低剖面高效率傳輸陣天線及設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及天線技術(shù)，尤其是一種低剖面高效率傳輸陣天線。
【背景技術(shù)】
[0002]傳輸陣天線是一種高增益天線，它由空間饋源和平面?zhèn)鬏旉嚱M成，傳輸陣規(guī)避了拋物面天線所固有的制造復(fù)雜度，其厚度通常小于一個(gè)波長，與傳統(tǒng)的介質(zhì)透鏡相比，具有尺寸小和重量輕的優(yōu)勢(shì)。由于空間饋電方法消除了大型天線陣列饋電網(wǎng)絡(luò)的損耗，天線的輻射效率得到了提高。不同于反射陣饋源與反射波處在陣列的同一側(cè)，饋源阻塞損耗會(huì)影響天線的效率。傳輸陣天線的饋源和出射波束在陣列兩側(cè)，因此饋源不會(huì)對(duì)出射波束造成影響。
[0003]傳輸陣的原理是獨(dú)立調(diào)控每一個(gè)單元傳輸?shù)姆群拖辔?，從饋源出射的球面相位波前?jīng)過傳輸陣轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫嫦辔徊ㄇ?，根?jù)傅里葉變換可以在遠(yuǎn)場(chǎng)得到一個(gè)高主瓣低副瓣的方向圖。
[0004]傳輸陣天線設(shè)計(jì)中面臨一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，那就是單元傳輸幅度和相位的同時(shí)調(diào)控。即不僅要調(diào)控傳輸系數(shù)的相位滿足在整個(gè)口徑面上實(shí)現(xiàn)360°全覆蓋，同時(shí)為了確保傳輸陣天線的高效率，傳輸系數(shù)的幅度要盡可能的接近1 (0 dB)，也就是全透射。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:一個(gè)目的是提供低剖面高效率傳輸陣天線，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題。進(jìn)一步的目的是提供一種低剖面高效率傳輸陣天線的設(shè)計(jì)方法。
[0006]技術(shù)方案:一種低剖面高效率傳輸陣天線，包括若干縱橫排列的傳輸陣單元，所述傳輸陣單元包括兩層以上的金屬層、位于相鄰金屬層之間的若干介質(zhì)基板層，以及位于介質(zhì)基板層內(nèi)或相鄰介質(zhì)基板層之間的光子帶隙，所述金屬層上開有方形環(huán)狀槽，方形環(huán)狀槽縫隙的長度與傳輸陣單元的傳輸相位成函數(shù)關(guān)系。
[0007]進(jìn)一步的，所述金屬層為三層，所述介質(zhì)基板層為四層，相鄰金屬層間設(shè)置有兩層介質(zhì)基板層，相鄰介質(zhì)基板層之間具有光子帶隙。所述光子帶隙的厚度與金屬層的厚度相同。
[0008]優(yōu)選的實(shí)施例中，所述介質(zhì)基板的厚度為0.5mm，介電常數(shù)為2.5。所述金屬層的厚度為0.035mm，光子帶隙的厚度為0.035mm，傳輸陣單元的縫隙寬度為0.5mm。
[0009]進(jìn)一步的，提供一種上述低剖面高效率傳輸陣天線的設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟: 步驟1、仿真帶有光子帶隙的兩層以上的金屬單元，其中光子帶隙的諧振頻率與方形環(huán)狀槽的諧振頻率接近；對(duì)傳輸陣單元做一個(gè)詳細(xì)的參數(shù)掃描，獲得光子帶隙與方形環(huán)狀槽參數(shù)的函數(shù)關(guān)系，確定光子帶隙的參數(shù)；
步驟2、將金屬層結(jié)構(gòu)堆疊在一起，經(jīng)仿真得到傳輸系數(shù)相位幅度和方環(huán)縫隙長度的關(guān)系，得到擬合曲線；
步驟3、計(jì)算入射波到達(dá)每一傳輸陣單元時(shí)的相位，并根據(jù)每個(gè)傳輸陣單元入射波的相位以及上一步驟獲得的擬合公式，計(jì)算每個(gè)傳輸陣單元的尺寸，得到整個(gè)傳輸陣。
