CN101814660B

CN101814660B - 平板反射阵天线

Info

Publication number: CN101814660B
Application number: CN 201010148738
Authority: CN
Inventors: 吴知航; 王岩; 刘素芹; 符道临; 谢庆南; 潘军
Original assignee: Comba Telecom Systems China Ltd
Current assignee: Comba Telecom Systems Guangzhou Co Ltd; Tianjin Comba Telecom Systems Co Ltd
Priority date: 2010-04-15
Filing date: 2010-04-15
Publication date: 2013-03-20
Anticipated expiration: 2030-04-15
Also published as: CN101814660A

Abstract

一种平板反射阵天线，其包括以下组件：金属底板；安装在所述金属底板顶部并与金属底板平行的介质板；通过支撑柱支撑于所述介质板上并且与介质板及金属底板平行并隔开一定距离的极化栅板；安装在所述金属底板的周缘以便将介质板及极化栅板围起来的吸波材料围边；与所述金属底板扣合安装起来以便将所述介质板、极化栅板及吸波材料围边包围起来的天线罩；及安装在金属底板底部中央并且穿过所述金属底板及介质板的馈源。该天线具有馈电简单、增益高、方向图包络好、频带宽、体积小、重量轻、易安装等优点。可用于微波通信、卫星通信等领域。

Description

平板反射阵天线

【技术领域】

本发明涉及一种高增益天线，尤其涉及一种平板反射阵天线。

【背景技术】

现有的高增益天线主要有两种类型，一种是阵列天线，另一种是反射面天线。

阵列天线是按照一定幅度和相位进行分配的多个天线组合，这种天线组合激励多个辐射单元，从而实现了信号的高增益。各辐射单元的激励幅度和相位由馈电网络控制。通常，天线信号的增益要求越高，所需的辐射单元数目就越多，这样就导致馈电网络越复杂。复杂的馈电网络会一方面会增大电气设计和物理布局的难度，导致结构设计和重量方面的不利影响，另一方面复杂的馈电损耗会降低阵列天线的效率，尤其在高频段严重到不再实用。

另一种高增益天线是反射面天线，这种天线分为空馈的抛物面天线和平面反射阵天线，其能将由馈源发出的宽角域波束聚束反射形成窄波束，从而实现高增益。反射面天线虽然省去了复杂的馈电网络，然而其置于反射面前方焦点处的馈源使得天线的整体轮廓高度达数倍工作波长。因此，其立体结构导致安装和携带麻烦。

综上所述，现有的两种高增益天线虽然都可以实现较高的增益，但是其各自的缺点严重制约了其本身的推广发展。

【发明内容】

本发明提供一种馈电简单、损耗低、轮廓低且准平面的高增益天线。该天线在无需馈电网络的情况下，增益高于20dBi，天线效率高达60％。此外，该天线还具有旁瓣低、前后比高、频带宽、体积小、重量轻、易安装等优点。

为此，本发明采用如下技术方案：

一种平板反射阵天线，包括：金属底板；安装在所述金属底板顶部并与金属底板平行的介质板；通过支撑柱支撑于所述介质板上并且与介质板及金属底板平行并隔开一定距离的极化栅板；安装在所述金属底板的周缘以便将介质板及极化栅板包围起来的吸波材料围边；与所述金属底板扣合安装起来以便将所述介质板、极化栅板及吸波材料围边包围起来的天线罩；及安装在金属底板底部中央并且穿过所述金属底板及介质板的馈源。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、与阵列天线比较，因为本发明所述天线只有一个馈电点，因此免去了现有技术阵列天线中的馈电网络，简化了天线的设计流程，在普通阵列天线中，馈电网络均具有一定损耗，而由于本发明所述天线采用空间耦合馈电，避免了馈电损耗；所采用的吸波材料围边抑制了横向和后向电磁波泄漏，从而改善了天线的辐射方向图包络，尤其是前后比性能。

2、与反射面天线比较，本发明所述天线具有低剖面、平面轮廓、结构轻便以及易安装等优点。因为现有技术反射面天线的轮廓高度包括焦距以及反射面和馈源本身的高度，总高度达数倍甚至数十倍波长。与同等增益的反射面天线对比，本发明所述天线的口径尺寸与其相当，但是剖面高度仅为前者的1/3到1/2。

