CN103985969A - 一种介质反射面天线的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种介质反射面天线的设计方法，由一个馈源和多层平面介质板组成；阵面通过相位调制，将馈源发出的宽角域波束聚集反射形成窄波束，从而实现高增益；采用周期性主从边界条件建模仿真方法；分析了介电常数、磁导率、单元间距、工作频率和入射角度对介质板相位调制的影响，得到介质厚度变化时相应的相位调制曲线；采用多层介质板叠加的结构进行相位调制；采用渐变槽天线作为馈源。本发明采用空馈馈电方式，简化了天线的设计流程；由多层介质板叠加而成，没有任何金属贴片，减少了表面损耗，提高了天线效率。该天线结构简单，体积小、重量轻,有利于加工与安装,并且还具有损耗低、增益高、旁瓣低、频带宽的优点。

Description

一种介质反射面天线的设计方法

技术领域

本发明属于高增益天线技术领域，尤其涉及一种介质反射面天线的设计方法。

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的幅度和相位进行分配的多个天线的组合，这种天线组合激励多个辐射单元，从而实现了较好的高增益。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。复杂的馈电网络一方面会增大电气设计和物理布局的难度，导致结构和重量方面的不利影响；另一方面，复杂的馈电损耗也会降低天线的效率。

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，这类天线能将由馈源发出的宽角域波束聚集反射形成窄波束，从而实现高增益。抛物面天线由于曲面的设计，使其体积过大、重量较重，加工和安装不容易，且抛物面天线噪声温度较高。平面反射阵无需复杂的波束形成网络以及昂贵的收发组件，馈电网络损耗小，传统的平面反射阵都是利用介质表面的金属微带贴片来实现相位的补偿与调制，目前大多数采用变尺寸单元与旋转单元来组阵，这类微带贴片会造成一定的损耗，并且对微带单元要求高，设计难度大，加工复杂。

综上所述，现有的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

本发明实施例的目的在于提供一种介质反射面天线的设计方法，旨在解决现有的阵列天线存在的馈电网络复杂，馈电损耗大，天线效率低；反射面天线设计复杂，体积过大，重量较重，加工安装复杂；抛物面天线曲面设计复杂，噪声温度较高的问题。

本发明实施例的介质反射面天线的设计方法，该介质反射面天线的设计方法包括：

(1)采用周期性主从边界条件建模仿真方法，主从边界条件包括主边界和从边界两种边界条件，二者总是成对出现的，且主边界表面和从边界表面的形状、大小和方向必须完全相同，主边界表面和从边界表面上的电场存在一定的相位差，该相位差就是周期性结构相邻单元之间存在的相位差，因此可以用于模拟平面周期结构表面；

(2)采用圆形介质板建立阵列单元模型，分析了介电常数、磁导率、单元间距、工作频率和入射角度对介质板相位调制的影响，得到介质厚度变化时相应的相位调制曲线，确定介质板的介电常数、磁导率、单元间距，保证圆形介质板工作在较宽频带，并且相位调制角度大于300°；

(3)采用多层介质板叠加建立反射面阵列，根据所需相位补偿角度，调整每层介质板的尺寸，通过介质板厚度的变化进行相位调制，完成平面介质反射面天线的设计，改变介质板的层数，分析其对天线性能的影响，为实物制作提供理论参考；

(4)采用渐变槽天线作为馈源，馈源与反射面天线的中心频率一致，采用正馈方式将馈源置于反射阵正上方，保证中心对称结构，确定合适的焦径比，将馈源与天线阵列联合仿真，得到平面介质反射面天线的设计结果。

在本发明的实施例中，在(1)中，周期性主从边界条件建模仿真，是以局部代替整体的仿真方法。

进一步，使用局部代替整体的仿真方法，分别分析了介电常数、磁导率、工作频率、单元间距以及不同入射角度对介质反射面天线相位调制性能的影响，介质板底部为金属地结构，通过平面周期法得到了介电常数2.65,4.4和10.2三种介质的相位响应。

