CN105514611A - 一种口径耦合微带反射阵单元及反射阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种口径耦合微带反射阵单元，从上到下依次包括：贴片、第一介质基片、带有十字形缝隙的地板、第二介质基片、十字形相位延迟线、泡沫层、地板；所有相邻的层与层之间紧密贴合。本发明所提出的口径耦合反射阵单元可以独立地同时工作在两个相互垂直的极化方向，从而利用不同极化同时实现不同的功能需求。本发明的反射阵天线具有双波束指向的性能。

Description

一种口径耦合微带反射阵单元及反射阵天线
技术领域
本发明涉及微波通信领域，特别涉及一种口径耦合微带反射阵单元及反射阵天线。
背景技术
雷达、卫星通信、太空探测技术以及其他远距离无线传输系统要求天线具有高增益、高效率、波束扫描等性能，传统的高增益天线主要包括抛物面天线或者阵列天线。抛物面天线虽然结构简单、工作频带宽，但是其庞大笨重、隐蔽性差、难于加工，而且需要机械转动实现波束扫描。微带阵列天线加工简单，通过控制单元的相位实现波束的扫描，扫描方式灵活且范围较大。但是其馈电网络复杂传输损耗大，效率难以保证，而且加载的有源器件价格昂贵。微带反射阵列天线的出现很好的克服了上述两种天线的缺点，它的重量轻、体积小、平面结构、加工成本低、制作简单、易与其他物体共形等优点，使得其无论在军事领域还是民用领域都具有很高的应用价值。
微带反射阵的性能好坏很大程度上由单元决定，因此设计一个具有良好特性的单元结构显得更加重要。带宽较窄是微带反射阵列天线的最为明显的一个缺点，反射阵带宽的限制主要是来自单元的带宽和空间相位延迟差两个因素，其中单元的带宽尤为重要。口径耦合反射阵单元可以在较宽的频率范围内实现一致的反射相位曲线，而且相位延迟线与辐射贴片处于不同的层，通过改变相位延迟线的长度来调节反射相位的大小，能实现较宽的整体带宽，然而，大多数的口径耦合反射阵单元只能工作于单线极化。通过合理的设计单元的形式和尺寸，除了可以提高反射阵的工作带宽之外，还可以实现反射阵的多波束、线-圆极化转换、多频段工作、波束扫描等性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的口径耦合微带反射阵单元只能工作在一个线极化的缺陷，从而提供一种可以同时独立地工作在两个相互垂直的极化的口径耦合微带反射阵单元以及基于该单元提供一种具有双波束性能的微带反射阵列天线。
为了实现上述目的，本发明提供了一种口径耦合微带反射阵单元，从上到下依次包括：贴片、第一介质基片、带有十字形缝隙的地板、第二介质基片、十字形相位延迟线、泡沫层、地板；所有相邻的层与层之间紧密贴合。
上述技术方案中，所述贴片的形状为矩形、圆形或多边形；所述贴片采用金属材料制成，其厚度不大于0.02mm。
上述技术方案中，所述第一介质基片或第二介质基片的介电常数介于2～3.5之间。
上述技术方案中，所述带有十字形缝隙的地板为中部开有十字形缝隙的金属薄板，其厚度不大于0.02mm。
上述技术方案中，所述泡沫层采用泡沫材质或介电常数为1～1.1的材质制成。
上述技术方案中，所述十字形相位延迟线采用金属材料制成，通过改变所述十字形相位延迟线的长度来调节所述口径耦合微带反射阵单元的反射相位。
上述技术方案中，所述口径耦合微带反射阵单元在x方向和y方向相互独立，当入射波极化方向为x方向时，通过改变十字形相位延迟线x方向的长度调节所述口径耦合微带反射阵单元的反射相位，改变十字形相位延迟线y方向的长度对于所述口径耦合微带反射阵单元的反射相位没有影响；当入射波极化方向为y方向时，通过改变十字形相位延迟线y方向的长度调节所述口径耦合微带反射阵单元的反射相位，改变十字形相位延迟线x方向的长度对于所述口径耦合微带反射阵单元的反射相位没有影响。
本发明还提供了一种微带反射阵列天线，包括馈源和微带反射阵列，其中，
所述馈源为角锥喇叭天线，用于接收或者发射电磁波；所述微带反射阵列包括多个横向、纵向均匀排列的基于所述口径耦合微带反射阵单元。
本发明的优点在于：
1、相对于传统的口径耦合微带反射阵单元，本发明提出的微带反射阵单元具有更加广泛的实际应用，具有更多的特性。传统常见的口径耦合微带反射阵单元只能工作在一个线极化，而本发明所提出的口径耦合反射阵单元可以独立地同时工作在两个相互垂直的极化方向，从而利用不同极化同时实现不同的功能需求。
