CN106654589B - 一种单层微带反射阵列天线及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种单层微带反射阵列天线及其设计方法，该天线包括馈源和微带反射阵列；所述的微带反射阵列包括若干个移相单元、单层介质基底和金属底板，所述的移相单元包括两个宽度沿周向渐变的圆环贴片，两个圆环贴片以非同心位置嵌套在一起，所有移相单元等间隔周期排列在介质基底上，所述的金属底板设置于单层介质基底的底面。本发明中设计的天线辐射特性优良，不同于传统旋转对称的移相单元，本发明采用的移相单元结构为非中心对称、非旋转对称结构，同样实现了较大的移相范围；另外在入射波以不同的角度斜入射时，移相特性曲线依然可以保持较好的平行特性；微带反射阵列只采用了单层介质基底，具有结构简单，加工组装方便。

Description

一种单层微带反射阵列天线及其设计方法

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及一种单层微带反射阵列天线及其设计方法。

背景技术

微带反射阵列天线结合了反射面天线和阵列天线的优点，具有波束可控性好、增益高、重量轻、成本低等优点。根据除地板层之外金属层的数量，微带反射阵列天线可以分为多层结构和单层结构，多层结构需要使用多层带有金属底板的介质材料，其结构较为复杂，加工成本较高。而常规单层反射阵列天线一般都是通过增加空气层或者较厚的泡沫层来实现较好的移相特性，但是其装配较为繁琐，同时也会引入不必要的误差。因此，仅使用一种介质材料会给天线的设计装配带来很大的便利。另外，从移相单元的对称性来看，大部分微带反射阵的移相单元均具有旋转对称特性或者中心对称特性。

发明内容

本发明的目的在于，为了突破现有移相单元对称性的限制，提供一种新型的单层微带反射阵列天线，该阵列天线所采用的移相单元具有非中心对称结构和非旋转对称结构，且其移相特性较好。

为实现上述目的，本发明提出了一种单层微带反射阵列天线，包括馈源和微带反射阵列；所述的微带反射阵列包括若干个移相单元、单层介质基底和金属底板，所述的移相单元包括两个宽度沿周向渐变的圆环贴片，两个圆环贴片以非同心位置嵌套在一起，所有移相单元等间隔周期排列在介质基底上，所述的金属底板设置于单层介质基底的底面。

作为上述技术方案的进一步改进，所述单层介质基底的厚度为3mm。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的两个圆环贴片中的大圆环的外圆直径为D₁，大圆环的内圆直径为D₂，小圆环的外圆直径为D₃，小圆环的内圆直径为D₄，则有关系为D₂＝0.8D₁，D₃＝0.5D₁，D₄＝0.8D₃；所述大圆环的外圆直径由移相单元所需的补偿相位确定。

作为上述技术方案的进一步改进，两个圆环贴片的最小宽度均为0.1mm，且两个圆环贴片之间的最小间距为0.2mm。

作为上述技术方案的进一步改进，所述移相单元的周期长度为固定值P，并满足P＝0.6λ＝13.25mm，其中λ为电磁波在13.58GHz时的自由空间波长。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的单层介质基底的相对介电常数为2.2，介质损耗角正切值为0.001。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的馈源采用角锥喇叭，所述的微带反射阵列的馈电方式为正馈。

本发明还同时提供了一种单层微带反射阵列天线的设计方法，包括：

步骤1)选择角锥喇叭作为天线的馈源，将角锥喇叭设置于微带反射阵列的上方，同时设置角锥喇叭的相位中心距离微带反射阵列的距离为焦径F，满足F＝k·D，其中D表示微带反射阵列的口径宽度，k的取值范围为0.75-1之间；

步骤2)利用反射阵相位计算公式计算每个移相单元所需的补偿相位；

步骤3)根据移相单元在其中心频率处的反射相位曲线，获取与其补偿相位相对应的大圆环的外圆直径D₁；

步骤4)利用步骤3)中获得的大圆环的外圆直径为D₁，计算获得大圆环的内圆直径为D₂＝0.8D₁，小圆环的外圆直径为D₃＝0.5D₁，小圆环的内圆直径为D₄＝0.8D₃；

步骤5)根据步骤4)中获得的大圆环和小圆环尺寸制作各移相单元，将各移相单元等间隔周期排列在介质基底上，并将金属底板设置于单层介质基底的底面。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的反射阵相位计算公式表示为：

其中，表示第i个移相单元所需补偿的相位，以选定的xoy平面设定角锥喇叭的相位中心坐标为(x_f,y_f,z_f)，设定第i个移相单元的位置坐标为(x_i,y_i,0)，表示反射波的波束指向角度，k₀＝2π/λ表示真空中电磁波的传播常数，λ为电磁波在所设计的中心频率处的自由空间波长，d_i表示馈源相位中心与第i个移相单元之间的距离，其计算公式为

