CN110752442A - 一种宽波束低宽角轴比圆极化天线单元及其辐射方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽波束低宽角轴比圆极化天线单元及其辐射方法，该单元包括：介质基片、四个亚波长单元、四个匹配枝节和四个馈电同轴接头；其中，四个亚波长单元分布于第一象限、第二象限、第三象限和第四象限四个象限内；四个亚波长单元关于介质基片的中心点中心对称；每个亚波长单元包括短路臂与辐射器；辐射器位于介质基片的一侧上，短路臂位于辐射器一侧末端，匹配枝节位于介质基片上，馈电同轴接头的内导体穿过介质基片与匹配枝节相连；匹配枝节将馈电同轴接头馈入的射频信号耦合到相对应的辐射器。本发明解决了传统宽波束天线剖面高、尺寸大的问题；同时解决了宽角扫描相控阵天线大角度扫描时增益损失大的问题。

Description

一种宽波束低宽角轴比圆极化天线单元及其辐射方法
技术领域
本发明属于电磁辐射技术领域，尤其涉及一种宽波束低宽角轴比圆极化天线单元及其辐射方法。
背景技术
宽波束、低宽角轴比的圆极化天线单元在天线领域有着十分广泛的需求，作为独立使用的测控天线单元，可有效的扩大测控区域；作为宽角扫描相控阵天线的阵列单元，可有效地降低相控阵天线大角度扫描时的增益损失，因此很有必要开发宽波束、低宽角轴比的圆极化天线单元。
天线小型化、使用辅助单元、加入周期结构、综合使用磁电谐振结构和方向图重构等是展宽天线波束的主要方法。天线单元口径变小，增益降低波束自然会增加，这种方法存在辐射效率低、天线带宽窄的确定；将微带天线和偶极子天线两种辐射模式相结合来实现宽波束的天线单元，这种方法的缺点是天线剖面比较高；周期结构具有调整天线折射率的功能，加入周期结构可以调节天线的辐射波束范围，这种方式则存在天线尺寸大，不利于作为相控阵天线的阵列单元使用；使用磁电谐振结构是考虑到地面的镜像效果，通过辐射天线本身和镜像源的二维阵列效果改善方向图，这种方法同样存在天线尺寸大，不利于作为相控阵天线的阵列单元使用的问题；通过方向图可重构的方式则存在需要增加控制开关的缺点。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术不足，提供一种宽波束、低宽角轴比圆极化天线单元及其辐射方法，解决了传统宽波束天线剖面高、尺寸大的问题；同时解决了宽角扫描相控阵天线大角度扫描时增益损失大的问题。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种宽波束低宽角轴比圆极化天线单元，包括：介质基片、四个亚波长单元、四个匹配枝节和四个馈电同轴接头；其中，四个亚波长单元分布于第一象限、第二象限、第三象限和第四象限四个象限内；四个亚波长单元关于介质基片的中心点中心对称；每个亚波长单元包括短路臂与所述辐射器；所述辐射器位于所述介质基片的一侧上，所述短路臂位于所述辐射器一侧末端，所述匹配枝节位于所述介质基片上，所述馈电同轴接头的内导体穿过所述介质基片与匹所述配枝节相连；所述介质基片用于支撑环形辐射器和匹配枝节；所述匹配枝节将所述馈电同轴接头馈入的射频信号耦合到相对应的辐射器；4个馈电同轴接头用于将外部射频信号按照0°，90°，180°和270°的相位分别馈入位于第一象限的亚波长天线单元、位于第二象限的亚波长天线单元、位于第三象限的亚波长天线单元、位于第四象限的亚波长天线单元，四个亚波长天线单元产生的电磁波在自由空间进行功率合成，形成了宽波束、低宽角轴比的圆极化波束。
上述宽波束低宽角轴比圆极化天线单元中，所述介质基片为覆铜板；其中，所述覆铜板包括两层金属层和一层介质层，介质层位于两层金属层之间，其中一层金属层作为上表面，上表面上腐刻辐射器；在同一层金属层上腐刻匹配枝节。
上述宽波束低宽角轴比圆极化天线单元中，所述介质基片为覆铜板；其中，覆铜板包括三层金属层和两层介质层，相邻两层金属层之间为一层介质层，相邻两层介质层之间为一层金属层，三层金属层依次为上表面金属层、中间金属层和下表面金属层；在中间金属层上腐刻辐射器；在上表面金属层上腐刻匹配枝节。
