和上行链路频带中单元来实现的。测试结果表明，该天线在19.5ghz和29ghz处的峰值增益分别为25.9dbi、29dbi，对应的口径效率分别为21.2％、20.1％。由于采用了1-bit的相位补偿方式，使得天线的口径效率较低。

4、(2)2018年，abdulaziz及fanyang等学者提出了使用三个偶极子结构的双频正交极化的透射阵天线，高低频单元都是三个偶极子的结构，两个频带的单元以正交极化方式交错排布。测试结果表明，该天线在12.5ghz和14.25ghz处的1db增益带宽分别为7.2％和7.0％，峰值增益为31dbi和31.8dbi，对应的口径效率为45％、41.3％。单元基于多层频率选择表面，且层与层之间用空气层隔开，增加了天线的剖面高度和加工难度。

5、(3)2019年，abdulaziz及fanyang等学者提出了一款由两种圆环单元组成的双频双极化透射阵天线，不同圆环可以独立工作于不同的频段，并且单元在两个极化结构对称。测试结果表明，该天线在12.5ghz和14.25ghz的峰值增益为30.2dbi、32.3dbi，峰值口径效率为38％和46％。但单元只实现了300°的相移补偿。

6、(4)2021年，r.madi及a.clemente等学者提出了工作在k/ka波段的1-bit双频双线极化透射阵天线，不同频段的单元置于不同的介质层上组成双层结构，在各自频段内通过将接收天线旋转180°实现了1-bit的相位量化。仿真结果表明，该天线在19.5ghz和29.1ghz处峰值增益分别为21.4dbi、23.4dbi，对应的口径效率为25.1％、20％，1db增益带宽分别大于19.8％、12％。双频单元使用此种放置方式，增加了天线的剖面高度，1-bit的相位补偿方式，也使得天线的口径效率较低。

7、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

8、1、现有的基于多层频率选择表面结构的双频透射阵天线，剖面高，带宽较窄。

9、2、现有的将不同频段的单元放置在同一介质层上的单元没有进行360°全相位补偿，采取的1-bit相位量化方式或300°的相位补偿会造成天线口径效率比较低。

10、3、现有的将不同频段的单元置于不同的介质层上的双层结构，这种形式的两层之间会产生相互作用，影响天线的性能，造成天线剖面高，而且双层结构难以对齐且加工成本高。

11、解决以上问题及缺陷的难度为：

12、降低透射阵单元剖面，设计一种简单的天线结构；

13、寻求一种新的相位补偿方法，在展宽单元传输带宽的同时，实现360°的相位补偿，提高天线的口径效率。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种宽带双频透射阵单元、天线及其使用方法，采用极化旋转和变尺寸相结合的方式进行相移，在低频段和高频段均实现了所需的360°相移，通过对低高频单元均进行连续360°的相位补偿，避免了量化相位带来的增益损失，实现较高的口径效率，在辐射结构的圆形贴片上开有c形缝隙，使得圆环和圆形贴片的连接处产生耦合，展宽单元的带宽；本发明宽带双频透射阵天线结构较为简单，性能较为稳定，易于加工，降低了成本，适合用于双链路卫星通信等领域。

2、为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

3、一种宽带双频透射阵单元，包括接收天线1和发射天线2，所述位于接收天线1的顶部以及位于发射天线2的底部均设有低频单元3和高频单元5，所述低频单元3和高频单元5设置在同层，且低频单元3与高频单元5采用正交极化的排布方式交错排布。

4、所述低频单元3包括设置在接收天线1顶部的低频接收天线3-1和设置在发射天线2底部的低频发射天线3-2，所述低频接收天线3-1至低频发射天线3-2之间贯穿有第一金属通孔4，且第一金属通孔4位于低频接收天线3-1和低频发射天线3-2的中心。

5、所述低频接收天线3-1与低频发射天线3-2的外环内半径r11和内圆半径r12与外环外半径r1的比例关系为：r11＝0.5·r1，r12＝r1-0.2。

6、所述高频单元5包括设置在接收天线1顶部的高频接收天线5-1和设置在发射天线2底部的高频发射天线5-2，所述高频接收天线5-1至高频发射天线5-2之间贯穿有第二金属通孔6，且第二金属通孔6位于高频接收天线5-1和高频发射天线5-2的中心。

