CN103762423A - 一种基于旋转相移表面技术的反射阵列天线波束扫描天线 - Google Patents
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Abstract
本发明设计了一种基于旋转相移表面技术的反射阵列波束扫描天线，该反射阵列波束扫描天线包括馈源天线（401）和反射阵列平板（301）；反射阵列平板（301）包括偏波束微带反射阵列层（101）和高透过率相移表面层（201）；偏波束微带反射阵列层（101）是能够实现馈源波束偏转的微带反射阵平板，高透过率相移表面层（201）是能够实现平面波波束偏转的相移表面平板；两者间以一定空气间隔层叠组装成反射阵列平板（301）；馈源天线（401）采用正馈式；以反射阵列平板（301）中心轴为轴分别旋转两层能实现天线波束的扫描。本发明结构简单，易于制作，对任意极化的电磁波都具有响应，适用于发射和接收任意极化的电磁波，可承载高功率。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域，提供了一种基于旋转相移表面技术的反射阵列波束扫描天线。
背景技术
超材料是近十年来迅速发展起来的对电磁波具有调制作用的人工电磁材料，而这种材料通常是在商用介质基板上面刻制由金属微结构单元组成的金属图案，金属微结构单元通常采用环形、圆形、方形，工字形结构等，将这些金属微结构按一定周期排列组合成的金属图案对作用在其表面的电磁波具有一定的调制作用。
传统的地面卫星接收天线通常采用抛物面反射天线，但是由于其精度要求高，曲面加工难度大，同时曲面天线不易携带，运输也不方便。目前也有采用基于超材料构造的反射面阵列天线。
微带反射阵列天线通常由微带贴片单元组成的平面阵列，加工采用传统的PCB印刷工艺，其制作简单，质量轻，平面的结构的优点。微带贴片单元的尺寸与其反射相位有关。利用相位补偿技术合理安排微带贴片单元在平面内的尺寸分布可制作具有一定功能的微带反射面阵列天线（如：波束赋形天线，高增益低副瓣天线）。这种阵列天线相比相控阵天线具有低损耗和质量轻的优点。但是反射面阵列天线缺乏实现波束动态扫描的能力。为实现反射面阵列天线波束扫描的能力，一种方法是在微带贴片单元中引入电控元件，如引入MEMS开关、二极管以及功能性材料（铁氧体），通过控制电控元件参数来改变微带贴片单元的反射相位值。这种相位控制技术引入的电控元件使得单元的损耗增大，特别是在高频段。
近年来，相移表面技术被提出，利用这种技术构造的超材料具有实现电磁波的空间相位延迟的功能。它具有平面结构，低损耗，质量轻的优点。利用相移表面技术，可以用来制作相移表面透镜替代传统的介质透镜，这种透镜具有了相移结构表面的轻、薄、低损耗的优点，能够采用传统的PCB印刷工艺制作。根据双介质透镜的波束扫描原理，采用相移表面技术构造旋转相移表面透镜替代双介质透镜，通过旋转相移表面透镜实现波束扫描。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的上述不足，利用旋转相移表面技术，提出一种基于相移表面技术的反射阵列平板，该反射阵列平板由一层偏波束微带反射阵列层和高透过率相移表面层组成，通过旋转这两个相移表面层来实现波束扫描。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种基于旋转相移表面技术的反射阵列天线波束扫描天线，反射阵列波束扫描天线包括馈源天线以及反射阵列平板；反射阵列平板包括偏波束微带反射阵列层和高透过率相移表面层；偏波束微带反射阵列层是能够实现馈源波束偏转的微带反射阵平板，高透过率相移表面层是能够实现平面波波束偏转的相移表面平板；两者间以一定空气层层叠组装成反射阵列平板；馈源天线采用正馈式；以反射阵列平板的中心轴为轴分别旋转偏波束微带反射阵列层和高透过率相移表面层就能实现天线波束的扫描。
