CN105261836A - 一种有源微带反射阵单元及微带反射阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种有源微带反射阵单元，所述单元从上到下包括：矩形贴片、介质基片、加载有可变电容的开缝地板、泡沫层和地板；所述加载有可变电容的开缝地板为开有缝隙的金属板，在缝隙的中间加载一个可变电容；所述泡沫层为泡沫材质或纸质蜂窝的平板。此外，本发明还提供了一种微带反射阵列天线，所述天线包括：馈源和可重构微带反射阵列，所述馈源为角锥喇叭天线；所述可重构微带反射阵列包括若干个横向、纵向均匀排列的有源微带反射阵单元；每个有源微带反射阵单元的加载有可变电容的开缝地板的缝隙尺寸均相同。本发明的微带反射阵列天线具有良好的大张角波束扫描性能，其结构相对简单，性能良好。

Description

一种有源微带反射阵单元及微带反射阵列天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及一种有源微带反射阵单元及微带反射阵列天线。

背景技术

近年来，随着航天技术、卫星通信以及深空探测技术的快速发展，大口径高增益天线得到了越来越多的认识和研究，传统的高增益天线主要包括抛物面天线或者阵列天线，但是两者都存在缺点。抛物面天线自身体积过于庞大笨重，其特殊的抛物面结构难于加工，并且该类天线主波束的扫描是通过改变馈源的位置来实现的，所以其扫描的范围很有限。阵列天线虽然其扫描范围较大，但是其需要复杂的馈电网络以及昂贵的T/R组件，导致其传输损耗增大，天线的效率就会很难保证，并且加工成本很高。

微带反射阵列天线是一种综合了上述两种天线的天线阵，其微带平面结构克服了抛物面天线的曲面结构；相对于传统的阵列天线，微带反射阵列天线不需要昂贵的T/R、移相器等组件，其反射单元多采用相对便宜的有源或者无源的单元。微带反射阵列天线所采用的电控波束扫描相对于传统的机械扫描，电控波束能实现更快更精确的波束转换能力。

微带反射阵列天线通常包括馈源和若干个反射阵单元组成反射阵，由于馈源的相位中心距反射阵的各个单元距离不同，因此为了将馈源发出的波经反射阵反射之后变成一个聚焦的波束，到达每个反射阵单元上的入射波必须经过单元相位的调节才可以，也就是说反射阵单元必须要具有相位补偿能力，补偿由于空间距离差带来的相位差。常见的相位补偿方式有以下四种：一是在微带贴片上加载不同长度的相位延迟线来进行相位调节。二是通过改变微带反射单元的尺寸大小来实现相位补偿。三是将相同的圆极化微带单元旋转不同的角度来实现不同的相位补偿。四是通过在微带贴片或贴片下的地板上加载不同长度的缝隙来实现相位调节。但是以上四种补偿相位的方式只能实现固定的波束指向，不能实现多波束扫描功能，因为一旦加载在微带贴片上的相位延迟线长度、贴片大小、旋转角度、缝隙长度等确定了之后，单元所能够补偿的相位也就确定了，反射阵的波束指向也就确定了。

传统的加载MEMS开关和数字移相器的波束扫描反射阵只能实现离散的几个波束指向，无法实现任意方向的波束指向。相对于传统的固定波束指向的阵列天线来说，具有连续波束扫描功能的阵列天线明显具备更多的应用需求；连续波束扫描是指波束指向可以为波束扫描允许范围内的任意方向。

发明内容

本发明的目的在于克服传统的加载MEMS开关和数字移相器的波束扫描反射阵只能实现离散的几个波束指向的缺陷，提供了一种有源微带反射阵单元，该反射阵单元采用在地板上加载可变电容的形式，用该反射阵单元组成的微带反射阵列天线具有宽角度连续波速扫描性能，而且整个反射阵列天线结构简单，性能稳定。

为了实现上述目的，本发明提供了一种有源微带反射阵单元，所述单元从上到下包括：矩形贴片、介质基片、加载有可变电容的开缝地板、泡沫层和地板；所述加载有可变电容的开缝地板为开有缝隙的金属板，在缝隙的中间加载一个可变电容；所述泡沫层为泡沫材质或纸质蜂窝的平板；所述地板用于减小后向辐射。

上述技术方案中，所述可变电容为变容二极管。

上述技术方案中，所述泡沫层的材料的介电常数介于1～1.1之间。

上述技术方案中，所述有源微带反射阵单元只需控制加载在开缝地板上可变电容的电容值，就能够调节所述有源微带反射阵单元的反射相位。

基于上述的有源微带反射阵单元实现，本发明还提供了一种微带反射阵列天线，所述天线包括：馈源和可重构微带反射阵列，所述馈源为角锥喇叭天线，用于发射或接收电磁波；所述可重构微带反射阵列包括若干个横向、纵向均匀排列的有源微带反射阵单元；每个有源微带反射阵单元的加载有可变电容的开缝地板的缝隙尺寸均相同。

上述技术方案中，所述微带反射阵列天线是通过改变加载在每个有源微带反射阵单元上的可变电容的电容值来调节各个单元的反射相位，进而调节反射阵表面相位分布，从而控制微带反射阵天线的波束指向。

本发明的优点在于：

1、本发明提出了一种微带反射阵列天线，该天线的有源微带反射阵单元采用在地板上加载可变电容的形式，通过控制加载在各个单元上的电容值来动态控制微带反射阵天线的波束指向；这样，在反射阵的上表面除了辐射贴片单元外没有其它的电子器件，提高了反射阵工作的稳定性；