上述宽波束低宽角轴比圆极化天线单元中，所述介质基片为覆铜板；其中，所述覆铜板包括三层金属层和两层介质层，相邻两层金属层之间为一层介质层，相邻两层介质层之间为一层金属层，三层金属层依次为上表面金属层、中间金属层和下表面金属层；在中间金属层上腐刻匹配枝节；在上表面金属层上腐刻环形结构形成环形辐射器。
上述宽波束低宽角轴比圆极化天线单元中，所述辐射器的长度为/个介质波长，所述辐射器的形状为弧形或者方形。
上述宽波束低宽角轴比圆极化天线单元中，所述匹配枝节为圆弧形或者方形。
上述宽波束低宽角轴比圆极化天线单元中，所述馈电同轴接头包括内导体、外导体和法兰，其中，内导体为金属探针，法兰通过螺钉固定在介质基片中未腐刻辐射器和匹配枝节的金属层上，内导体的一端穿过介质基片与匹配枝节相连，内导体的另一端与外导体配合形成同轴结构，作为信号输入输出接口。
上述宽波束低宽角轴比圆极化天线单元中，所述介质基片为介电常数.的聚四氟乙烯玻璃纤维材料。
上述宽波束低宽角轴比圆极化天线单元中，所述介质基片采用聚四氟乙烯玻璃纤维、聚酰亚胺、聚乙烯、聚苯乙烯、石英或陶瓷材料。
一种宽带相控阵天线单元的辐射方法，所述方法包括如下步骤：(一)4个馈电同轴接头将外部射频信号按照0°，90°，180°和270°的相位分别馈入位于第一象限的亚波长天线单元、位于第二象限的亚波长天线单元、位于第三象限的亚波长天线单元、位于第四象限的亚波长天线单元；(二)步骤(一)的四个亚波长天线单元产生的电磁波在自由空间进行功率合成，形成了宽波束、低宽角轴比的圆极化波束；(三)将步骤(二)产生的宽波束、低宽角轴比的圆极化波束电磁波均辐射到自由空间中。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明的尺寸小、剖面低、重量轻，很适用于对于载荷重要要求很高的微小卫星；同时由于剖面比较低，可以避免对于其他天线波束的视场遮挡；
(2)本发明作为宽角扫描相控阵天线的阵元使用时，易于批量化生产、成本低，利于未来相控阵天线***的大规模商用；
(3)本发明易于形成圆极化，避免了主信号在传输过程和反射信号的叠加相消，减小了传输衰减。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是天线单元侧视图；
图2是天线单元顶视图；
图3是四个馈电端口的有源驻波的示意图；
图4是天线单元的辐射方向图；
图5是天线单元的轴比的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1是天线单元侧视图；图2是天线单元顶视图。如图1和图2所示，该宽波束低宽角轴比圆极化天线单元包括：介质基片5、四个亚波长单元、四个匹配枝节3和四个馈电同轴接头4；其中，
四个亚波长单元分布于第一象限、第二象限、第三象限和第四象限四个象限内；四个亚波长单元关于介质基片5的中心点中心对称；每个亚波长单元包括短路臂2与所述辐射器1；所述辐射器1位于所述介质基片5的一侧上，所述短路臂2位于所述辐射器1一侧末端，所述匹配枝节3位于所述介质基片5上，所述馈电同轴接头4的内导体穿过所述介质基片5与匹所述配枝节3相连；所述介质基片5用于支撑环形辐射器1和匹配枝节3；所述匹配枝节3将所述馈电同轴接头4馈入的射频信号耦合到相对应的辐射器1；调节匹配枝节3与辐射器1之间的间隙、匹配枝节3的长度可以调节耦合能量的大小，实现宽波束、低宽角轴比圆极化天线单元的阻抗匹配；4个馈电同轴接头4用于将外部射频信号按照0°，90°，180°和270°的相位分别馈入位于第一象限的亚波长天线单元、位于第二象限的亚波长天线单元、位于第三象限的亚波长天线单元、位于第四象限的亚波长天线单元，四个亚波长天线单元产生的电磁波在自由空间进行功率合成，形成了宽波束、低宽角轴比的圆极化波束。
该长天线单元的天线尺寸被缩减到八分之一介质波长；将所设计的亚波长天线单元分别旋转0°，90°，180°和270°组成辐射圆极化波的新型天线单元；四路相位分别为0°，90°，180°和270°的外部射频信号分别通过同轴接头馈入亚波长天线单元，在自由空间进行功率合成，实现了具有宽波束、低宽角轴比特性的圆极化波束。本发明既可作为单独的天线单元用于各类平台的测控天线，也可作为宽角扫描相控阵天线的阵列单元。
