CN104682012A - 渐变波纹加载的高增益低散射夹角反射面 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种渐变波纹加载的高增益低散射夹角反射面，用于解决传统反射面的增益低，散射特性强的问题；包括反射面(1)和波纹结构(2)，反射面(1)是由相互垂直的两块金属板(11)连接而成的L型结构，其内侧设置有波纹结构(2)，该波纹结构(2)是由高度依次递增的馈电端波纹段(21)，第一过渡波纹段(22)，第二过渡波纹段(23)和辐射端波纹段(24)四组波纹段组成，每组波纹段包含三块规格相同金属片，所有金属片平行等距且与金属板(11)垂直。本发明具有在工作频率8-12GHz上高增益、正向低散射特性的优点，可应用在无线通信等领域。

Description

渐变波纹加载的高增益低散射夹角反射面

技术领域

本发明属于无线通信领域，涉及一种渐变波纹加载的高增益低散射夹角反射面。

技术背景

反射面技术在卫星通信、雷达、射电天文等领域有着广泛的应用。其中，传统的夹角反射面具有结构简单，定向性好等特点。

但传统的夹角反射面的设计仍存在一些缺陷，这主要体现在以下两个方面：1.传统夹角反射面工作原理是通过两片金属板反射全向馈源天线产生的电磁波，实现提高增益和定向辐射的功能，但辐射的电磁波在辐射口相位不一致,并不能完全校正为平面波，提高增益范围有限。2.传统的夹角反射面天线的反射面之间相互垂直，具有强烈的回波散射特性。上述缺陷限制了此类夹角反射面的应用范围。

为克服传统夹角反射面增益不足的问题，国内外的专家学者提出了各种设计与方法，例如改变底部直角面结构、反射面内加载半波振子阵列天线、加载超材料吸波体等等，相关技术如1983年IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS ANDPROPAGATION,NO.3,Vol.31刊登了HASSAN M.ELKAMCHOUCHI的“Cylindrical andThree-Dimensional Corner Reflector Antennas”的文章，介绍了一种新型角反射天线，传统夹角反射天线的反射面底部夹角一般为直角，文章介绍的天线将传统夹角反射天线底部的直角面转换为圆柱面，起到了会聚反射波的作用，提高了约2dB的增益，但该方法破坏了直角反射面的基本结构，增加了制作工艺的要求。又如2011年IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION,No.4,Vol.59刊登了ThemistoklisD.Dimousios等人的“Design of a Corner-Reflector Reactively ControlledAntenna for Maximum Directivity and Multiple Beam Forming at 2.4GHz”的文章，介绍了一种新的馈源天线设计，在反射面内加载半波振子天线阵列，有效增加了该反射面天线的增益，但是该方法是基于馈源天线的改变，反射面的结构和辐射特性并没有改善。

为克服传统夹角反射面具有强散射特性的问题，2013年，《空军工程大学学报》(自然科学版)第6期，刊登了屈绍波的题为“一种加载超材料吸波体的新型二面角反射器的设计”的文章，文章中公开的二面角反射器，是利用在二面角反射面上加载超材料，通过其吸收特定频率的入射电磁波，从而有效降低反射面的强散射特性，但由于该超材料的窄带特性，限制了其只能在特定频带降低反射面的强散射特性，所以该二面角反射器的应用频带窄，无法消除天线宽频带内的强散射特性。

为了进一步提高反射面的增益，科研人员研发出了一种在反射面侧边缘设置狭缝的二面角反射面，如2012年的中国专利，授权公告号为CN 101005159B，名称为“天线设备、天线反射器以及引入天线的无线通信单元”的发明，其结构如图1所示，该发明通过设置两相互垂直的反射面，如图1(a)所示，在反射面的侧边缘设置有狭缝，如图1(b)所示，提高天线的前后比，降低了后向辐射，提高了主要辐射方向的增益，从而提高了天线增益，但由于这种结构辐射出的波仍是球面波，导致增益仍不够高，且由于直角反射面的结构没有改变，存在很强的回波散射特性。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供了一种渐变波纹加载的高增益低散射夹角反射面，用以解决现有夹角反射面增益不够的问题，同时有效降低夹角反射面的回波散射。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种渐变波纹加载的高增益低散射夹角反射面，包括反射面1，所述反射面1采用规格相同且相互垂直的两块金属板11连接而成的L型结构；在金属板11上设置有波纹结构2，该波纹结构2是由四组高度依次递增的波纹段组成，每组波纹段包含三块金属片，相邻金属片的间距相等，用于对反射波进行相位补偿，同时改变入射波的反射光路。

