CN106450789B - 一种基于反射阵馈电的低剖面透镜天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于雷达技术、无线通信技术领域，具体涉及一种基于反射阵馈电的低剖面透镜天线。包括初级馈源、位于初级馈源下方印刷有反射阵单元的平板反射阵和位于初级馈源上方的透镜；初级馈源给反射阵馈电，反射阵通过调节单元尺寸补偿电磁波相位使电磁波在透镜处形成与目标体应用相适应的幅度分布，再经过透镜相位补偿形成定向辐射。本发明具有低剖面、易共形、低成本、低损耗、重量轻的特点，可用于对高增益天线有低剖面要求的微波、毫米波雷达和无线通信系统中。

Description

一种基于反射阵馈电的低剖面透镜天线
技术领域
本发明属于雷达技术、无线通信技术领域，具体涉及一种基于反射阵馈电的低剖面透镜天线，特别适用于对高增益天线有低剖面要求的微波、毫米波雷达和无线通信系统中。
背景技术
传统的高增益天线主要有抛物面天线和相控阵天线，常用于无线通信、雷达探测等领域。但是传统的抛物面天线体积庞大笨重，同时难以实现波束电控扫描；而相控阵天线需要复杂的馈电网络且损耗大，同时昂贵的TR组件又大大增加了其制造成本。微带平面反射阵天线和透射阵天线的提出克服了传统高增益天线的缺点，反射阵天线和透射阵天线采用平面结构代替传统的抛物面结构，采用喇叭馈源的空间馈电方式代替复杂的馈电网络，通过调节单元尺寸的大小改变补偿相位从而使电磁波在指定方向同向叠加从而实现定向辐射，因此反射阵天线和透射阵天线具有低成本、低损耗、重量轻等优点。随着现代无线通信和雷达技术的快速发展，对天线系统提出了低剖面、易于集成的要求。只是，采用空间馈电的方式的反射阵和透射阵天线会导致馈源和反射阵或透射阵天线之间占用较大空间，大部分公开发表和报道的反射阵和透射阵天线焦径比大于0.5，从而增加整个天线系统的剖面。因此，低剖面反射阵和透射阵天线的设计成为高增益天线设计的热点和难点。
为了降低反射阵或透射阵天线系统的剖面，D.Pilz等人公开了一种在传统反射阵天线上方增加极化栅的方式将焦径比降低一半的折叠反射阵天线(Pilz.D,and Menzel.W,“Folded reflectarray antenna,”Electron.Lett.,vol.34,pp.832-833,1998)，极化栅可以全反射从馈源发出的极化方向与之平行的电磁波，主反射面的反射阵单元同时实现电场极化扭转和相位补偿，此时极化栅能透过从主反射面反射的极化方向与之垂直的电磁波从而在希望的方向实现定向辐射。但是，由于采用极化栅只能通过极化方向与之平行的电磁波，因此无法实现双极化或圆极化从而限制了折叠反射阵的应用范围。A.Abbaspour-Tamijani等人公开了一种基于相控阵馈电的透镜天线(A.Abbaspour-Tamijani,L.Zhang,G.Pan,H.K.Pan,and H.Alavi,“Lens-enhanced phased array antenna system for highdirectivity beam-steering,”in Proc.IEEE Int.Symp.on Antennas and Propagation(APSURSI),Jul.2011,pp.3275–3278)，但是采用相控阵馈电会增加馈电网络带来的损耗以及增加加工生产成本。
发明内容
针对上述存在问题或不足，本发明提供了一种基于反射阵馈电的低剖面透镜天线，在保证透镜天线低成本、低损耗、高增益辐射的前提下，降低天线系统的整体剖面、易于与平台集成共形。
本发明具体技术方案如下：
一种基于反射阵馈电的低剖面透镜天线，包括初级馈源、位于初级馈源下方的印刷有反射阵单元的平板反射阵和位于初级馈源上方的透镜。
所述平板反射阵由介质基片层和金属地板层构成，介质基片层靠近初级馈源的表面印刷有反射阵单元；反射阵单元用于补偿从初级馈源发射的电磁波相位以及在透镜处形成与目标体应用相适应的电磁波幅度分布；平板反射阵的口径不超过透镜的口径；
所述平板反射阵和初级馈源的距离D与初级馈源的波束宽度BW成反比关系，即BW越大，则D应越小，调整D使平板反射阵具有大于70％的截获效率，且平板反射阵和透镜的距离D1大于D。整个天线的焦径比即D1与透镜的直径d的比值小于1。
所述介质基片层为单层或多层结构，其材料根据天线的工作频段、带宽适应性选择。
进一步的，所述反射阵单元为多个具有不同尺寸的印刷结构单元。
进一步的，所述平板反射阵和初级馈源相互接触设置或初级馈源架空设置于平板反射阵上方。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
(1)本发明采用初级馈源给反射阵馈电，反射阵给透镜馈电的结构形式，能够有效降低整体天线系统的剖面，易于与平台集成共形。
(2)反射阵和透射阵天线本身具备低成本、重量轻、制备周期短等优点。
(3)本发明采用反射阵给透镜馈电，因此相比于普通馈源喇叭馈电的透镜天线有更多的设计自由度，可以综合调节反射阵和透射阵上单元尺寸使天线系统实现高口径效率、赋形或多波束等功能。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图；
图2是实施例1透镜天线的结构示意图；
图3是实施例1环焦馈源和反射阵的结构示意图；
图4是实施例1透镜天线在12GHz处远场E面方向图；
图5是实施例2透镜天线的结构示意图；
附图标记：环焦馈源-1，平板反射阵-2，透镜-3，圆波导-10，介质块-11，金属副反射面-12，支撑杆-13，介质基片-21，矩形贴片结构单元-20，金属铝板-22。
具体实施方式
下面结合实施例和附图，对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
本实例采用环焦卡塞格伦式反射阵给透镜馈电，整体结构如图2所示，包括由介质块11支撑的环焦馈源1、位于环焦馈源1底部的印刷有微带贴片单元20的平板反射阵2和位于环焦馈源1上方的透镜3。具体的环焦馈源和反射阵的结构示意图如图3所示，环焦馈源由半径为8.737mm的C120标准圆波导10、嵌入到标准圆波导的介质块11和涂抹于介质块11顶部的金属副反射面12构成，介质块11采用介电常数为2.2的聚四氟乙烯材料，用于阻抗匹配和支撑金属副反射面12。平板反射阵2由印刷在厚度为1.5mm、介电常数为2.2的单层F4B介质基片21正面的92个具有不同尺寸的矩形贴片结构单元20以及用于支撑介质基片21的厚度为2mm的金属铝板22构成。反射阵2上表面离透镜天线3下表面距离为45mm,反射阵和透镜天线的直径为150mm。
图4给出了本具体实例中透镜天线在12GHz的E面方向图，其最大增益达到19.6dBi；相应的反射系数小于-12dB。
实施例2：
本实例的基于反射阵馈电的透镜天线采用普通的馈源喇叭给反射阵馈电，整体结构如图5所示，初级喇叭采用圆锥喇叭1，使用4根支撑杆13支撑，反射阵和透镜采用矩形口径，其他结构同实施例1中的详细描述。

