本發(fā)明涉及天線設(shè)計領(lǐng)域，尤其涉及一種基于分裂環(huán)超材料單元的雙頻圓極化平面反射陣天線。

背景技術(shù)：

近年來隨著反射面天線在衛(wèi)星通信、雷達、成像系統(tǒng)等應(yīng)用領(lǐng)域中的快速發(fā)展，對天線的增益、效率、體積、成本等的需求越來越高。平面反射陣天線利用平面微帶單元的相移特性取代拋物面本身的曲面特性實現(xiàn)球面波向平面波轉(zhuǎn)換的功能，具有平面的外形，厚度低、重量輕，易于固定安裝，但往往面臨窄帶的問題。這是由于傳統(tǒng)的反射陣單元基于其自身的單頻諧振特性，難以實現(xiàn)寬帶響應(yīng)，且利用單一的輻射單元組陣也往往難以實現(xiàn)雙頻或者多頻響應(yīng)。同時，對于用于星地或星間通信的天線，往往增益和效率的要求較高，天線的口面尺寸大，平面反射陣的口面上往往排列成千上萬個不同尺寸的輻射單元，天線的組陣、建模和仿真工作量大。因此，合理設(shè)計反射單元，實現(xiàn)既具有寬帶響應(yīng)又支持雙頻工作模式，同時保持高集成度和效率的大型平面反射陣天線仍面臨一些亟需解決的難題。

一方面，現(xiàn)有的平面反射陣多采用單一諧振模式的微帶陣子單元組成二維平面陣列，單一諧振的微帶陣子往往具有窄帶的特點，為了展寬帶寬有研究利用雙層或者多層陣子堆疊的形式進行組陣，但增加的介質(zhì)板會引起天線體積、重量和成本的增加，且不利于安裝固定，對衛(wèi)星應(yīng)用而言降低了天線的可靠性。因此，需要探索一種新的輻射單元，既具有寬帶多諧振的反射特性，又擁有單層易實現(xiàn)的物理結(jié)構(gòu)是目前需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

另一方面，對于陣面口徑較大的大型微帶反射陣天線天線，由于單塊微帶板的加工尺寸有限，往往需要利用多塊微帶板拼接而成，因此需要對整個陣面按每塊板材的尺寸進行分區(qū)，并分別對每個區(qū)域板材的單元排列進行單獨設(shè)計和制作，也就是多分區(qū)子陣的并行設(shè)計。多分區(qū)子陣并行設(shè)計方法有利于將難以一次成型的大型陣面分散為多個小型平面陣列，進行統(tǒng)一布局、建模和加工，具有較高的陣面建模速度和效率，特別適合超高增益需求的大口徑平面反射陣天線。但目前這種多分區(qū)子陣并行算法在文獻中還鮮有報道，而對于雙頻陣子共面復(fù)合的反射陣應(yīng)用，這種多分區(qū)子陣并行算法的復(fù)雜性和實現(xiàn)難度更大，既要考慮合理布局以提高雙頻天線整體的增益和效率，又要保證成千上萬陣子單元位置和旋轉(zhuǎn)角度的準確性。因此，如何設(shè)計大規(guī)模雙頻反射陣的多分區(qū)算法是提高反射陣天線設(shè)計加工速度和效率的重要技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于分裂環(huán)超材料單元的雙頻圓極化平面反射陣天線，采用單層介質(zhì)基片實現(xiàn)，是一種高增益、高效率的毫米波雙頻圓極化平面反射陣天線，能夠利用分裂環(huán)超材料單元的多諧振特性來提高反射陣的工作帶寬；還能夠利用多分區(qū)子陣的并行設(shè)計方法能夠有效提高陣面建模速度和效率，并利于大規(guī)模平面陣列的分區(qū)加工成型。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案在于提供一種基于分裂環(huán)超材料單元的雙頻圓極化平面反射陣天線；所述天線設(shè)置的雙頻復(fù)合平面反射陣中，包含中間層介質(zhì)基片、位于該中間層介質(zhì)基片下方的金屬分裂環(huán)陣面，和位于該中間層介質(zhì)基片上方的接地金屬；

所述金屬分裂環(huán)陣面設(shè)有交替排列的低頻分裂環(huán)單元和高頻分裂環(huán)單元，這兩種分裂環(huán)單元具有不同的分裂環(huán)尺寸和與之相應(yīng)的不同頻率，且均組成中心環(huán)繞的二維陣列結(jié)構(gòu)。

