正馈激励多频点新型圆极化毫米波宽带平面反射阵列天线

摘要

正馈激励多频点新型圆极化毫米波宽带平面反射阵列天线，属于微波技术领域。包括介质基板、接地板、馈源和微带n*n花瓣反射阵列；所述微带n*n花瓣反射阵列包括n*n个单层紧耦合花瓣单元，n*n个单层紧耦合花瓣单元满足递归关系均匀排列于介质基片上表面并呈一定角度旋转型分布，微带n*n花瓣反射阵列面朝向馈源；每个紧耦合花瓣单元为包含2*M个尺寸两两相等的环绕正2*M边形缝隙的正多边形开口谐振环，且不同尺寸的正多边形开口谐振环分别工作于不同的频率上，组成多谐振单元；介质基板背面设有接地板，接地板轮廓为矩形。能够工作在毫米波不同波段包括5G规范，按需设计，具有良好辐射性能，结构简单，成本低，易于工程实现。

说明书

技术领域

本发明属于微波技术领域，尤其是涉及正馈激励多频点新型圆极化毫米波宽带平面反射阵列天线。

背景技术

传统的高增益天线主要有以大型抛物面天线为代表的反射面天线和以相控阵天线为代表的微带贴片阵列天线。大型反射面天线设计简单、理论上增益带宽无限，具有高效率和强方向性，但体积庞大、不易部署，需要复杂的伺候系统，曲面结构对于加工精度要求很高，尤其是毫米波波段，另外，只能通过机械旋转来实现波束扫描也是一个缺点。微带贴片阵列天线往往低剖面，PCB刻蚀技术成熟，由移相独立实现对辐射单元相位和幅度的调节，易实现波束扫描，但是对超大规模阵列来说，其馈电网络设计复杂，电扫描所需的T/R组件成本高，而且毫米波波段损耗急剧增加。在此背景下，微带反射阵列天线应运而生，融合了抛物面天线高增益高效率和微带低剖面低成本的优点，一经提出，即得到国内外专家学者的广泛关注，成为了新型高增益天线的首选，展现了广阔的应用前景。

从天线激励方式角度，圆极化天线能够辐射和接受任意极化的电磁波，从而避免极化损失，正是电子侦察等应用中普遍使用圆极化天线的原因；由于反射波旋向发生反转，故能抑制雨雾天气的干扰和多径反射；另外，基于圆极化天线的极化正交性，还可以消除电离层因为法拉第旋转引起的电磁波畸变。正因为圆极化天线这些无可比拟的优势，其在雷达通信、导航系统的极化分集中得到了广泛应用。

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发明内容

本发明的目的在于提供拥有高增益、低旁瓣、低交叉极化的性能，能够广泛运用于5G毫米波通信的正馈激励多频点新型圆极化毫米波(26/52GHz)宽带平面反射阵列天线。

本发明包括介质基板、接地板和微带n*n花瓣反射阵列；所述微带n*n花瓣反射阵列包括n*n个单层紧耦合花瓣单元，n*n个单层紧耦合花瓣单元满足递归关系均匀排列于介质基片上表面并呈一定角度旋转型分布，微带n*n花瓣反射阵列面朝向馈源；每个紧耦合花瓣单元为包含2*M个尺寸两两相等的环绕正2*M边形缝隙的正多边形开口谐振环，且不同尺寸的正多边形开口谐振环分别工作于不同的频率上，组成多谐振单元；介质基板背面设有接地板，接地板轮廓为矩形。

不同阶次紧耦合花瓣单元的尺寸有数字化递归效应。通过控制紧耦合花瓣单元沿每个花瓣自身中心逆时针旋转的角度ψ

所述介质基板层采用高性能低耗毫米波介质基板，所述介质基板的介电常数可为2.2～8.0，所述紧耦合花瓣单元的外形轮廓为正方形，正方形轮廓边长P＝4～6mm，介质基板厚度H1＝0.7～1mm。

所述馈源使用喇叭天线做正馈激励，波束方向垂直指向微带n*n花瓣反射阵阵面方向，微带n*n花瓣反射阵列两个出射波束的目标偏出角度分别为Phi＝90°、Theta＝30°与Phi＝90°、Theta＝-30°，所述喇叭天线馈源和紧耦合花瓣单元反射面之间的距离为50～60mm。

所述紧耦合花瓣单元的上表面金属层为铜层，铜层的厚度H可取的范围为0.03～0.125mm。

所述2*M个尺寸两两相等的环绕正2*M边形缝隙的正多边形开口谐振环对应边长分别为L

所述微带n*n花瓣反射阵列天线不同阶次的基本紧耦合花瓣单元边长之间满足优化的比率，当微带n*n花瓣反射阵列天线单元阶次为M时,天线基本紧耦合花瓣单元结构的所有正2*M边形缝隙的边长L

所述微带n*n花瓣反射阵列天线n的取值范围为n≥2。

本发明通过控制紧耦合花瓣型紧耦合花瓣单元的类型、旋转角度可进行调相、提高增益，控制旁瓣和低交叉极化等效果。花瓣类M阶微带紧耦合花瓣单元按一定递归比例优化，第n阶的边长范围L

