一种宽带双通道的透反射接收天线

1.本发明属于天线领域，尤其涉及一种宽带的双通道的正交线极化来波的透反射分离、进而独立接收的天线。


背景技术：

2.反射阵天线，结合了阵列天线与抛物面反射天线的优点，既具有平面结构，能形成高增益的波束，又不需要复杂的馈电网络，因此其具有低剖面、可折叠、低成本等优势。反射阵天线一直吸引着研究人员的兴趣，关于反射阵天线的研究成果也不断的被报道。透射阵天线，同样具有低剖面、低成本的特点，和反射阵天线不同的是，其在透射端调制电磁波的相位或幅度，进而操控电磁波，如高增益波束生成、波束偏折、波束赋形等。相比反射阵天线来说，透射阵天线设计上的最大难点是如何保证透射效率，而其相比于反射阵天线最大的优点在隔离开了馈源和波束调制的空间，避免了馈源和波束之间的互相干扰。而实际中反射阵天线、透射阵天线之间往往不能互相切换，即透射阵不能在反射端调制和操控电磁波，反射阵不能在透射端调制和操控电磁波，如果能实现同一阵列的透反射天线功能的集成，将大大提高口径和空间的利用效率，在工程上具有很好的应用前景。
3.另一方面，不管对于反射阵天线还是透射阵天线来说，同一阵面的多功能复用，是一个研究热点，是天线设计人员不断探索的方向。具体的多功能复用形式包括频率复用、极化复用、时空复用。在这些复用形式中，极化复用是最基本的复用形式，因为任一极化形式的电磁波可由一对正交极化波来叠加生成，如果同一天线阵阵面可对一对正交极化波具有完全独立可设计的功能，不仅可以大大提高其口面的利用效率，还可以做到独立的双通道的信息传输。
4.综上，透反射阵列切换和极化复用是天线阵列的研究难点和热点，具有重要的工程应用意义。如果可以将两者结合，在透反射端实现极化复用，即正交极化波分别实现透射调制和反射调制，将具有重要的意义，因为正交极化的电磁波可以携带独立的通信信息，将其分离至阵列的两侧，进而独立调制或接收，既能实现了双通道独立信息的发射或接收，也能实现信息的绝对分离，避免了其之间的干扰。而这种极化复用的透反射独立发射或接收天线的实现，不仅需要可以针对正交极化波切换透反射功能的阵列，同时需要宽带天线作为接收终端。vivaldi天线是一种由槽线进行激励的小尺寸天线，一般通过同轴馈电、进而微带线转槽线的结构来辐射，虽然其匹配性能一般，但是其能实现宽带的辐射，且由于其尺寸小，对波束的遮挡可以近似忽略，因此vivaldi天线适合作为反射端的发射或接收终端。而透射端的发射或接收终端，因为不存在遮挡问题，一般的宽带喇叭天线，均可以作为透射端的馈源或接收终端。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，通过设计一款工作于x及ku波段的极化复用的透反射阵列，再结合一个vivaldi天线及一个喇叭天线作为接收终端(馈源)，实现法向入射电磁波的x、y极
化分量的透反射空间分离及独立接收。
6.本发明实现上述目的所采用的技术方案是：设计了一款工作于x及ku波段的透反射阵列，其可以对沿-z方向入射的x极化波高效的同极化反射，对沿-z方向入射的y极化波高效转极化透射，并可分别进行3比特相位调控，且这两种3比特相位调控相对独立，互相影响很小。通过设计阵列对入射的x极化波和y极化波的双通道的透反射相位分布，结合一个vivaldi天线在+z一侧接收x极化入射波的同极化反射波，一个宽带喇叭天线在-z一侧接收y极化入射波的转极化透射波，从而实现了宽带的双通道的透反射接收天线。
7.所述的vivaldi天线，采用微带线转槽线的结构，能够在x及ku波段有效辐射球面波。所述的宽带喇叭天线，由同轴激励、波导转喇叭口面辐射，能够在x及ku波段有效的辐射球面波。
8.所述的透反射阵列由25*25个工作于x及ku波段的透反射天线单元构成，该双通道透反射单元由四层介质板和五层金属层所构成，其中第三层和第五层为正交的金属光栅，第一层和第二层为x极化入射波同极化反射相位调制层，第四层为y极化入射波转极化透射相位调制层。
9.所述的透反射阵列的单元结构，其第一层金属的金属条长度，是第二层金属的金属条长度的0.75倍。通过调节第二层金属条带的长度、且调节范围为4.7mm-8.2mm，可以实现对x极化入射波同极化反射相位的3比特调制。对于第四层金属，通过设计四种转极化金属结构，及取镜像操作获得另外四种金属结构，来实现对y极化入射波转极化透射相位的3比特调制。而第三层和第五层金属为正交的金属光栅，是固定不变的。
