阅读说明：本技术 基于罗特曼透镜的圆极化扫描阵列天线 (Circular polarization scanning array antenna based on Rotman lens ) 是由 金荣洪 李建平 耿军平 梁仙灵 王堃 于 2020-04-10 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于罗特曼透镜的圆极化扫描阵列天线,包括：相移网络层、馈电网络层和天线阵列层。所述相移网络层包括：馈电SMA接头10和罗特曼透镜网络,所述馈电SMA接头10与所述罗特曼透镜网络电连接；所述馈电网络层包括：馈电网络5,对所述天线阵列层进行馈电；所述天线阵列层包括：多个贴片天线单元1,呈阵列结构排列。本发明可在波束扫描方向形成较好的圆极化,实现了阵列天线的圆极化波束扫描。(The invention provides a circular polarization scanning array antenna based on a Rotman lens, which comprises: phase shift network layer, feed network layer and antenna array layer. The phase shift network layer includes: a power feed SMA connector 10 and a Rotman lens network, wherein the power feed SMA connector 10 is electrically connected with the Rotman lens network; the feed network layer includes: a feed network 5 for feeding the antenna array layer; the antenna array layer includes: the patch antenna units 1 are arranged in an array structure. The invention can form better circular polarization in the beam scanning direction, and realizes circular polarization beam scanning of the array antenna.)

基于罗特曼透镜的圆极化扫描阵列天线

技术领域

本发明涉及天线领域，具体地，涉及一种基于罗特曼透镜的圆极化扫描阵列天线。

背景技术

随着无线通信技术的快速发展，与移动卫星通信作为一种常用的通信情况变得越来越普遍。通常卫星和与之通信的车、船等的相对位置时刻发生变化，为此要求通信天线具有波束扫描能力。同时，圆极化天线可以接收任意极化波的特性对于移动卫星通信这种位置变动较为频繁的通信场合至关重要，圆极化可以一定程度上克服多径效应的影响。

经文献检索，John Huang 1986年在IEEE Transactions on Antennas andPropagat ion期刊上发表文章“A Technique for an Array to Generate CircularPolarization with Linearly Polarized Elements”，文中提出了一种利用线极化天线旋转得到圆极化的方法，并设计了相应的馈电网络进行实验验证。该方法常用于改善天线阵列的轴比和方向图对称性，广泛用于圆极化天线的设计，如发表在IEEE Transactions onAntennas and Propagat ion期刊的文章“A Wideband Sequential-Phase FedCircularly Polarized Patch Array”，发表在IEEE Antennas and WirelessPropagation Letters期刊的“Circularly-Polarized Focused Microstrip AntennaArrays”等都在圆极化天线单元的基础上应用旋转技术来得到更好的圆极化性能和更加对称的方向图。但是，以上所有的文献中均只考虑了在阵列的法向形成旋转的相位分布，所采用的馈电网络不适用于波束扫描的情况。常见的实现圆极化波束扫描的阵列中，要求天线单元具有较宽的轴比波束宽度以此来保证阵列大角度扫描时主瓣方向的轴比。另外，在天线阵列中由于耦合的影响，天线单元的轴比波束宽度不可避免的变窄。发表在IEEEAntennas and Wireless Propagat ion Letters期刊的文章“Wide-Beam CircularlyPolarized Microstrip Magnetic-Electric Dipole Antenna for Wide-Angle ScanningPhased Array”分析了阵列中天线单元轴比波束宽度的变化。可以看到，阵列中天线单元轴比波束宽度较窄，难以实现大角度的圆极化波束扫描。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于罗特曼透镜的圆极化扫描阵列天线。

根据本发明提供的一种基于罗特曼透镜的圆极化扫描阵列天线，包括：相移网络层、馈电网络层和天线阵列层；

所述相移网络层包括：馈电SMA接头10和罗特曼透镜网络，所述馈电SMA接头10与所述罗特曼透镜网络电连接；

所述馈电网络层包括：馈电网络5，对所述天线阵列层进行馈电；

所述天线阵列层包括：多个贴片天线单元1，呈阵列结构排列；

其中，所述馈电网络5分别将每一行或每一列的所述贴片天线单元1连接起来构成一个子阵；

所述子阵中，奇数位的贴片天线单元1的旋转角度相同且馈电相位相同，偶数位的贴片天线单元1的旋转角度相同且馈电相位相同，奇偶数位的贴片天线单元1的相位差为90度；

相邻的子阵与子阵之间的相位差为180度。

优选地，所述馈电网络5分别将每一行或每一列的所述贴片天线单元1奇数位贴片天线单元1连接在一起，将每一行或每一列的所述贴片天线单元1偶数位贴片天线单元1连接在一起。