本发明的一种单层微带反射阵列天线及其设计方法优点在于：

本发明中设计的天线辐射特性优良，不同于传统大部分微带反射阵所采用的旋转对称的移相单元，本发明采用的移相单元结构为非中心对称、非旋转对称结构，同样实现了较大的移相范围；另外在入射波以不同的角度斜入射时，移相特性曲线依然可以保持较好的平行特性；微带反射阵列只采用了单层介质基底，具有结构简单，加工组装方便，质量轻等优点。

附图说明

图1是本发明实施例中的一种微带反射阵列的俯视图。

图2a是图1中示出的移相单元结构的俯视图。

图2b是图1中示出的移相单元结构的侧视图。

图3是本发明中的移相单元的反射相位和反射幅度在不同频率下，随大圆环的外圆直径D₁变化的曲线图。

图4是本发明中的移相单元的反射相位随入射波以不同的入射角入射时的相位变化曲线图。

图5是本发明中的反射阵天线馈电结构及微带反射阵列之间的位置关系示意图。

图6是本发明中的单层微带反射阵列天线的辐射特性图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述的一种单层微带反射阵列天线及其设计方法进行详细说明。

本发明提供的一种单层微带反射阵列天线，所述天线包括馈源和微带反射阵列。所述的微带反射阵列包括多个移相单元、单层介质基底以及金属底板。所述移相单元等间隔地排列在单层介质基底上，其结构为非同心双圆环，所述双圆环为大、小两个嵌套的不规则圆环贴片组成，所述的每个圆环贴片均由圆形贴片相减而成，两个圆环贴片的宽度沿周向渐变。所述的金属底板设置于单层介质基底的底面。所述的反射阵列天线的中心频率为13.58GHz。

实施例一

本发明实现的是一个基于非同心双圆环结构的单层微带反射阵列天线，所述天线包括馈源和微带反射阵列。所述的微带反射阵列包括多个移相单元、单层介质基底以及金属底板。如图1所示，在本实施例中，该微带反射阵列共设置有11行11列，即共121个移相单元，单元以等间隔周期排列在单层介质基底上。在其他实施例中，移相单元的个数可视情况而定。

如图2a和图2b所示，所述移相单元的长度为固定值P，并满足P＝0.6λ＝13.25mm，其中λ为电磁波在13.58GHz时的自由空间波长。所述移相单元由两个不规则的圆环构成，相关的直径满足关系：D₂＝0.8D₁，D₃＝0.5D₁，D₄＝0.8D₃，其中两个圆环贴片中的大圆环的外圆直径为D₁，大圆环的内圆直径为D₂，小圆环的外圆直径为D₃，小圆环的内圆直径为D₄。大、小圆环均由两个非同心圆形贴片相减而成，每个圆环的最小宽度均为w＝0.1mm。大圆环和小圆环不接触，二者的间距在最小处为s＝0.2mm。有别于同心的双圆环单元，本发明中的大小两个不规则的圆环仅仅是轴对称，并不满足旋转对称和中心对称的条件。

如图2b所示，介质基底采用的是单层介质结构，其相对介电常数为2.2，介质损耗角正切值为0.001。在介质层和金属底板间没有额外的空气或者泡沫层。在本实施例中，所述单层介质基底的厚度为3mm。

通过改变大圆环的外圆直径D₁来获得不同的反射相位。图3中给出了在不同频率时移相单元的反射相位和幅度随大圆环的外圆直径变化的曲线。从图中可以看出，当D₁从1.4mm变化到13mm时，反射相位变化的范围为560^°，可以很好地满足360^°范围的移相要求。另外，曲线的线性度较好，在不同频率时相位反射曲线变化趋势基本一致。图4所示的是当入射波以不同的入射角入射时移相单元的反射相位曲线，从图中可以看出，非旋转对称性没有对不同的入射角入射产生消极影响，在不同的角度入射时相位曲线变化趋势基本一致。

另外，基于上述结构的微带反射阵列天线，本发明还提供了该微带反射阵列天线的设计方法，参考图5所示的反射阵列及其馈源的整体结构，所述的设计方法具体包括：

步骤1)选择角锥喇叭作为天线的馈源，在本实施例中，馈源采用的角锥喇叭增益为15.2dB，为简单起见，微带反射阵列的馈电方式采用正馈，即将角锥喇叭设置于微带反射阵列的上方；同时设置角锥喇叭的相位中心距离反射阵的距离为焦径F，满足F＝k·D，其中D为微带反射阵列的口径大小，k的取值范围为0.75-1之间。在本实施例中，F＝0.8D，D＝145.8mm。

