一种基于超材料技术的低栅瓣平板阵列天线制造技术

本发明专利技术涉及一种基于超材料技术的低栅瓣平板阵列天线。大周期组阵的平板阵列天线，其辐射方向图会出现栅瓣，从而导致天线效率下降。本发明专利技术设计了一种超材料盖板，并加载于这类平板阵列天线阵面上方。超材料盖板的基材为低损耗介质平板，盖板上含有大量亚波长的周期性排列的纵向孔。该超材料盖板能够抑制平板阵列天线的栅瓣电平，提高平板阵列天线的增益和口面效率，并且可以宽带工作。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于卫星通信、侦察对抗、移动通信等领域，涉及一种基于超材料技术的低栅瓣平板阵列天线。
技术介绍
平板阵列天线广泛应用于移动卫星通信和侦察对抗中。平板阵列天线的辐射口面为平面，它由天线单元二维周期排列形成，天线阵面的宽度和高度可以灵活配置。相比反射面天线，平板阵列天线容易实现4：1乃至更大的宽高比。这种形式的天线适合装载于移动载体平台中，具有低轮廓的技术优势。平板阵列天线的组阵周期经常大于一个波长。大周期组阵的平板阵列天线具有以下优势：馈电网络设计简单、插入损耗小；在同等的辐射面积下，使用大周期组阵的平板阵列天线，其天线单元个数少，加工成本低、重量轻。大周期组阵的平板阵列天线的劣势为：天线的辐射方向图会出现栅瓣，导致天线效率下降。将十字金属线结构加载于阵列天线口面，能够明显降低天线的辐射栅瓣。该方案已经成功应用于Ku卫星通信频段的平板阵列天线，其接收频率为12.25-12.75GHz，发射频率为14.0-14.5GHz。这种技术方案的局限在于工作带宽窄，它适用的相对带宽约为20％。对工作于Ka卫星通信频段的平板阵列天线，其接收频率为19.6-21.2GHz，发射频率为29.4-31.0GHz，相对带宽约50％，十字线结构的技术方案不再适用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于设计一种基于超材料技术的低栅瓣平板阵列天线，该天线包含大周期组阵的平板阵列天线和加载于平板阵列天线辐射口面处的超材料盖板。超材料盖板可以调节辐射口面的场分布，降低辐射方向图的栅瓣电平，提高平板阵列天线的增益和口面效率。本专利技术采用的技术方案为：一种基于超材料技术的低栅瓣平板阵列天线，包含大周期组阵的平板阵列天线1和加载于平板阵列天线1辐射口面上的超材料盖板2；所述的平板阵列天线1由多个平板阵列天线单元组成；所述的超材料盖板2由多个90°旋转对称性的结构单元周期性排列而成；每个结构单元包含多个沿天线阵法线方向开设的空气孔，所有空气孔呈环状排列，空气孔的大小从内环至外环逐渐变大；超材料盖板2的结构单元的重复周期与平板阵列天线单元的组阵周期一致。其中，所述超材料盖板2的基材为低损耗的微波介质平板。其中，所述超材料盖板2的上表面还设有上层超材料盖板，上层超材料盖板和超材料盖板2结构相同。其中，上层超材料盖板和下层超材料盖板之间留有空气间隙3，空气间隙的高度为0.05-0.12个波长。本专利技术相比于
技术介绍
，其优点为：(1)基于超材料的技术方案能够宽带工作。该方案的相对工作带宽超过1.6倍频。该方案应用于卫星通信领域时，能够满足Ka频段卫星通信的带宽要求。(2)基于超材料的技术方案能够适应更大的组阵周期。当组阵周期大于两个波长时，该技术方案仍然可行。附图说明图1是未加载超材料盖板的平板阵列天线示意图。图2是加载超材料盖板的平板阵列天线的侧视图。图3是超材料盖板的俯视图，对应3×3个平板阵列天线单元。具体实施方式下面结合图1至图3对本专利技术作进一步说明。但本专利技术的保护范围不局限于所述实施范例。本专利技术提出一种基于超材料技术的低栅瓣平板阵列天线，将特殊设计的超材料盖板加载于大周期组阵的平板阵列天线的辐射口面处。