7、所述高频接收天线5-1及高频发射天线5-2的外环内半径r21和内圆半径r22与外环外半径r2的比例关系为：r21＝0.5·r2，r22＝r2-0.4。

8、所述接收天线1包括由上至下依次设置的第一介质层9、粘接层11以及金属地板7，所述第一介质层9的顶部分别设有低频接收天线3-1及高频接收天线5-1；所述发射天线2包括由上至下依次设置的金属地板7、第二介质层10，所述第二介质层10的底部分别设有低频发射天线3-2及高频发射天线5-2。

9、所述低频单元3的辐射结构包括低频接收天线3-1及低频发射天线3-2，其结构为开有c形缝隙的圆形贴片；所述高频单元5的辐射结构包括高频接收天线5-1及高频发射天线5-2，其结构为开有c形缝隙的圆形贴片，所述低频单元3的辐射结构与高频单元5的辐射结构尺寸不同。

10、本发明还提供了一种宽带双频透射阵单元的天线，包括馈源8以及宽带双频透射阵单元，所述馈源8位于宽带双频透射阵单元中心的上方，馈源8采用宽带的波纹喇叭天线，馈源8的辐射方向朝向宽带双频透射阵单元。

11、所述宽带双频透射阵单元中的低频单元3与高频单元5正交极化的排布方式交错排布，采用阵列个数为n×n的低频单元3、阵列个数为(n+1)×(n+1)的高频单元5以及馈源8构成宽带双频透射阵天线。

12、本发明还提供了一种宽带双频透射阵单元的天线的使用方法，包括以下步骤：

13、步骤1：当宽带双频透射阵单元中低频单元3的低频接收天线3-1和低频发射天线3-2的尺寸相同时，将低频单元3的低频接收天线3-1旋转180°，使通过接收天线1的透射波电场方向相反，旋转前后透射幅度基本保持不变，透射相位相差180°，两种不同的透射相位分别对应两种不同的状态，宽带双频透射阵单元中的高频单元5同理；

14、步骤2：将宽带双频透射阵单元的低频单元3以及高频单元5中的辐射结构调整外环外半径的尺寸可实现180°的相移范围，与步骤1方法相结合可实现360°的相移范围。

15、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

16、1、本发明的宽带双频透射阵单元由于采用接收-发射结构，从而避免了基于多层频率选择表面结构层与层之间空气层的存在，而且在同一层容纳工作在两个不同频段的单元，降低了透射阵天线的剖面。

17、2、本发明采用极化旋转和变尺寸相结合的方式进行相移，在低频段和高频段都实现了所需的360°相移，双频透射阵天线在20.5ghz和30ghz分别获得了25.73dbi和28.1dbi的最大增益。

18、3、本发明通过在辐射结构的圆形贴片上开设c形缝隙，使得圆环和圆形贴片的连接处产生耦合，展宽了单元的带宽，因此宽带双频透射阵天线获得了较宽的带宽，在20ghz和30ghz下反射系数小于-10db的相对阻抗带宽分别为20.9％(17.5ghz-22.7ghz)、20％(27ghz-30ghz)；在低频段和高频段的1db增益带宽分别为13.6％(18.5ghz-21.2ghz)、10.91％(28ghz-31.23ghz)，3db增益带宽分别为26.26％(17.3ghz-22.53ghz)、17.33％(27.4ghz-32.6ghz)。

19、4、本发明的宽带双频透射阵天线对低频单元3和高频单元5都进行了连续360°的相位补偿，避免了量化相位带来的增益损失，从而实现了较高的口径效率，在19.75ghz和29.75ghz分别获得了72.8％和48.37％的峰值口径效率。

20、5、本发明将高低频单元放置在同一层，减小了两层放置时高低频单元之间的相互影响，降低了天线剖面高度，同时将高低频单元正交放置，从而解决不同频段单元间的互耦问题，避免相互影响，影响天线性能。

21、6、本发明中的低频单元3和高频单元5交错放置在同一层，降低了剖面高度，采用了正交极化的排布方式，降低了单元之间的互耦影响。

22、综上，本发明的宽带双频透射阵天线实现了双频独立极化的笔形波束，性能稳定，具有结构简单、易加工、低剖面、宽频带、高口径效率的优点。