基于分裂环超材料单元的双频圆极化平面反射阵天线制造技术

本发明专利技术公开了一种基于分裂环超材料单元的双频圆极化平面反射阵天线，设有双频复合平面反射阵及其下方的圆极化喇叭馈源；反射阵中包含接地金属、中间层介质基片，以及通过低频、高频两种分裂环单元交替排列组成中心环绕二维阵列结构的金属分裂环阵面；该阵面为多分区子阵并行结构。所述馈源包含矩形波导、矩形波导过渡段、斜切角的圆波导、圆波导过渡段和开口由窄到宽变化的圆开口波导。本发明专利技术能够利用分裂环超材料单元的多谐振特性来提高反射阵的工作带宽；还能够利用多分区子阵的并行设计方法能够有效提高阵面建模速度和效率，并利于大规模平面阵列的分区加工成型。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及天线设计领域，尤其涉及一种基于分裂环超材料单元的双频圆极化平面反射阵天线。
技术介绍
近年来随着反射面天线在卫星通信、雷达、成像系统等应用领域中的快速发展，对天线的增益、效率、体积、成本等的需求越来越高。平面反射阵天线利用平面微带单元的相移特性取代抛物面本身的曲面特性实现球面波向平面波转换的功能，具有平面的外形，厚度低、重量轻，易于固定安装，但往往面临窄带的问题。这是由于传统的反射阵单元基于其自身的单频谐振特性，难以实现宽带响应，且利用单一的辐射单元组阵也往往难以实现双频或者多频响应。同时，对于用于星地或星间通信的天线，往往增益和效率的要求较高，天线的口面尺寸大，平面反射阵的口面上往往排列成千上万个不同尺寸的辐射单元，天线的组阵、建模和仿真工作量大。因此，合理设计反射单元，实现既具有宽带响应又支持双频工作模式，同时保持高集成度和效率的大型平面反射阵天线仍面临一些亟需解决的难题。一方面，现有的平面反射阵多采用单一谐振模式的微带阵子单元组成二维平面阵列，单一谐振的微带阵子往往具有窄带的特点，为了展宽带宽有研究利用双层或者多层阵子堆叠的形式进行组阵，但增加的介质板会引起天线体积、重量和成本的增加，且不利于安装固定，对卫星应用而言降低了天线的可靠性。因此，需要探索一种新的辐射单元，既具有宽带多谐振的反射特性，又拥有单层易实现的物理结构是目前需要解决的关键技术问题。另一方面，对于阵面口径较大的大型微带反射阵天线天线，由于单块微带板的加工尺寸有限，往往需要利用多块微带板拼接而成，因此需要对整个阵面按每块板材的尺寸进行分区，并分别对每个区域板材的单元排列进行单独设计和制作，也就是多分区子阵的并行设计。多分区子阵并行设计方法有利于将难以一次成型的大型阵面分散为多个小型平面阵列，进行统一布局、建模和加工，具有较高的阵面建模速度和效率，特别适合超高增益需求的大口径平面反射阵天线。但目前这种多分区子阵并行算法在文献中还鲜有报道，而对于双频阵子共面复合的反射阵应用，这种多分区子阵并行算法的复杂性和实现难度更大，既要考虑合理布局以提高双频天线整体的增益和效率，又要保证成千上万阵子单元位置和旋转角度的准确性。因此，如何设计大规模双频反射阵的多分区算法是提高反射阵天线设计加工速度和效率的重要技术问题。
技术实现思路
为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种基于分裂环超材料单元的双频圆极化平面反射阵天线，采用单层介质基片实现，是一种高增益、高效率的毫米波双频圆极化平面反射阵天线，能够利用分裂环超材料单元的多谐振特性来提高反射阵的工作带宽；还能够利用多分区子阵的并行设计方法能够有效提高阵面建模速度和效率，并利于大规模平面阵列的分区加工成型。