CN105261837B - 一种反射阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种反射阵天线，所述反射阵天线包括：馈源角锥喇叭和反射面阵列；所述反射面阵列由多个天线单元以镜面对称的方式依次周期排列而成；所述天线单元包括微带贴片和底板，所述微带贴片位于底板之上；所述微带贴片进一步包含：嵌套放置的三个圆环，及两条相位延迟线；其中，所述三个圆环上分别设置两个相对于中心对称的缝隙；所述的两条相位延迟线成圆弧形，分别与位于微带贴片的外圆环上的微带短线相连，且与所述微带短线的连线与天线极化方向平行。本发明能够结合不同结构的优势来实现更高带宽的反射阵天线。

Description

一种反射阵天线

技术领域

本发明涉及通讯领域，特别涉及一种反射阵天线。

背景技术

近年来微带反射阵天线技术结合了抛物面天线和微带阵列天线的突出特点，在雷达和通讯领域得到广泛的发展和应用。反射阵天线的优势在于不需要复杂的馈电网络，能够实现较高的辐射效率，此外，反射阵天线设计加工更加方便、质量轻、成本低。然而反射阵天线也有一些不足之处，其中最突出的就是它的带宽相对比较窄，一般低于10％。引起反射阵天线带宽低的原因有两个：第一是微带天线单元本身的窄带特性，第二是馈源与各个反射单元之间路径的电长度不是常数，受频率的影响比较大。在设计小尺寸或者中等尺寸口径的反射阵天线时(请参见参考文献1：Ming-Yang Zhao,Guang-Qiu Zhang,Xue Lei,Jun-MoWu,and Ji-Yong Shang,“Broadband Reflectarray Antenna Incorporating DiskElements With Attached Phase-Delay Lines”IEEE Antennas Wireless Propag.Lett.,vol.12,pp.356–359,2013)，主要考虑第一个原因，通过提高微带天线单元本身的带宽来提高反射阵天线的带宽。

在设计中等尺寸的反射阵天线时，为了克服频带窄的缺点，前人已经提出了很多种方法，如多谐振结构的反射单元、相位延迟线型反射单元和多层结构的反射单元。从结构加工方面上考虑，多谐振结构的反射单元和相位延迟线型反射单元有一定的优势。现有技术提出了一些相位延迟线型反射单元能提高反射阵天线的带宽(请参见参考文献2：H.Hasani,M.Kamyab,and A.Mirkamali,“Low cross-polarization reflectarrayantenna,”IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.59,no.5,pp.1752–1756,May2011以及参考文献Iman Derafshi,Nader Komjani,and Mohammad Mohammadirad,“A Single-LayerBroadband Reflectarray Antenna by Using Quasi-spiral Phase Delay Line,”IEEEAntennas Wireless Propag.Lett.,vol.14,pp.84–87,2015)。所提出的相位延迟线型反射单元采用的谐振结构为圆形贴片结构或者多圆环结构，增益带宽特性有所提高，但是并不特别显著，同时还要处理交叉极化分量较大的问题，使得相位延迟线单元型微带反射阵天线还存在一定的局限性。与此同时，双开缝圆环结构的反射单元在圆极化反射阵天线中得以应用(请参见参考文献3：Ming-Yang Zhao,Guang-Qiu Zhang,Xue Lei,Jun-MoWu,andJi-Yong Shang,“Broadband Reflectarray Antenna Incorporating Disk ElementsWith Attached Phase-Delay Lines”IEEE Antennas Wireless Propag.Lett.,vol.12,pp.356–359,2013)，带宽可以达到30％左右。以现有的技术，线极化反射阵天线很难达到如此的带宽，这就大大限制了线极化反射阵天线的实际应用。经研究发现，双开缝圆环结构与相位延迟线型单元相结合的方法可以提高线极化反射阵天线的带宽，但是反射阵天线的低频特性相对较差，导致增益带宽很难有进一步的提高。

发明内容

本发明的目的在于克服已有的反射阵天线的低频特性相对较差的缺陷，从而提供一种能够实现更高带宽的反射阵天线。

为了实现上述目的，本发明提供了一种反射阵天线，所述反射阵天线包括：馈源角锥喇叭和反射面阵列；

所述反射面阵列由多个天线单元以镜面对称的方式依次周期排列而成；

所述天线单元包括微带贴片和底板，所述微带贴片位于底板之上；所述微带贴片进一步包含：嵌套放置的三个圆环，及两条相位延迟线；其中，所述三个圆环上分别设置两个相对于中心对称的缝隙；所述的两条相位延迟线成圆弧形，分别与位于微带贴片的外圆环上的微带短线相连，且所述微带短线的连线与天线极化方向平行。