2、本发明的反射阵天线具有双波束指向的性能。
附图说明
图1是本发明的口径耦合微带反射阵单元的结构示意图；
图2是本发明的口径耦合微带反射阵单元的独立性特点分析示意图；
图3是不同的十字形缝隙长度对应的反射相位曲线示意图；
图4是不同的十字形缝隙宽度对应的反射相位曲线示意图；
图5是不同宽度的十字形相位延迟线对应的反射相位曲线示意图；
图6是不同介质厚度h2的对应的反射相位曲线示意图；
图7是不同介质厚度h3的对应的反射相位曲线示意图；
图8是本发明的微带反射阵列天线波束指向为0°方向的模型结构示意图；
图9是本发明的微带反射阵列天线波束指向为20°方向的模型结构示意图；
图10是本发明实施例2的微带反射阵天线波束指向为0°的辐射方向图；
图11是本发明实施例2的微带反射阵天线波束指向为20°的辐射方向图。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步的描述。
在图1所示的一个实施例中，本发明的一种口径耦合微带反射阵单元，从上到下依次包括：贴片、第一介质基片、带有十字形缝隙的地板、第二介质基片、十字形相位延迟线、泡沫层、地板；所有相邻的层与层之间紧密贴合。
下面对反射阵单元的各个组件做进一步的说明。
在图1所示的实施例中，所述贴片的形状为矩形，在其他实施例中，所述贴片的形状还可以是圆形、或六边形等多边形。在一个实施例中，所述贴片采用铜箔，在其他实施例中，其也可采用其他金属材料制成。所述贴片的厚度不大于0.02mm。
图1所示的实施例中，所述第一介质基片与第二介质基片为同一种介质，在其他实施例中，所述第一介质基片与第二介质基片也可以是不同类型的介质。所述第一介质基片与第二介质基片的介电常数介于2～3.5之间，作为一个优选实现方式，介电常数为2.2。
所述带有十字形缝隙的地板为中部开有十字形缝隙的金属薄板。在图1所示的实施例中，所述金属薄板为铜箔，厚度不大于0.02mm。
所述泡沫层为泡沫材质或介电常数为1～1.1的其他材质。
所述十字形相位延迟线采用金属材料制成，附着在第二层介质的下表面。本发明的口径耦合微带反射阵单元通过改变十字形相位延迟线的长度来调节单元的反射相位。
本发明的口径耦合微带反射阵单元在x方向和y方向相互独立，即当入射波极化方向为x方向时，通过改变十字形相位延迟线x方向的长度可以调节单元的反射相位，但是改变十字形相位延迟线y方向的长度对于单元的反射相位没有影响；同样的，当入射波极化方向为y方向时，通过改变十字形相位延迟线y方向的长度可以调节单元的反射相位，但是改变十字形相位延迟线x方向的长度对于单元的反射相位没有影响。
实施例1：
在本实施例中，两个介质基片均采用的是罗杰斯(Rogers)5880的板材，其介电常数为2.2；为了仿真方便，泡沫层采用空气层代替，介电常数为1；矩形贴片的长与宽相等，十字形缝隙两个方向的长度与宽度均分别相同；十字形相位延迟线的两个方向的宽度相同；单元栅格周期为13mm，单元工作的中心频率为13.58GHz。
如图2所示，采用HFSS对该单元进行建模仿真分析，得到单元的反射相位随十字形相位延迟线长度的变化曲线。在入射波极化方向为x方向的情况下，当十字形相位延迟线y方向长度Ly取不同值时，单元反射相位随十字形相位延迟线x方向长度Lx的变化曲线差别较小，说明该口径耦合双极化微带反射阵单元在x方向和y方向相互独立，即满足独立性特点。
如图3所示，十字形缝隙在x方向和y方向的长度Ls均为7mm时，本发明的口径耦合双极化微带反射阵单元的反射相位曲线线性度较好，而且反射相位曲线的范围较大；如图4所示，十字形缝隙在x方向和y方向的宽度ws对单元的反射相位曲线影响不大，因此，在工作频率为13.58GHz时，十字形缝隙长度和宽度分别为7mm和0.8mm是较为合理的。
图5是在13.58GHz处不同宽度Wp的十字形相位延迟线对应的反射相位曲线，从该图可以看出，十字形相位延迟线的宽度对单元的反射相位曲线影响不大，因此，在工作频率为13.58GHz时，十字形相位延迟线的宽度取1.2mm是较为合理的。
对两个罗杰斯(Rogers)5880介质基片的厚度h2和h3进行参数扫描分析，如图6和图7所示，单元的反射相位对介质厚度h2和h3较为敏感。当介质基片厚度h2＝1mm，h3＝1.5mm时，单元的反射相位曲线线性度较好，而且反射相位曲线的范围较大。因此，在工作频率为13.58GHz时，两个罗杰斯(Rogers)5880介质基片的厚度h2＝1mm和h3＝1.5mm是较为合理的。