进一步，在(2)中，分析了影响介质板相位调制的各种因素，考虑全面详细，为设计天线阵列提供理论基础。

进一步，该介质反射面天线通过介质厚度的变化来控制相位，表面没有任何金属微带贴片结构，通过直接在地板上重叠多层介质板来实现。

进一步，该介质反射面天线包括一个馈源和多层平面介质板。

进一步，馈源采用渐变槽天线，介质反射面采用4层圆形介质板。

本发明提供的介质反射面天线的设计方法，该介质反射面天线由一个馈源和多层平面介质板组成；阵面通过相位调制，将馈源发出的宽角域波束聚集反射形成窄波束，从而实现高增益；采用周期性主从边界条件建模仿真方法；分析了介电常数、磁导率、单元间距、工作频率和入射角度对介质板相位调制的影响，得到介质厚度变化时相应的相位调制曲线；采用多层介质板叠加的结构进行相位调制，替代了传统反射阵天线需依靠不同微带单元进行相位补偿；采用渐变槽天线作为馈源。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、与阵列天线比较，因为本发明所述天线只有一个馈电点，因此不需要复杂的馈电网络，简化了天线的设计流程。

2、与反射面天线相比，本发明由多层介质板叠加而成，表面没有任何金属贴片，明显减少了表面损耗，提高了天线的效率。不需要设计复杂微带贴片单元，使得天线设计简单；与传统平面反射阵天线相比，该天线馈电简单、损耗低、增益高、且天线结构简单，有利于加工与安装。此外，本发明还具有旁瓣低、前后比高、频带宽、体积小、重量轻的优点。

附图说明

图1是本发明实施例提供的介质反射面天线的设计方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的反射面介质层与反射相位关系示意图；

(a)波束在金属表面反射，(b)波束在有介质的金属表面穿过；

图3是本发明实施例提供的使用主从边界来分析介质的相位曲线示意图；

图4是本发明实施例提供的介质厚度变化时相应的相位曲线图；

(a)不同的介电常数和不同磁导率，(b)不同的工作频率，(c)不同的单元间距，(d)不同的入射角度；

图5是本发明实施例提供的不同层数的介质反射面天线示意图；

图6是本发明实施例提供的不同反射面天线E面仿真方向示意图；

图7是本发明实施例提供的4种反射面天线增益随频率变化曲线示意图；

图8是本发明实施例提供的仿真和测试结果示意图；

(a)E面8GHz，(b)H面8GHz，(c)E面11.5GHz(d)H面11.5GHz，(e)E面14GHz，(f)H面14GHz；

图9是本发明实施例提供的测量增益和口径效率示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例的介质反射面天线的设计方法包括以下步骤：

S101：采用周期性主从边界条件建模仿真方法；

S102：分析了介电常数、磁导率、单元间距、工作频率和入射角度对介质板相位调制的影响，得到介质厚度变化时相应的相位调制曲线；

S103：采用多层介质板叠加的结构进行相位调制；

S104：采用渐变槽天线作为馈源。

在步骤S101中，周期性主从边界条件建模仿真，是以局部代替整体的仿真方法；

在步骤S102中，分析了影响介质板相位调制的各种因素，考虑全面详细，为设计天线阵提供理论基础；

本发明的结构简单，介质板表面没有任何金属微带贴片结构，有效减小了表面损耗；渐变槽天线不会造成明显的遮挡，而且体积小、重量轻。本发明的介质反射面天线由一个馈源和多层平面介质板组成。本发明实施例是这样实现的，一种介质反射面天线的设计方法，介质反射面天线包括一个馈源和多层平面介质板，旨在简化天线结构，减小天线损耗，提高天线效率。

本发明实施例的另一目的在于提供一种对电磁波相位控制的方法，相位控制是通过平面介质板来实现的。

本发明实施例的另一目的在于提供一种新型平面反射阵的设计方法，方法是通过多层平面介质板叠加，改变介质板厚度来实现的。

以下结合本发明的具体实施方式对本发明的应用效果做进一步的说明：

1、本发明的基本原理：

通过空间相位计算，考查阵列表面的入射相位，对于正馈的反射面天线而言，其表面的相位呈现出非常对称完美的圆形分布，因此可以使用圆形介质叠加的方法来控制相位，尤其是正馈反射面天线的设计，可以有效的减少设计复杂度，提高加工精确度，具备工程应用价值；

