多波束天线提升波束交叠电平的超材料结构及其设计方法技术

本发明专利技术公开了多波束天线提升波束交叠电平的超材料结构及其设计方法，属于多波束天线技术领域；该天线包括反射面和馈源阵列，所述馈源阵列位于反射面的中心处；所述馈源阵列包括多层层叠设置超材料等效层和阵列的角锥喇叭；每一超材料等效层均包括作为主体的印制板，每一印制板上均设有阵列的方形贴片单元阵，每一方形贴片单元阵分别位于对应的角锥喇叭的喇叭口顶部。本发明专利技术能够有效提升多波束天线的波束交叠电平，提高多波束天线跟踪和探测距离；并且采用印制板工艺，具有损耗低、环境适应性好，对双反射面天线系统的辐射性能影响很小。小。小。

【技术实现步骤摘要】
多波束天线提升波束交叠电平的超材料结构及其设计方法


[0001]本专利技术涉及到多波束天线
，特别涉及多波束天线提升波束交叠电平的超材料结构及其设计方法。

技术介绍

[0002]自20世纪80年代以来,多波束天线技术受到广泛关注,现在已有不少方法。相控阵系统难以设计高效率的辐射单元、存在较高的馈电损耗、相位控制十分复杂、成本高；龙伯透镜虽然扫描特性好,但很难设计出所需要的高增益、窄波束；透镜和馈源组合的多波束天线结构较为复杂、造价高、笨重,一般只在一些特殊情况下才应用；双反射面天线副面的边缘绕射效应较大,容易引起主面口径场振幅起伏与相位畸变,加上副面的遮挡,会使天线增益有所下降,旁瓣电平有所上升；单反射面天线和馈源组合的多波束天线易于设计、结构简单、造价较低、且性能优越,在通信、雷达、射电天文中得到广泛应用
[0003]单反射面天线系统具有较高的天线效率，容易实现高增益，是辐射高增益多波束的理想天线形式，但从反射面天线馈源辐射出来的波束交叠电平收到馈源辐射特性、组阵间距、偏焦距离等多方面因素的影响，其波束交叠电平相对峰值电平跌落较多，导致在波束交叠处，影响多波束天线的跟踪和探测性能。
[0004]现有技术中，对多波束天线的相关技术研究主要集中在馈源安装位置和反射面赋形研究上:包括(1)对将天线口径投影面内的相位分布作为优化变量,利用基于实数编码的遗传算法对其进行调整，能够提高波束交叠增益和降低旁瓣电平。(2)将馈源位置进行偏焦安装，实现反射面天线辐射波束的宽角域覆盖。(3)国内还有单位通过对多波束天线建立数学模型，利用算法对反射面参数和馈源相心位置联合仿真优化，提升多波束天线的增益和旁瓣特性。
[0005]专利201820422696.0、89206024.7以及201410225124.X201210581804.6、97126073.7等提出的关于多波束天线的设计，主要通过馈源偏焦和反射面赋形，用于提高天线增益和降低旁瓣电平。
[0006]针对现有技术的不足，本专利技术涉及的超材料层结构及其设计方法应用于提升多波束天线波束交叠电平，提高多波束天线跟踪和探测距离。超材料层结构采用印制板工艺，具有损耗低、环境适应性好，对双反射面天线系统的辐射性能影响很小。