为实现上述目的，本专利技术的技术方案在于提供一种基于分裂环超材料单元的双频圆极化平面反射阵天线；所述天线设置的双频复合平面反射阵中，包含中间层介质基片、位于该中间层介质基片下方的金属分裂环阵面，和位于该中间层介质基片上方的接地金属；所述金属分裂环阵面设有交替排列的低频分裂环单元和高频分裂环单元，这两种分裂环单元具有不同的分裂环尺寸和与之相应的不同频率，且均组成中心环绕的二维阵列结构。更进一步的，所述双频复合平面反射阵的金属分裂环阵面为多分区子阵并行结构，包含中心对称的4个分区：第一分区，第二分区的单元由第一分区单元镜像平移得到，第三分区的单元由第二分区的单元镜像平移得到，第四分区的单元由第三分区的单元镜像平移得到；其中，第一分区阵面包含p×q个子阵，每个子阵包含m0×n0个单元，第(p,q)子阵的单元(i,j)旋转角度θpq(i，j)，表示为：其中，是第(p,q)子阵单元(i，j)位置所需的相移量。更进一步的，第一分区的m0×n0个单元中，低频分裂环第(i,j)单元的起止范围及其对应关系为：λ1＝c/f1i＝[msta:mend]j＝[nsta:nend]msta＝m0×(p-1)+1mend＝m0×pnsta＝n0×(q-1)+1nend＝n0×q其中，m0和n0分别为子阵在x和y坐标方向的单元数量，a为单元间距，h为反射阵焦距，Dx和Dy分别为整个阵面在x和y方向上的尺寸，λ1为低频频率f1对应的谐振波长，c为真空光速。更进一步的，第一分区的m0×n0个单元中，高频分裂环的第(i，j)单元的起止范围、其单元位置对应关系、单元相移为：λ＝c/f2i＝[msta:mend]j＝[nsta:nend]msta＝m0×(p-1)+1mend＝m0×p+1nsta＝n0×(q-1)+1nend＝n0×q+1其中，m0和n0分别为子阵在x和y坐标方向的单元数量，a为单元间距，h为反射阵焦距，Dx和Dy分别为整个阵面在x和y方向上的尺寸，λ2为高频频率f2单元对应的谐振波长，c为真空光速。更进一步的，所述天线还设有位于双频复合平面反射阵下方的圆极化喇叭馈源；所述圆极化喇叭馈源内部包含设有斜切角圆波导(23)作为线圆极化转化器，所述斜切角圆波导的上下两端分别设有圆波导过渡段和矩形波导过渡段，所述圆波导过渡段与其上方开口由窄到宽变化的圆开口波导连接，所述矩形波导过渡段与其下方的矩形波导连接。更进一步的，所述斜切角圆波导的切线与x轴的夹角为45°，该斜切角圆波导的长度为1.3倍的波长。更进一步的，所述双频复合平面反射阵和圆极化喇叭馈源的间隙还设有空气层。更进一步的，所述空气层厚度为反射阵焦距h。更进一步的，所述天线用于毫米波频段。与现有技术相比，本专利技术所述基于分裂环超材料单元的双频圆极化平面反射阵天线，具有如下优点：本专利技术可以满足Ka波段卫星通信系统应用需求。与传统的平面反射阵天线不同，本专利技术的该反射阵天线采用宽带多谐振分裂环阵子作为辐射单元进行组阵，并采用双频阵子交替共面排列形式构成双频响应，具有宽带、体积紧凑，厚度低，成本低等特点。本专利技术的反射阵天线利用多分区子阵并行设计方法，将整个阵面依据板材的尺寸划分为多个分区，并由多板材拼接而成。多分区并行设计方式更加接近于实际加工制作情况，便于反射阵面建模、加工和出图，并利于提高仿真建模、出图和加工制作的速度和效率。该多分区子阵并行设计方式具有一般性，可以推广至其他毫米波频段,适用于其他任意尺寸的双频复合平面反射阵，同时也适用于单频平面反射阵天线设计、建模和加工。整个天线阵面各分区均利用印刷电路板工艺生产，成本低、精度高、重复性好，适合大批量生产。附图说明图1为本专利技术的与平面馈源一体化集成的毫米波平面反射阵的主视图。图2为本专利技术的反射阵顶层金属示意图。图3为本专利技术的反射阵双频阵子排列示意图。