上述渐变波纹加载的高增益低散射夹角反射面，反射面1采用矩形金属板材，在其一端的中心设置有用于导线通过的空心半圆12。

上述渐变波纹加载的高增益低散射夹角反射面，四组波纹段分别为馈电端波纹段21、第一过渡波纹段22、第二过渡波纹段23和辐射端波纹段24，该四组波纹段21，22，23，24的高度分别为H1、H2、H3和H4，H4﹥H3﹥H2﹥H1。

上述渐变波纹加载的高增益低散射夹角反射面，组成四组波纹段的金属片平行等距排列，垂直焊接在金属板11上，其中馈电端波纹段21距离设置有空心半圆的一端最近。

上述渐变波纹加载的高增益低散射夹角反射面，两块金属板11设置有空心半圆的一端固定连接，其夹角为90°，四组波纹段21，22，23，24位于夹角面的内侧。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明由于在反射面的内侧设置有四组高度依次递增的波纹段，改变了电磁波在波纹结构附近的相速度，实现了其相位调节，从而在反射面工作频带内均能提高增益；同时改变了传统夹角反射面对入射光线的反射路径，导致了电磁波无法原路返回，有效地降低了夹角反射面的强散射特性。

2、本发明的波纹结构由于采用了四组波纹段，每组波纹段包含有三块规格相同而且间距相等的金属片，便于电磁波的相位调节，使反射面在特定频点可以辐射等相位面电磁波，同时易于实际加工与应用。

附图说明

图1是现有的夹角反射面结构示意图；

图2是本发明的整体结构示意图；

图3是本发明金属板的结构示意图；

图4是本发明波纹结构的结构示意图；

图5是本发明与传统夹角反射面的增益对比图；

图6是本发明与传统夹角反射面的雷达散射截面值对比图；

图7是本发明实现相位调节时的电场示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、解决的技术问题以及技术方案更加清晰，以下结合附图和具体实施例作进一步的描述。

参照图2，本发明包括反射面1和波纹结构2。

所述反射面1采用规格相同且相互垂直的两块金属板11固定连接而成的L型结构；在金属板11上设置有波纹结构2，波纹结构2安装于反射面1内侧，该波纹结构2是由四组高度依次递增的波纹段组成，每组波纹段包含三块金属片，相邻金属片的间距相等。在两块金属板11的连接处，馈源电线发射的电磁波沿各个方向以相同相速度在空气中传播，因为馈源点与辐射口中心的距离最短，与辐射口边缘距离最长，这种不同的距离，结果在辐射口处形成的等相位面为球状，加载波纹结构2之后，电磁波可以在波纹结构2附近等效为在折射率小于1的人工介质结构中传播，其相速度大于光速，实现馈源点距离辐射口中心位置和馈源点距离辐射口边缘位置的波程差相同，通过这种相位补偿实现在固定频点时辐射口位置形成等相位波，从而提高了天线的增益，同时波纹结构2的增加改变了电磁波的反射路径，有效地降低了夹角反射面的强散射特性。

参照图3，金属板11采用铜质板材，形状为长L为180mm、宽W为90mm、厚度H为1mm的长方体结构；在该金属板11一端的中心位置有直径D为10mm的空心半圆，对被反射的天线提供馈电通道。

参照图4，波纹结构2由馈电端波纹段21、第一过渡波纹段22、第二过渡波纹段23和辐射端波纹段24组成，每个波纹段包含有三片规格相同的金属片，所述金属片均采用铜质板材，其长度与金属板11宽度W相同，厚度T为3mm；所述四组波纹段21，22，23和24中的金属片高度分别为H1＝12mm，H2＝24mm，H3＝30mm，H4＝36mm，按照高度依次递增的顺序进行排列，组成四组波纹段的金属片平行等距，垂直焊接在金属板11上，金属片之间的距离J均为11.4mm，馈电端波纹段21中第一片金属片到金属板空心半圆端的距离F为27mm。

