CN107359417A - 一种新型低剖面电扫描波束反射阵天线 - Google Patents

一种新型低剖面电扫描波束反射阵天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型低剖面电扫描波束反射阵天线，包括：若干个反射阵天线子阵、移相切换波导系统、偏置电压电路、波控机和电源；其中，若干个反射阵天线子阵并行排列；所述反射阵天线子阵包括可重构反射阵面、极化栅型漏波结构、第一CTS馈电结构和第二CTS馈电结构；其中，所述可重构反射阵面和所述极化栅型漏波结构相连接，可重构反射阵面处于极化栅型漏波结构上方；所述第一CTS馈电结构与所述极化栅型漏波结构的一端相连接；所述第二CTS馈电结构与所述极化栅型漏波结构的另一端相连接；所述移相切换波导系统分别与所述第一CTS馈电结构、所述第二CTS馈电结构相连接。本发明解决了大口径天线阵面的漏波馈电激励设计问题，并提供了多模工作能力。

Description

一种新型低剖面电扫描波束反射阵天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种新型低剖面电扫描波束反射阵天线。
背景技术
随着天线技术、卫星应用的不断发展，以及相关空间科学与应用不断广泛和深入，对无线系统所能完成的功能要求越来越多，这就要求系统中的天线具有能够实现多种功能的能力或能够根据不同应用实现对应的性能指标，仅仅通过增加天线数量来增加天线功能或性能已经无法满足越来越复杂的空间任务要求，且系统对天线波束扫描能力的需要越发迫切，而发展天线可重构技术、多模式工作天线技术是增强天线能力、应对复杂系统应用挑战的一种办法。
为了满足复杂多样的雷达工作模式要求，常要求天线功能强大，应用模式灵活，需要天线具有和/差波束形成与波束扫描能力，或需要天线具有多相位中心(MultiplePhase-Centre)特性，满足雷达系统对动目标检测的需要。雷达系统空间应用常要求天线具有较宽的波束扫描范围，并且具有在空域内的波束快速搜索能力，以及赋予雷达具有单脉冲测角功能，现有的相控阵天线因复杂的馈电网络结构以及大量的移相器使天线重量难以满足要求。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种新型低剖面电扫描波束反射阵天线，引入了双CTS馈电结构进行准平面波激励，解决了大口径天线阵面的漏波馈电激励设计问题，并提供了多模工作能力；基于圆极化器模型实现了2比特反射移相与极化扭转的兼容，有利于进行大口径反射阵面低剖面设计与辐射效率的保持。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种新型低剖面电扫描波束反射阵天线，包括：若干个反射阵天线子阵、移相切换波导系统、偏置电压电路、波控机和电源；其中，若干个反射阵天线子阵并行排列；所述反射阵天线子阵包括可重构反射阵面、极化栅型漏波结构、第一CTS馈电结构和第二CTS馈电结构；其中，所述可重构反射阵面和所述极化栅型漏波结构相连接，可重构反射阵面处于极化栅型漏波结构上方；所述第一CTS馈电结构与所述极化栅型漏波结构的一端相连接；所述第二CTS馈电结构与所述极化栅型漏波结构的另一端相连接；所述移相切换波导系统分别与所述第一CTS馈电结构、所述第二CTS馈电结构相连接；偏置电压电路与可重构反射阵面通过低频连线相连接，为可重构反射阵面提供偏置电压；波控机与偏置电压电路相连接，根据波控码向偏置电压电路发出指令，完成偏置电压电路输出正确的偏置电压矩阵状态；电源分别与偏置电压电路、波控机相连接。
上述新型低剖面电扫描波束反射阵天线中，所述移相切换波导系统包括第一功分器、第二功分器、第一移相器、第二移相器、第一切换开关、第二切换开关和魔Tee；其中，第一功分器、第一切换开关、第一移相器、魔Tee、第二移相器、第二切换开关和第二功分器依次相连接；第一功分器与第一CTS馈电结构相连接，第二功分器与第二CTS馈电结构相连接。
上述新型低剖面电扫描波束反射阵天线中，所述极化栅型漏波结构包括上侧覆铜印刷板、泡沫材料层和下侧覆铜印刷板；其中，上侧覆铜印刷板、泡沫材料层和下侧覆铜印刷板依次相连接；上侧覆铜印刷板的上表面设置有若干个第一金属条带，其中，若干个第一金属条带沿上侧覆铜印刷板的长度方向并行排列；下侧覆铜印刷板的下表面设置有若干个第二金属条带，其中，若干个第二金属条带沿下侧覆铜印刷板的长度方向并行排列。
上述新型低剖面电扫描波束反射阵天线中，第一金属条带的长度大于第二金属条带的长度。