10.所述的宽带的双通道的透反射接收天线的设置方法，x极化的vivaldi天线位于透反射阵列的+z方向一侧，x极化的宽带喇叭天线位于透反射阵列的-z方向一侧，vivaldi天线、喇叭天线和透反射阵列的几何中心位于平行于z轴的直线上。vivaldi天线在x及ku波段发射的x极化球面波，被透反射阵列反射为+z方向出射的x极化高增益波束。而喇叭天线在x及ku波段发射的x极化球面波，被透反射阵列透射为+z方向出射的y极化高增益波束。根据光路的可逆原理，该接收天线也可实现同一波段-z方向入射的x极化、y极化电磁波的双通道的透反射空间分离和独立接收。
11.本发明的优势在于：
12.1、该双通道透反射接收天线工作于反射模式时，能够在10.5-16.5ghz频率范围内实现20db以上的天线增益，极化方式为x极化，12ghz时达到峰值增益27db，峰值口径效率40％，3db增益带宽为11-16ghz。
13.2、该双通道透反射接收天线工作于透射模式时，能够在9-18ghz频率范围内实现20db以上的天线增益，极化方式为y极化，14ghz时达到峰值增益28db，峰值口径效率39％，3db增益带宽为11.5-17ghz。
14.3、vivaldi天线的使用有效的降低了遮挡，对于反射和透射高增益波束的形成均没有产生明显影响。
附图说明
15.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
16.图1为双通道透反射接收天线的整体结构图，结构10为x极化的vivaldi天线，结构20为x极化的宽带喇叭天线，结构30为工作于x及ku波段的四层介质板的透反射阵列。
17.图2为结构30，即工作于x及ku波段的四层透反射阵列，其由25*25个透反射单元所构成。
18.图3为构成透反射阵列的单元的结构示意图，其由4层介质基板，5层金属层所构成，其中介质板的介电常数均等于2.65，厚度d1＝d2＝1mm，d3＝d4＝2mm，单元周期p＝10mm。
19.图4为构成透反射单元的金属层的结构示意图，4(a)为顶层的金属层，4(b)为第二层金属层，4(c)为第三层金属层，4(d)为第五层金属层。4(a)中金属条的长度是4(b)中金属条长度的0.75倍。4(e)-4(1)为第四层金属层的八种具体结构，其具体参数为w1＝1mm，l1＝3.6mm，l2＝9.9mm，g1＝0.3mm，w2＝0.5mm，r1＝4.5mm，α1＝12
°
，w3＝0.7mm，α2＝42
°
，r2＝4.5mm，g2＝1.2mm，w4＝0.5mm。
20.图5为通过改变l
x
和第四层金属层的结构，分别实现对x极化波同极化反射、y极化波转极化透射3比特相位调制的示意图。当l
x
取4.7mm、5.2mm、5.6mm、6mm、6.5mm、7.2mm、7.8mm、8.2mm时，如5(a)所示，x极化波同极化反射幅度在整个x及ku波段均在0.8以上，而如5(b)所示，x极化波同极化反射相位在13ghz附近实现了3比特的调制，且在宽带范围内，曲线的平行度较好。另一方面，当第四层金属层取4(e)-4(1)所示的000-111八种结构时，如5(c)所示，y极化波转极化透射幅度在x及ku波段的大部分频段保持在0.7以上，而如5(d)所示，y极化波转极化透射相位在13ghz附近实现了3比特的调制，且在x及ku波段的大部分频带内，曲线的平行度非常好。
21.图6为证明透反射3比特相位调制之间的独立性的示意图。6(a)为l
x
＝6.5mm且第四层金属结构取000-111八种结构时，x极化波同极化反射相位和同极化反射幅度的变化示意图。6(b)为第四层金属结构为101结构且l
x
取4.7mm-8.2mm8种3比特参数时，y极化波转极化透射相位和转极化透射幅度的变化示意图。
22.图7中，7(a)为所设计的针对10结构激励的x极化入射波入射到阵列上，对其进行同极化反射的3比特补偿相位分布，7(b)为所设计的针对20结构激励的x极化入射波入射到阵列上，对其进行转极化透射的3比特补偿相位分布。
23.图8中，8(a)为10结构激励的x极化波入射到阵列上所形成的13ghz频率处的三维远场分布图，8(b)为20结构激励的x极化波入射到阵列上所形成的13ghz频率处的三维远场分布图。
24.图9中，9(a)为10结构激励x极化入射波时，在宽带范围内所实现的沿法向反射的增益及对应的口径效率。9(b)为20结构激励x极化入射波时，在宽带范围内所实现的沿法向透射的增益及对应的口径效率。