具体的，以介质基片5的上表面的中心点为坐标原点，介质基片5的上表面为正方形，以平行于正方形的长为X轴，以平行于正方形的宽为Y轴，建立坐标系，左上部分为第一象限，右上部分为第二象限，右下部分为第三象限，左下部分为第四象限。
介质基片5为覆铜板；其中，所述覆铜板包括两层金属层和一层介质层，介质层位于两层金属层之间，其中一层金属层作为上表面，上表面上腐刻辐射器1；在同一层金属层上腐刻匹配枝节3。
介质基片5为覆铜板；其中，覆铜板包括三层金属层和两层介质层，相邻两层金属层之间为一层介质层，相邻两层介质层之间为一层金属层，三层金属层依次为上表面金属层、中间金属层和下表面金属层；在中间金属层上腐刻辐射器1；在上表面金属层上腐刻匹配枝节3。
介质基片5为覆铜板；其中，所述覆铜板包括三层金属层和两层介质层，相邻两层金属层之间为一层介质层，相邻两层介质层之间为一层金属层，三层金属层依次为上表面金属层、中间金属层和下表面金属层；在中间金属层上腐刻匹配枝节3；在上表面金属层上腐刻环形结构形成环形辐射器1。
辐射器1的长度为1/4个介质波长，所述辐射器1的形状为弧形或者方形。
匹配枝节3为圆弧形或者方形。
辐射器1的末端短路臂2穿过介质基片5与介质基片5未腐刻辐射器1和匹配枝节3的金属层相连。
馈电同轴接头4包括内导体、外导体和法兰，其中，内导体为金属探针，法兰通过螺钉固定在介质基片5中未腐刻辐射器1和匹配枝节3的金属层上，内导体的一端穿过介质基片5与匹配枝节3相连，内导体的另一端与外导体配合形成同轴结构，作为信号输入输出接口。
介质基片5为介电常数2.2的聚四氟乙烯玻璃纤维材料。介质基片5采用聚四氟乙烯玻璃纤维、聚酰亚胺、聚乙烯、聚苯乙烯、石英或陶瓷材料。
如图1所示，一种宽波束、低宽角轴比圆极化波束天线单元，工作中心频率为10GHz，带宽为XX％，包括：介质基片5，辐射器1，短路臂2，匹配枝节3，馈电同轴接头4。
介质基片5的介电常数εr＝2.2，厚度h＝1.5mm，尺寸为λ0×λ0λ0＝c/f0，c为光速：3×10e8m/s；f0为中心工作频率：10GHz，即30mm×30mm。
辐射器1的长度为λ0＝c/f0，f0为中心工作频率：10GHz，即5.05mm。
两个辐射器之间的距离为λ0/4λ0＝c/f0，f0为中心工作频率：10GHz，即7.5mm。
需要注意的是，上述的辐射器长度和两个辐射器之间的距离为计算得到的初始天线尺寸，由于环形辐射器1和匹配枝节3之间存在相互影响，因此最终尺寸需要根据全波仿真结果做适当的优化，优化后的辐射器长度为4.55mm，两个辐射器之间的距离为7.5mm。
如图2所示，4个辐射器1、短路臂2、匹配枝节3、馈电同轴接头4构成的配合的相对位置关系分别是0°，90°，180°和270°。
4个馈电同轴接头馈入的外部射频信号的相位分别为0°，90°，180°和270°。
仿真得到的有源驻波如图3所示，其中横坐标代表频率，纵坐标代表反射系数的幅度；当反射系数幅度|S11|<-10dB时，代表天线具有良好的阻抗匹配特性；天线的中心工作频率为10GHz，带宽为1.4％。
仿真得到的辐射方向图如图4所示，其中横坐标代表波束角度范围，纵坐标代表天线的增益；3dB波束宽度为140°，是传统微带天线约为80°的1.75倍。
仿真得到的轴比如图5所示，其中横坐标代表波束角度范围，纵坐标代表天线的轴比；3dB波束宽度的轴比均小于2.5dB，具有良好的宽角圆极化性能。
本实施例还提供了一种宽带相控阵天线单元的辐射方法，该方法包括如下步骤：
(一)4个馈电同轴接头4将外部射频信号按照0°，90°，180°和270°的相位分别馈入位于第一象限的亚波长天线单元、位于第二象限的亚波长天线单元、位于第三象限的亚波长天线单元、位于第四象限的亚波长天线单元，；
(二)步骤(一)的四个亚波长天线单元产生的电磁波在自由空间进行功率合成，形成了宽波束、低宽角轴比的圆极化波束；
(三)将步骤(二)产生的宽波束、低宽角轴比的圆极化波束电磁波均辐射到自由空间中。
本发明的尺寸小、剖面低、重量轻，很适用于对于载荷重要要求很高的微小卫星；同时由于剖面比较低，可以避免对于其他天线波束的视场遮挡；本发明作为宽角扫描相控阵天线的阵元使用时，易于批量化生产、成本低，利于未来相控阵天线***的大规模商用；本发明易于形成圆极化，避免了主信号在传输过程和反射信号的叠加相消，减小了传输衰减。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种宽波束低宽角轴比圆极化天线单元，其特征在于包括：介质基片(5)、四个亚波长单元、四个匹配枝节(3)和四个馈电同轴接头(4)；其中，