【附图说明】

图1是本发明平板反射阵天线的剖面示意图。

图2是本发明平板反射阵天线的立体分解图。

图3是本发明平板反射阵天线的馈源结构图。

图4a是本发明平板反射阵天线的极化栅板的俯视图。

图4b是图4a所示极化栅板的侧视图。

图5是本发明平板反射阵天线的介质板的结构图。

图6是本发明平板反射阵天线的辐射原理示意图。

图7给出了本发明平板反射阵天线的“回波损耗-频率”响应曲线。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

参考图1-图7，本发明提供一种平板反射阵天线，其包括金属底板1、安装在所述金属底板1顶部并与金属底板1平行的介质板2、通过支撑柱7支撑于所述介质板2上并且与介质板2及金属底板1平行并隔开一定距离的极化栅板4、安装在所述金属底板1的周缘以便将介质板2及极化栅板4包围起来的吸波材料围边5、与所述金属底板1扣合安装起来以便将所述介质板2、极化栅板4及吸波材料围边5包围起来的天线罩6及安装在所述金属底板1底部中央并且穿过所述金属底板1及介质板2的馈源3。

优选地，所述介质板2与金属底板1之间的间隙采用空气或泡沫填充。

参考图3，所述馈源3包括圆形波导管3-1及形成于所述圆形波导管3-1顶部的馈源头3-2。所述圆形波导管3-1内形成多层台阶3-1-1，以便起阻抗匹配作用。所述馈源头3-2的内部形成一个或多个槽3-2-1，以便起调节馈源辐射方向图的作用，且槽3-2-1的外围水平端面比圆形波导管3-1的端面略高，以此减少金属底板1和介质层2对馈源3性能的影响。

所述金属底板1上开设安装孔12，所述馈源3的馈源头3-2穿过所述安装孔12。

类似地，所述介质板2上也开设类似于安装孔12的通孔22，所述馈源3的馈源头3-2穿过所述通孔22，并且与所述介质板2互相固定。并且，所述介质板2上固定有多个金属贴片2-1。优选地，所述介质板2的正面和反面均固定有多个金属贴片2-1。进一步优选地，金属贴片2-1为矩形金属贴片。

所述介质层2能将照射到介质层2上面的宽波束电磁波聚焦成窄波束反射并将极化正交旋转。极化旋转原理是：贴片2-1为矩形贴片，矩形的长边和宽边的长度不同，则对应的反射相位也不同，适当调节贴片的长宽比，可使长边和宽边的反射相位相差180度，从而实现极化正交旋转；相位补偿原理是：由馈源照射到介质板2上不同位置贴片2-1的路程不同，即对应的照射相位不同，根据不同的照射相位设计合适的贴片尺寸，使介质板2上所有贴片2-1的反射波同相位或者相差360度的整数倍，从而将入射的宽波束聚焦成窄波束反射，即实现相位补偿。

优选地，所述圆形波导管3-1上设置有多个调节螺钉3-1-2，以便可以灵活调节天线的阻抗匹配。

参考图4a-4b，所述极化栅板4由一组周期性排列的金属条构成。此外，所述极化栅板4的中央设置有调节块4-3。优化设计调节块4-3的形状和尺寸可改善天线的阻抗匹配性能，其工作原理是：由馈源3发出的电磁波经极化栅板4反射，有部分能量将被馈源吸收，这部分吸收能量极大地恶化了天线的阻抗匹配性能；调节块4-3的作用是调节被馈源吸收部分能量的幅度和相位，使总吸收能量矢量叠加后对消，从而改善阻抗匹配性能。如图7所示，在极化栅板4中央附加一调节块4-3后，馈源的回波损耗在频带内小于-19dB。优选地，所述调节块4-3具有圆柱、长方体或圆锥形状。

吸波材料围边5为环带吸波材质条带，其位于极化栅板4和金属底板1之间的侧围。所述吸波材料围边5能极大地改善天线的辐射包络，尤其是前后比性能，其原理是：吸波材料围边5能将从天线侧边泄露的能量吸收，降低了天线的后向辐射，从而改善了天线远旁瓣和前后比性能。

本发明平板反射阵天线各个部件的具体结构参数可通过以下措施来确定：

第一步，在介质板2上附几层金属贴片2-1，如果附两层或多层，要确定每层之间贴片的大小比例，确定介质板2的厚度，介质板2与金属底板1之间的高度，介质板2上贴片的间隔周期，极化栅板4距介质板2的高度h。由图6可知，h＝H/2，H由反射阵面的大小和馈源的相位中心确定，虚源和馈源的相位中心关于极化栅板对称。

