基于折叠反射阵列天线和极化敏感FSS的高增益滤波天线

基于折叠反射阵列天线和极化敏感fss的高增益滤波天线
技术领域
1.本实用新型涉及一种电磁场与微波技术领域，具体是基于折叠反射阵列天线和极化敏感fss的高增益滤波天线。


背景技术：

2.在大多数长距离雷达和通信系统中，通常都不可避免地需要高增益天线。折叠式反射阵列天线(fra)具有高效率，低功耗等优点，是高增益天线的首选候选之一，由于其空间馈电原理，可以在反射阵列天线设计中避免由阵列天线的复杂馈电网络引起的损耗。与反射阵列天线相比，fra可以有效减少孔径阻塞和天线高度。fra通常由一个印刷的反射阵列和数百个分布在椭圆形或正方形区域上的贴片和一个与印刷的反射阵列平行地隔开一定距离的极化栅组成。印刷的反射阵列用作相位补偿器，以正确聚焦或整形电磁(em)波，同时将极化波扭转90
°
。同时频率选择表面(fss)是具有操纵空间电磁波功能的2-d或3-d周期性结构，已广泛用于各种应用，例如空间滤波器，反射器，极化转换器，吸收器等等。
3.近年来，传统的fra一般都采用极化栅作为副反射面，但是在实验中该天线的频率选择特性并不是很好。为此我们提出基于折叠反射阵列天线和极化敏感fss的高增益滤波天线用于解决上述问题。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供基于折叠反射阵列天线和极化敏感fss的高增益滤波天线，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：
6.基于折叠反射阵列天线和极化敏感fss的高增益滤波天线，所述高增益滤波天线由极化敏感的siw fss、馈电天线和印刷的反射阵列组成，印刷的反射阵列和siw fss之间设有阵列分布的塑料支柱；
7.所述馈电天线辐射的线性极化波射向极化敏感的siw fss，经过siw fss后反射到印刷的反射阵列，然后印刷的反射阵列通过适当的相位补偿对波进行整形，并将极化波扭转90
°
射出，从反射阵列反射的波在其通带中穿过siw fss，并辐射到自由空间中，极化敏感的siw fss需要在不同极化的入射波下充当空间反射器和滤波器。
8.优选地，所述极化敏感siw fss用作fra的副反射器，并且极化敏感的siw fss需要在不同极化的入射波下充当空间反射器和滤波器。
9.优选地，所述极化敏感的siw fss在ka波段上以0
°
到60
°
的入射角反射入射波，siw fss的通带范围为31.7至36.3ghz。
10.优选地，所述印刷的反射阵列由分布在正方形区域上的可变大小的两层堆叠面片组成。
11.优选地，所述馈电天线采用ka频带的锥形喇叭天线。
12.与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：
13.1.本实用新型高增益滤波天线和传统的fra相比，具有更好的频率选择特性，尤其是在滤波天线的上阻带处，并保留了fra的优点，外形小巧，易于制作等；
14.2.本实用新型高增益滤波天线具有25db左右的高增益，具有良好的滤波性能，3db波束宽度均为5.3
°
，e平面和h平面中测得的旁瓣电平在-14.7和-14.4db以下。
附图说明
15.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1是本实用新型高增益滤波天线侧视图；
17.图2是siw fss的周期元素透视图；
18.图3是siw fss的周期元素侧视图；
19.图4是siw fss的周期元素周期结构图；
20.图5是在tm极化的入射下siw fss的模拟结果图；
21.图6是在te极化的入射下siw fss的模拟结果图；
22.图7是印刷反射面的两层周期性元素透视图；
23.图8是印刷反射面的两层周期性元素侧视图；
24.图9是印刷反射面的两层周期性元素顶视图；
25.图10是本实用新型高增益滤波天线fra的主要组成部分图；
26.图11是传统fra的主要组成部分图；
27.图12是本实用新型在e平面的仿真和测量的辐射方向图；
28.图13是本实用新型在h平面的仿真和测量的辐射方向图；
29.图14是本实用新型和传统fra之间的增益比较图；
30.图15是siw fss的传输系数和本实用新型高增益滤波天线的增益图。
具体实施方式
31.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
32.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
