一种Ka频段低剖面宽带圆极化大角度扫描天线的制作方法

一种ka频段低剖面宽带圆极化大角度扫描天线
技术领域
1.本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种ka频段低剖面宽带圆极化大角度扫描天线。


背景技术：

2.大角度圆极化扫描天线在卫星导航与定位、卫星通信、雷达和电子对抗等领域的应用具有重要意义。在圆极化天线的实现形式中，微带天线和十字振子天线是最常用的两种天线形式。十字振子天线性能高，但是天线纵向尺寸大，相比于十字振子天线，微带阵列天线纵向尺寸小，因此研究低剖面微带阵列天线对通信系统的发展具有重要意义。
3.近年来，各研究人员对低剖面宽带圆极化大角度扫描阵列天线的研究也从未停止过。例如微带贴片天线、螺旋天线和平面十字振子天线等。螺旋天线工作频带宽，但是单元增益低，平面十字振子天线圆极化性能优越，但是天线剖面高，不利于集成化相控阵领域等。传统的单层微带贴片天线工作频带窄，天线相对带宽通常在7％左右，同时在组阵后扫描至60
°
时轴比大于5db。学者们也提出了一些拓宽天线带宽和提升圆极化扫描的方法，例如利用层叠天线增加谐振点、超表面技术以及增加空气层等，但是在ka频段，由于波长短，这些方法增加了天线加工难度，同时天线的剖面增加，不利于系统化集成。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种ka频段低剖面宽带圆极化大角度扫描天线，兼具带宽宽、大角度扫描圆极化性能优异的特点，可用于大空域通信以及系统化集成领域，具有很强的实用性及应用前景。
5.为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
6.一种ka频段低剖面宽带圆极化大角度扫描天线，包括开口金属环、加载空气腔的第一介质层、粘结层、圆极化辐射单元、第二介质层、馈电探针和金属地；
7.所述开口金属环位于所述第一介质层的上表面，所述第一介质层的下表面通过所述粘接层与所述第二介质层的上表面连接，所述第二介质层的上表面与所述粘接层之间还设有所述圆极化辐射单元，所述第二介质层的下表面连接所述金属地，所述馈电探针连接所述圆极化辐射单元的馈电点；
8.所述开口金属环在中间区域设有圆形贴片槽，在边缘沿直径方向设有对称的两个矩形缺口；
9.所述第一介质层设有三种规格的空气腔；
10.所述圆极化辐射单元为中部刻蚀c型槽的圆形微带贴片，并沿直径方向设有对称的两个矩形微扰贴片。
11.可选的，所述开口金属环的中间区域的圆形贴片槽的直径与所述第一介质层的厚度比大于2.0。
12.可选的，其特征在于，所述开口金属环的边缘沿直径方向的两个矩形缺口的长宽
均小于λ0/10，其中λ0为工作中心频点对应的自由空间波长。
13.可选的，所述第一介质层设置的三种规格的空气腔分别为：位于四周的8个半径相同的第一空气腔，形成于上表面中间区域的第二空气腔和形成于下表面中间区域的第三空气腔。
14.可选的，所述第二空气腔的直径与所述开口金属环中间区域的圆形贴片槽的直径相同.
15.可选的，所述第二空气腔和所述第三空气腔的直径比为1：1.5。
16.可选的，所述圆极化辐射单元中，所述c型槽的开口方向相对于所述矩形微扰贴片旋转了45
°
。
17.可选的，所述圆极化辐射单元的馈电点位于天线单元的几何中心。
18.可选的，所述圆极化辐射单元相对阻抗带宽为20％，天线波束在0
°
至60
°
扫描过程中，圆极化轴比小于3db。
19.可选的，天线的剖面高度小于0.08λ0，λ0为工作中心频点对应的自由空间波长。
20.与现有技术相比，本发明具有如下优点：
21.开口金属环由挖掉中心圆的圆形槽组成，并沿轴线方向开有对称的两个矩形缺口，开口金属环对于各个方向入射的电磁波各向同性，保证天线波束扫描至大角度时具备良好的圆极化轴比特性；加载空气腔的第一介质层中包含三种尺寸的空气腔，开口金属环与该第一介质层共同作用拓宽天线工作带宽；圆极化辐射单元为刻蚀c型槽的圆形微带贴片，通过控制c型槽的开口角度以及两侧矩形微扰贴片尺寸调节简并模的相位差实现圆极化辐射，天线单元的馈电点位于其几何中心位置，通过抑制交叉极化提升了天线的轴比带宽，并与开口金属环共同作用提升大角度圆极化扫描能力。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
23.图1为本发明所述天线单元外观示意图；
24.图2为本发明所述天线单元结构组成图；
25.图3为本发明所述开口金属环示意图；
26.图4为本发明所述加载空气腔的第一介质层示意图；
27.图5为本发明所述圆极化辐射单元示意图。
具体实施方式
