CN104901023B - 一种宽频带折叠反射阵天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种宽频带的折叠反射阵天线，属于天线技术领域。本发明采用折叠反射阵天线的结构，并提出一种全新的反射阵单元，使用该反射阵单元的折叠反射阵解决了目前折叠反射阵天线增益带宽难以突破的难题。本发明充分发挥了折叠反射阵天线的高增益、低损耗、结构紧凑、交叉极化低等优点。本发明适用于微波、毫米波、太赫兹频段，可应用于高性能通讯或雷达系统中。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种具有宽频带特性的折叠反射阵天线。
背景技术
高增益阵列天线在现代无线通讯、雷达系统及宇宙探险领域扮演着越发重要的角色。抛物面天线及传统的相控阵天线该类天线中最普及的两种天线形式。但是，抛物面天线因其非平面结构的笨拙机身使其体积不够紧凑，严重挑战了高集成要求下的系统的负荷能力。而传统相控阵天线因其昂贵的T/R组件或是复杂的馈电网络制约着其应用范围。
平面反射阵天线在此基础上应运而生，它由初级馈源及平面阵面构成，通过控制平面上各个微带单元的尺寸或者旋转角度实现不同的相移量以实现电场在指定方向同相叠加。但是其初级馈源喇叭与阵面之间的距离往往需要与阵面直径相比拟的高低，大于大型的反射阵天线，这极大的降低了该天线的紧凑性。
直到2002年，W.Menzel及D.Pilz提出了折叠反射阵的概念，该天线在传统反射阵天线的基础上加入了偶极子单元构成的极化选择栅极板，对于平行于偶极子方向的极化电磁场全反射，而对于垂直偶极子方向的极化电磁场全透射。阵面上的微带单元在进行相位补偿的同时也要实现电场极化扭转90度。相比于传统反射阵天线，该天线可在轴向减少一半的高度，具有高增益，结构紧凑，体积小，易集成及交叉极化低等优点，因此，它在现代无线通讯、雷达系统、成像及宇宙勘探领域有着潜在的应用价值。
目前，许多折叠反射阵天线被设计并应用与通讯或雷达系统中，其中有具有多波束功能的、可实现波束赋形的、可通过机械方式实现波束扫描的。但是，其窄频带特性没有有效的解决，目前已发表的关于折叠反射阵天线的3dB增益带宽都没有超过10％，这极大的限制着其在目前及将来高性能系统中的应用。
基于上述技术背景，在实际工程应用中，急需一种具有宽频带特性的折叠反射阵，以满足现在及将来通讯及雷达系统中日益严格的高性能要求，从而充分发挥折叠反射阵的高增益、低损耗、结构紧凑、交叉极化低等优点。本发明正是针对该需求而提出。
发明内容
本发明的目的是提供一种宽频带的折叠反射阵天线。该天线具有高增益、低损耗、结构紧凑、交叉极化低等优点，更为重要的是，该天线具有良好的宽频带特性从而可应用于高性能通讯或雷达系统中。
本发明具体采用如下技术方案：
一种宽频带折叠反射阵天线，其结构如图1、图2所示，包括馈源101、极化栅板104及主阵面103，所述馈源101位于所述主阵面103的几何中心处，所述极化栅板104位于主阵面的正上方；所述主阵面103由多个形状相同、尺寸不一的反射阵单元构成；所述反射阵单元的结构如图3、图4所示，其由上至下依次由上层金属辐射单元401、第一介质层304、下层金属辐射单元402、第二介质层308及接地金属板405构成；
所述上层金属辐射单元为镜像对称的平面结构，如图3所示，其由外至内依次包括外层双开口金属矩形环301、中层双开口金属矩形环302及位于辐射单元中心的I型偶极子303，所述I型偶极子303由两个不接触的“凹”字形金属贴片构成，所述两个金属贴片的“凹”字底边与所述上层金属辐射单元的镜像对称轴线平行；所述外层双开口金属矩形环的两个开口分别位于其垂直于所述镜像对称的轴线的两条边上，所述中层双开口金属矩形环的两个开口分别位于其垂直于所述镜像对称的轴线的两条边上；