第二步，确定馈源3，根据反射阵天线的效率及方向图包络，选择合适馈源的辐射方向图，包括幅度方向图和相位方向图。

第三步，确定极化栅板4，由于极化栅板4附着在介质板2上，这样在设计极化栅板时，一方面会有一定的损耗，另一方面会带来一定的反射，所以在设计极化栅板时，损耗和反射要折中考虑。

第四步，计算介质板2附着贴片的尺寸。由图6可知，贴片2-1为矩形贴片，矩形的长边和宽边的长度不同，则对应的反射相位也不同，适当调节贴片的长宽比，可使长边和宽边的反射相位相差180度，从而实现极化正交旋转；由馈源照射到介质板2上不同位置贴片2-1的路程不同，即对应的照射相位不同，根据不同的照射相位设计合适的贴片尺寸，使介质板2上所有贴片2-1的反射波同相位或者相差360度的整数倍，从而将入射的宽波束聚焦成窄波束反射，即实现相位补偿。

第五步，以上四步所得为天线的初始值，对天线进行整体仿真，计算各项性能，同时提取出天线近场口面电场的幅度和相位，比较天线性能和指标的差异，有选择地调节相关参数，直到天线的各项性能满足指标要求。

本发明可延拓涵盖：

由单片或多片介质构成的介质层2，起与本发明所述相同的功能，即同时实现波束聚焦和极化正交旋转；无吸波材料围边5或者吸波材料围边5由金属围边取代；极化栅板4采用塑料材料，其表面用电镀等工艺金属化，其与本发明所述极化栅板4相同的功能。

参考图1-6，本发明天线的辐射原理如下：馈源3发出线极化电磁波，且其极化方向与极化栅板4的栅格42平行，因此极化栅板4将电磁波全反射并照射到介质层2上；照射到介质层2的电磁波为发散波束，经介质层2聚焦反射并实现极化正交旋转；经介质层2聚焦反射的波束再次照射到极化栅板4，由于此时聚焦波束的极化方向与极化栅板4的栅格42方向垂直，因此波束将全部透射出极化栅板4而实现天线的对外辐射。

Claims

1.一种平板反射阵天线，其特征在于包括：

金属底板；

安装在所述金属底板顶部并与金属底板平行的介质板；

通过支撑柱支撑于所述介质板上并且与介质板及金属底板平行并隔开一定距离的极化栅板；

安装在金属底板的周缘以便将介质板及极化栅板包围起来的吸波材料围边；

与所述金属底板扣合安装起来以便将所述介质板、极化栅板及吸波材料围边围起来的天线罩；及

安装在金属底板底部中央并且穿过所述金属底板及介质板的馈源。

2.根据权利要求1所述的平板反射阵天线，其特征在于：所述介质板与金属底板之间的间隙采用空气或泡沫填充。

3.根据权利要求1所述的平板反射阵天线，其特征在于：所述馈源包括圆形波导管及形成于所述圆形波导管顶部的馈源头，所述圆形波导管内形成多层台阶，所述馈源头的内部形成一个或多个槽，且槽的外围水平端面比圆形波导管的端面高。

4.根据权利要求3所述的平板反射阵天线，其特征在于：所述金属底板上开设安装孔，所述馈源的馈源头穿过所述安装孔。

5.根据权利要求3所述的平板反射阵天线，其特征在于：所述介质板上开设通孔，所述馈源的馈源头穿过所述通孔，并且与所述介质板互相固定。

6.根据权利要求5所述的平板反射阵天线，其特征在于：所述介质板上固定有多个金属贴片。

7.根据权利要求6所述的平板反射阵天线，其特征在于：所述介质板的正面和反面均固定有金属贴片，并且金属贴片为矩形金属贴片。

8.根据权利要求1所述的平板反射阵天线，其特征在于：所述极化栅板由一组周期性排列的金属条构成。

9.根据权利要求8所述的平板反射阵天线，其特征在于：所述极化栅板中央设置有调节块。

10.根据权利要求1所述的平板反射阵天线，其特征在于：所述吸波材料围边为环带吸波材质条带，其位于极化栅板和金属底板之间的侧围。

11.根据权利要求9所述的平板反射阵天线，其特征在于：所述调节块具有圆柱、长方体或圆锥形状。