28.以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的方案作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。
29.请参考图1至图5，本发明提供一种ka频段低剖面宽带圆极化大角度扫描天线，包括开口金属环1、加载空气腔的第一介质层2、粘结层3、圆极化辐射单元4、第二介质层5、馈电探针6和金属地7。
30.所述开口金属环1位于所述第一介质层2的上表面，所述第一介质层2的下表面通过所述粘接层3与所述第二介质层5的上表面连接，所述第二介质层5的上表面与所述粘接层3之间还设有所述圆极化辐射单元4，所述第二介质层5的下表面连接所述金属地7，所述馈电探针6连接所述圆极化辐射单元的馈电点15；
31.所述开口金属环1在中间区域设有圆形贴片槽16，在边缘沿直径方向设有对称的两个矩形缺口8，开口金属环1对于各个方向入射的电磁波各向同性，保证天线波束扫描至大角度时具备良好的圆极化轴比特性，所述第一介质层2设有三种规格的空气腔，开口金属环1与第一介质层2共同作用拓宽天线工作带宽，所述圆极化辐射单元4为中部刻蚀c型槽12的圆形微带贴片13，并沿直径方向设有对称的两个矩形微扰贴片14，通过刻蚀c型槽12改变贴片表面电流分布实现天线馈电阻抗匹配。通过控制c型槽12的开口角度以及两侧矩形微扰贴片14的尺寸，可调节简并模的相位差实现圆极化辐射。
32.本实施例中，如图3所示，开口金属环1中间区域的圆形贴片槽16的直径与所述第一介质层的高度比大于2.0，方便后期的馈电点焊接。边缘沿直径方向的两个矩形缺口8的长宽均小于λ0/10，其中λ0为工作中心频点对应的自由空间波长。
33.如图4所示，所述第一介质层2设置的三种规格的空气腔分别为：位于四周是8个半径相同的第一空气腔9、形成于上表面中间区域的第二空气腔10和形成于下表面中间区域的第三空气腔11。所述第二空气腔10的直径与所述开口金属环1中间区域的圆形贴片槽16的直径相同，所述第二空气腔10和所述第三空气腔11的直径比为1：1.5。通过加载空气腔，降低了第一介质层2的等效介电常数，增加了天线单元的工作带宽。
34.如图5所示，圆极化辐射单元4的馈电点15位于每个天线单元的几何中心，通过抑制交叉极化提升了天线的轴比带宽，并与开口金属环1共同作用提升大角度圆极化扫描能力。c型槽12的开口方向相对于矩形微扰贴片14旋转了45
°
，两者之间相互作用改变天线正交模式tm10模和tm01模之间的相位差实现圆极化辐射。
35.本发明中的ka频段低剖面宽带圆极化大角度扫描天线剖面高度小于0.08λ0，λ0为工作中心频点对应的自由空间波长，同时中间部分预留了空气腔，方便后期馈电点焊接，这种设计方法有效地降低了天线的加工难度。
36.本发明中的ka频段低剖面宽带圆极化大角度扫描天线，圆极化辐射单元相对阻抗带宽大于20％，天线波束在0
°
至60
°
扫描过程中，圆极化轴比小于3db。
37.天线的工作原理如下：
38.电磁波信号通过天线中心馈电点馈入，由微带天线理论可知，微带贴片天线为驻波天线，其表面电流呈正弦波分布，因此微带贴片表面电流波峰位于其几何中心，此时馈电点输入阻抗接近于短路状态。由于同轴馈电的端口阻抗为50ω，此时两者之间无法实现阻抗匹配。本发明中，天线在中心位置刻蚀c型槽12，c型槽12有效的改变了微带贴片13的径向电流分布，微带贴片13的几何中心点不再处于表面电流波峰，同时输入阻抗也不再为零，通过调节c型槽12尺寸，天线与同轴馈电之间实现阻抗匹配。
39.同轴探针和微带贴片接触点存在一定的结构不连续性，当馈电点偏离微带贴片几何中心时，该结构不连续性使得微带贴片辐射的电磁波交叉极化增大，交叉极化的大小与结构不连续性点偏离几何中心点的距离成正比。因此，本发明采用中心馈电，优势在于，将来自该馈电点15的结构不连续性对微带贴片13的辐射性能影响降低至最小。微带贴片13沿
直径方向加载两个矩形微扰贴片14，该两个矩形微扰贴片14起到场微扰作用，当c型槽12开口方向相对于矩形微扰贴片14旋转45
°
时，两者之间相互作用使得天线的tm10模和tm01模之间的相位差为90
°
，最终实现圆极化辐射。
40.根据传输线理论，将本天线单元中圆极化辐射单元4和第二介质层5等效为阻抗r1，开口金属环1和第一介质层2等效为阻抗r
t
，通过调节空气腔的尺寸可以调节微带板的等效介电常数，因此r
t
可调。已知馈电端口阻抗为50ω，自由空间波阻抗为377ω，因此通过合理设计r
t
提升了整体天线的阻抗匹配，进而拓宽天线工作带宽。与此同时，开口金属环1对于各个方向入射的电磁波各向同性，保证天线波束扫描至大角度时具备良好的圆极化轴比特性。
41.尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

