低剖面高效率传输阵天线及设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及天线技术，尤其是一种低剖面高效率传输阵天线。
【背景技术】
[0002]传输阵天线是一种高增益天线，它由空间馈源和平面传输阵组成，传输阵规避了抛物面天线所固有的制造复杂度，其厚度通常小于一个波长，与传统的介质透镜相比，具有尺寸小和重量轻的优势。由于空间馈电方法消除了大型天线阵列馈电网络的损耗，天线的辐射效率得到了提高。不同于反射阵馈源与反射波处在阵列的同一侧，馈源阻塞损耗会影响天线的效率。传输阵天线的馈源和出射波束在阵列两侧，因此馈源不会对出射波束造成影响。
[0003]传输阵的原理是独立调控每一个单元传输的幅度和相位，从馈源出射的球面相位波前经过传输阵转变为平面相位波前，根据傅里叶变换可以在远场得到一个高主瓣低副瓣的方向图。
[0004]传输阵天线设计中面临一个巨大的挑战，那就是单元传输幅度和相位的同时调控。即不仅要调控传输系数的相位满足在整个口径面上实现360°全覆盖，同时为了确保传输阵天线的高效率，传输系数的幅度要尽可能的接近1 (0 dB)，也就是全透射。
【发明内容】
[0005]发明目的:一个目的是提供低剖面高效率传输阵天线，以解决现有技术存在的上述问题。进一步的目的是提供一种低剖面高效率传输阵天线的设计方法。
[0006]技术方案:一种低剖面高效率传输阵天线，包括若干纵横排列的传输阵单元，所述传输阵单元包括两层以上的金属层、位于相邻金属层之间的若干介质基板层，以及位于介质基板层内或相邻介质基板层之间的光子带隙，所述金属层上开有方形环状槽，方形环状槽缝隙的长度与传输阵单元的传输相位成函数关系。
[0007]进一步的，所述金属层为三层，所述介质基板层为四层，相邻金属层间设置有两层介质基板层，相邻介质基板层之间具有光子带隙。所述光子带隙的厚度与金属层的厚度相同。
[0008]优选的实施例中，所述介质基板的厚度为0.5mm，介电常数为2.5。所述金属层的厚度为0.035mm，光子带隙的厚度为0.035mm，传输阵单元的缝隙宽度为0.5mm。
[0009]进一步的，提供一种上述低剖面高效率传输阵天线的设计方法，包括如下步骤: 步骤1、仿真带有光子带隙的两层以上的金属单元，其中光子带隙的谐振频率与方形环状槽的谐振频率接近；对传输阵单元做一个详细的参数扫描，获得光子带隙与方形环状槽参数的函数关系，确定光子带隙的参数；
步骤2、将金属层结构堆叠在一起，经仿真得到传输系数相位幅度和方环缝隙长度的关系，得到拟合曲线；
步骤3、计算入射波到达每一传输阵单元时的相位，并根据每个传输阵单元入射波的相位以及上一步骤获得的拟合公式，计算每个传输阵单元的尺寸，得到整个传输阵。
[0010]优选的，在步骤3中，传输阵单元入射波的相位可通过下式计算:
ψlth二 k.( Rlth~ F) + ψcenter
式中，Km为入射波到第i个单元时的相位，Rlth为第i个单元到波纹圆锥喇机相位中心的距离，F为焦距，k为自由空间中的波数，为传输阵中心单元的相位。
[0011]在进一步的实施例中，还包括如下步骤:
步骤4、将波纹圆锥喇叭天线放置在预定的位置对所述传输阵进行馈电，对传输阵天线进行验证。
[0012]有益效果:本发明由多个单元构成，通过调整金属缝隙的长度实现对波束相位的精确调控，不同位置的入射波相位不同，对应调控的单尺寸就不同。同时，本发明在将传输阵维持低剖面的同时，单元Ι-dB幅度带宽下实现360°相位全覆盖，结果也显示传输阵天线具有高达52%的口径面效率，同时只有大约人/14的厚度。
【附图说明】
