[發明專利]一種低剖面高效率極化變換透射陣天線

在審

• 申請號: 201710252147.3
• 申請日: 2017-04-17
• 公開（公告）號: CN107069231A
• 公開（公告）日: 2017-08-18
• 發明（設計）人: 鐘顯江;齊華;雷志勇;任安虎;董綿綿;陳紅;張勇;程光偉
• 申請（專利權）人: 西安工業大學
• 主分類號: H01Q15/02
• 分類號: H01Q15/02;H01Q15/24;H01Q1/36;H01Q1/50
• 代理公司: 西安長和專利代理有限公司61227
• 代理人: 黃偉洪

技術領域

本發明屬于平面透射陣天線技術領域，尤其涉及一種低剖面高效率極化變換透射陣天線。

背景技術

平面透射陣天線是將傳統曲面透鏡天線和微帶陣列天線的若干優點而形成的一種新型高增益天線，它是由平面透射陣列和饋源天線組成的。平面透射陣列是由拓撲結構相似的透射型頻率選擇表面單元構成的，通過對陣列上每個單元進行相位補償，以在陣列的另一側產生所需要的輻射波束。由于其體積小、重量輕、結構簡單、制作成本低、高增益等眾多優點，已經在無線通信系統中獲得了廣泛的應用。傳統的透射陣天線通常采用介質板層數至少在三層以上的多層頻率選擇結構作為陣列單元，通過改變陣列上每個多層頻率選擇結構的尺寸或旋轉角度大小來補償各個單元之間的相位差別，從而在陣列的另一側形成同相的高增益波束。然而，傳統透射陣天線只能工作在單一的極化模式下，且透射陣列的極化方式主要取決于饋源天線的極化方式。如果透射陣天線采用線極化饋源，則透射陣列工作在線極化模式；如果透射陣天線采用圓極化極化饋源，則透射陣列工作在圓極化模式。現有的多極化透射陣天線采用二維結構的三層矩形環縫隙結構作為陣列單元，通過調整矩形環縫隙在正交方向上的尺寸和饋源的旋轉角度實現多種極化方式，但這種單元的縱向剖面較高，總厚度在中心頻率處的0.5個波長以上；而且這種單元在正交極化方向的透射系數幅度相位的相互影響作用比較大，導致透射陣天線的極化轉換效率和各個極化模式下的口徑輻射效率比較低，其口徑輻射效率最大值僅為27％。而且，傳統透射陣單元的結構較為復雜，介質板使用層數至少在三層以上，總厚度至少在中心頻率處的0.5個波長以上，從而導致透射陣列的縱向剖面高度過大，不易與系統集成。雖然現有的透射陣天線技術已經獲得了廣泛的應用，但隨著無線通信技術的發展和極化分集技術的日益普遍，通信系統迫切要求同一款天線能夠實現多種極化方式的自由切換，而且具備較高極化變換效率、高口徑輻射效率和低剖面高度，但同時滿足這些要求非常困難。

綜上所述，現有技術存在的問題是：傳統透射陣天線的極化方式單一，不能實現不同極化方式的自由切換，傳統透射陣列單元的縱向剖面高度過大，不易與系統集成，而且傳統多極化透射陣天線的極化轉換效率和口徑輻射效率比較低。造成傳統透射陣天線的極化方式單一的原因在于：傳統透射陣單元的極化方式單一，不具備不同極化之間的變換能力；造成傳統透射陣天線縱向剖面高度過大的原因在于：傳統透射陣單元采用縱向剖面過大的二維多層結構，如果要保證足夠的透射系數幅度和相位變化范圍，其介質板層數至少在3層以上，其厚度在中心頻率處的0.5個波長以上；造成傳統多極化透射陣天線的極化轉換效率和口徑輻射效率比較低的原因在于：采用的三層矩形環縫隙單元的透射損耗比較大，而且單元在正交極化方向上的幅度相位的相互影響作用比較大。

現有技術問題解決的難度在于:傳統透射陣天線很難同時具備多種極化方式之間的變換能力、高極化變換效率、高口徑輻射效率和低剖面高度等眾多優勢于一身。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供了一種低剖面高效率極化變換透射陣天線。

本發明是這樣實現的，一種低剖面高效率極化變換透射陣天線，其特征在于，所述低剖面高效率極化變換透射陣天線包括：

角錐喇叭天線作為透射陣天線的饋源；

采用雙層三維部分對稱十字振子作為透射陣列單元。通過獨立調節陣列上各個三維部分對稱十字振子單元在兩個正交方向上的結構尺寸，使兩個正交方向極化的透射波相位相差90度，以保證陣列單元具有不同極化方式的變換能力，從而使設計的透射陣列能夠實現多種極化方式的自由切換。

進一步，所述透射陣列單元是由不同尺寸的三維部分對稱十字振子單元周期性排列而成。

進一步，所述雙層部分對稱三維十字振子，縱向剖面高度為中心頻率處的0.22個波長。

本發明所提出的雙層三維部分對稱十字振子單元，是在借鑒傳統透射陣單元設計方法的基礎上，對僅能實現單一極化方式的雙層三維完全對稱十字振子單元的一種有效改進。通過這種技術改進，本發明的雙層三維部分對稱十字振子單元具備了不同極化方式之間的變換能力，從而使本發明設計的透射陣天線能夠實現多種極化方式(包括線極化和圓極化)，有效促進了極化分集透射陣天線技術的發展和應用，改善了傳統透射陣天線僅能實現單一極化的不足。此外，由于本發明的雙層三維部分對稱十字振子單元在正交極化方向的透射系數幅度與相位之間保持了良好的隔離，從而保證了設計的透射陣天線較高的極化轉換效率，進而使透射陣天線在各種極化模式下的口徑輻射效率高達54％以上，因此實現了透射陣天線在各個極化模式下較高的輻射效率。