CN104733849B - 反射阵辐射单元及平板反射阵天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种反射阵辐射单元，属于天线技术领域。包括介质基片和印制在介质基片一侧的金属图案层；金属图案层采用多环嵌套结构，包括多个相位因子调整环和若干个位于相位因子调整环外围的相位补偿环。采用单层印制结构，降低了多层印刷技术的工艺难度，减少了介质损耗并降低了加工成本，与传统单元相比其相位补偿能力提高为原来的4‑6倍，将传统反射阵的焦径比降低到0.5甚至更低；在整个工作频带上可以针对每个反射阵单元进行优选结构尺寸，使其相位按需补偿，从而拓展了反射阵天线的增益带宽。本发明还公开了一种包含上述反射阵辐射单元组成的平板反射阵天线。
Description
技术领域
本发明涉及一种微带反射天线用辐射单元，具体讲是一种反射阵辐射单元及平板反射阵天线，属于天线技术领域。
背景技术
反射阵天线是利用平面单元的相移特性来补偿从馈源发出的入射波至等相位面的路径差带来的相位差，从而形成垂直于等相位面的聚焦波束，其与传统的反射面天线相比，其结构紧凑更适用于空间受限的场合如便携式卫星通信天线。但是目前传统的反射阵天线存在频带窄、口径效率低等诸多不足缺点。
为了突破传统反射阵天线的不足，除了优化设计馈源外，在阵面设计上国内外学者提出解决方案可以归结为以下两类：一是减少阵面单个单元的照射路径差，从而减少路径差带来的相位差异；二是提高阵面单元的相位补偿能力。前者通过提高天线的焦径比，即增大馈源的焦距或减小阵面口径，但此法或因采用长焦增加了天线的空间占用或因口径太小限制了增益，影响通信效果；而后者通常采用时延线或多层结构，时延线不仅受限于单元尺寸而且随着时延线长度的增加带来损耗的增加，而多层结构不仅增加了损耗，还增加了结构复杂度和制造成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种结构工艺简单、损耗小，可按需补偿相位的反射阵辐射单元及平板反射阵天线。
为了解决上述技术问题，本发明提供的反射阵辐射单元，包括介质基片和印制在介质基片一侧的金属图案层；所述金属图案层采用多环嵌套结构，包括多个相位因子调整环和若干个位于相位因子调整环外围的相位补偿环。
作为优选，所述反射阵辐射单元的周期为0.5-0.7λ。
作为优选，所述反射阵辐射单元的周期可取等周期或渐变周期。
作为优选，所述相位因子调整环、相位补偿环的环宽度和环间距均为0.1-0.4mm。
作为优选，所述相位因子调整环的环数为2-4个，所述相位补偿环的环数为1-7个。
本发明还提供了一种平板反射阵天线，包括反射阵面和馈源，所述反射阵面包括多个权利要求1所述的反射阵辐射单元、支撑层和反射底板；所述反射阵辐射单元与支撑层连接，所述支撑层与反射底板连接；所述反射阵面上相对称的反射阵辐射单元中各相位因子调整环的宽度和间距一致；所述反射阵辐射单元上相位补偿环的环宽度及间距一致，随着反射阵辐射单元离馈源位置变远其相位补偿环的外环尺寸逐渐减小。
作为优选，所述相邻周期的相位补偿环边到边的距离至少为0.2λ。
作为优选，所述支撑层采用低损耗聚乙烯泡沫、聚丙烯泡沫、聚酰亚胺泡沫或聚氨酯泡沫。
作为优选，所述反射底板采用金属或非金属导体材料。
本发明的有益效果在于：(1)、采用单层印制结构，降低了多层印刷技术的工艺难度，减少了介质损耗并降低了加工成本，与传统单元相比其相位补偿能力提高为的4-6倍，将传统反射阵的焦径比降低到0.5甚至更低；(2)、在整个工作频带上可以针对每个反射阵单元进行优选结构尺寸，使其相位按需补偿，从而拓展了反射阵天线的增益带宽；(3)、反射阵辐射单元的周期采用0.5-0.7λ，可以避免产生栅瓣带来的增益损失，从而保证反射阵的口径效率；(4)、对于长焦反射阵(馈源至距馈源最远单元的照射角小于40°)可以采用等周期设计，从而缩短设计周期；对于短焦反射阵可采用渐变周期设计，照射角大于40°区域的单元周期逐渐减小，从而提高阵面的利用效率，从而进一步改善增益；(5)、相位因子调整环的环宽度和环间距均为0.1-0.4mm，以便于根据各反射单元和馈源的相对位置确定的相位响应需求来优选相位因子调整环的结构参数，将相位误差控制在20°以内；(6)、相位因子调整环的环数为2-4个，相位补偿环的环数为1-7个，可以根据更好更方便地调节相位差；(7)、相邻周期的相位补偿环边到边的距离至少为0.2λ，可以减少相邻周期的相位补偿环之间的耦合。
附图说明