更進一步的，所述雙頻復(fù)合平面反射陣的金屬分裂環(huán)陣面為多分區(qū)子陣并行結(jié)構(gòu)，包含中心對稱的4個分區(qū)：

第一分區(qū)，第二分區(qū)的單元由第一分區(qū)單元鏡像平移得到，第三分區(qū)的單元由第二分區(qū)的單元鏡像平移得到，第四分區(qū)的單元由第三分區(qū)的單元鏡像平移得到；

其中，第一分區(qū)陣面包含p×q個子陣，每個子陣包含m₀×n₀個單元，第(p,q)子陣的單元(i,j)旋轉(zhuǎn)角度θ_pq(i，j)，表示為：

其中，是第(p,q)子陣單元(i，j)位置所需的相移量。

更進一步的，第一分區(qū)的m₀×n₀個單元中，低頻分裂環(huán)第(i,j)單元的起止范圍及其對應(yīng)關(guān)系為：

λ₁＝c/f₁

i＝[msta:mend]

j＝[nsta:nend]

msta＝m₀×(p-1)+1

mend＝m₀×p

nsta＝n₀×(q-1)+1

nend＝n₀×q

其中，m₀和n₀分別為子陣在x和y坐標方向的單元數(shù)量，a為單元間距，h為反射陣焦距，D_x和D_y分別為整個陣面在x和y方向上的尺寸，λ₁為低頻頻率f₁對應(yīng)的諧振波長，c為真空光速。

更進一步的，第一分區(qū)的m₀×n₀個單元中，高頻分裂環(huán)的第(i，j)單元的起止范圍、其單元位置對應(yīng)關(guān)系、單元相移為：

λ＝c/f₂

i＝[msta:mend]

j＝[nsta:nend]

msta＝m₀×(p-1)+1

mend＝m₀×p+1

nsta＝n₀×(q-1)+1

nend＝n₀×q+1

其中，m₀和n₀分別為子陣在x和y坐標方向的單元數(shù)量，a為單元間距，h為反射陣焦距，D_x和D_y分別為整個陣面在x和y方向上的尺寸，λ₂為高頻頻率f₂單元對應(yīng)的諧振波長，c為真空光速。

更進一步的，所述天線還設(shè)有位于雙頻復(fù)合平面反射陣下方的圓極化喇叭饋源；所述圓極化喇叭饋源內(nèi)部包含設(shè)有斜切角圓波導(dǎo)(23)作為線圓極化轉(zhuǎn)化器，所述斜切角圓波導(dǎo)的上下兩端分別設(shè)有圓波導(dǎo)過渡段和矩形波導(dǎo)過渡段，所述圓波導(dǎo)過渡段與其上方開口由窄到寬變化的圓開口波導(dǎo)連接，所述矩形波導(dǎo)過渡段與其下方的矩形波導(dǎo)連接。

更進一步的，所述斜切角圓波導(dǎo)的切線與x軸的夾角為45°，該斜切角圓波導(dǎo)的長度為1.3倍的波長。

更進一步的，所述雙頻復(fù)合平面反射陣和圓極化喇叭饋源的間隙還設(shè)有空氣層。

更進一步的，所述空氣層厚度為反射陣焦距h。

更進一步的，所述天線用于毫米波頻段。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述基于分裂環(huán)超材料單元的雙頻圓極化平面反射陣天線，具有如下優(yōu)點：

本發(fā)明可以滿足Ka波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)用需求。

與傳統(tǒng)的平面反射陣天線不同，本發(fā)明的該反射陣天線采用寬帶多諧振分裂環(huán)陣子作為輻射單元進行組陣，并采用雙頻陣子交替共面排列形式構(gòu)成雙頻響應(yīng)，具有寬帶、體積緊湊，厚度低，成本低等特點。

本發(fā)明的反射陣天線利用多分區(qū)子陣并行設(shè)計方法，將整個陣面依據(jù)板材的尺寸劃分為多個分區(qū)，并由多板材拼接而成。多分區(qū)并行設(shè)計方式更加接近于實際加工制作情況，便于反射陣面建模、加工和出圖，并利于提高仿真建模、出圖和加工制作的速度和效率。