优选地，所述馈电网络5将相邻的奇数位贴片天线单元1呈树状结构两两连接在一起，所述馈电网络5将相邻的偶数位贴片天线单元1呈树状结构两两连接在一起。

优选地，矩形排列的每四个贴片天线单元1为一个小矩阵，所述小矩阵中的四个贴片天线单元1的旋转角度各不相同，每个贴片天线单元1相对小矩阵中相邻的贴片天线单元1旋转90度，分别为270度、180度、90度、0度。

优选地，所述罗特曼透镜网络包括：

罗特曼透镜地板7；

罗特曼透镜介质板8：设置于所述罗特曼透镜地板7上表面；

罗特曼透镜9，设置于所述罗特曼透镜介质板8上表面。

优选地，所述馈电网络层还包括：

上层介质板4：设置于所述馈电网络5上侧；

下层介质板6：设置于所述馈电网络5下侧；

所述馈电网络通过所述上层介质板4、所述馈电网络5和所述下层介质板6压合而成。

优选地，所述上层介质板4和所述下层介质板6包括半固化片。

优选地，所述天线阵列层还包括：

天线介质板2：所述贴片天线单元1设置于所述天线介质板2上。

优选地，所述罗特曼透镜网络的输出端通过等相位传输线分别与所述子阵连接。

优选地，所述罗特曼透镜网络为微带结构。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明可在波束扫描方向实现旋转相位分布(270°、180°、90°、0°)，即实现了圆极化的波束扫描。

2、本发明设计了新型的馈电网络，以实现旋转相位。

3、本发明通过多层板压合技术实现了Rotman透镜天线低剖面。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明天线阵列的俯视图；

图3为本发明带状线馈电网络的俯视图；

图4为本发明罗特曼透镜网络的俯视图；

图5-8为本发明旋转相位的原理图；

图9为本发明罗特曼透镜输出幅度和相位分布图；

图10为本发明透镜馈电端反射系数和隔离度图；

图11为本发明罗特曼透镜不同端口馈电时的方向图；

图12为本发明波束扫描到不同方向的轴比和增益。

图中：1-贴片天线单元，2-天线介质板，3-天线地板，4-上层介质板，5-馈电网络，6-下层介质板，7-罗特曼透镜地板，8-罗特曼透镜介质板，9-罗特曼透镜，10-馈电SMA接头。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明应用于通信技术领域，比如车载卫星通信等。天线整体为平面型结构，方便与载体共形。Rotman透镜的不同波端口对应不用的波束指向，通过切换Rotman透镜的馈电端口可以切换波束指向。

如图1至图4所示，本发明提供的一种基于罗特曼透镜的圆极化扫描阵列天线，整体为平面多层结构，从上到下依次为采用旋转技术的天线阵列层、馈电网络层和相移网络层。各层通过半固化片进行压合，整个天线厚度为3.2mm。天线阵旋转技术请参考JohnHuang的论文“A Technique for an Array to Generate Circular Polarization withLinearly Polarized Elements”，文中给出了天线单元和子阵的旋转规则。馈电网络设计参考图3和图5-8，由图5-8得到每个行(或者列)子阵中每个单元的馈电相位。参考图3可设计满足旋转相位要求的馈电网络，馈电网络不限于带状线结构。Rotman透镜设计请参考W.ROTMAN的论文“Wide-Angle Microwave Lens for Line Source Applications”，文中给出了透镜的设计原理和实现方法。

相移网络层包括：馈电SMA接头10和罗特曼透镜网络，馈电SMA接头10与罗特曼(Rotman)透镜网络电连接。罗特曼透镜网络包括：罗特曼透镜地板7、罗特曼透镜介质板8和罗特曼透镜9。罗特曼透镜介质板8设置于罗特曼透镜地板7上表面，罗特曼透镜9设置于罗特曼透镜介质板8上表面。