[0010]優(yōu)選的，在步驟3中，傳輸陣單元入射波的相位可通過下式計(jì)算:
ψlth二 k.( Rlth~ F) + ψcenter
式中，Km為入射波到第i個(gè)單元時(shí)的相位，Rlth為第i個(gè)單元到波紋圓錐喇機(jī)相位中心的距離，F(xiàn)為焦距，k為自由空間中的波數(shù)，為傳輸陣中心單元的相位。
[0011]在進(jìn)一步的實(shí)施例中，還包括如下步驟:
步驟4、將波紋圓錐喇叭天線放置在預(yù)定的位置對(duì)所述傳輸陣進(jìn)行饋電，對(duì)傳輸陣天線進(jìn)行驗(yàn)證。
[0012]有益效果:本發(fā)明由多個(gè)單元構(gòu)成，通過調(diào)整金屬縫隙的長度實(shí)現(xiàn)對(duì)波束相位的精確調(diào)控，不同位置的入射波相位不同，對(duì)應(yīng)調(diào)控的單尺寸就不同。同時(shí)，本發(fā)明在將傳輸陣維持低剖面的同時(shí)，單元Ι-dB幅度帶寬下實(shí)現(xiàn)360°相位全覆蓋，結(jié)果也顯示傳輸陣天線具有高達(dá)52%的口徑面效率，同時(shí)只有大約人/14的厚度。
【附圖說明】
[0013]圖la:傳輸陣天線單元結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖lb:低剖面高效率傳輸陣天線的結(jié)構(gòu)示意圖及局部放大圖。
[0015]圖2:傳輸陣單元的仿真結(jié)果示意圖，顯示了單元傳輸系數(shù)幅度和相位與變量Dx的關(guān)系。
[0016]圖3a:傳輸陣天線的E面方向圖。
[0017]圖3b:傳輸陣天線的Η面方向圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]如結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)細(xì)節(jié)和原理。
[0019]首先設(shè)計(jì)低剖面高效率傳輸陣天線所需的單元。
[0020]使用電磁仿真軟件CST MWS仿真帶有光子帶隙的兩層金屬單元，為了得到一個(gè)較大的相移，使光子帶隙的諧振頻率應(yīng)與方環(huán)縫隙的諧振頻率相近。
[0021]通過對(duì)傳輸陣單元做一個(gè)詳細(xì)的參數(shù)掃描，得到一組關(guān)于光子帶隙與方環(huán)縫隙參數(shù)之間關(guān)系的公式，從而在給定的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)理想的傳輸幅度和相位響應(yīng)，即得到平坦的近似為1 (0 dB)的透射幅度，最大的相位變化。
[0022]其次，兩層金屬層結(jié)構(gòu)得到的Ι-dB幅度帶寬對(duì)應(yīng)的相移范圍小于360°。為了在Ι-dB幅度帶寬下得到360°相移，將兩個(gè)兩層單元堆疊在一起，使用電磁仿真軟件CST MWS仿真得到傳輸系數(shù)相位幅度與方環(huán)縫隙的長度Dx的變化關(guān)系。取設(shè)計(jì)頻率值為11.1GHz，在該頻率值下，導(dǎo)出其傳輸幅度和相位數(shù)據(jù)，利用Matlab軟件擬合曲線，得到傳輸相位與變量Dx的關(guān)系式。
[0023]第三，根據(jù)公式:
ψlth二 k.( Rlth~ F) + ψcenter
根據(jù)公式計(jì)算出入射波到達(dá)每一個(gè)單元時(shí)的相位，再利用擬合公式計(jì)算出每一個(gè)單元的尺寸。式中，為入射波到第i個(gè)單元時(shí)的相位，為第i個(gè)單元到波紋圓錐喇叭相位中心的距離，F(xiàn)為焦距，k為自由空間中的波數(shù)，為傳輸陣中心單元的相位。