超材料盖板的基材为低损耗微波介质平板，如聚四氟乙烯、聚苯乙烯，介质平板含有大量周期性排列的沿天线阵法线方向的空气孔。超材料盖板可以调节辐射口面的场分布，从而降低辐射方向图的栅瓣电平，提高平板阵列天线的增益和口面效率。盖板使用的超材料单元结构为非谐振单元，具有宽带特性。该专利技术可以应用于Ka卫星通信频段，同时覆盖接收和发射频段。如图1所示，作为一个实施例，未加载超材料盖板的平板阵列天线1由金属波导口周期排布而成，所述的平板阵列天线1由多个平板阵列天线单元组成；平板阵列天线具有工作频带宽、加工工艺成熟、可承受高功率等特性。平板阵列天线采用大周期布阵，对工作频带的高端频率，其电尺寸超过2个波长。这种平板阵列天线的馈电网络简单，设计难度小。平板阵列天线的天线单元可以选用喇叭、微带、波导缝隙等各类天线形式。其中，喇叭口天线具有工作频带宽、加工工艺成熟、可承受高功率等特性，在工程中应用最为广泛。如图2所示，超材料盖板2的上方还设有上层超材料盖板，超材料盖板2加载于平板阵列天线辐射口面，超材料盖板2的下表面与平板阵列天线1的上表面紧密贴合；上层超材料盖板和超材料盖板2结构相同，结构单元上下相对应设置，之间留有空气间隙3，空气间隙的高度尺寸为0.05-0.12个波长，这种双层设计可以减小超材料盖板导致的回波损耗，有利于实现电磁波辐射时的阻抗匹配。如图3所示，每层超材料盖板2由多个90°旋转对称性的结构单元周期性排列而成，结构单元的重复周期与平板阵列天线单元的组阵周期一致；每个结构单元沿天线阵面法线方向开设有多个空气孔，空气孔呈环状排列，空气孔的大小从内环至外环逐渐变大，这种介质开孔形式的超材料单元结构具有非谐振特性，可以宽带工作。作为一个实施例，超材料盖板的基材选用为低损耗的微波介质如聚四氟乙烯、聚苯乙烯，该介质材料能够在高频条件下工作，介质损耗正切小于0.1％，引入天线系统的插损小，性能稳定，具有良好的环境适应性；实施例空气孔为圆孔，采用机械方法加工，工艺成熟。实施例图3右下角用虚线标示出超材料盖板的一个阵列单元，超材料盖板的组成单元包含4个方环形的空气孔阵列。从内环至外环，空气孔的尺寸从小变大。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于超材料技术的低栅瓣平板阵列天线，包含大周期组阵的平板阵列天线(1)，所述的平板阵列天线(1)由多个平板阵列天线单元组成；其特征在于：还包括加载于平板阵列天线(1)辐射口面上的超材料盖板(2)；所述的超材料盖板(2)由多个90°旋转对称性的结构单元周期性排列而成；每个结构单元包含多个沿天线阵法线方向开设的空气孔，所有空气孔呈环状排列，空气孔的大小从内环至外环逐渐变大；超材料盖板(2)的结构单元的重复周期与平板阵列天线单元的组阵周期一致。

【技术特征摘要】
1.一种基于超材料技术的低栅瓣平板阵列天线，包含大周期组阵的平板阵列天线(1)，所述的平板阵列天线(1)由多个平板阵列天线单元组成；其特征在于：还包括加载于平板阵列天线(1)辐射口面上的超材料盖板(2)；所述的超材料盖板(2)由多个90°旋转对称性的结构单元周期性排列而成；每个结构单元包含多个沿天线阵法线方向开设的空气孔，所有空气孔呈环状排列，空气孔的大小从内环至外环逐渐变大；超材料盖板(2)的结构单元的重复周期与平板阵列天线单元的组阵周期一致。2.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：何应然，肖松，贾丹，丁宁，杜彪，马万磊，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十四研究所，
类型：发明
国别省市：河北;13