一种小型化双频段共口径天线及其设计方法与流程

本发明属于电磁场微波，涉及一种双频段共口径天线及其设计方法。

背景技术：

1、随着天线技术的快速发展，目前作为工程常用的反射面天线、阵列天线等天线形式，在某些小型化、多频段的应用场景不能满足使用需求，小型化、多频段、共口径的天线研究迫在眉睫，而反射面天线和阵列天线各有优劣，如何发挥融合两种天线形式的优点，成为解决小型化、多频段、共口径的天线涉及难题的关键所在。

2、目前天线若要实现多频段工作，可以采用多频馈源照射反射面天线、微带天线层叠或嵌套、阵列天线组合等方式。但要实现高低频率比大、单频带宽宽和小型化等要求。其中多频馈源照射反射面天线在高低频率比大的情况下，由于低频电尺寸较大，不能实现小型化设计。微带天线层叠或嵌套对于频段较高时传输线损耗较大，难以实现高效率。阵列天线组合的方式会大大占用辐射面积，难以实现小型化。

3、现有技术中，对小型化双频段共口径天线的相关技术研究主要为微带天线层叠或者嵌套设计:北京卫星信息工程研究所的刘洋等人在《ku/ka双频共口径微带阵列天线设计》([j].中国空间科学技术.2012)中提出了双频段天线共面嵌套放置，实现了结构紧凑的ku/ka双频共口径微带阵列天线设计。ku频段天线单元采用微带线侧馈，ka频段天线单元通过在接地板开l形缝隙进行耦合馈电实现圆极化工作。仿真和测试结果表明了设计的可行性。ku/ka频段天线仿真的相对带宽分别为2.2％和4.3％，实测结果分别为2.1％和3.4％。该结构的天线可应用于ku/ka频段的卫星通信中。中国空空导弹研究院的程超逸等人在《适用于卫星导航系统的双频段圆极化微带天线》([j].航空兵器.2018)设计了两种可工作于北斗-b3(1.268ghz)和gps-l1(1.590ghz)双频段的低剖面圆极化微带天线。一种由一个天线单元实现双频带工作；另一种由五个单元的小型天线阵列实现，阵列中心单元工作在较高频段，周围四个相同的单元工作在较低频段。为了满足卫星导航天线低剖面、小尺寸的应用需求，两种天线均选用了较高介电常数的介质基板并采用层叠结构。同时，使用威尔金森功分器，通过双馈法实现圆极化，有效展宽了天线的圆极化带宽，使天线具有良好的圆极化性能。中国西南电子技术研究所的胡大成等人在《双频段双圆极化共孔径天线研究》([j].固体电子学研究与进展.2019)中通过利用多层混合介质层叠和空间孔径布局的方法，设计了一种双频段双圆极化共孔径的微带天线。该天线利用3db电桥作为馈电网络，选择双点馈电的结构形式在uhf频段实现了右旋圆极化；同时天线为了覆盖s频段，采用双层结构、双点馈电的天线阵元实现左旋圆极化，使用旋转布阵的方式优化阵列的圆极化轴比。对天线进行了仿真,加工和测试，实测结果和仿真结果吻合良好，验证了这种方法设计的双频段双圆极化共孔径天线的正确性和可行性。国内许多研究单位在小型化多频段共口径天线的设计与应用过程中，通常基于微带天线的层叠或者嵌套设计，难以实现在工作频段大跨度、宽带宽条件下的高效率辐射，不能适用于本发明所使用场景需要的小型化共口径双频段天线设计。

4、专利201710225337.6提供了机载双频段共口径相控阵天线，包括天线本体,天线本体包括上下层设置的共口径微带天线；微带天线包括上层的s波频段微带天线和下层的uhf频段微带天线，利用同轴探针对贴片天线阵列和辐射贴片馈电。实现共口径辐射；专利200810029366.6提供了一种双频段叠层介质加载螺旋天线，包括上下叠加两个同轴柱状体，每个同轴主体为一个螺旋天线，实现双频段辐射；专利200910078273.7提供了一种副反射器与馈源共用的馈源结构及其构成的双频段天线，共用的馈源结构主要是由副反射器削锥与副反射器环绕部之间形成缝隙环构成微带天线构成，双频段天线是以共用的馈源结构构成的双频段天线；专利201510225206.9提供了一种尺寸较小且整体性能较好的双频段圆极化共口径微带天线。该天线通过采用k频段方形环贴片天线和ka频段方形环贴片天线可以实现天线的小型化，并且通过共面嵌套形式将两个不同频率的天线设置在同一平面降低了天线的剖面高度，进一步减小了天线的尺寸。专利201710225337.6、200810029366.6和201510225206.9由于介质损耗问题难以应用在高频段，专利200910078273.7难以在较低频段实现小型化设计。