[0024]最后，將一個(gè)X波段的圓錐喇叭天線放置在預(yù)定的位置對(duì)傳輸陣進(jìn)行饋電，在遠(yuǎn)場(chǎng)得到一個(gè)高主瓣低副瓣的方向圖，11.1GHz處傳輸陣天線的增益為24.7dB，對(duì)應(yīng)的口徑面效率為52%，結(jié)果證明了提出的低剖面高效率傳輸陣天線的有效性。
[0025]如圖la和圖lb所示，本發(fā)明的低剖面高效率傳輸陣天線由多層頻率選擇表面單元按照準(zhǔn)周期方式排列構(gòu)成的。如圖la所示，每個(gè)單元包括金屬層1、介質(zhì)基板層2和光子帶隙3。在該實(shí)施例中，金屬層的數(shù)量為三個(gè)，介質(zhì)基板層的數(shù)量為四個(gè)，光子帶隙的數(shù)量為兩個(gè)。相鄰的金屬層之間具有兩層介質(zhì)基板層，相鄰介質(zhì)基板層之間具有光子帶隙。單元的總厚度為a。從圖lb中部的傳輸陣天線整體結(jié)構(gòu)和左上角的局部放大結(jié)構(gòu)可以清晰地獲知傳輸陣天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合圖la所示的傳輸陣單元結(jié)構(gòu)，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠獲知本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和原理。
[0026]在某個(gè)具體的實(shí)施例中，各參數(shù)如下:
圓錐喇叭天線在焦距處發(fā)射球面波，通過此傳輸陣可以在遠(yuǎn)場(chǎng)產(chǎn)生高主瓣低副瓣的天線輻射方向圖，其結(jié)構(gòu)為:四層0.5mm厚的介質(zhì)基板，其介電常數(shù)為2.5，三層厚度為
0.035mm的金屬貼片(金屬層)，兩層厚度為0.035mm的光子帶隙，單元大小為9.6mm*9.6mm，縫隙寬度為0.5mm，縫隙長度Dx為變量。
[0027]圖2是傳輸陣單元的仿真結(jié)果，說明了單元的傳輸幅度和傳輸相位隨著縫隙長度Dx值的變化，由圖中可知，傳輸陣單元的傳輸幅度損耗均小于ldB，這表明傳輸陣單元的幅度損耗很小，從饋源入射的絕大部分能量可以從提出的傳輸陣透射過去，同時(shí)傳輸相位范圍可以完全覆蓋360°，這樣就確保了傳輸陣天線實(shí)現(xiàn)高效率和高增益。
[0028]圖3a、圖3b是提出的低剖面高效率傳輸陣天線E面和Η面遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，結(jié)果表明本發(fā)明中傳輸陣天線得到一個(gè)高主瓣低副瓣的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，傳輸陣天線在11.1GHz時(shí)的增益為24.7dB，此時(shí)的口徑面效率高達(dá)52%，說明本發(fā)明提出的傳輸陣天線不僅具有較低的剖面，同時(shí)還是高效率、高增益天線。
[0029]本發(fā)明中的低剖面高效率傳輸陣天線根據(jù)工作頻段不同，可采用不同加工工藝實(shí)現(xiàn)。本申請(qǐng)認(rèn)為，增加諧振個(gè)數(shù)可以增加傳輸相移。為了得到360°傳輸相移，通常需要4個(gè)諧振，光子帶隙在多層頻率選擇表面中不僅能增強(qiáng)相鄰金屬層之間的耦合，而且能提供一個(gè)額外的諧振。
[0030]以上所述是本發(fā)明的補(bǔ)償斜入射誤差的高增益?zhèn)鬏旉囂炀€的方法以及流程，應(yīng)當(dāng)指出:對(duì)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(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種低剖面高效率傳輸陣天線，其特征在于，包括若干縱橫排列的傳輸陣單元，所述傳輸陣單元包括兩層以上的金屬層、位于相鄰金屬層之間的若干介質(zhì)基板層，以及位于介質(zhì)基板層內(nèi)或相鄰介質(zhì)基板層之間的光子帶隙，所述金屬層上開有方形環(huán)狀槽，方形環(huán)狀槽縫隙的長度與傳輸陣單元的傳輸相位成函數(shù)關(guān)系。