所述渐变波纹加载的高增益宽带夹角反射面的馈源天线参考位置为对称轴上与底部距离为13.5mm处。馈源天线距离越小，增益越大，但是反射面对馈源天线的影响也越大，通过仿真优化得出该参考位置，通过使用一个简单的双锥天线，比较和验证该新型反射面与传统反射面相比能提高增益，保持带宽不变，降低后向散射的特性。

以下结合仿真结果对本发明的优点作进一步描述：

1.仿真内容

通过使用Ansoft HFSS仿真软件，对本发明与传统夹角反射面在8-12GHz频率范围内的增益效果、以及散射效果进行了仿真，同时仿真了在特定频点8.8GHz处辐射等相位面电磁波的电场，仿真结果分别如图5，图6和图7所示。

2.仿真结果

参照图5，当馈源天线工作频率在8-12GHz时，利用传统夹角反射面反射后的天线增益小于等于12dBi，最高点在8GHz处，增益为12dBi，利用渐变波纹加载的高增益低散射夹角反射面反射后的增益大幅提高,最高增益在8.8GHz处为15.2dBi，在传统夹角反射面的增益最高频率8GHz处，本发明的增益为13.2dBi，随着工作频率的增加，在10.5GHz和11.4GHz处仍有有明显提高增益的效果，本发明在8--12GHz范围内比传统夹角反射面平均增高2dBi左右，说明渐变波纹加载的高增益低散射夹角反射面具有明显提高增益的功能。

参照图6，当天线工作频率在8-12GHz时，利用传统夹角反射面反射后的天线的后向雷达散射截面值为6-8dBsm，在12GHz处最低为6dBsm，而加载渐变波纹的反射面的后向雷达散射截面值大幅度减小，在传统夹角反射面散射最低频率12GHz处，本发明的雷达散射截面值为5.5dBsm，同时也是本发明在8-12GHz范围内的最高散射值了，大部分频段雷达散射截面值小于0dBsm.其中在8.9GHz时雷达散射截面值为-7.7dBsm，在9.9GHz时雷达散射截面值为-7.5dBsm,在11.1GHz时雷达散射截面值为-17dBsm，本发明在8-12GHz范围内平均比传统夹角反射面的雷达散射截面值低4dBsm左右，说明渐变波纹加载的高增益低散射夹角反射面具有降低散射的特性。

参照图7，天线工作频率在8.8GHz时为该天线的相位补偿频点，由该频点的电场图可以看出，电磁波在波纹段边缘实现了相位补偿，在传播至辐射端口各个位置时保持一致，反射面最终辐射的电磁波为等相位面波，电磁波的电场强度由其灰暗度表示，与图7左侧的对照条一致。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，但并不仅仅受上述实施例的限制，对于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所做出的若干变形和改进，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种渐变波纹加载的高增益低散射夹角反射面，包括反射面(1)，所述反射面(1)采用规格相同且相互垂直的两块金属板(11)连接而成的L型结构，其特征在于：在金属板(11)上设置有波纹结构(2)，该波纹结构(2)是由四组高度依次递增的波纹段组成，每组波纹段包含三块金属片，相邻金属片的间距相等，用于对反射波进行相位补偿，同时改变入射波的反射光路。

2.根据权利要求1所述的渐变波纹加载的高增益低散射夹角反射面，其特征在于反射面(1)采用矩形金属板材，在其一端的中心设置有用于导线通过的空心半圆(12)。

3.根据权利要求1所述的渐变波纹加载的高增益低散射夹角反射面，其特征在于四组波纹段分别为馈电端波纹段(21)、第一过渡波纹段(22)、第二过渡波纹段(23)和辐射端波纹段(24)，该四组波纹段(21，22，23，24)的高度分别为H1、H2、H3和H4，H4﹥H3﹥H2﹥H1。

4.根据权利要求1所述的渐变波纹加载的高增益低散射夹角反射面，其特征在于组成四组波纹段的金属片平行等距排列，垂直焊接在金属板(11)上，其中馈电端波纹段(21)距离设置有空心半圆的一端最近。

5.根据权利要求1所述的渐变波纹加载的高增益低散射夹角反射面，其特征在于两块金属板(11)设置有空心半圆的一端固定连接，其夹角为90°，四组波纹段(21，22，23，24)位于夹角面内侧。