步骤2)以选定的xoy平面设定角锥喇叭的相位中心坐标为(x_f,y_f,z_f)，所述微带反射阵列天线位于xoy平面，其中第i个移相单元的位置坐标为(x_i,y_i,0)。当反射波的波束指向固定为时，第i个移相单元所需补偿的相位满足补偿相位公式：

其中k₀＝2π/λ表示真空中电磁波的传播常数，λ为电磁波在所设计的中心频率处的自由空间波长，d_i表示馈源相位中心与第i个移相单元之间的距离，其计算公式为

根据补偿相位公式计算每个移相单元所需的补偿相位。

步骤3)根据图3所示的移相单元在其中心频率处的反射相位曲线，找到每个移相单元补偿相位相对应的大圆环的外圆直径D₁。

步骤4)利用步骤3)中获得的大圆环的外圆直径为D₁，计算获得大圆环的内圆直径为D₂＝0.8D₁，小圆环的外圆直径为D₃＝0.5D₁，小圆环的内圆直径为D₄＝0.8D₃；从而可以确定图1中示出的每个移相单元各部分的所有尺寸。

步骤5)根据步骤4)中获得的大圆环和小圆环尺寸制作各移相单元，将各移相单元等间隔周期排列在介质基底上，并将金属底板设置于单层介质基底的底面，至此完成单层微带反射阵列天线的结构设计。

本发明中的天线通过采用HFSS仿真软件对该天线仿真，可以得到其E面和H面的同极化和交叉极化特性，从图6中示出的辐射特性图可以看出，该天线在中心频率处的增益为23.2dB，方向特性较好；E面交叉极化分量小于-37dB，可以有效抑制杂波干扰。

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 (6)

1.一种单层微带反射阵列天线，其特征在于，包括馈源和微带反射阵列；所述的微带反射阵列包括若干个移相单元、单层介质基底和金属底板，所述的移相单元包括两个宽度沿周向渐变的圆环贴片，两个圆环贴片以非同心位置嵌套在一起，所有移相单元等间隔周期排列在介质基底上，所述的金属底板设置于单层介质基底的底面；

两个圆环贴片的最小宽度均为0.1mm，且两个圆环贴片之间的最小间距为0.2mm；

所述的两个圆环贴片中的大圆环的外圆直径为D₁，大圆环的内圆直径为D₂，小圆环的外圆直径为D₃，小圆环的内圆直径为D₄，则有关系为D₂＝0.8D₁，D₃＝0.5D₁，D₄＝0.8D₃；所述大圆环的外圆直径由移相单元所需的补偿相位确定；D₁为1.4mm到13mm，反射相位的范围为560°。

2.根据权利要求1所述的单层微带反射阵列天线，其特征在于，所述单层介质基底的厚度为3mm。

3.根据权利要求1所述的单层微带反射阵列天线，其特征在于，所述移相单元的周期长度为固定值P，并满足P＝0.6λ＝13.25mm，其中λ为电磁波在13.58GHz时的自由空间波长。

4.根据权利要求1所述的单层微带反射阵列天线，其特征在于，所述的单层介质基底的相对介电常数为2.2，介质损耗角正切值为0.001。

5.根据权利要求1所述的单层微带反射阵列天线，其特征在于，所述的馈源采用角锥喇叭，所述的微带反射阵列的馈电方式为正馈。

6.基于权利要求1-5之一所述的单层微带反射阵列天线的设计方法，其特征在于，包括：

步骤1)选择角锥喇叭作为天线的馈源，将角锥喇叭设置于微带反射阵列的上方，同时设置角锥喇叭的相位中心距离微带反射阵列的距离为焦径F，满足F＝k·D，其中D表示微带反射阵列的口径宽度，k的取值范围为0.75-1之间；

步骤2)利用反射阵相位计算公式计算每个移相单元所需的补偿相位；

所述的反射阵相位计算公式表示为：

其中，表示第i个移相单元所需补偿的相位，以选定的xoy平面设定角锥喇叭的相位中心坐标为(x_f,y_f,z_f)，设定第i个移相单元的位置坐标为(x_i,y_i,0)，表示反射波的波束指向角度，k₀＝2π/λ表示真空中电磁波的传播常数，λ为电磁波在所设计的中心频率处的自由空间波长，d_i表示馈源相位中心与第i个移相单元之间的距离，其计算公式为

步骤3)根据移相单元在其中心频率处的反射相位曲线，获取与其补偿相位相对应的大圆环的外圆直径D₁；

步骤4)利用步骤3)中获得的大圆环的外圆直径为D₁，计算获得大圆环的内圆直径为D₂＝0.8D₁，小圆环的外圆直径为D₃＝0.5D₁，小圆环的内圆直径为D₄＝0.8D₃；

步骤5)根据步骤4)中获得的大圆环和小圆环尺寸制作各移相单元，将各移相单元等间隔周期排列在介质基底上，并将金属底板设置于单层介质基底的底面。