[發(fā)明專利]一種具有超低仰角特性的波束掃描陣列天線

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410856834.2
• 申請日: 2014-12-26
• 公開（公告）號: CN104485520A
• 公開（公告）日: 2015-04-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉亞紅;周欣;黃堯;趙曉鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: H01Q19/06
• 分類號: H01Q19/06;H01Q15/02;H01Q21/00
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種波束掃描陣列天線，特別涉及一種具有超低仰角特性的波束掃描陣列天線。

背景技術(shù)

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，在移動載體中實現(xiàn)與衛(wèi)星實時數(shù)據(jù)交換的需求變得越來越迫切。“動中通天線”技術(shù)的研究已成為當(dāng)前衛(wèi)星通信技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點之一。為了保證移動載體的機動性，要求動中通衛(wèi)星天線應(yīng)具有高增益、低噪聲、較低輪廓、設(shè)備體積小易于隱蔽、可實現(xiàn)天線波束對衛(wèi)星的自動跟蹤以及在低仰角下仍保持正常通信等特點。因此具備相關(guān)特性的波束可掃描的平面陣列天線成為動中通系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。從目前國內(nèi)外的一些動中通天線研究來看，主要分為反射面天線和低輪廓陣列天線，其中陣列天線還包括機械掃描、電子掃描以及混合掃描幾種實現(xiàn)方式。增加陣列天線的剖面高度是目前解決陣列天線低仰角增益不足的主要途徑，主要方法是將天線陣面整體或分為小的子陣在俯仰向作一定角度的傾斜。然而天線高度的提高會對載體的安裝條件及使用環(huán)境造成很大的限制。

近幾年，利用超材料對波束進行調(diào)控的研究得到了飛速發(fā)展，通過設(shè)計可以使得超材料具有一些反常的折射率，如負折射率或零折射率。基于超材料的一些新型的波束掃描天線及高定向天線被相繼開發(fā)。通過對超材料的研究可以有效的控制波傳播的方向。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種具有超低仰角特性的波束掃描陣列天線，通過利用超材料的波束調(diào)控特性來提高波束掃描陣列天線的低仰角增益。

為了達到以上目的，本發(fā)明所提供的一種具有超低仰角特性的波束掃描陣列天線，由波束可有限掃描的陣列天線和一層可實現(xiàn)波束偏折效應(yīng)的超材料透鏡組成，當(dāng)陣列天線輻射出的合成波束經(jīng)過超材料透鏡時，會產(chǎn)生一個固定的附加偏折角θ₀，并且隨著陣列天線在一定角域內(nèi)改變波束指向，通過超材料透鏡的二級波束可以形成一個超低仰角的天線主波束方向圖。

波束偏折效應(yīng)的超材料透鏡由傳輸相位呈梯度分布的亞波長結(jié)構(gòu)單元排成陣列，且亞波長結(jié)構(gòu)單元的傳輸相位滿足0°～360°變化范圍。

為了使主波束指向仰角范圍達到0°～90°，其中90°指向表示為主波束指向與水平面平行。所需要的超材料透鏡的偏折角度θ₀的取值范圍為40°～60°，且滿足其中是相鄰結(jié)構(gòu)單元的傳輸相位差，k₀是真空波矢，d是相鄰單元間距。

具有波束偏折效應(yīng)的超材料透鏡，所使用的材質(zhì)為雙面覆銅基板，在基板的一面刻蝕金屬正方形開口雙環(huán)圖案，另一面刻蝕工型圖案，通過周期排列的方式組成平板型透鏡，透鏡厚度為一個亞波長結(jié)構(gòu)單元的晶格常數(shù)。

波束掃描陣列天線可以由微帶、縫隙以及波導(dǎo)等類型天線單元組成陣列，其主波束掃描角度范圍應(yīng)大于±45°，相對0°為陣列天線等相位激勵時的主波束指向角。

實施本發(fā)明的技術(shù)方案，具有以下增益效果：具有超低仰角特性的波束掃描陣列天線大幅提高了平面相控陣天線低仰角增益，并且減小了天線尺寸，降低了成本，并可以適用于各種安裝平臺。

附圖說明

圖1本發(fā)明實施例的一種具有超低仰角特性的波束掃描陣列天線

圖2一個亞波長結(jié)構(gòu)單元的正反兩面結(jié)構(gòu)示意圖

圖3可以提供0°～360°梯度傳輸相位的亞波長結(jié)構(gòu)單元組

圖4亞波長結(jié)構(gòu)單元組的0°～360°傳輸相位隨單元分布距離變化曲線

圖5未加載波束偏折效應(yīng)的超材料透鏡的波束掃描陣列天線方向圖

圖6已加載波束偏折效應(yīng)的超材料透鏡的波束掃描陣列天線方向圖

具體實施方式

如圖1所示，工作中心頻率為f₀＝5GHz的具有超低仰角特性的波束掃描陣列天線，其整體結(jié)構(gòu)由七元微帶陣列天線1和具有波束偏折效應(yīng)的超材料透鏡2所組成，其中波束偏折效應(yīng)的超材料透鏡2由亞波長結(jié)構(gòu)單元3按周期排列的方式層疊組合而成。各層間可以通過機械連接、焊接或粘合的方式組合成一體。