因此，在工作频率为13.58GHz时，两个方向的十字形缝隙的长度为7mm、宽度为0.8mm、十字形相位延迟线宽度为1.2mm、h2＝1mm、h3＝1.5mm是一组较为合理的尺寸选择。
如图8和图9所示，基于上述口径耦合微带反射阵单元，本发明还提出了一种微带反射阵列天线，所述天线包括：馈源和微带反射阵列，所述馈源为角锥喇叭天线，用于接收或者发射电磁波；所述微带反射阵列包括若干个横向、纵向均匀排列的口径耦合微带反射阵单元。该反射阵天线具有双波束指向的性能。
在该微带反射阵列天线中，通过调整各个口径耦合微带反射阵单元中十字形相位延迟线的长度可以调节口径耦合微带反射阵单元的反射相位，从而补偿微带反射阵列中各个单元由于与馈源距离不同所带来的相位差。由于该单元可以同时工作在两个不同极化且互不影响，因此可以独立地调节十字形相位延迟线在两个方向上的长度来补偿各自对应的反射相位，从而利用不同极化同时实现不同的功能需求。
实施例2：
在本实施例中，所述天线的馈电形式为正馈，焦径比F/D＝0.8，焦距F(即馈源的相位中心到阵面的距离)为93.6mm。
本发明提出的口径耦合微带反射阵单元具有独立性特点，可以用来实现双波束指向性能。比如通过调节x方向的十字形相位延迟线长度来实现反射阵的一个波束指向，调节y方向的十字形相位延迟线长度来实现另一个不同的波束指向，这样利用不同的极化实现了反射阵的双波束指向性能。
本实施例中，所有单元十字形相位延迟线x方向的长度变化用来实现θ＝0°(即垂直阵面方向)的波束指向，y方向的长度变化用来实现θ＝20°的波束指向。因此，当馈源极化为x方向时，反射阵辐射的波束指向为0°方向；当馈源极化为y方向时，反射阵辐射的波束指向为20°方向。
图8和图9分别为馈源极化方向为x方向和y方向的微带反射阵列天线的模型结构，即图8和图9分别为微带反射阵列天线波束指向为0°和20°方向的模型结构。
图10为本发明的微带反射阵天线波束指向为0°的辐射方向图，从图中看出，当反射阵波束指向为0°时，其增益为20.4dB。
图11为本发明的微带反射阵天线波束指向为20°的辐射方向图，从图中看出，反射阵的波束准确的指向了当反射阵波束指向为20°时，其增益为19.04dB。
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 (8)

1.一种口径耦合微带反射阵单元，其特征在于，从上到下依次包括：贴片、第一介质基片、带有十字形缝隙的地板、第二介质基片、十字形相位延迟线、泡沫层、地板；所有相邻的层与层之间紧密贴合。
2.根据权利要求1所述的口径耦合微带反射阵单元，其特征在于，所述贴片的形状为矩形、圆形或多边形；所述贴片采用金属材料制成，其厚度不大于0.02mm。
3.根据权利要求1所述的口径耦合微带反射阵单元，其特征在于，所述第一介质基片或第二介质基片的介电常数介于2～3.5之间。
4.根据权利要求1所述的口径耦合微带反射阵单元，其特征在于，所述带有十字形缝隙的地板为中部开有十字形缝隙的金属薄板，其厚度不大于0.02mm。
5.根据权利要求1所述的口径耦合微带反射阵单元，其特征在于，所述泡沫层采用泡沫材质或介电常数为1～1.1的材质制成。
6.根据权利要求1所述的口径耦合微带反射阵单元，其特征在于，所述十字形相位延迟线采用金属材料制成，通过改变所述十字形相位延迟线的长度来调节所述口径耦合微带反射阵单元的反射相位。
7.根据权利要求6所述的口径耦合微带反射阵单元，其特征在于，所述口径耦合微带反射阵单元在x方向和y方向相互独立，当入射波极化方向为x方向时，通过改变十字形相位延迟线x方向的长度调节所述口径耦合微带反射阵单元的反射相位，改变十字形相位延迟线y方向的长度对于所述口径耦合微带反射阵单元的反射相位没有影响；当入射波极化方向为y方向时，通过改变十字形相位延迟线y方向的长度调节所述口径耦合微带反射阵单元的反射相位，改变十字形相位延迟线x方向的长度对于所述口径耦合微带反射阵单元的反射相位没有影响。
8.一种微带反射阵列天线，其特征在于，包括馈源和微带反射阵列，其中，
所述馈源为角锥喇叭天线，用于接收或者发射电磁波；所述微带反射阵列包括多个横向、纵向均匀排列的基于权利要求1-7之一的所述口径耦合微带反射阵单元。
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