[0013]图la:传输阵天线单元结构的结构示意图。
[0014]图lb:低剖面高效率传输阵天线的结构示意图及局部放大图。
[0015]图2:传输阵单元的仿真结果示意图，显示了单元传输系数幅度和相位与变量Dx的关系。
[0016]图3a:传输阵天线的E面方向图。
[0017]图3b:传输阵天线的Η面方向图。
【具体实施方式】
[0018]如结合附图详细描述本发明的技术细节和原理。
[0019]首先设计低剖面高效率传输阵天线所需的单元。
[0020]使用电磁仿真软件CST MWS仿真带有光子带隙的两层金属单元，为了得到一个较大的相移，使光子带隙的谐振频率应与方环缝隙的谐振频率相近。
[0021]通过对传输阵单元做一个详细的参数扫描，得到一组关于光子带隙与方环缝隙参数之间关系的公式，从而在给定的频带内实现理想的传输幅度和相位响应，即得到平坦的近似为1 (0 dB)的透射幅度，最大的相位变化。
[0022]其次，两层金属层结构得到的Ι-dB幅度带宽对应的相移范围小于360°。为了在Ι-dB幅度带宽下得到360°相移，将两个两层单元堆叠在一起，使用电磁仿真软件CST MWS仿真得到传输系数相位幅度与方环缝隙的长度Dx的变化关系。取设计频率值为11.1GHz，在该频率值下，导出其传输幅度和相位数据，利用Matlab软件拟合曲线，得到传输相位与变量Dx的关系式。
[0023]第三，根据公式:
ψlth二 k.( Rlth~ F) + ψcenter
根据公式计算出入射波到达每一个单元时的相位，再利用拟合公式计算出每一个单元的尺寸。式中，为入射波到第i个单元时的相位，为第i个单元到波纹圆锥喇叭相位中心的距离，F为焦距，k为自由空间中的波数，为传输阵中心单元的相位。
[0024]最后，将一个X波段的圆锥喇叭天线放置在预定的位置对传输阵进行馈电，在远场得到一个高主瓣低副瓣的方向图，11.1GHz处传输阵天线的增益为24.7dB，对应的口径面效率为52%，结果证明了提出的低剖面高效率传输阵天线的有效性。
[0025]如图la和图lb所示，本发明的低剖面高效率传输阵天线由多层频率选择表面单元按照准周期方式排列构成的。如图la所示，每个单元包括金属层1、介质基板层2和光子带隙3。在该实施例中，金属层的数量为三个，介质基板层的数量为四个，光子带隙的数量为两个。相邻的金属层之间具有两层介质基板层，相邻介质基板层之间具有光子带隙。单元的总厚度为a。从图lb中部的传输阵天线整体结构和左上角的局部放大结构可以清晰地获知传输阵天线的结构设计，同时结合图la所示的传输阵单元结构，本领域的技术人员能够获知本发明的结构和原理。
[0026]在某个具体的实施例中，各参数如下:
圆锥喇叭天线在焦距处发射球面波，通过此传输阵可以在远场产生高主瓣低副瓣的天线辐射方向图，其结构为:四层0.5mm厚的介质基板，其介电常数为2.5，三层厚度为
0.035mm的金属贴片(金属层)，两层厚度为0.035mm的光子带隙，单元大小为9.6mm*9.6mm，缝隙宽度为0.5mm，缝隙长度Dx为变量。
[0027]图2是传输阵单元的仿真结果，说明了单元的传输幅度和传输相位随着缝隙长度Dx值的变化，由图中可知，传输阵单元的传输幅度损耗均小于ldB，这表明传输阵单元的幅度损耗很小，从馈源入射的绝大部分能量可以从提出的传输阵透射过去，同时传输相位范围可以完全覆盖360°，这样就确保了传输阵天线实现高效率和高增益。
[0028]图3a、图3b是提出的低剖面高效率传输阵天线E面和Η面远场方向图，结果表明本发明中传输阵天线得到一个高主瓣低副瓣的远场方向图，传输阵天线在11.1GHz时的增益为24.7dB，此时的口径面效率高达52%，说明本发明提出的传输阵天线不仅具有较低的剖面，同时还是高效率、高增益天线。