馈电网络层包括：馈电网络5、上层介质板4和下层介质板6。馈电网络5对天线阵列层进行馈电，上层介质板4设置于馈电网络5上侧，下层介质板6设置于馈电网络5下侧，馈电网络通过上层介质板4、馈电网络5和下层介质板6压合而成。

天线阵列层包括：多个贴片天线单元1和天线介质板2，贴片天线单元1设置于天线介质板2上。多个贴片天线单元1，呈阵列结构排列。贴片天线单元1可为线极化单元也可为圆极化单元。

其中，馈电网络5分别将每一行或每一列的贴片天线单元1连接起来构成一个子阵。子阵中，奇数位的贴片天线单元1的旋转角度相同且馈电相位相同，偶数位的贴片天线单元1的旋转角度相同且馈电相位相同，奇偶数位的贴片天线单元1的相位差为90度。相邻的子阵与子阵之间的相位差为180度。罗特曼透镜网络为微带结构，罗特曼透镜网络的输出端通过等相位传输线分别与子阵连接。

馈电网络5分别将每一行或每一列的贴片天线单元1奇数位贴片天线单元1连接在一起，将每一行或每一列的贴片天线单元1偶数位贴片天线单元1连接在一起。馈电网络5将相邻的奇数位贴片天线单元1呈树状结构两两连接在一起，馈电网络5将相邻的偶数位贴片天线单元1呈树状结构两两连接在一起。矩形排列的每四个贴片天线单元1为一个小矩阵，小矩阵中的四个贴片天线单元1的旋转角度各不相同，每个贴片天线单元1相对小矩阵中相邻的贴片天线单元1旋转90度，分别为270度、180度、90度、0度。

本发明实现圆极化波束扫描的工作原理如下：

如图5为采用旋转技术的圆极化天线阵列，由John Huang 1986年在IEEETrans.Antennas Propag.期刊上发表的文章“A Technique for an Array to GenerateCircular Polarization with Linearly Polarized Elements”中首次提出。旋转技术中每4个单元构成一个子阵，每个单元相对前一个单元旋转90°，子阵也相对前一个子阵旋转90°。由此方法得到的阵列可以得到较好的圆极化性能，其对应的常用的馈电网络如图6两种。此两种网络可以在天线阵的法向形成旋转的相位分布，从而在法向获得较好的圆极化性能。但由于天线单元间的相位不可调节，因此不适用于波束扫描的情况。

图7给出了本发明提出的适用于波束扫描的圆极化天线阵列馈电网络，将图5(a)中的单元馈电相位和子阵的馈电相位相加则得到图5(b)中的馈电相位。可以看到，对于单个行(或者列)，奇数(或者偶数)号单元的旋向一致且馈电相位相同。因此，提出了图7中的新的馈电网络。该网络将单个行(或者列)作为一个子阵，将奇数号单元和偶数号单元分别连起来，并在奇偶数号单元间添加90°相位差，使得子阵构成圆极化。为了满足旋转技术的相位分布，子阵与子阵之间需添加180°的相位差。图8给出了波束扫描时等相位面上的相位分布。可以看到，采用提出的馈电网络后，子阵间的相位差可以任意调节，因此可以使得波束指向任意方向。同时，在等相位面上，相位仍然满足旋转相位的要求。因此，该网络适用于圆极化的波束扫描。

为了实现波束扫描，本发明采用了Rotman透镜来提供波束扫描所需的相位差。如图1，Rotman透镜产生子阵扫描所需的相差，再由所设计的子阵提供旋转的相位分布。实现了在扫描的波束等相位面上形成旋转相位分布。

如图9所示是Rotman透镜的输出幅度和相位，可以看到，Rotman透镜可以提供波束扫描所需的幅度和相位差。

如图10所示是Rotman透镜输入端口的反射系数和波端口1和其它波端口的隔离度。反射系数和隔离度均小于-10dB。

如图11所示是波束扫描的仿真结果。可以看到，波束扫描范围达到了±44°。

如图12所示为波束扫描时的轴比和增益。可以看到，在波束扫描方向轴比均小于3dB。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。