該多分區(qū)子陣并行設(shè)計方式具有一般性，可以推廣至其他毫米波頻段,適用于其他任意尺寸的雙頻復(fù)合平面反射陣，同時也適用于單頻平面反射陣天線設(shè)計、建模和加工。

整個天線陣面各分區(qū)均利用印刷電路板工藝生產(chǎn)，成本低、精度高、重復(fù)性好，適合大批量生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的與平面饋源一體化集成的毫米波平面反射陣的主視圖。

圖2為本發(fā)明的反射陣頂層金屬示意圖。

圖3為本發(fā)明的反射陣雙頻陣子排列示意圖。

圖4a、圖4b為本發(fā)明的超材料分裂環(huán)單元的結(jié)構(gòu)俯視及側(cè)視圖。

圖5為本發(fā)明的分裂環(huán)單元對圓極化入射波的頻率響應(yīng)。

圖6為本發(fā)明的多分區(qū)并行設(shè)計36子陣的劃分示意圖。

圖7為本發(fā)明的天線整體在頻率f₁的E面輻射方向圖。

圖8為本發(fā)明的天線整體在頻率f₁的H面輻射方向圖。

圖9為本發(fā)明的天線整體在頻率f₂的E面輻射方向圖。

圖10為本發(fā)明的天整體在頻率f₂的H面輻射方向圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。

本發(fā)明提供的基于分裂環(huán)超材料單元的雙頻圓極化平面反射陣天線，是一種低剖面、高增益、寬帶、雙頻復(fù)合的平面反射陣天線，能夠應(yīng)用于衛(wèi)星通信、雷達、成像等領(lǐng)域。

如圖1所示，本發(fā)明所述平面反射陣天線為分層結(jié)構(gòu)，從上到下依次設(shè)有雙頻復(fù)合平面反射陣1和圓極化喇叭饋源2，所述反射陣1包含中間層介質(zhì)基片12、位于中間層介質(zhì)基片12下方的金屬分裂環(huán)陣面11、位于中間層介質(zhì)基片12上方的接地金屬13；所述圓極化喇叭饋源2包含矩形波導(dǎo)21、矩形波導(dǎo)過渡段22、斜切角的圓波導(dǎo)23、圓波導(dǎo)過渡段24和開口由窄到寬變化的圓開口波導(dǎo)25。

配合參見圖1～圖3所示，雙頻復(fù)合平面反射陣1上的金屬分裂環(huán)陣列11設(shè)有兩種尺寸的分裂環(huán)：低頻分裂環(huán)單元1111和高頻分裂環(huán)單元1112交替排列。兩種分裂環(huán)單元均組成中心環(huán)繞的二維陣列結(jié)構(gòu)，排列結(jié)構(gòu)如圖3所示，即任意一個高頻(或低頻)的分裂環(huán)單元被四個低頻(或高頻)的分裂環(huán)單元包圍，且這四個低頻(或高頻)的分裂環(huán)位于高頻(或低頻)分裂環(huán)的四個對角處。

高頻單元和低頻單元的基本結(jié)構(gòu)形式類似。如圖4b所示，每個超材料分裂環(huán)單元包含單層的介質(zhì)、位于該介質(zhì)底部的接地金屬、和該介質(zhì)上的金屬分裂環(huán)。如圖4a所示，任意一個分裂環(huán)單元為方形結(jié)構(gòu)，邊長為a，頂層金屬圓環(huán)外徑為rr，金屬環(huán)寬度為s，分裂開口長度為c。通過調(diào)節(jié)環(huán)形開口長度c和環(huán)形半徑rr，可以獲得對特定頻率圓極化入射波全反射的特性。分裂環(huán)單元對右旋圓極化波的頻率響應(yīng)如圖5所示，其中S11是單元的反射系數(shù)，S21是單元的傳輸系數(shù)。相比傳統(tǒng)單諧振的圓極化反射單元，本發(fā)明所提出的分裂環(huán)單元的反射響應(yīng)為寬帶多諧振特性，有利于展寬反射陣天線的帶寬。

本發(fā)明所提出的反射陣1的上方金屬分裂環(huán)陣面11采用多分區(qū)子陣并行設(shè)計的方式。如圖6所示，陣面11分為中心對稱的4區(qū)，沿逆時針排列分別為分區(qū)111、分區(qū)112、分區(qū)113和分區(qū)114，其中分區(qū)111由多分區(qū)子陣算法得到其子陣的排布，分區(qū)112的單元由分區(qū)111單元鏡像平移得到，分區(qū)113的單元由分區(qū)112的單元鏡像平移得到，分區(qū)114的單元由分區(qū)113的單元鏡像平移得到。