上述技术方案中，所述的三个开缝的圆环嵌套组合，且内圆环的缝隙连线和外圆环的缝隙连线垂直于天线极化方向，中间圆环的缝隙连线平行于天线极化方向。

上述技术方案中，两条圆弧形的相位延迟线的长度和宽度相同，相对于圆环的圆心中心对称，且通过改变两条相位延迟线的长度进而补偿路径引起的相位差。

上述技术方案中，所述底板包括如下三层结构：介质基板、泡沫层和接地板；

其中，所述微带贴片采用镜面对称的方式布放于所述介质基板的上表面，且所述介质基板的下表面与所述泡沫层的上表面接触，所述泡沫层的下表面与所述接地板相接触。

上述技术方案中，所述天线单元的周期尺寸小于0.5倍的工作波长。

本发明的优点在于：

本发明能够结合不同结构的优势来实现更高带宽的反射阵天线。

附图说明

图1是本发明的反射阵天线中的反射面阵列的一个实施例的结构示意图；

图2是本发明的反射阵天线中的微带贴片的结构示意图；

图3(a)是本发明的反射阵天线中的天线单元的正视图；

图3(b)是本发明的反射阵天线中的天线单元的侧视图；

图4是相位延迟线长度与反射相位的关系曲线图；

图5是本发明的反射阵天线的设计原理图；

图6为10GHz和9GHz时，反射阵天线E面的主极化和交叉极化的辐射方向图；

图7为10GHz和9GHz时，反射阵天线H面的主极化和交叉极化的辐射方向图；

图8为不同频率下反射阵天线最大增益的曲线图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明的反射阵天线包括：馈源角锥喇叭、反射面阵列；所述馈源角锥喇叭放置于反射面阵列中心的正上方；其中，

所述反射面阵列由多个天线单元以镜面对称的方式依次周期排列而成；

所述天线单元较现有的相位延迟线型反射单元有所改进，具体包括：微带贴片、底板；所述微带贴片位于底板之上；如图2所示，所述微带贴片进一步包含：嵌套放置的三个圆环，及两条相位延迟线；三个圆环上分别设置两个相对于中心对称的缝隙。

在图1中给出了本发明的反射阵天线中的反射面阵列的一个实施例，在该实施例中，反射面阵列上排布有81个天线单元，这些天线单元分成9行、9列，即形成9×9的排布方式；相邻天线单元以镜面对称的方式排布。在其他实施例中，反射面阵列中的天线单元数根据具体应用而定，但是为了保证所设计的天线单元能提高反射阵天线的带宽，反射面阵列的口径不大于15倍波长。相邻天线单元以镜面对称的方式排布这一特性，使得相邻天线单元相位延迟线上电流的交叉极化分量可以部分抵消，以实现降低交叉极化分量的目的。

图1所示实施例中的反射阵天线的中心工作频率为10GHz，对应的天线单元的边长为14毫米(小于0.5倍工作波长)，从而使天线单元在不同频率下反射相位变化减小，能更好地实现宽带特性。反射阵天线的中心工作频率不限于本实施例中所述的频率，在其他实施例中，可根据实际应用来调整工作频率。天线单元的边长也不限于本实施例所披露的尺寸，但是要保证其电尺寸小于0.5倍的工作波长。

参考图3(a)，微带贴片的三个开缝圆环分别记为内圆环、中间圆环与外圆环，三者依次嵌套；其中，内圆环的缝隙连线和外圆环的缝隙连线垂直于天线极化方向，中间圆环的缝隙连线平行于天线极化方向。在一个实施例中，内圆环外径为1.6毫米，圆环宽度为0.65毫米，缝隙宽度为0.5毫米；中间圆环外径为3.0毫米，圆环宽度为0.88毫米，缝隙宽度为0.8毫米；外圆环外径为5.0毫米，圆环宽度为0.8毫米，缝隙宽度为0.8毫米。在其他实施例中，所述三个开缝圆环的外径、圆环宽度以及缝隙宽度不限于本实施例中所述的尺寸。在其他实施例中可根据具体需要进行调整，但是要保证圆环位置关系和开缝位置关系保持不变。