Claims (4)

1.一种基于反射阵馈电的低剖面透镜天线，其特征在于：包括初级馈源、位于初级馈源下方的平板反射阵和位于初级馈源上方的透镜，形成初级馈源给反射阵馈电，反射阵给透镜馈电的结构；
所述平板反射阵由介质基片层和金属地板层构成，介质基片层靠近初级馈源的表面印刷有反射阵单元；反射阵单元用于补偿从初级馈源发射的电磁波相位以及在透镜处形成与目标体应用相适应的电磁波幅度分布；平板反射阵的口径不超过透镜的口径；
所述的平板反射阵和初级馈源的距离D与初级馈源的波束宽度BW成反比关系，D使平板反射阵具有大于70％的截获效率，且平板反射阵和透镜的距离D1大于D；
所述介质基片层的材料根据天线的工作频段、带宽适应性选择；
整个天线的焦径比即D1与透镜的直径d的比值小于1。
2.如权利要求1所述基于反射阵馈电的低剖面透镜天线，其特征在于：所述反射阵单元为多个具有不同尺寸的印刷结构单元。
3.如权利要求1所述基于反射阵馈电的低剖面透镜天线，其特征在于：所述介质基片层为单层或多层。
4.如权利要求1所述基于反射阵馈电的低剖面透镜天线，其特征在于：所述平板反射阵和初级馈源相互接触设置或初级馈源架空设置于平板反射阵上方。
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