2、本发明的微带反射阵列天线具有良好的大张角波束扫描性能，其结构相对简单，性能良好。

附图说明

图1为本发明的有源微带反射阵单元的展开图；

图2为本发明的有源微带反射阵单元的反射相位曲线；

图3为本发明的微带反射阵列天线整体结构示意图；

图4为是本发明的微带反射阵列天线阵面示意图；

图5为本发明的微带反射阵列天线波束指向为，θ分别为0°、20°、40°时的增益方向图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述。

如图1所示，一种有源微带反射阵单元，所述单元从上到下包括：矩形贴片、介质基片、加载有可变电容的开缝地板、泡沫层和地板；所述加载有可变电容的开缝地板为开有缝隙的金属板，在缝隙的中间加载一个可变电容；所述泡沫层为泡沫材质或纸质蜂窝的平板；所述地板用于减小后向辐射。

优选的，所述可变电容为变容二极管。

所述泡沫层的材料的介电常数介于1～1.1之间。

所述有源微带反射阵单元无需对矩形贴片和开缝地板的缝隙大小进行调节，只需控制加载可变电容的开缝地板的电容值，就能够调节所述有源微带反射阵单元的反射相位。

实施例1：

设有源微带反射阵单元的加载有可变电容的开缝地板的缝隙长度为Ls，宽度为Ws；缝隙长度和宽度的选取是以反射相位曲线线性度较好且范围较大为原则；在本实施例中，在工作频率为13.58GHz时经过参数优化得出Ls＝9mm，Ws＝1mm。

在高频电磁仿真软件HFSS中对有源微带反射阵单元的相移特性进行仿真分析，其中可变电容可以使用HFSS中的集总RLC边界，电容值大小设为变量C来等效的代替可变电容。通过对变量C进行参数扫描得出单元的反射相位随着电容值C变化的曲线，也就说明通过调节加载在单元上的电容值大小是可以对单元的反射相位进行调节。如图2所示，随着加载的电容值从0.02pF变化到0.34pF，相应的反射相位变化约为340°，并且反射相位曲线的线性度良好。

如图3和图4所示，基于上述有源微带反射阵单元，本发明还提供了一种微带反射阵列天线，包括：馈源和可重构微带反射阵列，其中馈源为角锥喇叭天线；用于发射或接收电磁波；所述可重构微带反射阵列包括若干个横向、纵向均匀排列的有源微带反射阵单元；每个有源微带反射阵单元的加载有可变电容的开缝地板的缝隙尺寸均相同。

所述微带反射阵列天线是通过改变加载在每个有源微带反射阵单元上的电容值的大小来调节各个单元的反射相位，进而调节反射阵表面相位分布，从而动态的控制微带反射阵天线的波束指向。

实施例2：

本实施例的反射阵天线包括极化方向为X方向的线极化喇叭馈源天线和可重构微带反射阵；可重构微带反射阵的中心频率为13.58GHz，反射阵大小为：117mm*117mm，天线馈电形式为正馈，焦径比F/D＝0.8。馈源喇叭的相位中心放在反射阵天线的焦点处，综合考虑微带反射阵天线的口径效率，包括口径照射效率和截获效率，最终将喇叭天线的尺寸调整到使其在反射阵口径边缘处边缘照射电平为-11dB。

通过电磁场传播和阵列天线理论可以计算出对于指定波束方向的每个反射阵单元所需补偿的相位值，然后根据反射相位曲线就可以确定加载到每一个单元上的可变电容值的大小，对于不同的波束指向，同一个单元上加载的可变电容值大小也是不同的。所以可以通过改变加载到各个单元上的可变电容值的大小来动态的调节反射阵的波束指向。

如图5所示，在θ分别为0°、20°、40°时，增益分别为22.8dB、22.1dB、21dB，并且方向图形状保持的良好。本实施例中合理调节各个有源微带反射阵单元加载的电容值可以使波束指向为0°～40°范围内任意值。在对增益和方向图形状要求不是很严格的情况下，本实施例中θ可以大于40°。

最后所应说明的是，以上所述的仅是本发明的一个实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下，对本发明进行修改或者替换，都不脱离本发明范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种有源微带反射阵单元，所述单元从上到下包括：矩形贴片、介质基片、加载有可变电容的开缝地板、泡沫层和地板；其特征在于，所述加载有可变电容的开缝地板为开有缝隙的金属板，在缝隙的中间加载一个可变电容；所述泡沫层为泡沫材质或纸质蜂窝的平板；所述地板用于减小后向辐射。

2.根据权利要求1所述的有源微带反射阵单元，其特征在于，所述可变电容为变容二极管。

3.根据权利要求1所述的地面加载十字形缝隙的微带反射阵单元，其特征在于，所述泡沫层的材料的介电常数介于1～1.1之间。

4.根据权利要求1所述的有源微带反射阵单元，其特征在于，所述有源微带反射阵单元只需控制加载在开缝地板上可变电容的电容值，就能够调节所述有源微带反射阵单元的反射相位。

5.一种微带反射阵列天线，基于所述权利要求1-4之一的所述有源微带反射阵单元实现，所述天线包括：馈源和可重构微带反射阵列，其特征在于，所述馈源为角锥喇叭天线，用于发射或接收电磁波；所述可重构微带反射阵列包括若干个横向、纵向均匀排列的有源微带反射阵单元；每个有源微带反射阵单元的加载有可变电容的开缝地板的缝隙尺寸均相同。

6.根据权利要求5所述的微带反射阵列天线，其特征在于，所述微带反射阵列天线是通过改变加载在每个有源微带反射阵单元上的可变电容的电容值来调节各个单元的反射相位，进而调节反射阵表面相位分布，从而控制微带反射阵天线的波束指向。