介质反射面天线通过介质厚度的变化来控制相位，其最大特点是表面没有任何金属微带贴片结构，通过直接在地板上重叠多层介质板来实现；

以无限大金属地板为例，假设一个金属地板，有一束线极化的来波垂直入射，如图2(a)所示，其在一侧的电场表示为：

${\stackrel{\→}{E}}_{\mathrm{total}}=\hat{y}[E_i\exp \left({\mathrm{jk}}_{0}z\right)+E_r\exp (-{\mathrm{jk}}_{0}z)]---\left(1\right)$

然而，将一块无限大的无色散不导电，厚度为H的介质置于金属底板前，如图2(b)，其介电常数为ε_r，磁导率为μ_r，使用相同的入射波垂直入射，其一侧的电场则应表示为：

$\begin{array}{cc}{\stackrel{\→}{E}}_{\mathrm{total}}=\hat{y}[E_i\exp \left({\mathrm{jk}}_{r}z\right)+E_r\exp (-{\mathrm{jk}}_{r}z)]& 0\≤z\≤H\end{array}---\left(2\right)$

$k_r=2\mathrm{\πf}\sqrt{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r}---\left(3\right)$

由公式表明，对于一个特定的频段，决定反射相位的主要因素是介质厚度、介电常数和磁导率，因此，只要通过调整介质厚度、介电常数和磁导率等因素就可以利用介质反射面实现相位控制。

2、单元分析与设计：

在单元分析中，采用周期性主从边界条件，如图3所示，该方法是一种局部代替整体的仿真方法；

通过上述方法，分别分析了介电常数、磁导率、工作频率、单元间距以及不同入射角度对介质反射面天线相位调制性能的影响，介质板底部为金属地结构，因此不需要考虑反射幅度的变化，只需要考查反射相位曲线，通过平面周期法研究了介电常数2.65,4.4和10.2三种介质的相位响应，结果如图4所示；

图4(a)是工作频率在10GHz，单元间距为25mm，采用正馈时不同的介电常数和磁导率引起相位的变化曲线，结果表明介电常数越大，曲线的波动越大，相位变化范围越大；磁导率的变化特点也一样，磁导率越大，相位变化越明显；

图4(b)是单元间距为25mm，介电常数为4.4，磁导率为1，采用正馈时不同的频率所引起的相位变化曲线，结果表明频率越大，曲线波动变化越大，相位的变化范围也越大；

图4(c)是介电常数为4.4，磁导率为1，工作频率在10GHz，采用正馈时不同单元间距所引起的相位变化曲线，结果表明，单元间距的大小不会影响相位曲线；

图4(d)是单元间距为25mm，介电常数为4.4，磁导率为1，工作频率在10GHz，正馈时不同入射角引起的相位变化曲线，可以看出，不同的曲线虽然变化趋势相同，但是临近的两组之间相对相位约为30°，在设计大型阵列时，入射角的因素需要考虑；

在实际设计中，设计合理的阵面分布，调整单元的厚度，就可以使相位得到控制和补偿，实现同相反射，在目标方向形成笔形波束，达到高增益天线的设计目标。

3、阵列设计：

根据单元的相位特性，通过计算不同的厚度所补偿的相位变化量，可以进一步设计阵列来实现反射面天线，如果采用多层结构，天线表面最终接近于曲面或者周期规律呈现的曲面，精度也越高，性能越好，但是会为设计和加工带来不便，另一方面，如果减少层数，那么会导致相位补偿不够精准，降低天线性能；

图5选用了几种不同层数的圆形介质板叠加，通过逐一的验证研究其规律，实现高增益介质反射面天线的目标，所采用的介质均为FR4(介电常数4.4，磁导率1.0)，馈源均采用渐变槽天线，阵面口径大小均为140mm；

如图6所示为上述4种不同反射面天线的E面方向图，通过对比可以发现，介质反射面采用2层结构，天线在最大增益和副瓣方面，性能明显低于其他结果，如图7所示为4种反射面天线增益随频率变化曲线，各组曲线的整体走势非常相近，但是2层结构的反射面天线增益较低；

4层、8层和16层实验结果虽然非常接近，但16层结构最大增益20dBi、副瓣电平-15.8dB，均要优于其他结构，因此设计精度越高，阵列表面的相位补偿准确性越好，最终天线在增益副瓣等方面的性能也就越好；