图4a、图4b为本专利技术的超材料分裂环单元的结构俯视及侧视图。图5为本专利技术的分裂环单元对圆极化入射波的频率响应。图6为本专利技术的多分区并行设计36子阵的划分示意图。图7为本专利技术的天线整体在频率f1的E面辐射方向图。图8为本专利技术的天线整体在频率f1的H面辐射方向图。图9为本专利技术的天线整体在频率f2的E面辐射方向图。图10为本专利技术的天整体在频率f2的H面辐射方向图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作更进一步的说明。本专利技术提供的基于分裂环超材料单元的双频圆极化平面反射阵天线，是一种低剖面、高增益、宽带、双频复合的平面反射阵天线，能够应用于卫星通信、雷达、成像等领域。如本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于分裂环超材料单元的双频圆极化平面反射阵天线，其特征在于：所述天线设置的双频复合平面反射阵(1)中，包含中间层介质基片(12)、位于该中间层介质基片(12)下方的金属分裂环阵面(11)，和位于该中间层介质基片(12)上方的接地金属(13)；所述金属分裂环阵面(11)设有交替排列的低频分裂环单元(1111)和高频分裂环单元(1112)，这两种分裂环单元具有不同的分裂环尺寸和与之相应的不同频率，且均组成中心环绕的二维阵列结构。

【技术特征摘要】
1.一种基于分裂环超材料单元的双频圆极化平面反射阵天线，其特征在于：所述天线设置的双频复合平面反射阵(1)中，包含中间层介质基片(12)、位于该中间层介质基片(12)下方的金属分裂环阵面(11)，和位于该中间层介质基片(12)上方的接地金属(13)；所述金属分裂环阵面(11)设有交替排列的低频分裂环单元(1111)和高频分裂环单元(1112)，这两种分裂环单元具有不同的分裂环尺寸和与之相应的不同频率，且均组成中心环绕的二维阵列结构。2.根据权利要求1所述的双频圆极化平面反射阵天线，其特征在于：所述双频复合平面反射阵(1)的金属分裂环阵面(11)为多分区子阵并行结构，包含中心对称的4个分区：第一分区(111)，第二分区(112)的单元由第一分区(111)单元镜像平移得到，第三分区(113)的单元由第二分区(112)的单元镜像平移得到，第四分区(114)的单元由第三分区(113)的单元镜像平移得到；其中，第一分区(111)阵面包含p×q个子阵，每个子阵包含m0×n0个单元，第(p,q)子阵的单元(i,j)旋转角度θpq(i，j)，表示为：其中，是第(p,q)子阵单元(i，j)位置所需的相移量。3.根据权利要求2所述的双频圆极化平面反射阵天线，其特征在于：第一分区(111)的m0×n0个单元中，低频分裂环第(i,j)单元的起止范围及其对应关系为：dpq(i,j)=xpq(i,j)2+ypq(i,j)2+h2-h]]>xpq(i,j)=-Dx2+(i-1)×a+a/2]]>ypq(i,j)=-Dy2+(j-1)×a+a/2]]>λ1＝c/f1i＝[msta:mend]j＝[nsta:nend]msta＝m0×(p-1)+1mend＝m0×pnsta＝n0×(q-1)+1nend＝n0×q其中，m0和n0分别为子阵在x和y坐标方向的单元数量，a为单元间距，h为反射阵焦距，Dx和Dy分别为整个阵面在x和y方向上的尺寸，λ1为低频频率...

【专利技术属性】
技术研发人员：江梅，玄晓波，商远波，张立东，韩如冰，朱丽丽，
申请(专利权)人：上海无线电设备研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31