一种宽带宽角低剖面圆极化相控阵天线

本发明属于天线，具体而言，涉及一种宽带宽角低剖面圆极化相控阵天线。

背景技术：

1、目前，卫星通信技术迅速发展，圆极化天线是该通信系统中的重要组成部分，面临着新的功能需求和挑战。为了更好地获得宽波束覆盖和宽工作带宽，这就要求天线具有大角度扫描和宽带的性能。除此之外，天线还需要实现圆极化的特性，用以增强通信系统的稳定性。然而，很多卫星通信系统中的天线性能较为单一，想要同时具备以上良好的功能，对天线设计来说是一个巨大的挑战。

2、近年来，很少有采用紧耦合天线阵来设计圆极化天线，其中，基于该方法设计的圆极化天线也不具备大角度扫描的特性。在文献“l.zhang,s.gao,q.luo,w.li,y.he,andq.li,‘a wideband circularly polarized tightly coupled array’,ieeetrans.antennas propagat.,vol.66,no.11,pp.6382–6387,nov.2018”中设计了具有本征圆极化馈电结构的圆极化紧密耦合阵列，实现了2.35ghz～5.6ghz的轴比带宽，但该设计的轴比性能较差，且阵列不具备扫描特性。利用双极化合成圆极化天线最好采用辐射体中心对称的方式，更有利于实现良好的圆极化性能，但该方式会在通带内引入谐振，且该谐振不能通过增加短路柱或者单脊结构的方式进行消除。在文献“j.t.logan,r.w.kindt,m.y.lee,and m.n.vouvakis,‘a new class of planar ultrawideband modular antennaarrays withimproved bandwidth’,ieee trans.antennas propagat.,vol.66,no.2,pp.692–701,feb.2018”中引入了类似波导双脊结构的分析方法，将偶极子臂和地平面等效为波导的上下壁，分析其电场分布，但该结构不能消除辐射体中心对称馈电方式引入的强烈的共模谐振。因此，要实现一种圆极化相控阵天线，同时具备宽带、宽角、低剖面的优良性能，十分困难。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对卫星通信系统中天线性能单一，不能同时具备大带宽、大扫描角度以及圆极化性能的问题，提出了一种宽带宽角低剖面圆极化相控阵天线，以改善上述天线系统中面临的技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

3、一种宽带宽角低剖面圆极化相控阵天线，由若干个天线单元周期性排列组成；所述天线单元，包括从下至上设置的馈电网络结构、天线主体结构、天线罩结构；

4、所述天线主体结构，包括正交设置的x极化单元和y极化单元；两个极化单元采用辐射体中心对称的方式进行馈电，以实现辐射圆极化波的功能；

5、所述x极化单元和y极化单元，均包括：竖向介质基板；

6、所述x极化单元的竖向介质基板的上部区域沿竖向中线开设有第一矩形卡槽，所述y极化单元的竖向介质基板的下部区域沿竖向中线开设有第二矩形卡槽；所述第一矩形卡槽和第二矩形卡槽相互卡合，使x极化单元和y极化单元正交设置；

7、所述馈电网络结构，用于对两个极化单元馈入等幅、相位差90°的信号；

8、所述天线罩结构，覆盖在所述天线结构的正上方，用于改善天线的扫描特性。

9、进一步地，所述x极化单元和y极化单元，还均包括：设置于竖向介质基板表面的矩形金属地、渐变线馈电巴伦、两组脊谐振抑制结构、偶极子辐射体、竖向超表面结构；

10、所述矩形金属地，位于竖向介质基板的正面底部，且竖向中线处设置有矩形缝隙；

11、所述偶极子辐射体，包括位于竖向介质基板的正面上部区域、镜像对称设置的两个偶极子臂；

12、所述渐变线馈电巴伦，其输入端连接馈电网络结构的输出端，两个输出端分别连接两个偶极子臂，实现宽带的阻抗变换，进而实现偶极子辐射体的平衡馈电；

13、两组所述脊谐振抑制结构，对称设置于竖向介质基板的正面左侧区域和右侧区域；一组所述脊谐振抑制结构，包括至少一个双脊结构；所述双脊结构，由上矩形金属贴片和下矩形金属贴片组成，其中所述上金属贴片连接偶极子臂，所述下金属贴片连接矩形金属地，上矩形金属贴片和下矩形金属贴片之间存在一定缝隙；