5、针对现有技术的不足，本发明涉及的一种小型化双频段共口径天线及其设计方法应用于实现对双频段天线的小型化共口径设计。克服普通双频段天线难以小型化、高效率辐射以及频率比受限的问题。本发明兼顾了阵列天线和反射面天线的优点，具有较小结构尺寸包络。可在空间狭小、频段跨度大、工作带宽宽的场景进行使用。

技术实现思路

1、本发明涉及一种小型化双频段共口径天线及其设计方法。其能够对阵列天线工作频段透射，对反射面天线工作频段反射，实现阵列天线和反射面天线共口径辐射。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种小型化双频段共口径天线，包含阵列天线和发射面天线，阵列天线位于反射面天线的下方；

4、其中阵列天线为一圆形腔体结构，其内部通过金属格栅分为n个独立的单位腔；每一单位腔内均设有一个辐射单元；所述圆形腔体的结构的中心为一波导孔，波导孔的上端连接反射面天线，用于反射面天线馈电；

5、所述反射面天线的主反射面为频率选择面，频率选择面对于阵列天线工作频段透射，对于反射面天线工作频段反射。

6、进一步的，所述反射面天线为前馈抛物面天线、卡塞格伦天线或环焦天线和格里高利天线。

7、一种小型化双频段共口径天线的设计方法，用于设计如上述的一种小型化双频段共口径天线，具体包括以下步骤：

8、步骤1，根据双频段天线的工作频率，首先设计频率选择面将两个频段分隔开，选择阵列天线工作于低频段，反射面天线工作于高频段；

9、步骤2，根据反射面天线的工作频段和指标，确定天线口径；同时反射面天线的馈线经过阵列天线中心穿过，连接后端的射频链路；

10、步骤3，反射面天线若采用前馈单反射面设计，选用大照射角馈源，减小天线尺寸包络；反射面天线若采用后馈双反射面设计，则设计小型化副面；将反射面天线与阵列天线联合建模仿真优化，达到最终设计要求。

11、本发明相比于背景技术，其特点为：

12、小型化双频段共口径天线分为阵列天线和反射面天线两个组成部分。反射面天线位于阵列天线上方，天线形式可以为双反射面天线或者但反射面天线，反射面天线的主反射面为频率选择面。实现阵列天线和反射面天线共口径辐射，具有较小结构尺寸包络。可在空间狭小、频段跨度大、工作带宽宽的场景进行使用。

技术特征：

1.一种小型化双频段共口径天线，其特征在于，包含阵列天线和发射面天线，阵列天线位于反射面天线的下方；

2.根据权利要求1所述的一种小型化双频段共口径天线，其特征在于，所述反射面天线为前馈抛物面天线、卡塞格伦天线或环焦天线和格里高利天线。

3.一种小型化双频段共口径天线的设计方法，用于设计如权利要求1至2任意一项所述的一种小型化双频段共口径天线，其特征在于，具体包括以下步骤：

技术总结本发明公开了一种小型化双频段共口径天线及其设计方法，属于电磁场微波技术领域，其在阵列天线上方设置一个反射面天线，反射面天线包括但不限于前馈抛物面天线、卡塞格伦天线、环焦天线和格里高利天线等形式，其中反射面天线的主反射面为频率选择面，该频率选择面对于阵列天线工作频段透射，对于反射面天线工作频段反射。其实现阵列天线和反射面天线共口径辐射，具有较小结构尺寸包络。可在空间狭小、频段跨度大、工作带宽宽的场景进行使用。技术研发人员：刘磊,牛耕,王志娟,张晓冲,李栋,何应然,蔺占中受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第五十四研究所技术研发日：技术公布日：2024/11/4