同时，为了更进一步了解该介质反射面天线的性能，设计了一个横截面积口径大小和介质反射面口径大小一样的传统抛物面天线作为对比，馈源天线同样采用渐变槽天线，结果如表1所示；

表1性能参数总结

从表格中可以发现，4层结构的反射面天线避免了16层复杂的设计，且其性能已经非常接近抛物面天线的性能，满足高增益天线的设计要求。

4、介质反射面天线的制作与测试：

根据以上分析，制作了由四层圆形介质板组成的反射面天线，所采用的介质为FR4(介电常数4.4，磁导率1.0)，并对其进行测试，测试结果如图8所示；

如图8所示为该天线在三个频点处的归一化辐射方向图，由图可见，在11.5GHz时，天线的波束较窄，副瓣较低，在8GHz和14GHz两个边频处，天线的主波束仍旧能保持笔形波束，但是副瓣略高；

图9为该天线的实测增益和口径效率曲线，观察可以发现其最大的增益为19.4dBi，出现在11.5GHz，馈源经过整个反射面天线后的增益有了显著的提高，同时可知该天线的-3dB增益变化范围从7.6GHz到14GHz，约为55.6％，该结果非常接近于抛物面天线，优于绝大多数的反射阵天线。

本发明的阵面通过相位调制，将馈源发出的宽角域波束聚集反射形成窄波束，从而实现高增益；采用周期性主从边界条件建模仿真方法；分析了介电常数、磁导率、单元间距、工作频率和入射角度对介质板相位调制的影响，得到介质厚度变化时相应的相位调制曲线；采用多层介质板叠加的结构进行相位调制，替代了传统反射阵天线需依靠不同微带单元进行相位补偿；采用渐变槽天线作为馈源。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种介质反射面天线的设计方法，其特征在于，该介质反射面天线的设计方法包括：

(1)采用周期性主从边界条件建模仿真方法，主从边界条件包括主边界和从边界两种边界条件，二者总是成对出现的，且主边界表面和从边界表面的形状、大小和方向必须完全相同，主边界表面和从边界表面上的电场存在一定的相位差，该相位差就是周期性结构相邻单元之间存在的相位差，因此可以用于模拟平面周期结构表面；

(2)采用圆形介质板建立阵列单元模型，分析了介电常数、磁导率、单元间距、工作频率和入射角度对介质板相位调制的影响，得到介质厚度变化时相应的相位调制曲线，确定介质板的介电常数、磁导率、单元间距，保证圆形介质板工作在较宽频带，并且相位调制角度大于300°；

(3)采用多层介质板叠加建立反射面阵列，根据所需相位补偿角度，调整每层介质板的尺寸，通过介质板厚度的变化进行相位调制，完成平面介质反射面天线的设计，改变介质板的层数，分析其对天线性能的影响，为实物制作提供理论参考；

(4)采用渐变槽天线作为馈源，馈源与反射面天线的中心频率一致，采用正馈方式将馈源置于反射阵正上方，保证中心对称结构，确定合适的焦径比，将馈源与天线阵列联合仿真，得到平面介质反射面天线的设计结果。

2.如权利要求1所述的介质反射面天线的设计方法，其特征在于，在(1)中，周期性主从边界条件建模仿真，就是以局部代替整体的仿真方法。

3.如权利要求2所述的介质反射面天线的设计方法，其特征在于，使用局部代替整体的仿真方法，分别分析了介电常数、磁导率、工作频率、单元间距以及不同入射角度对介质反射面天线相位调制性能的影响，介质板底部为金属地结构，通过平面周期法得到了介电常数2.65,4.4和10.2三种介质的相位响应。

4.如权利要求1所述的介质反射面天线的设计方法，其特征在于，在(2)中，分析了影响介质板相位调制的各种因素，考虑全面详细，为设计天线阵列提供理论基础。

5.如权利要求1所述的介质反射面天线的设计方法，其特征在于，该介质反射面天线通过介质厚度的变化来控制相位，表面没有任何金属微带贴片结构，通过直接在地板上重叠多层介质板来实现。

6.如权利要求1所述的介质反射面天线的设计方法，其特征在于，该介质反射面天线包括一个馈源和多层平面介质板。

7.如权利要求6所述的介质反射面天线的设计方法，其特征在于，馈源采用渐变槽天线，介质反射面实物采用4层圆形介质板。