2.如權(quán)利要求1所述的低剖面高效率傳輸陣天線，其特征在于，所述介質(zhì)基板的厚度為0.5mm，介電常數(shù)為2.5。3.如權(quán)利要求1所述的低剖面高效率傳輸陣天線，其特征在于，所述金屬層的厚度為0.035mm，光子帶隙的厚度為0.035mm，傳輸陣單元的縫隙寬度為0.5mm。4.權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的低剖面高效率傳輸陣天線的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1、仿真帶有光子帶隙的兩層以上的金屬單元，其中光子帶隙的諧振頻率與方形環(huán)狀槽的諧振頻率接近；對(duì)傳輸陣單元做一個(gè)詳細(xì)的參數(shù)掃描，獲得光子帶隙與方形環(huán)狀槽參數(shù)的函數(shù)關(guān)系，確定光子帶隙的參數(shù)； 步驟2、將金屬層結(jié)構(gòu)堆疊在一起，經(jīng)仿真得到傳輸系數(shù)相位幅度和方環(huán)縫隙長度的關(guān)系，得到擬合曲線； 步驟3、計(jì)算入射波到達(dá)每一傳輸陣單元時(shí)的相位，并根據(jù)每個(gè)傳輸陣單元入射波的相位以及上一步驟獲得的擬合公式，計(jì)算每個(gè)傳輸陣單元的尺寸，得到整個(gè)傳輸陣。5.如權(quán)利要求4所述的低剖面高效率傳輸陣天線的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，在步驟3中，傳輸陣單元入射波的相位可通過下式計(jì)算: ψlth二 k.( Rlth~ F) + ψcenter 式中，Km為入射波到第i個(gè)單元時(shí)的相位，Rlth為第i個(gè)單元到波紋圓錐喇機(jī)相位中心的距離，F(xiàn)為焦距，k為自由空間中的波數(shù)，為傳輸陣中心單元的相位。6.如權(quán)利要求4或5所述的低剖面高效率傳輸陣天線的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，還包括如下步驟: 步驟4、將波紋圓錐喇叭天線放置在預(yù)定的位置對(duì)所述傳輸陣進(jìn)行饋電，對(duì)傳輸陣天線進(jìn)行驗(yàn)證。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低剖面高效率傳輸陣天線及設(shè)計(jì)方法，所述傳輸陣天線由多個(gè)陣列單元組成，每個(gè)傳輸陣單元由介質(zhì)基板、金屬層和光子帶隙組成，金屬層設(shè)置有方環(huán)縫隙，方環(huán)縫隙和光子帶隙構(gòu)成對(duì)入射電磁波的帶通濾波器。傳輸陣天線的設(shè)計(jì)方法包括仿真帶有光子帶隙的金屬層單元并通過參數(shù)掃描獲得光子帶隙與方形環(huán)狀槽參數(shù)的函數(shù)關(guān)系；獲得傳輸系數(shù)相位幅度和方環(huán)縫隙長度的關(guān)系；計(jì)算入射波到達(dá)每個(gè)傳輸陣單元時(shí)的相位，并根據(jù)公式計(jì)算出每個(gè)傳輸陣單元的尺寸。本發(fā)明在將傳輸陣維持低剖面的同時(shí)，單元1-dB幅度帶寬下實(shí)現(xiàn)3600相位全覆蓋，測(cè)試結(jié)果顯示傳輸陣天線具有高達(dá)52%的口徑面效率，同時(shí)只有大約<i>λ</i>0/14的厚度。
【IPC分類】H01Q1/38
【公開號(hào)】CN105406178
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510728839
【發(fā)明人】崔鐵軍, 吳瑞元, 李允博, 周小陽, 袁浩
【申請(qǐng)人】江蘇軒途電子科技有限公司
【公開日】2016年3月16日
【申請(qǐng)日】2015年10月30日