本發(fā)明涉及一種連續(xù)二維波束頻率掃描圓極化天線及其設(shè)計(jì)方法，屬于微波與天線，主要用于通信感知一體化無線系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、車載通信等通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，對天線的波束掃描性能提出了更高要求。與線極化天線相比，圓極化(circularly?polarized,cp)由于能有效地減少多徑干擾和不對準(zhǔn)引起的極化失配損失而被廣泛應(yīng)用于許多無線通信系統(tǒng)中。因此，二維圓極化波束掃描天線的實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)代通信技術(shù)中具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。目前，二維波束掃描天線主要基于機(jī)械掃描、相控陣列、反射陣列、超表面等方式實(shí)現(xiàn)。機(jī)械掃描通過機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)天線指向的變化，但其響應(yīng)速度較慢，不適用于快速變化的通信環(huán)境。相控陣天線通過控制每個(gè)陣列單元的相位來實(shí)現(xiàn)波束的掃描，具有快速響應(yīng)速度和靈活的波束控制能力，但其復(fù)雜的硬件結(jié)構(gòu)和高成本限制了在大規(guī)模應(yīng)用中的推廣。反射陣列天線利用反射面來控制波束方向，具有較高的方向性和波束控制能力，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高，且受到尺寸和重量的限制，如發(fā)明名稱為“一種基于液晶的ka波段二維波束掃描折疊反射陣天線”。超表面天線利用人工設(shè)計(jì)的周期性結(jié)構(gòu)來控制波束，具有較小的尺寸和重量，但目前在工程實(shí)踐中仍面臨著制造難度和寬頻帶設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)，如發(fā)明名稱為“一種寬頻大角度掃描的二維多波束超表面天線”。盡管上述方式實(shí)現(xiàn)的二維波束掃描天線在提供波束控制能力方面取得了一定的成功，但它們也存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大、成本高、設(shè)計(jì)方法局限等缺點(diǎn)，限制了其在某些領(lǐng)域的應(yīng)用。

2、鑒于此，有必要提出一種更加簡化、高效、靈活的連續(xù)二維波束頻率掃描圓極化天線設(shè)計(jì)方法，以推動(dòng)二維波束頻率掃描圓極化天線技術(shù)在各種通信系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，為未來的無線通信技術(shù)發(fā)展提供重要支持。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種連續(xù)二維波束頻率掃描圓極化天線及其設(shè)計(jì)方法，該天線具有簡單的貼片結(jié)構(gòu)、清晰的數(shù)理原理，可實(shí)現(xiàn)方位面250°、俯仰面45°的連續(xù)二維波束頻率掃描能力。

2、本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

3、一方面，本發(fā)明提供一種連續(xù)二維波束頻率掃描圓極化天線的設(shè)計(jì)方法，所述設(shè)計(jì)方法包括：

4、確定第一高階諧振模式，所述第一高階諧振模式用于表征天線工作頻段的第一諧振；

5、確定所述扇環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)上是否存在第一高階諧振模式，所述扇環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)為天線輻射單元結(jié)構(gòu)；

6、若所述扇環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)上存在第一高階諧振模式，則調(diào)整所述扇環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)的外圓弧弧長及內(nèi)外圓弧弧長比值以在扇環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)上形成第一高階諧振模式。

7、確定第二高階諧振模式，所述第二高階諧振模式用于表征天線工作頻段的第二諧振；

8、確定所述扇環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)上是否存在第二高階諧振模式，若所述扇環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)上存在第二高階諧振模式，則調(diào)整所述扇環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)的外圓弧弧長及內(nèi)外圓弧弧長比值以在扇環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)上形成第二高階諧振模式。

9、確定所述扇環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)在所述第二高階諧振模式下的貼片表面電流分布，所述貼片表面電流分布用于確定所述第二高階諧振模式的所述擾動(dòng)結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)位置；

10、確定所述扇環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)在所述第一奇階諧振模式下的貼片表面電流分布，所述貼片表面電流分布用于確定所述扇環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)的激勵(lì)信號(hào)的激勵(lì)位置；

11、確定接地結(jié)構(gòu)，所述接地結(jié)構(gòu)為所述的激勵(lì)信號(hào)提供物理接地；

12、確定短路結(jié)構(gòu)，所述短路結(jié)構(gòu)用于所述扇環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)的半徑端及內(nèi)弧端與所述接地結(jié)構(gòu)相連接。

13、另一方面，本發(fā)明提供一種連續(xù)二維波束頻率掃描圓極化天線，所述天線由上所述設(shè)計(jì)方法獲得，包括：

14、所述扇環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)設(shè)置于所述接地結(jié)構(gòu)的上方，且與所述接地結(jié)構(gòu)平行；