所述下层金属辐射单元与上层金属辐射单元的结构及尺寸均相同，且二者的镜像对称轴呈正交排布；所述主阵面的所有反射阵单元的上层金属辐射单元的镜像对称轴均平行；所述极化栅板由多个相同的偶极子单元平行排布构成，所述偶极子单元的长边方向与所述上层金属辐射单元的镜像对称轴的夹角为45°；所述馈源为线极化天线，其极化方向所在直线与所述偶极子单元的长边方向平行；
馈源101辐射的电场极化方向与偶极子阵平行，被反射到阵面103上，通过控制反射阵面103上各个反射阵单元的反射相位，实现相位补偿的同时，实现极化扭转90度，最后波束107穿过极化栅板104在远场聚焦。
本发明的特点在于采用的新型双极化单元可独立控制两个正交极化的反射相位，并且保证了两个极化的反射相位都能实现良好的相移曲线。
本发明的有益效果是：
本发明所述的宽频带折叠反射阵天线结构简单，加工方便，可用于微波、毫米波、太赫兹等各个频段；本发明实现了折叠反射阵天线的宽频带特性，充分发挥了折叠反射阵天线的高增益、低损耗、结构紧凑、交叉极化低等优点，可应用于高性能通讯或雷达系统中。
附图说明
图1为本发明提供的天线的整体侧视剖面图；
图2为为本发明提供的天线阵面俯视图；
图3为本发明中实施过程采用的反射阵单元结构俯视图；
图4为本发明中实施过程采用的反射阵单元结构侧视图；
图5为本发明实施例的单元在反射相位随频率及参数变化图；
图6为本发明实施例的单元在反射相位随频率及参数变化图；
图7为本发明实施例的单元在反射相位随频率及参数变化图；
图8为本发明实施例的单元在反射相位随频率及参数变化图；
图9为本发明实施例的天线阵面上理想所需的相位分布图；
图10为本发明实施例的天线阵面上理想所需的相位分布图；
图11为本发明实施例的天线E面仿真方向图；
图12为本发明实施例的天线H面仿真方向图；
图13为本发明实施例的天线仿真增益及口径效率随频率变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明技术方案进行详细的说明。
实施例
图1为本实施例折叠反射阵天线整体侧视剖面图，由初始馈源喇叭101，极化选择栅板104和由大量单元组成的主阵面103构成。所述极化选择栅板104为印刷有多个平行排布的偶极子微带单元106的介质板105，所述介质板的介电常数为2.65、厚度为6mm，相邻偶极子微带单元的中心横向间距Lj＝1.6mm，单个偶极子微带单元的宽度wj＝1mm。极化选择栅板104可以全反射与偶极子平行的电场，而与之垂直的电场全透射。该天线的工作原理可如下解释：喇叭101辐射的电场极化方向与偶极子阵平行，被反射到阵面103上，通过合理的控制103上各个单元的反射相位，实现相位补偿的同时，实现极化扭转90度，最后波束107通过104在远场聚焦。本发明中的阵面大小D＝176mm，剖面高度F＝63.75。102为101的镜像，由此可知，相比于传统反射阵天线，本发明提供的天线可减少一半的高度。
图2为本发明天线阵面俯视图，204为主阵面上的单元，阵面205由16×16个单元204构成。馈源喇叭201位于阵面的中心并且斜45度放置，其辐射出的电场202的极化方向为正45度，通过阵面上单元相位的补偿，可以实现极化扭转90度，及反射电场203的极化方向为-45度。
图3为本实施例采用的反射阵单元结构俯视图，该单元两层介质构成，上层介质304的介电常数为2.2，厚度为0.5mm，下层介质308的介电常数也是2.2，厚度为3mm，单元的整体大小dx＝dy＝11mm。上层铜箔贴片有三个谐振结构，既最外面的矩形环301、中间的矩形环302及最里面的I型偶极子303，通过合理的参数优化可得到良好的相位线性度及相移量，这都是设计宽频带折叠反射阵天线的基础条件。下层贴片与上层贴片形状相同，由外层矩形环305、中层矩形环306及I型偶极子307构成，但是采用了正交放置。它们都进行了开缝处理，这是为了实现双极化特性，既上下层贴片可独立控制各自两个正交极化的相位且两着的干扰尽可能的小，其物理尺寸为x1＝0.2L1,y1＝0.1L1,z1＝0.05L1,x2＝0.2L2,y2＝0.1L2,z2＝0.05L2,w1＝w2＝0.3,wi1＝wi2＝0.4,g1＝g2＝0.6,gi1＝gi2＝0.2,Lv1＝b1*[L1-2*(w1+wi1+g1+gi1)],Lv2＝b2*[L2-2*(w2+wi2+g2+gi2)]。