其中，馈源天线采用传统的抛物面天线的馈源天线作为馈源，如：矩形喇叭、圆喇叭或波纹喇叭。
其中，偏波束微带反射阵列层是能够实现馈源波束偏转的微带反射阵平板；微带反射阵平板的阵列单元所需的相位补偿量：
（下标号i，j分别为阵列单元所在行列的编号）；
表示偏波束微带反射阵列层阵列单元实现波束偏转所需的相位补偿量。
其中，高透过率相移表面层是能够实现平面波波束偏转的相移表面平板。相移表面平板的阵列单元只提供实现平面波波束偏转的相位补偿量
（下标号i，j分别为阵列单元所在行列的编号）；考虑到电磁波经过偏波束微带反射阵列层的一次反射和高透过率相移表面层的两次透射，最终高透过率相移表面层阵列单元提供的相位补偿量为：
其中，偏波束微带反射阵列层能够实现馈源的主波束方位角与X轴的夹角为ψ1，而高透过率相移表面层能够实现平面波束偏转的主波束方位角与X轴的夹角为ψ2，由此可以得到基于旋转相移表面技术的反射面阵列天线波束扫描天线的波束方位角
以及
基于旋转相移表面技术的反射面阵列天线波束扫描天线的波束俯仰角：
其中λ为工作频率的自由空间波长，d为阵列单元的周期，θ1为馈源电磁波直接经高反相移表面层反射后的主波束俯仰角度，θ2为平面电磁波经高透过率相移表面层一次透射后的主波束俯仰角度；当偏波束微带反射阵列层和高透过率相移表面层的主波束偏转的方位角发生改变时，其波束方位角由ψ变成ψ'，ξ变成ξ'；由此得到波束俯仰角为：
其中，偏波束微带反射阵列层上面的微带贴片单元具有电磁极化响应对称的特性。微带贴片采用正方形、圆形、圆环、十字等对称结构或者其组合形式。高透射率相移表面层上面的相移表面单元也具有电磁极化响应对称的特性，相移表面单元微带形状同样可采用正方形、圆形、圆环、十字等对称结构或者其组合形式。
本发明的有益效果为：
（1）本发明结构简单，相移表面层均为平面结构，易于制作，利用PCB加工工艺就可以制作，而这种加工工艺现在已经非常成熟。
（2）本发明中，相移表面层的金属微结构单元均为对称结构，对任意极化的电磁波都具有响应。所以本发明适用于发射和接收任意极化的电磁波。
（3）本发明可通过旋转高透过率相移表面层201和偏波束微带反射阵列层101，来改变它们相位变化方向实现天线波束的动态扫描。
（4）本发明的相移表面平板是一种无源器件，因而可承载高功率。
附图说明
图1为本发明基于旋转相移表面技术的反射面阵列波束扫描天线整体侧视图。
图2为本发明基于旋转相移表面技术的反射面阵列波束扫描天线的偏波束微带反射阵列层（101）的单元结构的侧视图及俯视图。
图3为本发明基于旋转相移表面技术的反射面阵列波束扫描天线高透过率相移表面层（201）的单元结构的侧视图及俯视图。
图4为本发明基于旋转相移表面技术的反射面阵列波束扫描天线扫描原理图。
图5为本发明基于旋转相移表面技术的反射面阵列波束扫描天线的远场辐射场的二维分布1图。
图6为本发明基于旋转相移表面技术的反射面阵列波束扫描天线的远场辐射场的二维分布2图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。而且本领域技术人员从以下的一个实施例即可实现权利要求中的全部内容。
图1为本发明基于旋转相移表面技术的反射阵列波束扫描天线整体侧视图，该天线包括馈源天线401和由偏波束微带反射阵列层101及高透过率相移表面层201组成的相移表面平板。
图2为本发明基于旋转相移表面技术的反射阵列波束扫描天线偏波束微带反射阵列层101的单元结构的侧视图及俯视图。图中1#代表圆形商用介质基板，102、103为相移表面的金属结构，104为金属接地板。
