[发明专利]一种宽带低剖面高隔离度双圆极化二维宽角扫描稀疏阵列

说明书

本发明公开了一种宽带低剖面高隔离度双圆极化二维宽角扫描稀疏阵列，属于微波天线技术领域。该稀疏阵列由周期排布的双端口天线单元组成，通过遗传算法优化在不同扫描角度的被激活天线单元端口，使稀疏阵列在工作时主波束的增益相比满阵时的增益降低小于等于0.5dB。本发明天线单元采用了SIW背腔式的结构，同时采用三段耦合线定向耦合器，其中第二段耦合线缝隙为锯齿状缝隙。本发明双圆极化稀疏阵列能实现双圆极化二维的宽角扫描，并且能够使用少量的T/R组件即可达到接近满阵的效果的目的。

技术领域

本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种宽带低剖面高隔离度双圆极化二维宽角扫描稀疏阵列。

背景技术

天线是无线通信系统的前端，是用来发射或者接收电磁波的器件。近年来，通信技术的发展对天线的性能提出了更高的要求。由天线单元通过特定的排布方式组成的相控阵天线阵列，通过对每个单元加以适当的移相(或延时)即可获得阵波束的偏转，能够实现波束的快速扫描，多波束扫描以及灵活的波束指向。在卫星通信领域，线极化天线存在极化失配、多径干扰、法拉第旋转效应的问题。由于圆极化天线能避免这些问题，因而被广泛应用于卫星通信领域。双圆极化天线可以实现系统能够共用一副天线实现频率复用、收发双工和天线共用，这可以大大降低整个系统的成本以及提高通信的效率。对于同频双圆极化天线而言，如何提高端口隔离度以及极化隔离度是研究的重点，此外，天线单元的工作带宽、轴比波束宽度也是重要的指标。双圆极化天线主要由馈电网络实现。常规由单级的功分器或者分支线定向耦合器组成的馈电网络很难实现宽带和高隔离度，但是多级级联却带来了体积大的问题，很难实现小型化。近年来，宽角扫描相控阵是研究的热点，目前关于双圆极化宽角扫描相控阵的研究较少，性能还有很大的提升空间。

文献“Ka频段双圆极化相控阵天线设计”(柏艳英.Ka频段双圆极化相控阵天线设计[J].电子元件与材料,2017,036(011):47-51.)设计了一个8×8的Ka频段双圆极化相控阵天线，该天线单元由一个小型化宽带3dB枝节电桥实现双圆极化，具有30％的轴比带宽，单元内端口隔离度大于15dB，能实现±60°的波束扫描。但是该天线单元采用了多层堆叠的结构，其剖面高度超过了0.2个自由空间波长，且虽然在低频处波束扫描至±60°时增益降低了3dB，但在高频处却降低了5.5dB。

文献“Design of a low-profile dual circularly polarized phased arrayantenna”(Lianjia Sang,Hongfu Meng,Wenbin Dou.Design of a low-profile dualcircularly polarized phased array antenna[C].IEEE International Conference onUbiquitous Wireless Broadband.IEEE,2016.)设计了一个2×8的双圆极化相控阵天线，该天线单元由一段分支线定向耦合器馈电，具有32.8％的阻抗带宽和17.8％的单元内端口隔离度大于10dB带宽，能实现一维的±60°扫描，但该相控阵不能实现二维扫描，且该天线采用了金属腔体式结构，给加工带来了不便，轴比情况也较差。

对于相控阵天线而言，如何提高增益是研究的重点。上文所述的8×8的阵列主瓣扫描至±60°时增益最高为19dB，所述的2×8阵主瓣扫描至±60°时增益为16.2dB。可见提高阵元数目是一种可以显著提高增益的方式。但是阵元数目的增多则必须增加相应数目的T/R组件，这对于成本的增加是巨大的。阵列稀疏化对于降低大型阵列天线设计复杂度十分有效。阵列天线的增益主要由阵列口径尺寸决定，可以在不减小阵列口径的前提下通过“激活”特定的单元而“关闭”另一些单元，同时保持稀疏阵列的增益和满阵时相比基本相等或者只降低可接受范围内的增益。大型的稀疏阵列能发挥大辐射口径的优势并且大幅降低馈电系统设计难度与工程造价，具有极大的实用价值。