其中，金屬分裂環(huán)陣面的分區(qū)111陣面，包含p×q子陣，每個子陣包含m₀×n₀個分裂環(huán)單元，第(p,q)子陣的單元(i,j)旋轉(zhuǎn)角度θ_pq(i，j)(p＝1，2，3,q＝1，2，3)可以表示為：

其中，是第(p,q)子陣單元(i，j)位置所需的相移量。

對于低頻分裂環(huán)第(i,j)單元的起止范圍及其對應(yīng)關(guān)系為：

λ₁＝c/f₁

i＝[msta:mend]

j＝[nsta:nend]

msta＝m₀×(p-1)+1

mend＝m₀×p

nsta＝n₀×(q-1)+1

nend＝n₀×q

其中，m₀和n₀分別為子陣在x和y坐標方向的單元數(shù)量，相移可以表示為：a為單元間距，h為反射陣焦距，D_x和D_y分別為整個陣面在x和y方向上的尺寸，λ₁為低頻頻率f₁對應(yīng)的諧振波長。

對于高頻分裂環(huán)的單元(i，j)的起止范圍、其單元位置對應(yīng)關(guān)系、單元相移為：

λ₂＝c/f₂

i＝[msta:mend]

j＝[nsta:nend]

msta＝m₀×(p-1)+1

mend＝m₀×p+1

nsta＝n₀×(q-1)+1

nend＝n₀×q+1

其中，m₀和n₀分別為子陣在x和y坐標方向的單元數(shù)量，則可以表示為：a為單元間距，h為反射陣焦距，D_x和D_y分別為整個陣面在x和y方向上的尺寸，λ₂為高頻頻率f₂對應(yīng)的諧振波長。

本例采用4分區(qū)36子陣的設(shè)計方案，多分區(qū)子陣的排列如圖6所示，只需計算分區(qū)111內(nèi)1-9子陣單元排列，并根據(jù)相應(yīng)坐標旋轉(zhuǎn)關(guān)系便可以得到其余27子陣單元排列。本例中單個子陣包含5×8個單元，單元間距6mm，因此整個陣面尺寸190mm×300mm。

本發(fā)明所述圓極化喇叭饋源2的內(nèi)部設(shè)有斜切角的圓波導(dǎo)23作為線圓極化轉(zhuǎn)化器，并在其上下兩端分別設(shè)有與圓開口喇叭25連接的過渡段24，和與矩形波導(dǎo)21連接的過渡段22。斜切角圓波導(dǎo)的切角與x軸的夾角為45°，斜切角圓波導(dǎo)長度約為1.3波長。所述反射陣1和饋源2的間隙3還設(shè)有空氣層，空氣層厚度為反射陣焦距h。

本實施例的天線的設(shè)計頻率為24GHz和28GHz。天線的E面和H面的方向圖如圖7-10所示，該天線在24GHz時增益為30.6dB，E面波瓣寬度為3.3度,副瓣電平小于-19.6dB,H面波瓣寬度4.4度，副瓣電平小于-20.4dB；該天線在28GHz時增益為31.2dB，E面波瓣寬度3.1度，副瓣電平小于-17.6dB，H面波瓣寬度為4度,副瓣電平小于-19.1dB。

綜上所述，本發(fā)明基于分裂環(huán)超材料單元的雙頻圓極化平面反射陣天線，利用分裂環(huán)超材料單元的多諧振特性有利于提高整體反射陣天線的帶寬；利用雙頻陣子交替共面排列的方式有利于實現(xiàn)天線寬帶的雙頻響應(yīng)，同時保持單層平面結(jié)構(gòu)、具有結(jié)構(gòu)緊湊，重量和成本低等優(yōu)點；利用多分區(qū)子陣并行設(shè)計的方式，使陣面仿真設(shè)計與實際加工工藝相結(jié)合，能有效降低仿真建模和加工出圖的時間，提高工作效率，特別適合高增益大規(guī)模平面反射陣天線的快速設(shè)計、加工和制作；并且本發(fā)明的平面反射陣可利用普通印刷電路板工藝實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡單、體積緊湊、成本低、易于其他平面電路集成，因此適用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應(yīng)用。

以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。