图3为本发明基于旋转相移表面技术的反射阵列波束扫描天线的高透过率相移表面层201的单元结构的侧视图及俯视图。图中2#代表圆形商用介质基板，202为相移表面的圆形金属结构，蚀刻在上下两层介质表面，203、204为蚀刻在中间金属层的两种缝隙结构。该发明实例中金属结构采用覆铜结构，具体实现过程如下：
（1）选择圆形介质基板1#和2#的型号为Taconic-TLX8,相对介电常数εr为2.55，介质基板的高度h为1.524mm。
（2）偏波束微带反射阵列层101是能够实现馈源波束偏转的微带反射阵平板；微带反射阵平板的阵列单元所需的相位补偿量：
高透过率相移表面层201是能够实现平面波波束偏转的相移表面平板。相移表面平板的阵列单元只提供实现平面波波束偏转的相位补偿量
（下标号i，j分别为阵列单元所在行列的编号）；考虑到电磁波经过偏波束微带反射阵列层101的一次反射和高透过率相移表面层201的两次透射，最终高透过率相移表面层201阵列单元提供的相位补偿量为：
（3）该相位表面平板的具体制作过程如下：首先利用传统PCB板工艺，在介电常数为2.55，厚度为1.524mm的基板上蚀刻按步骤（2）设计的相移表面的金属结构，线性相移变化量设置为
相移表面平板的整体形状为半径140mm的圆形结构。本实例中采取的参数尺寸：
偏波束微带反射阵列层101的阵列单元结构的周期p为12mm，周期性金属环形结构102为满足相移要求，其外半径Rl的变化范围为2.6～4.6；内半径与外半径比值kl1取值为0.8；类十字103外半径满足Rl2＝kl2*Rl1；其中kl2的取值为0.7；中心十字长度Ll为3.728mm，宽度Wl为1mm。
高透过率相移表面层201的阵列单元结构周期p为12mm，上下两层的圆形金属结构202的半径Ru取值范围为2.8～3.7mm；中间层的金属环形缝隙203的外半径Ru1和内半径Ru2与圆形金属结构的半径的比率系数ku1为0.8和ku2为0.7；中间十字缝隙的长度Lu为3.73mm、宽度为Wu为0.8mm。
图4为本发明基于旋转相移表面技术的反射面阵列波束扫描天线扫描原理图。偏波束微带反射阵列层101能够实现馈源的主波束方位角与X轴的夹角为ψ1，而高透过率相移表面层201能够实现平面波束偏转的主波束方位角与X轴的夹角为ψ2，由此可以得到基于旋转相移表面技术的反射面阵列天线波束扫描天线的波束方位角以及
基于旋转相移表面技术的反射面阵列天线波束扫描天线的波束俯仰角：
其中λ为工作频率的自由空间波长，d为阵列单元的周期，θ1为馈源电磁波直接经偏波束微带反射阵列层101反射后的主波束俯仰角度，θ2为平面电磁波经高透过率相移表面层201一次透射后的主波束俯仰角度；当偏波束微带反射阵列层101和高透过率相移表面层201的主波束偏转的方位角发生改变时，其波束方位角由ψ变成ψ'，ξ变成ξ'；由此得到波束俯仰角为：
图5为本发明基于旋转相移表面技术的反射面阵列波束扫描天线的远场辐射场的二维分布1图。根据实例化数据，偏波束微带反射阵列层101实现馈源的主波束方位角与X轴的夹角ψ1=10°，而高透过率相移表面层201实现平面波束偏转的主波束方位角与X轴的夹角ψ2=90°，线性相位变化量为
通过微波仿真软件CST微波工作室进行仿真，给出了在频率为12.5GHz的远场辐射方向图的二维分布图。增益实现了24.68dB，其主波束方位角为40°俯仰角为30°，该仿真结果与理论很好的吻合。为了验证其扫描特性，将偏波束微带反射阵列层101的线性相移变化方向转化为ψ2=-30°。图6为本发明基于相移表面的反射式波束扫描天线的辐射场的二维分布2图。增益实现了25.0dB，其主波束方位角为30°俯仰角为20°，该仿真结果与理论吻合很好。