14、所述竖向超表面结构，位于偶极子辐射体的上方，由若干个尺寸相同的矩形金属贴片线性周期排列构成，其中位于中心位置的矩形金属贴片的中线与竖向介质基板的中线重合。

15、进一步地，所述馈电网络结构，包括两级带状线耦合器、两个垂直过渡结构；所述两级带状线耦合器将信号分为等幅、相位差90°的两路信号，然后通过所述垂直过渡结构将两路信号馈入渐变线馈电巴伦的输入端。

16、进一步地，位于第一矩形槽下方的渐变线馈电巴伦向下局部凹陷，位于第二矩形槽上方的渐变线馈电巴伦向上局部凸起，避免双极化合成圆极化的过程中电路走线冲突。

17、进一步地，所述馈电网络结构，包括从下至上层叠设置的下层金属地、下层介质基板、中层介质基板、上层介质基板、上层金属地；

18、所述上层金属地中设置有两个圆形槽，两个圆形槽中分别设置有圆形金属贴片；

19、所述中层介质基板上表面设置有第一耦合线，所述下层介质基板的上表面设置有第二耦合线，所述第一耦合线和第二耦合线结构相同、俯视投影镜像对称，且部分投影重合；所述第一耦合线的起始端为隔离端口，末端为耦合端口；所述第二耦合线的起始端为输入端口，末端为直通端口；

20、所述输入端口为天线的信号馈入端口；所述隔离端口尾端设置有埋阻、且通过金属短路柱连接下层金属地或上层金属地；所述耦合端口和所述直通端口分别通过依次连接的传输线、下层焊盘、盲孔连接至上层的圆形金属贴片，圆形金属贴片连接极化单元中渐变线馈电巴伦的输入端；

21、所述金属盲孔周围设置有金属通孔阵列，以束缚电磁波达到屏蔽的效果。

22、进一步地，所述第一耦合线和第二耦合线均由第一金属走线、第二金属走线、第三金属走线、第四金属走线、第五金属走线依次连接构成，相邻金属走线之间的夹角为90°；

23、所述第一耦合线中的第二金属走线、第四金属走线与第二耦合线中的第二金属走线、第四金属走线投影重合。

24、进一步地，所述第二金属走线、第四金属走线上设置有若干个匹配支节；所有匹配支节中心对称设置。

25、进一步地，所述天线罩结构，包括ptfe天线外罩以及设置于其下方的水平超表面。

26、进一步地，所述水平超表面，包括水平介质基板及其上表面周期设置的若干方形金属贴片；在水平介质基板上选取4对方形金属贴片，采用一个大矩形金属贴片和两个小矩形金属贴片的组合替换一对方形金属贴片，所有相邻金属贴片之间的间距相同，使替换后的水平超表面仍为90°旋转对称结构；

27、进一步地，所述ptfe天线外罩的下方沿边缘设置有一圈方形凸出结构，多个方形凸出结构相连构成方形网格，以加强表面结构的稳定性。

28、本发明的有益效果为：

29、本发明提供了一种宽带宽角低剖面圆极化相控阵天线，该天线单元采用辐射体中心对称的馈电方式，实现了良好的圆极化性能；通过多脊谐振抑制结构，移除了频带内产生的强烈的共模谐振；通过馈电网络结构和天线罩结构，优化和改善了圆极化相控阵天线的大角度扫描特性。该圆极化相控阵天线具有宽带、宽角、低剖面的性能，弥补了传统卫星通信系统中天线功能单一的缺陷，能够实现更宽的波束覆盖，容纳更多的用户，并且能够提供稳定、快速的连接，在卫星通信系统中具有广阔的应用前景。