[0029]本发明中的低剖面高效率传输阵天线根据工作频段不同，可采用不同加工工艺实现。本申请认为，增加谐振个数可以增加传输相移。为了得到360°传输相移，通常需要4个谐振，光子带隙在多层频率选择表面中不仅能增强相邻金属层之间的耦合，而且能提供一个额外的谐振。
[0030]以上所述是本发明的补偿斜入射误差的高增益传输阵天线的方法以及流程，应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种低剖面高效率传输阵天线，其特征在于，包括若干纵横排列的传输阵单元，所述传输阵单元包括两层以上的金属层、位于相邻金属层之间的若干介质基板层，以及位于介质基板层内或相邻介质基板层之间的光子带隙，所述金属层上开有方形环状槽，方形环状槽缝隙的长度与传输阵单元的传输相位成函数关系。2.如权利要求1所述的低剖面高效率传输阵天线，其特征在于，所述介质基板的厚度为0.5mm，介电常数为2.5。3.如权利要求1所述的低剖面高效率传输阵天线，其特征在于，所述金属层的厚度为0.035mm，光子带隙的厚度为0.035mm，传输阵单元的缝隙宽度为0.5mm。4.权利要求1至3任一项所述的低剖面高效率传输阵天线的设计方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤1、仿真带有光子带隙的两层以上的金属单元，其中光子带隙的谐振频率与方形环状槽的谐振频率接近；对传输阵单元做一个详细的参数扫描，获得光子带隙与方形环状槽参数的函数关系，确定光子带隙的参数； 步骤2、将金属层结构堆叠在一起，经仿真得到传输系数相位幅度和方环缝隙长度的关系，得到拟合曲线； 步骤3、计算入射波到达每一传输阵单元时的相位，并根据每个传输阵单元入射波的相位以及上一步骤获得的拟合公式，计算每个传输阵单元的尺寸，得到整个传输阵。5.如权利要求4所述的低剖面高效率传输阵天线的设计方法，其特征在于，在步骤3中，传输阵单元入射波的相位可通过下式计算: ψlth二 k.( Rlth~ F) + ψcenter 式中，Km为入射波到第i个单元时的相位，Rlth为第i个单元到波纹圆锥喇机相位中心的距离，F为焦距，k为自由空间中的波数，为传输阵中心单元的相位。6.如权利要求4或5所述的低剖面高效率传输阵天线的设计方法，其特征在于，还包括如下步骤: 步骤4、将波纹圆锥喇叭天线放置在预定的位置对所述传输阵进行馈电，对传输阵天线进行验证。
【专利摘要】本发明公开了一种低剖面高效率传输阵天线及设计方法，所述传输阵天线由多个阵列单元组成，每个传输阵单元由介质基板、金属层和光子带隙组成，金属层设置有方环缝隙，方环缝隙和光子带隙构成对入射电磁波的带通滤波器。传输阵天线的设计方法包括仿真带有光子带隙的金属层单元并通过参数扫描获得光子带隙与方形环状槽参数的函数关系；获得传输系数相位幅度和方环缝隙长度的关系；计算入射波到达每个传输阵单元时的相位，并根据公式计算出每个传输阵单元的尺寸。本发明在将传输阵维持低剖面的同时，单元1-dB幅度带宽下实现3600相位全覆盖，测试结果显示传输阵天线具有高达52%的口径面效率，同时只有大约<i>λ</i>0/14的厚度。
【IPC分类】H01Q1/38
【公开号】CN105406178
【申请号】CN201510728839
【发明人】崔铁军, 吴瑞元, 李允博, 周小阳, 袁浩
【申请人】江苏轩途电子科技有限公司
【公开日】2016年3月16日
【申请日】2015年10月30日