上面本发明的基于旋转相移表面技术的反射面阵列波束扫描天线，既可以作为发射天线亦可以作为天线接收器。作为发射天线其出射电磁波为平面波，而作为天线接收器，其实现平面在馈源处聚焦的特性。
以上描述的基于旋转相移表面技术的反射面阵列波束扫描天线可以根据工作的频段与使用环境的不同，设计出相应频段的馈源和相移表面材料。上面结合附图对本发明的实施进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明的宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (6)
1.一种基于旋转相移表面技术的反射阵列波束扫描天线，其特征在于：该反射阵列波束扫描天线包括馈源天线（401）以及反射阵列平板（301）；反射阵列平板（301）包括偏波束微带反射阵列层（101）和高透过率相移表面层（201）；偏波束微带反射阵列层（101）是能够实现馈源波束偏转的微带反射阵平板，高透过率相移表面层（201）是能够实现平面波波束偏转的相移表面平板；两者间以一定空气间隔层叠组装成反射阵列平板（301）；馈源天线（401）采用正馈式；以反射阵列平板（301）的中心轴为轴分别旋转偏波束微带反射阵列层（101）和高透过率相移表面层（201）就能实现天线波束的扫描。
2.根据权利要求1所述的一种基于旋转相移表面技术的反射阵列波束扫描天线，其特征在于：馈源天线（401）采用传统的抛物面天线的馈源天线作为馈源，具体为：矩形喇叭、圆喇叭或波纹喇叭。
3.根据权利要求1所述的一种基于旋转相移表面技术的反射阵列波束扫描天线，其特征在于：所述的偏波束微带反射阵列层（101）是能够实现馈源波束偏转的微带反射阵平板；微带反射阵平板的阵列单元所需的相位补偿量：
4.根据权利要求1所述的一种基于旋转相移表面技术的反射阵列波束扫描天线，其特征在于：所述的高透过率相移表面层（201）是能够实现平面波波束偏转的相移表面平板；相移表面平板的阵列单元只提供实现平面波波束偏转的相位补偿量
（下标号i，j分别为阵列单元所在行列的编号）；考虑到电磁波经过偏波束微带反射阵列层（101）的一次反射和高透过率相移表面层（201）的两次透射，最终高透过率相移表面层（201）阵列单元提供的相位补偿量为：
5.根据权利要求1所述的一种基于旋转相移表面技术的反射阵列波束扫描天线，其特征在于：所述偏波束微带反射阵列层（101），其能够实现馈源的主波束方位角与X轴的夹角为ψ1，而所述高透过率相移表面层（201），其能够实现平面波束偏转的主波束方位角与X轴的夹角为ψ2，可以得到基于旋转相移表面技术的反射面阵列天线波束扫描天线的波束方位角
以及
基于旋转相移表面技术的反射面阵列天线波束扫描天线的波束俯仰角：
其中λ为工作频率的自由空间波长，d为阵列单元的周期，θ1为馈源直接经过偏波束微带反射阵列层（101）反射后的主波束俯仰角度，θ2为平面电磁波经高透过率相移表面层（201）一次透射后的主波束俯仰角度；当偏波束微带反射阵列层（101）和高透过率相移表面层（201）的主波束偏转的方位角发生改变时，其波束方位角由ψ变成ψ'，ξ变成ξ'；由此得到波束俯仰角为：
6.根据权利要求1所述的一种基于旋转相移表面技术的反射阵列波束扫描天线，其特征在于：所述偏波束微带反射阵列层（101），其上面的微带贴片单元具有电磁极化响应对称的特性；微带贴片采用正方形、圆形、圆环、十字对称结构或者其组合形式；所述高透射率相移表面层（201），其上面的相移表面单元也具有电磁极化响应对称的特性，相移表面单元微带形状同样可采用正方形、圆形、圆环、十字对称结构或者其组合形式。
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