[发明专利]一种具有超低仰角特性的波束扫描阵列天线

说明书

技术领域

本发明涉及一种波束扫描阵列天线，特别涉及一种具有超低仰角特性的波束扫描阵列天线。

背景技术

随着卫星通信技术的发展和应用领域的拓展，在移动载体中实现与卫星实时数据交换的需求变得越来越迫切。“动中通天线”技术的研究已成为当前卫星通信技术领域的研究热点之一。为了保证移动载体的机动性，要求动中通卫星天线应具有高增益、低噪声、较低轮廓、设备体积小易于隐蔽、可实现天线波束对卫星的自动跟踪以及在低仰角下仍保持正常通信等特点。因此具备相关特性的波束可扫描的平面阵列天线成为动中通系统发展的重要方向。从目前国内外的一些动中通天线研究来看，主要分为反射面天线和低轮廓阵列天线，其中阵列天线还包括机械扫描、电子扫描以及混合扫描几种实现方式。增加阵列天线的剖面高度是目前解决阵列天线低仰角增益不足的主要途径，主要方法是将天线阵面整体或分为小的子阵在俯仰向作一定角度的倾斜。然而天线高度的提高会对载体的安装条件及使用环境造成很大的限制。

近几年，利用超材料对波束进行调控的研究得到了飞速发展，通过设计可以使得超材料具有一些反常的折射率，如负折射率或零折射率。基于超材料的一些新型的波束扫描天线及高定向天线被相继开发。通过对超材料的研究可以有效的控制波传播的方向。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有超低仰角特性的波束扫描阵列天线，通过利用超材料的波束调控特性来提高波束扫描阵列天线的低仰角增益。

为了达到以上目的，本发明所提供的一种具有超低仰角特性的波束扫描阵列天线，由波束可有限扫描的阵列天线和一层可实现波束偏折效应的超材料透镜组成，当阵列天线辐射出的合成波束经过超材料透镜时，会产生一个固定的附加偏折角θ₀，并且随着阵列天线在一定角域内改变波束指向，通过超材料透镜的二级波束可以形成一个超低仰角的天线主波束方向图。

波束偏折效应的超材料透镜由传输相位呈梯度分布的亚波长结构单元排成阵列，且亚波长结构单元的传输相位满足0°～360°变化范围。

为了使主波束指向仰角范围达到0°～90°，其中90°指向表示为主波束指向与水平面平行。所需要的超材料透镜的偏折角度θ₀的取值范围为40°～60°，且满足其中是相邻结构单元的传输相位差，k₀是真空波矢，d是相邻单元间距。

具有波束偏折效应的超材料透镜，所使用的材质为双面覆铜基板，在基板的一面刻蚀金属正方形开口双环图案，另一面刻蚀工型图案，通过周期排列的方式组成平板型透镜，透镜厚度为一个亚波长结构单元的晶格常数。

波束扫描阵列天线可以由微带、缝隙以及波导等类型天线单元组成阵列，其主波束扫描角度范围应大于±45°，相对0°为阵列天线等相位激励时的主波束指向角。

实施本发明的技术方案，具有以下增益效果：具有超低仰角特性的波束扫描阵列天线大幅提高了平面相控阵天线低仰角增益，并且减小了天线尺寸，降低了成本，并可以适用于各种安装平台。

附图说明

图1本发明实施例的一种具有超低仰角特性的波束扫描阵列天线

图2一个亚波长结构单元的正反两面结构示意图

图3可以提供0°～360°梯度传输相位的亚波长结构单元组

图4亚波长结构单元组的0°～360°传输相位随单元分布距离变化曲线

图5未加载波束偏折效应的超材料透镜的波束扫描阵列天线方向图

图6已加载波束偏折效应的超材料透镜的波束扫描阵列天线方向图

具体实施方式

如图1所示，工作中心频率为f₀＝5GHz的具有超低仰角特性的波束扫描阵列天线，其整体结构由七元微带阵列天线1和具有波束偏折效应的超材料透镜2所组成，其中波束偏折效应的超材料透镜2由亚波长结构单元3按周期排列的方式层叠组合而成。各层间可以通过机械连接、焊接或粘合的方式组合成一体。