图1为本发明反射阵辐射单元结构示意图；
图2为本发明射阵辐射单元组阵侧视图；
图3为图1中相位因子调整环结构图；
图4为反射阵辐射单元组阵示意图；
图5为相位需求频响曲线；
图6为相位需求和优选参数后相位响应曲线图；
图7为中单元移相量随结构参数的变化曲线图；
图8为反射阵面上金属图案层的生长方式示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1、2和3所示，本发明反射阵辐射单元1由介质基片11、印制在介质基片11下侧的金属图案层12组成。金属图案层12包括相位因子调整环121和相位补偿环122，上述相位因子指的是相位频响曲线的斜率，取决于反射阵单元和馈源的相对位置。相位补偿环122印制在相位因子调整环121的外围，二者形成多环嵌套结构。本实施例中，相位因子调整环121和相位补偿环122均采用正方形环结构，相位因子调整环121的数目为3个，相位补偿环122的数目为7个。3个相位因子调整环121的环宽度(即图3中的W8、W9、W10)、相邻相位因子调整环121之间的距离(即图3中的D9、D10)均可根据需要进行调整。基于印制板工艺的工差要求，相位因子调整环121、相位补偿环122的环宽度和环间距通常取0.1-0.4mm，这样可以根据各单元和馈源的相对位置确定的相位响应需求来优选相位因子调整环的结构参数，使得设计值和理论计算值的相位误差控制在20°以内。介质基片11采用低介质损耗聚四氟乙烯、玻璃纤维或环氧树脂等材料；金属图案层12采用低导电损耗的铜或表面沉金的铜材料。
如图1所示，反射阵辐射单元1的周期(即图2中的d，介质基片11的长度)取0.5-0.7λ，其可取等周期或渐变周期，λ为反射阵天线工作频段中心频率的对应的电磁波波长。L为反射阵辐射单元1中最外围相位补偿环122的宽度。本实施例子中反射阵辐射单元1整体采用正方形，当然也可以采用正三角形、矩形、圆环形或正六边形等常规形状。
在实际反射阵面排布过程中，相位因子调整环121和相位补偿环122的数目视情进行调整，为了更好更方便地调节相位差，相位因子调整环的环数一般为2-4个，相位补偿环的环数一般为1-7个。
作为本领域技术人员应当知道相位因子调整环121和相位补偿环122也可以采用矩形环、正六边形环或圆形环。金属图案层12也可以印制于介质基片11的上侧。
如图2和4所示，多个反射阵辐射单元拼合过程中，随着照射路径的增长、相位补偿要求逐渐减少，每减少360°时单元减少外面一个相位补偿环122，从而完成整个阵面单元的图形生长而形成整面反射阵辐射单元组，将反射阵辐射单元组、泡沫支撑层2和反射底板3胶粘而成组成反射阵面。在反射阵面架设馈源即形成平板反射阵天线。为了减少相邻周期的相位补偿环之间的耦合，相邻周期的相位补偿环122边到边的距离不小于0.2λ，即图4中s。
如图2所示，反射阵面为分层结构，从上到下依次包括反射阵辐射单元1、支撑层2和反射底板3，支撑层2粘接在反射阵辐射单元1的下方，反射底板3粘接在支撑层2的下方。本发明中支撑层2可采用低损耗聚乙烯泡沫、聚丙烯泡沫、聚酰亚胺泡沫、聚氨酯泡沫或其混合物材质泡沫。反射底板3可采用为铝、铝合金等金属导体材料，也可以采用不锈钢金属或碳纤维等非金属导体材料。补偿功能层1、支撑层2和反射底板3三者之间采用环氧胶、硅橡胶或硝基胶进行粘接，可以根据实际采用点胶或铺胶等粘接工艺进行粘接。
本发明反射阵辐射单元、反射阵面应用的反射阵天线工作于12.25～14.5GHz频段，阵面口径0.6m，单元周期取15mm正方形周期，即阵面由40×40共1600个单元组成，为简单计，馈电方式采用正馈、焦径比(F/D)取0.58。
基于射线原理，该实施例中阵面各单元的相位差由以下式确定：
xm＝(m-0.5)*15m＝1,2,…,20
yn＝(n-0.5)*15n＝1,2,…,20
其中⊿Φm,n代表横坐标为xm、纵坐标为yn单元所对应的相位差，f代表工作频点，F对应焦距，F＝348.6mm。
按照上式计算工作频带内各频点的相位差，由于采用正馈，口面有对称性，只需计算四分之一口面单元的相位差即可，这里定义最靠近中间单元U1,1、最边角单元为U20,20。按最边角单元U20,20的相位差进行归一化，并对频率取导数，得到各单元的理想相位频响曲线的斜率，即相位因子定义如下：
其中Φref(f)为参考相位，为距离馈源最远单元对应的相位，该实施例中为Φ20，20(f)，按上述方法计算得到的第一行单元的理想相位频响曲线，如图5所示。