具体实施方式
25.下面结合附图和具体实施方案对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
26.如图1所示，设计的宽带的双通道透反射接收天线由结构10所示的vivaldi天线和20所示的宽带喇叭天线与结构30所示的透反射阵列组成，vivaldi天线和宽带喇叭天线的极化方式均为x极化。vivaldi天线的槽线末端中心距离透反射阵列的距离为150mm，宽带喇叭天线的喇叭口中心距离透反射阵列的距离为150mm。
27.图2给出了四层透反射阵列的顶视图，该型透反射阵列由25
×
25个单元结构构成，阵面尺寸为250
×
250mm2。
28.图3展示了构成透反射阵列的单元结构示意图，其由五层金属层和四层介质板构成，介质板均为介电常数为2.65，损耗角为0.001的f4b板材。
29.图4展示了构成透反射单元的金属层的结构示意图，4(a)为顶层的金属层，4(b)为第二层金属层，4(c)为第三层金属层，4(d)为第五层金属层。4(a)中金属条的长度是4(b)中金属条长度的0.75倍。4(e)-4(1)为第四层金属层的八种具体结构，分别命名为结构000-结构111，其具体参数为w1＝1mm，l1＝3.6mm，l2＝9.9mm，g1＝0.3mm，w2＝0.5mm，r1＝4.5mm，α1＝12
°
，w3＝0.7mm，α2＝42
°
，r2＝4.5mm，g2＝1.2mm，w4＝0.5mm。
30.图5展示了通过改变l
x
和第四层金属层的结构，分别实现了对x极化波同极化反射、y极化波转极化透射3比特相位调制的示意图。而根据图6，我们证明了透反射3比特相位调制之间具有很好的独立性。
31.我们为10结构激励的x极化入射波设计了如图7(a)所示的同极化反射相位分布，为20结构激励的x极化入射波设计了如图7(b)所示的转极化透射相位分布，其具体的相位分布计算公式分别为
[0032][0033][0034]
其中φ
10
和φ
20
分别为针对10结构和20结构激励的x极化入射波的坐标(x，y)处的相移值，λ为设计频点13ghz处的自由空间波长，f1为针对10结构设计的焦距，具体为167.5mm(vivaldi天线的相位中心距离槽线末端中心17.5mm)，f2为针对20结构设计的焦距，具体为202mm(宽带喇叭天线的相位中心距离喇叭口面中心52mm)，φ1和φ2为参考相位。
[0035]
图8中，8(a)为10结构激励-z方向入射的x极化入射波时的13ghz频率处的三维远场分布图，8(b)为20结构激励+z方向入射的x极化入射波时的13ghz频率处的三维远场分布图，可以发现，两种情况均生成了沿+z方向出射的高增益波束，而8(a)中高增益波束的极化方式为x极化，8(b)中高增益波束的极化方式为y极化。
[0036]
图9中，9(a)为针对10结构激励x极化入射波时的反射波束的宽带法向增益，以及对应的口径效率的宽带范围内的变化。可以发现该双通道透反射接收天线工作于反射模式时，能够在10.5-16.5ghz频率范围内实现20db以上的天线增益，高增益波束极化方式为x极化，在12ghz时达到峰值增益27db，峰值口径效率40％，3db增益带宽为11-16ghz，相对带宽达到37％。
[0037]
图9中，9(b)为针对20结构激励x极化入射波时的透射波束的宽带法向增益，以及对应的口径效率的宽带范围内的变化。可以发现该双通道透反射接收天线工作于透射模式时，能够在9-18ghz频率范围内实现20db以上的天线增益，高增益波束极化方式为y极化，在14ghz时达到峰值增益28db，峰值口径效率39％，3db增益带宽为11.5-17ghz，相对带宽达到38％。
[0038]
综上所述，该宽带的双通道透反射接收天线，当其工作于发射模式时，能够在x及ku频段很宽的频率范围内，针对两个馈源天线发射的x极化球面波，分别形成+z方向出射的x极化和y极化高增益波束。根据光路的可逆原理，当其工作于接收模式时，也能够在x及ku
频段很宽的频率范围内，针对沿-z方向入射的x、y极化电磁波，分别实现反射聚焦和透射聚焦，进而通过vivaldi天线和宽带喇叭天线分别进行有效的接收。该宽带的双通道透反射接收天线具备效率高、频带宽、剖面低、独立双通道的优点，在工程领域中有巨大的应用潜力。