技术实现思路

[0007]针对上述
技术介绍
中存在的问题，本专利技术提出多波束天线提升波束交叠电平的超材料结构及其设计方法。该结构能够有效提升多波束天线的波束交叠电平，提高多波束天线跟踪和探测距离；并且采用印制板工艺，具有损耗低、环境适应性好，对双反射面天线系统的辐射性能影响很小。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术所采取的技术方案为：
[0009]多波束天线提升波束交叠电平的超材料结构，包括反射面和馈源阵列，所述馈源
阵列位于反射面的中心处；所述馈源阵列包括多层层叠设置的超材料等效层和阵列的角锥喇叭；每一超材料等效层均包括作为主体的印制板，每一印制板上均设有阵列的方形贴片单元阵，每一方形贴片单元阵分别位于对应的角锥喇叭的喇叭口顶部。
[0010]进一步的，所述超材料等效层设有13层，相邻的超材料等效层之间的间距相同。
[0011]进一步的，所述印制板的材料为聚酰亚胺印制板。
[0012]进一步的，所述方形贴片单元阵为以矩形阵列方式排布的多个方形贴片单元。
[0013]多波束天线提升波束交叠电平的超材料结构的设计方法，设计如上述的多波束天线提升波束交叠电平的超材料结构，具体如下，
[0014]步骤1，根据反射面天线的焦径比计算馈源的照射角和角锥喇叭馈源的口面尺寸，利用电磁仿真软件对角锥喇叭组阵照射反射面天线进行优化，以波束交叠电平为目标，优化喇叭的最佳口面尺寸和组阵间距；
[0015]步骤2，在角锥喇叭口面上方增加介质，以波束交叠电平为目标，对介质介电常数和外形轮廓进行优化，优化结果为介质的介电常数，外形为特定尺寸的棱锥形状；
[0016]步骤3，通过步骤2中介电常数对应的超材料，根据超材料等效理论，超材料层间距在1/4波长左右，计算出超材料层的层数和层间距，对步骤2中的介质外形按照超材料层间距做横向切面，得到每层超材料结构对应的轮廓外形；
[0017]步骤4，根据等效介电常数进行超材料单元设计，在电磁仿真软件中建立单元仿真模型，选择方形贴片单元，设置好层间距，计算电磁波照射该单元的S参数，利用公式(1)可计算该单元的等效介电常数，同时根据每层超材料结构外形尺寸调节相应各层单元周期，使每层单元周期排列后最大限度拟合步骤3得到的每层轮廓外形，将每层超材料层按顺序叠加组成超材料结构；
[0018][0019]neff＝S
21
/(1
‑
S
11
×
(Z
‑
1)
×
(Z+1))/(k0×
d)
[0020]ε＝neff/Z
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0021]其中：S11、S21为单元仿真的S参数；K0为电磁波传播常数；d为单元沿电磁波传播方向的厚度；
[0022]步骤5，将超材料结构与角锥喇叭结合后组阵进行全波仿真；仿真结果带入反射面进行计算，得到多波束方向图。
[0023]专利技术采取上述技术方案所产生的有益效果在于：
[0024]1、本专利技术涉及的超材料层结构应用于在角锥喇叭口面不变的情况下减小波束宽度，提高反射面天线系统的多波束交叠电平。
[0025]2、本专利技术馈源阵列紧密排列，可方位组阵，也可俯仰组阵，为了提高波束交叠电平，馈源阵列间距基本为辐射口面尺寸，在馈源阵列口面增加超材料层等效结构，能够减小馈源辐射的波束宽度。每层超材料结构的单元尺寸有所区别，利用电磁仿真软件对喇叭口面增加介质的外形尺寸进行优化，根据优化的介质外形尺寸和介电常数，通过等效介电常数理论结合电磁仿真软件联合计算得出超材料单元尺寸，结合理论计算的超材料层间距，设计每层的超材料单元周期排布的外轮廓，拟合等效介质的最优外形轮廓。
[0026]3、本专利技术的印制板采用聚酰亚胺基材，印制板单面覆铜，作为一种优选方案，聚酰
亚胺印制板具有韧性高、环境适应性好，并且热膨胀系数与金属相近，可耐受70K左右的极低温度，在大型反射面天线应用，对系统噪声有较高要求时，可与馈源阵列同时采取制冷措施，降低天线噪声温度，提高天线的灵敏度。
附图说明
[0027]图1是本专利技术实施例的结构示意图。
[0028]图2是本专利技术实施例不同等效层的方形贴片单元阵的结构示意图。
[0029]图3是本专利技术实施例的馈源阵列照射反射面天线的俯仰面方向图。
[0030]图4是本专利技术实施例的馈源阵列照射反射面天线的方位面方位图。
[0031]图5是本专利技术实施例的馈源阵列加多层超材料结构照射反射面天线的俯仰面方向图。
[0032]图6是本专利技术实施例的馈源阵列加多本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.多波束天线提升波束交叠电平的超材料结构，包括反射面和馈源阵列，所述馈源阵列位于反射面的中心处；其特征在于，所述馈源阵列包括多层层叠设置的超材料等效层和阵列的角锥喇叭；每一超材料等效层均包括作为主体的印制板，每一印制板上均设有阵列的方形贴片单元阵，每一方形贴片单元阵分别位于对应的角锥喇叭的喇叭口顶部。2.根据权利要求1所述的多波束天线提升波束交叠电平的超材料结构，其特征在于，所述超材料等效层设有13层，相邻的超材料等效层之间的间距相同。3.根据权利要求1所述的多波束天线提升波束交叠电平的超材料结构，其特征在于，所述印制板的材料为聚酰亚胺印制板。4.根据权利要求1所述的多波束天线提升波束交叠电平的超材料结构，其特征在于，所述方形贴片单元阵为以矩形阵列方式排布的多个方形贴片单元。5.多波束天线提升波束交叠电平的超材料结构的设计方法，设计如权利要求1至4任意一项所述的多波束天线提升波束交叠电平的超材料结构，其特征在于，具体如下：步骤1，根据反射面天线的焦径比计算馈源的照射角和角锥喇叭馈源的口面尺寸，利用电磁仿真软件对角锥喇叭组阵照射反射面天线进行优化，以波束交叠电平为目标，优化喇叭的最佳口面尺寸和组阵间距；步骤2，在角锥喇叭口面上方增加介质，以波束交叠电平为目标，对介质介电常数和外形轮廓进行优化，优化结果为介质的介电常数，外形为特...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘磊，何应然，刘胜文，
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：