技术特征：
1.一种ka频段低剖面宽带圆极化大角度扫描天线，其特征在于，包括开口金属环、加载空气腔的第一介质层、粘结层、圆极化辐射单元、第二介质层、馈电探针和金属地；所述开口金属环位于所述第一介质层的上表面，所述第一介质层的下表面通过所述粘接层与所述第二介质层的上表面连接，所述第二介质层的上表面与所述粘接层之间还设有所述圆极化辐射单元，所述第二介质层的下表面连接所述金属地，所述馈电探针连接所述圆极化辐射单元的馈电点；所述开口金属环在中间区域设有圆形贴片槽，在边缘沿直径方向设有对称的两个矩形缺口；所述第一介质层设有三种规格的空气腔；所述圆极化辐射单元为中部刻蚀c型槽的圆形微带贴片，并沿直径方向设有对称的两个矩形微扰贴片。2.根据权利要求1所述的一种ka频段低剖面宽带圆极化大角度扫描天线，其特征在于，所述开口金属环的中间区域的圆形贴片槽的直径与所述第一介质层的厚度比大于2.0。3.根据权利要求1所述的一种ka频段低剖面宽带圆极化大角度扫描天线，其特征在于，所述开口金属环的边缘沿直径方向的两个矩形缺口的长宽均小于λ0/10，其中λ0为工作中心频点对应的自由空间波长。4.根据权利要求1所述的一种ka频段低剖面宽带圆极化大角度扫描天线，其特征在于，所述第一介质层设置的三种规格的空气腔分别为：位于四周的8个半径相同的第一空气腔，形成于上表面中间区域的第二空气腔和形成于下表面中间区域的第三空气腔。5.根据权利要求4所述的一种ka频段低剖面宽带圆极化大角度扫描天线，其特征在于，所述第二空气腔的直径与所述开口金属环中间区域的圆形贴片槽的直径相同。6.根据权利要求4所述的一种ka频段低剖面宽带圆极化大角度扫描天线，其特征在于，所述第二空气腔和所述第三空气腔的直径比为1：1.5。7.根据权利要求1所述的一种ka频段低剖面宽带圆极化大角度扫描天线，其特征在于，所述圆极化辐射单元中，所述c型槽的开口方向相对于所述矩形微扰贴片旋转了45
°
。8.根据权利要求1所述的一种ka频段低剖面宽带圆极化大角度扫描天线，其特征在于，所述圆极化辐射单元的馈电点位于天线单元的几何中心。9.根据权利要求1所述的一种ka频段低剖面宽带圆极化大角度扫描天线，其特征在于，所述圆极化辐射单元相对阻抗带宽为20％，天线波束在0
°
至60
°
扫描过程中，圆极化轴比小于3db。10.根据权利要求1所述的一种ka频段低剖面宽带圆极化大角度扫描天线，其特征在于，天线的剖面高度小于0.08λ0，λ0为工作中心频点对应的自由空间波长。

技术总结
本发明提供一种Ka频段低剖面宽带圆极化大角度扫描天线，包括开口金属环、加载空气腔的第一介质层、粘结层、圆极化辐射单元、第二介质层、馈电探针和金属地；开口金属环由挖掉中心圆的圆形槽组成，并沿轴线方向开有对称的两个矩形缺口；加载空气腔的第一介质层中包含三种尺寸的空气腔，开口金属环与该第一介质层共同作用拓宽天线工作带宽；圆极化辐射单元为刻蚀C型槽的圆形微带贴片，通过控制C型槽的开口角度以及两侧矩形微扰贴片尺寸调节简并模的相位差实现圆极化辐射，天线单元的馈电点位于其几何中心位置，通过抑制交叉极化提升了天线的轴比带宽，并与开口金属环共同作用提升大角度圆极化扫描能力。度圆极化扫描能力。度圆极化扫描能力。


技术研发人员：王太磊 曹捷 韩如冰 徐海琴 陈晓锋 刘元云
受保护的技术使用者：上海无线电设备研究所
技术研发日：2023.07.11
技术公布日：2023/10/6