四个亚波长单元分布于第一象限、第二象限、第三象限和第四象限四个象限内；
四个亚波长单元关于介质基片(5)的中心点中心对称；
每个亚波长单元包括短路臂(2)与所述辐射器(1)；
所述辐射器(1)位于所述介质基片(5)的一侧上，所述短路臂(2)位于所述辐射器(1)一侧末端，所述匹配枝节(3)位于所述介质基片(5)上，所述馈电同轴接头(4)的内导体穿过所述介质基片(5)与匹所述配枝节(3)相连；
所述介质基片(5)用于支撑环形辐射器(1)和匹配枝节(3)；
所述匹配枝节(3)将所述馈电同轴接头(4)馈入的射频信号耦合到相对应的辐射器(1)；
4个馈电同轴接头(4)用于将外部射频信号按照0°，90°，180°和270°的相位分别馈入位于第一象限的亚波长天线单元、位于第二象限的亚波长天线单元、位于第三象限的亚波长天线单元、位于第四象限的亚波长天线单元，四个亚波长天线单元产生的电磁波在自由空间进行功率合成，形成了宽波束、低宽角轴比的圆极化波束。
2.根据权利要求1所述的一种宽波束低宽角轴比圆极化天线单元，其特征在于：所述介质基片(5)为覆铜板；其中，所述覆铜板包括两层金属层和一层介质层，介质层位于两层金属层之间，其中一层金属层作为上表面，上表面上腐刻辐射器(1)；在同一层金属层上腐刻匹配枝节(3)。
3.根据权利要求1所述的一种宽波束、低宽角轴比圆极化天线单元，其特征在于：所述介质基片(5)为覆铜板；其中，覆铜板包括三层金属层和两层介质层，相邻两层金属层之间为一层介质层，相邻两层介质层之间为一层金属层，三层金属层依次为上表面金属层、中间金属层和下表面金属层；在中间金属层上腐刻辐射器(1)；在上表面金属层上腐刻匹配枝节(3)。
4.根据权利要求1所述的一种宽波束、低宽角轴比圆极化天线单元，其特征在于：所述介质基片(5)为覆铜板；其中，所述覆铜板包括三层金属层和两层介质层，相邻两层金属层之间为一层介质层，相邻两层介质层之间为一层金属层，三层金属层依次为上表面金属层、中间金属层和下表面金属层；在中间金属层上腐刻匹配枝节(3)；在上表面金属层上腐刻环形结构形成环形辐射器(1)。
5.根据权利要求1所述的一种宽波束、低宽角轴比圆极化天线单元，其特征在于：所述辐射器(1)的长度为1/4个介质波长，所述辐射器(1)的形状为弧形或者方形。
6.根据权利要求1所述的一种宽波束、低宽角轴比圆极化天线单元，其特征在于：所述匹配枝节(3)为圆弧形或者方形。
7.根据权利要求1所述的一种宽波束、低宽角轴比圆极化天线单元，其特征在于：所述馈电同轴接头(4)包括内导体、外导体和法兰，其中，内导体为金属探针，法兰通过螺钉固定在介质基片(5)中未腐刻辐射器(1)和匹配枝节(3)的金属层上，内导体的一端穿过介质基片(5)与匹配枝节(3)相连，内导体的另一端与外导体配合形成同轴结构，作为信号输入输出接口。
8.根据权利要求1所述的一种宽带相控阵天线单元，其特征在于：所述介质基片(5)为介电常数2.2的聚四氟乙烯玻璃纤维材料。
9.根据权利要求1所述的一种宽带相控阵天线单元，其特征在于：所述介质基片(5)采用聚四氟乙烯玻璃纤维、聚酰亚胺、聚乙烯、聚苯乙烯、石英或陶瓷材料。
10.一种宽带相控阵天线单元的辐射方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(一)4个馈电同轴接头(4)将外部射频信号按照0°，90°，180°和270°的相位分别馈入位于第一象限的亚波长天线单元、位于第二象限的亚波长天线单元、位于第三象限的亚波长天线单元、位于第四象限的亚波长天线单元；
(二)步骤(一)的四个亚波长天线单元产生的电磁波在自由空间进行功率合成，形成了宽波束、低宽角轴比的圆极化波束；
(三)将步骤(二)产生的宽波束、低宽角轴比的圆极化波束电磁波均辐射到自由空间中。
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