15、所述扇環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)通過所述短路結(jié)構(gòu)與所述接地結(jié)構(gòu)相連；

16、所述扇環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)和所述擾動(dòng)結(jié)構(gòu)用于形成第一高階諧振模式和第二高階諧振模式；

17、所述激勵(lì)信號(hào)位于所述扇環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)的貼片表面電流分布的角平分線上，并與所述扇環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)和所述接地結(jié)構(gòu)連接。

18、所述第一高階諧振模式用于表征天線工作頻段的第一諧振，所述第二高階諧振模式用于表征天線工作頻段的第二諧振。

19、所述扇環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)外弧的長度為所述天線工作頻段中心頻率對應(yīng)波長的1.5倍；所述扇環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)的外、內(nèi)圓弧的弧長的比值大于2。

20、所述擾動(dòng)結(jié)構(gòu)相對于所述扇環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)的角平分線對稱。

21、所述扇環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)與所述接地結(jié)構(gòu)之間填充空氣介質(zhì)。

22、所述激勵(lì)信號(hào)與所述扇環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)圓心之間的距離范圍為所述扇環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)內(nèi)徑的1.07倍至所述扇環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)外徑的0.99倍。

23、天線所采用的諧振模式為所述第一高階諧振模式和所述第二高階諧振模式(α為所述扇環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)圓心角)。

24、本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

25、(1)天線在方位面、俯仰面內(nèi)具有圓極化波束掃描能力，即在方位面可實(shí)現(xiàn)-90°～160°波束掃描范圍，在俯仰角可實(shí)現(xiàn)5°～50°波束掃描范圍。

26、(2)天線采用的貼片結(jié)構(gòu)簡單，在單個(gè)貼片結(jié)構(gòu)上合理靈活地調(diào)控兩個(gè)高階模式實(shí)現(xiàn)圓極化波束的連續(xù)頻率掃描能力，有效地減小了傳統(tǒng)天線陣列實(shí)現(xiàn)連續(xù)二維波束頻率掃描性能的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度。同時(shí)，具有低剖面、高增益、易于加工、便于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)特征：

1.一種連續(xù)二維波束頻率掃描圓極化天線設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的方法，其特征在于，所述方法包括：

4.一種連續(xù)二維波束頻率掃描圓極化天線，其特征在于，包括：

5.如權(quán)利要求4所述的一種連續(xù)二維波束頻率掃描圓極化天線，其特性在于：所述第一高階諧振模式用于表征天線工作頻段的第一諧振，所述第二高階諧振模式用于表征天線工作頻段的第二諧振。

6.如權(quán)利要求4所述的一種連續(xù)二維波束頻率掃描圓極化天線，其特性在于：所述扇環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)外弧的長度為所述天線工作頻段中心頻率對應(yīng)波長的1.5倍；所述扇環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)的外、內(nèi)圓弧的弧長的比值大于2。

7.如權(quán)利要求4所述的一種連續(xù)二維波束頻率掃描圓極化天線，其特性在于：所述擾動(dòng)結(jié)構(gòu)相對于所述扇環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)的角平分線對稱。

8.如權(quán)利要求4所述的一種連續(xù)二維波束頻率掃描圓極化天線，其特性在于：所述扇環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)與所述接地結(jié)構(gòu)之間填充空氣介質(zhì)。

9.如權(quán)利要求4所述的一種連續(xù)二維波束頻率掃描圓極化天線，其特性在于：所述激勵(lì)信號(hào)與所述扇環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)圓心之間的距離范圍為所述扇環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)內(nèi)徑的1.07倍至所述扇環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)外徑的0.99倍。

10.如權(quán)利要求1和2所述的方法，其特性在于：天線所采用的諧振模式為所述第一高階諧振模式和所述第二高階諧振模式(α為所述扇環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)圓心角)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種連續(xù)二維波束頻率掃描圓極化天線及其設(shè)計(jì)方法，其中，方法包括：確定第一高階諧振模式，所述第一高階諧振模式用于表征天線工作頻段的第一諧振；確定所述扇環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)上是否存在第一高階諧振模式，所述扇環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)為天線輻射單元結(jié)構(gòu)；若所述扇環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)上存在第一高階諧振模式，則調(diào)整所述扇環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)的外圓弧弧長及內(nèi)外圓弧弧長比值以在扇環(huán)形貼片結(jié)構(gòu)上形成第一高階諧振模式。

技術(shù)研發(fā)人員：郁劍
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6