附图说明

图1为本发明实施例系统整体组成结构图；

图2为本发明实施例的不同类型的旋转型多谐振紧耦合花瓣单元结构的主视图；

图3为本发明实施例的不同类型的旋转型多谐振紧耦合花瓣单元结构的侧视图；

图4是紧耦合花瓣单元回波损耗(S11参数)曲线；

图5是紧耦合花瓣单元反射相位与入射角关系曲线；

图6是利用口径场叠加法计算产生双波束的相位分布图；

图7是利用口径场叠加法计算产生双波束的单元旋转角度分布图；

图8为本发明实施例的双波束反射阵的俯视图；

图9是旋转调相机制的花瓣双波束阵列辐射方向图；

图10是旋转调相机制的花瓣双波束阵列增益与轴比带宽曲线；

图11是旋转调相机制的花瓣对称双波束3D效果图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1～3，本发明实施例设有介质基板3，介质基板3上表面设有微带n*n花瓣反射阵列2，介质基板背面设有接地板4，接地板4轮廓为矩形；满足递归关系均匀排列的微带n*n花瓣反射阵列在上表面呈一定角度旋转型分布，微带n*n花瓣反射阵列面朝向喇叭天线馈源1。通过控制紧耦合花瓣单元沿每个花瓣自身中心逆时针旋转的角度ψ

所述介质基板层采用高性能介质材料基板，所述高性能介质材料基板的介电常数可为2.2～8.0，所述紧耦合花瓣单元的外形轮廓为正方形，正方形轮廓边长P＝4～6mm，介质基板厚度H1＝0.7～1mm。所述天线使用喇叭天线做正馈激励，波束方向垂直指向微带n*n花瓣反射阵阵面方向，微带n*n花瓣反射阵列两个出射波束的目标偏出角度分别为Phi＝90°、Theta＝30°与Phi＝90°、Theta＝-30°，所述喇叭天线馈源和紧耦合花瓣单元反射面之间的距离为50～60mm。所述2*M个尺寸两两相等的正多边形开口谐振环对应边长分别为L

作为优选方案，实施例子的天线总体尺寸为55mm×55mm×1mm，承载紧耦合花瓣单元反射面2和接地板4的单层介质基板采用Rossgers RT5880(lossy)，介电常数ε

本发明实施例中馈源采用的是E、H面具有高度对称性的短圆锥喇叭，结构简单，波导端口采用两个相位正交的TE11波馈电，从而激励出轴比近似于0的高纯度圆极化波。26GHz的喇叭结构天线参数，波导直径为9.8009mm，波导长度为2.8826mm，同轴内径为15.281mm，同轴外径为19.025mm，空腔深度为2.6520mm，边缘深度为2.8826mm，张角为66°。中心频率26Hz处增益13.1dB，半功率波瓣宽度41.8°。E、H面辐射方向图高度重合，交叉极化非常低。

本发明的优选实施例详述如下：

实施例中，采用旋转型双谐振紧耦合花瓣单元结构，即取M＝2，则缝隙和尺寸两两相等的开口谐振环均为正方形，两个不同尺寸两两相等的开口谐振环对应两个谐振点施加圆极化波，低频处电流集中分布于大方环内侧，高频处电流则集中在小方形环，当工作在26GHz时，大小环上的电流均匀分布，花瓣单元结构与优化尺寸如下：正方形开口谐振环较大单元边长L

作为优选方案，焦径比F/D＝1.14为最佳馈源位置，紧耦合花瓣单元周期P＝5mm，辐射半径D＝50mm，所述喇叭天线馈源1和紧耦合花瓣单元反射面2之间的距离为57mm。

采用旋转型紧耦合花瓣单元设计单馈源双波束反射阵，由喇叭天线做正馈激励，微带n*n花瓣反射阵列两个出射波束的目标偏出角度分别为Phi＝90°、Theta＝30°与Phi＝90°、Theta＝-30°。

参见图4，紧耦合花瓣微带紧耦合花瓣单元天线满足15dB幅值判定条件的圆极化带宽为(25.2～26.7GHz)。

参见图5，斜入射45°时紧耦合花瓣微带紧耦合花瓣单元反射损耗剧烈增加，对于小于45°的入射角度不敏感，0～30°的斜入射情况都有很好的反射相位和幅度响应。

天线效率取40％，计算得到，A＝(NP)

参见图9，反射双波束阵列严格阵列向θ＝±30°，中心频点处增益为18.03dB，副瓣电平为-8.7dB，指向±30°的波束轴比几乎重合，阵列圆极化带宽为11.1％(24.695～27.582Hz)，中心频率处交叉极化为-21.200dB。

图10是旋转调相机制的花瓣双波束阵列增益与轴比带宽曲线。

图11是旋转调相机制的花瓣对称双波束3D效果图。

综上所述，本发明的正馈激励多频点新型圆极化毫米波宽带平面反射阵列天线的紧耦合花瓣单元包括n*n个均匀排列于介质基片上表面的单层紧耦合花瓣单元，所述紧耦合花瓣单元为包含2*M个尺寸两两相等的环绕正2*M边形缝隙的正多边形开口谐振环，且不同尺寸的正多边形开口谐振环分别工作于不同的频率上，组成多谐振单元。不同阶次紧耦合花瓣单元的尺寸有数字化递归效应。可按需要设计为单频、双频、三频及四频点等类型覆盖毫米波5G不同频段。相邻单元排布并非朝向一致，相邻单元之间电流指向不规则，对远场的叠加作用有所抵消，因此采用旋转型调相使得阵列的交叉极化性能得到了极大降低。与传统的微带平面反射阵列天线相比较，能够同时优化高增益和低副瓣的辐射性能；且结构统一，易于加工制作，成本低廉，因此本发明有着广泛的应用前景。用宽带单元实现多频点，得到的每个波束带宽都在3GHz左右，增强了单馈源多频点微带反射阵在通信系统中的实用性。

表1给出本发明的制造加工误差对天线的影响特性。

表1

注：表1中数据已有一定冗余，各参数之间有一定关联性，可根据需优化结构参数完成特殊设计。