微带贴片的相位延迟线成圆弧形，两个相位延迟线的形状相同，且相对于内部圆环的圆心中心对称；相位延迟线与外圆环通过两个微带短线连接，其中，微带短线的连线是与天线极化方向平行的。在设计反射阵天线时，相位延迟线的长度是可变的，通过改变相位延迟线的长度可以控制天线单元的反射相位，从而补偿路径不同引起的相位差，相位延迟线的长度用相位延迟线转过的角度θ表示，其宽度是固定不变的，设计为0.5毫米。图4为相位延迟线长度与反射相位的关系曲线图，如图所示，反射相位可以实现的范围在600°以上，不同频率的相位曲线平行度很好，并且曲线的斜率变化比较均匀。通过加入开缝内圆环对相位延迟线型的天线单元的改进，相位曲线在θ范围30°～60°的区间内斜率有所下降，使得相位曲线整体的斜率变化均匀。这个结果展示了本发明的天线单元具有很好的宽带特性。

参考图3(b)，所述底板包括：介质基板、泡沫层和接地板；其中，所述微带贴片采用镜面对称的方式布放于所述介质基板的上表面，且所述介质基板的下表面与所述泡沫层的上表面接触，所述泡沫层的下表面与所述接地板相接触。

为了验证本发明的改进的相位延迟线型单元对提高反射阵天线带宽的有效性，设计了9×9的反射阵天线。其中，如图5所示，馈源喇叭位于反射阵面上表面中心82毫米处，中心馈电。并且设计反射阵天线的波束角度为0°，即垂直于反射阵面指向喇叭的方向。在已知馈源位置和阵列分布之后，计算各个单元需要补偿的路径，进而得到各个单元相位延迟线的长度。在全波仿真软件CST Microwave Studio中，对所设计的反射阵天线进行建模，并仿真。仿真结果证明，本发明的反射阵天线能够实现大幅度提高带宽的目的。

附图6为10GHz和9GHz时，反射阵天线E面的主极化和交叉极化的辐射方向图；附图7为10GHz和9GHz时，反射阵天线H面的主极化和交叉极化的辐射方向图。从图6、7中可以看出，10GHz和9GHz的辐射方向图一致性好，增益一致性好，交叉极化分量也都达到了-40dB以下。由此可以得出，工作中心频率附近的天线方向图一致性好，并且交叉极化分量得到了有效地抑制。

附图8给出了不同频率下反射阵天线最大增益的曲线图。可以看出，本发明设计的反射阵天线可以工作在8～14GHz的频率范围内，其中1-dB增益带宽约为34％(9～12.4GHz)，展示了非常好的带宽特性。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种反射阵天线，其特征在于，所述反射阵天线包括：馈源角锥喇叭和反射面阵列；

所述反射面阵列由多个天线单元依次周期排列而成，相邻两个天线单元以镜面对称的方式布置；

所述天线单元包括微带贴片和底板，所述微带贴片位于底板之上；所述微带贴片进一步包含：嵌套放置的三个圆环，及两条相位延迟线；其中，所述三个圆环中，每个圆环上设置两个相对于中心对称的缝隙，内圆环的缝隙连线和外圆环的缝隙连线均垂直于天线极化方向，中间圆环的缝隙连线平行于天线极化方向；所述的两条相位延迟线成圆弧形，分别与位于微带贴片的外圆环上的微带短线相连，且所述微带短线的连线与天线极化方向平行。

2.根据权利要求1所述的反射阵天线，其特征在于，两条圆弧形的相位延迟线的长度和宽度相同，相对于圆环的圆心对称，且通过改变两条相位延迟线的长度进而补偿路径引起的相位差。

3.根据权利要求1所述的反射阵天线，其特征在于，所述底板包括如下三层结构：介质基板、泡沫层和接地板；

其中，所述微带贴片采用镜面对称的方式布放于所述介质基板的上表面，且所述介质基板的下表面与所述泡沫层的上表面接触，所述泡沫层的下表面与所述接地板相接触。

4.根据权利要求1所述的反射阵天线，其特征在于，所述天线单元的周期尺寸小于0.5倍的工作波长。