采用商品化电磁全波仿真软件CST公司的Microwave Studio对反射阵辐射单元的金属图案层进行结构参数优化，采用厚0.2mm的介质(εr＝4.4，tanσ＝0.01)基片11，支撑层2厚度5mm，环宽度和环间隙均取0.3mm。最后的优选参数如下：外面七环(即相位补偿环)单元宽度和间隙为0.23mm，第七环和第八环(即相位因子调整环)间距0.53mm、第八环宽度0.33mm，而最靠内的第九和第十环宽度和间隙均为0.1mm，此时该结构的相位响应和前述计算理想相位需求曲线，在要求工作频带12.25～12.75GHz、14～14.5GHz内二者误差小于20°，按此法依次调整各单元的结构参数，使各单元相位响应和理论的相位因子误差小于20°，如图6所示。
如图8所示，反射阵面中各反射阵列单元的各相位补偿环的环宽度相等、相邻各环之间间距相等。随着反射阵辐射单元远离馈源的照射中心，相位补偿要求逐步递减，相位补偿环的外环尺寸逐渐减小，相位补偿要求每减少360°相位补偿环减少一个环。具体设计时，随着外环尺寸的减小，第七个相位补偿环(即最内侧的相位补偿环)越靠近相位调整环，单元相位补偿能力逐渐减少，当第七个相位补偿和第八个环相位调整环接触时，相位补偿能力减少360°，此时将第七环减掉，以此类推。因此本发明射阵辐射单元的移相量随结构参数变化的曲线，可见该种形式的单元相位动态范围达3000°左右，为传统单元相位动态范围的4～6倍。此实施例中取外环尺寸l变化范围5～12mm，当l＝12mm时，图7中对应的纵坐标相位为-3358.8°，令其为中心单元U1，1，其相位补偿环为7个；其同行相邻单元U1，2的和其相位相差10.1°(以设计频带的中心频率13.5GHz为参考)，即相位为-3348.7°，从图7中找到其对应的横坐标为11.97mm，即相位补偿环数仍然为7个，但是外环尺寸减小了0.03mm，相应的，其相位调整环的尺寸要微调为第八环宽度0.28mm、第七环和第八环间距0.58mm，而第九和第十环的宽度和间隙均为0.1mm；以此类推，逐个设计单元，需要指出的是当进行至某一单元Um，n时，若Um，n的相位和U1，1的相位差每超过一个360°时，则其相位补偿环的数目减一。
本发明的反射阵面中，各反射阵列单元相位因子调整环的环宽度和间距均采用独立可调参数，通过仿真软件优选确定，该组参数随单元的在整个工作频带内的相位补偿要求不同而变化，即取决于反射阵辐射单元和馈源的相对位置，整个阵面上除位置对称的单元外，每个单元的相位调整环的结构参数均不同。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理和权利保护范围的前提下，还可以在此基础上进行修改、替换或改进，而这些改进和变动均应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种平板反射阵天线，包括反射阵面和馈源，其特征在于：所述反射阵面包括多个反射阵辐射单元、支撑层和反射底板；所述反射阵辐射单元包括介质基片和印制在介质基片一侧的金属图案层；所述金属图案层采用多环嵌套结构，包括多个相位因子调整环和若干个位于相位因子调整环外围的相位补偿环；所述反射阵辐射单元与支撑层连接，所述支撑层与反射底板连接；所述反射阵面上相对称的反射阵辐射单元中各相位因子调整环的宽度和间距一致；所述反射阵辐射单元上相位补偿环的环宽度及间距一致，随着反射阵辐射单元离馈源位置变远其相位补偿环的外环尺寸逐渐减小。
2.根据权利要求1所述的平板反射阵天线，其特征在于：所述反射阵辐射单元的周期为0.5-0.7λ。
3.根据权利要求2所述的平板反射阵天线，其特征在于：所述反射阵辐射单元的周期可取等周期或渐变周期。
4.根据权利要求1至3任一项所述的平板反射阵天线，其特征在于：所述相位因子调整环、相位补偿环的环宽度和环间距为0.1-0.4mm。
5.根据权利要求4所述的平板反射阵天线，其特征在于：所述相位因子调整环的环数为2-4个，所述相位补偿环的环数为1-7个。
6.根据权利要求1所述的平板反射阵天线，其特征在于：所述相邻反射阵辐射单元最外围的相位补偿环相邻侧边之间的距离至少为0.2λ。
7.根据权利要求6所述的平板反射阵天线，其特征在于：所述支撑层采用低损耗聚乙烯泡沫、聚丙烯泡沫、聚酰亚胺泡沫或聚氨酯泡沫。
8.根据权利要求7所述的平板反射阵天线，其特征在于：所述反射底板为金属或非金属导体材料。
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