[发明专利]低剖面高效率传输阵天线及设计方法

说明书

技术领域

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

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。

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。

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（0dB），也就是全透射。

发明内容

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。

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。

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。

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。

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。

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：

Ψ_ith=k·（R_ith－F）+Ψ_center

式中，Ψ_ith为入射波到第i个单元时的相位，R_ith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，Ψ_center为传输阵中心单元的相位。

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。

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1-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λ₀/14的厚度。

附图说明

图1a：传输阵天线单元结构的结构示意图。

图1b：低剖面高效率传输阵天线的结构示意图及局部放大图。

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。

图3a：传输阵天线的E面方向图。

图3b：传输阵天线的H面方向图。

具体实施方式

如结合附图详细描述本发明的技术细节和原理。

首先设计低剖面高效率传输阵天线所需的单元。