33.请参阅图1至图15所示，基于折叠反射阵列天线和极化敏感fss的高增益滤波天线，高增益滤波天线的侧视图如图1所示，整个天线主要由极化敏感的fss，馈电天线和印刷的反射阵列组成。
34.原理如下：馈电天线辐射的线性极化波射向极化敏感的fss，并且经过fss后几乎
全反射到印刷的反射阵列，然后印刷的反射阵列通过适当的相位补偿对波进行整形，并将极化波扭转90
°
射出，从反射阵列反射的波在其通带中穿过fss，并辐射到自由空间中，极化敏感的fss需要在不同极化的入射波下充当空间反射镜和滤波器。
35.平面siw fss由2维siw空腔的周期性阵列组成，在其正面和背面蚀刻有平行槽。siw腔的金属化通孔阵列用于抑制平行板模式激发。用厚度为0.508mm的taconic tly-5被用作siw fss设计中的基底。
36.印刷的反射阵列由分布在正方形区域上的数百个可变大小的两层堆叠面片组成。通过使用堆叠的贴片作为反射阵列元件可以获得平滑的相位补偿，从而提高了反射阵列天线的工作带宽，反射阵列被设计为以34ghz的中心频率工作，并制造在两层taconic tly-5基板上(εr＝2.2，10ghz时tanδ＝0.0009)，总厚度约为1.1毫米，反射阵列元件的尺寸为3.3mm
×
3.3mm，并且第一层和第二层的金属片之间的尺寸系数选择为0.7，利用金字塔角天线是由于其低损耗，宽工作带宽等突出特性而被用作高增益滤波天线设计中的馈电天线。
37.siw fss的周期性元素如图2-图4所示，该结构基于siw技术的fss被用作fra的副反射器，并且极化敏感的fss需要在不同极化的入射波下充当空间反射镜和滤波器，平面siw fss由2维siw空腔的周期性阵列组成，在其正面和背面蚀刻有平行槽，siw腔的金属化通孔阵列用于抑制平行板模式激发。
38.极化敏感的siw fss的全波em仿真结果如图5、图6所示，图5显示出了在具有tm极化的法线斜入射下的fss的透射系数和反射系数，结果表明fss在ka波段上以0
°
到60
°
的入射角反射几乎所有入射波；
39.图6显示siw fss在具有te极化的法线入射下的带通性能。很容易看出，fss的通带范围为31.7至36.3ghz，它起着空间滤波器的作用，此外，利用多模谐振或多层结构可以实现siw fss更好的频率选择性。
40.印刷的反射阵列由分布在正方形区域上的数百个可变大小的两层堆叠面片组成，图7-图9显示的是反射阵列其中的一个，使用堆叠的贴片作为反射阵列元件可以获得平滑的相位补偿，从而提高了反射阵列天线的工作带宽。
41.如图10所示，制造了尺寸约99mm
×
99mm的天线原型，在fra设计中，fra的f/d比选择为1，即f＝d＝2h＝99mm，以避免光栅波瓣的影响。其中馈电天线采用ka频带的锥形喇叭天线，通过在印刷的反射阵列和fss之间插入一些塑料支柱，可以实现整个天线结构的良好机械稳定性。
42.在仿真和测量中都分别研究了极化敏感的siw fss作为子反射器的fra和传统的fra，滤波天线设计的所有仿真结果都是使用cstmicrowavestudio获得，天线辐射方向图已在暗室中通过远场方法进行了测量。
43.如图12-图15所示，图12、图13的两幅图显示了在e平面和h平面的中心频率为34ghz的情况下仿真和测量的辐射方向图，可知仿真和实测的一致性很好，其中在e平面和h平面上测得的3db波束宽度均为5.3
°
，在e平面和h平面中测得的旁瓣电平在-14.7和-14.4db以下，同时在e平面和h平面中交叉极化电平都小于-22.0db，而且滤波天线的辐射方向图在fss通带中展现出了其稳定性。
44.图14显示了这两个fra之间的增益比较，如图可知提议的fra在实际测量中展现了更好的性能，在38～40ghz中其增益更高并且更稳定，在设计的fss通带中，两个fra的测量
结果几乎相同，与传统的fra相比，所提出的滤波天线已经获得了良好的频率选择特性，尤其是在滤波天线的上阻带处；
45.图15显示了仿真和测量中siw fss的传输系数和所提出的滤波天线的增益，从图中可以看出，所提出的天线的滤波性能主要取决于siw fss在仿真和测量中的频率选择特性，在37至38ghz的频率范围内，滤波天线的测量天线增益大于模拟值，导致该结果的这种现象应归因于siw fss的制造不完善，从而导致通带比仿真略宽。
46.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
47.以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。