图4为本实施例采用的反射阵单元结构侧视，401和402分别为上层及下层贴片，304和308分别为上层及下层介质。405为金属地板。
图5为当x轴方向的电场入射到单元上时，在L1固定时，反射相移随L2及频率的变化图，在整个设计频段内，通过调节L2的尺寸从4.5mm～7mm，对应的反射相移曲线变化平缓，线性度良好且具有700度左右的相移量。
图6为当x轴方向的电场入射到单元上时，在L2固定时，反射相移随L1及频率的变化图，由图可知：无论L1如何变化，其对沿着x轴方向的电场的入射波反射相位几乎没有影响，反射相位仅仅随着频率变化，该现象表明了上下层贴片保持着良好的独立性。
图7和图8为当沿着y轴方向的电场入射到单元上时，反射相移曲线随L1和L2的的变化曲线图，与图5及图6相比，相似的图形可以得到，但是由于上下层贴片的高度不同，故相位曲线也不是完全一样，因为设计中主要是针对下层贴片进行了优化，故这两图中的相位曲线稍有恶化。
为了实现宽频带特性，需要在整个频带内都可以实现相位的准确补偿而不是只在中心频段上，所以这里采用了多频点匹配的优化方法，既在11GHz、12GHz、13GHz、15GH上同时进行设计以实现良好的宽频带特性，该方法对单元的要求很高，所以上面已对单元进行了充分的研究和优化。
图9为在13GHz下，极化电场为x方向时阵面上理论需要的相位分布图。图10为在13GHz下，极化电场为y方向时阵面上理论需要的相位分布图。两幅图中各个位置的相位都相差了180度，这是为了实现极化的扭转从而可通过极化栅格。各自图中的相位分布用于相位的补偿从而使波束在阵面的法线方向实现波束的聚焦。最终阵列上的单元的相位误差都小于20度，保证了该设计的可行性。
图11和图12本发明中折叠反射阵天线的E面及H面仿真方向图，在整个频带内，方向图的副瓣都小于-14dB，交叉极化都小于-30dB。
图13为本发明中天线仿真增益及口径效率随频率变化曲线，该天线的最高增益为24.8dBi，最高可达到的口径效率为50％。并且在整个设计频带内增益浮动小于1dB，既可实现的30％的1dB增益带宽，最高可实现的口径效率为50％。
Claims (2)
1.一种宽频带折叠反射阵天线，包括馈源、极化栅板及主阵面，所述馈源位于所述主阵面的几何中心处，所述极化栅板位于主阵面的正上方；所述主阵面由多个形状相同、尺寸不一的反射阵单元构成；其特征在于，所述反射阵单元由上至下依次由上层金属辐射单元、第一介质层、下层金属辐射单元、第二介质层及接地金属板构成；
所述上层金属辐射单元为镜像对称的平面结构，其由外至内依次包括外层双开口金属矩形环、中层双开口金属矩形环及位于辐射单元中心的“I”型偶极子，所述“I”型偶极子由两个不接触的“凹”字形金属贴片构成，所述两个金属贴片的“凹”字底边与所述上层金属辐射单元的镜像对称轴线平行；所述外层双开口金属矩形环的两个开口分别位于其垂直于所述镜像对称的轴线的两条边上，所述中层双开口金属矩形环的两个开口分别位于其垂直于所述镜像对称的轴线的两条边上；
所述下层金属辐射单元与上层金属辐射单元的结构及尺寸均相同，且二者的镜像对称轴呈正交排布；所述主阵面的所有反射阵单元的上层金属辐射单元的镜像对称轴均平行；所述极化栅板由多个相同的偶极子单元平行排布构成，所述偶极子单元的长边方向与所述上层金属辐射单元的镜像对称轴的夹角为45°；所述馈源为线极化天线，其极化方向所在直线与所述偶极子单元的长边方向平行。
2.根据权利要求1所述的宽频带折叠反射阵天线，其特征在于，所述外层双开口金属矩形环为正方形。
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