上述新型低剖面电扫描波束反射阵天线中，每相邻两个第一金属条带的间隔相等；每相邻两个第二金属条带的间隔相等；相邻两个第一金属条带的间隔大于相邻两个第二金属条带的间隔。
上述新型低剖面电扫描波束反射阵天线中，所述可重构反射阵面包括若干个极化扭转型2比特反射阵单元，若干个极化扭转型2比特反射阵单元栅格式排列。
上述新型低剖面电扫描波束反射阵天线中，所述极化扭转型2比特反射阵单元包括极化旋转层、移相反射层、泡沫夹层和泡沫底层；其中，极化旋转层、泡沫夹层、移相反射层和泡沫底层依次相连接；所述极化旋转层开设有双环缝隙，双环缝隙为具有缺口的同心环缝隙；所述移相反射层设置有十字环微带线；所述双环缝隙的中心轴线与所述十字环微带线的中心轴线相重合。
上述新型低剖面电扫描波束反射阵天线中，还包括：支撑架，支撑架的数量与反射阵天线子阵的数量相同，每个反射阵天线子阵与相对应的支撑架相连接。
上述新型低剖面电扫描波束反射阵天线中，极化栅型漏波结构的长与可重构反射阵面的长相等，极化栅型漏波结构的宽与可重构反射阵面的宽相等。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明采用双CTS馈电结构侧向馈电方式实现了对极化栅型漏波结构的双向准平面波馈电，有效地提高了天线口径的利用率，并提供了天线多模工作所需要的双馈电端口，该馈电方式与一般波导型级联功分结构相比具有实现简单、结构紧凑的优点；
(2)本发明使用极化扭转型2比特移相可重构反射阵单元以实现辐射相位移相进行波束扫描，无需传统的微波移相器，且与单比特移相相比，相位量化导致的辐射效率损失明显减少。该极化扭转型可重构反射阵单元与极化栅型漏波结构的结合，通过对激励场进行极化扭转，使得该天线在低剖面结构下获得了辐射能力。该可重构反射阵单元为一种对无源结构增加逻辑控制元件的设计方案，结构简单，易于移相状态控制，成本低，便于大规模使用，具有明显的实用性；
(3)本发明采用漏波型阵面激励方式——通过来自CTS结构的准平面波对极化栅型漏波结构进行馈电，而极化栅型漏波结构中的漏波型阵面馈电方式，使整个天线高度跳出了传统空间馈电对天线结构配置的约束，同时也没采用相控阵天线常应用的波束合成网络。该馈电方式具有实现方式简单、易于在低剖面结构约束下对大型天线辐射口径进行激励功率分布以实现高天线增益；
(4)本发明基于双向馈电设计特点，并结合移相切换波导系统，是天线具有多模工作能力，并提供了进行多相位中心、波束指向微调以及和差波束实现的技术功能。同时该天线可以结合DBF技术实现多模数据流的实时输出。
附图说明
图1是本发明的新型低剖面电扫描波束反射阵天线的结构示意图；
图2是本发明的反射阵天线子阵的结构示意图；
图3是本发明的极化栅型漏波结构示意图；
图4是本发明的新型低剖面电扫描波束反射阵天线的多模工作DBF实现原理框图；
图5是本发明的极化扭转型2比特反射阵单元原理模型的示意图；
图6为本发明的反射阵天线子阵的侧视截面图；
图7(a)是本发明的极化旋转层加载上射频状态控制点的示意图；
图7(b)是本发明的移相反射层加载上射频状态控制点的示意图；
图8(a)、图8(b)、图8(c)和图8(d)是本发明的极化扭转型2比特反射阵单元的四个状态示意图；
图9是本发明的CTS馈电结构的示意图；
图10为移相切换波导系统简化后低剖面电扫描波束反射阵子阵结构图；
图11是本发明的魔Tee的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明：
图1是本发明的新型低剖面电扫描波束反射阵天线的结构示意图。如图1所示，该新型低剖面电扫描波束反射阵天线包括：若干个反射阵天线子阵1、移相切换波导系统2、偏置电压电路3、波控机4和电源5；其中，
若干个反射阵天线子阵1并行排列。
反射阵天线子阵1包括可重构反射阵面11、极化栅型漏波结构12、第一CTS馈电结构13和第二CTS馈电结构14；其中，可重构反射阵面11和极化栅型漏波结构12相连接；第一CTS馈电结构13与极化栅型漏波结构12的一端相连接；第二CTS馈电结构14与极化栅型漏波结构12的另一端相连接。具体的，如图2所示，第一CTS馈电结构13与极化栅型漏波结构12的左端相连接；第二CTS馈电结构14与极化栅型漏波结构12的右端相连接。极化栅型漏波结构12与可重构反射阵面11口径(长与宽)尺寸相等；第一CTS馈电结构13与第二CTS馈电结构14作为准平面波源向极化栅型漏波结构12相对两侧馈入激励，极化栅型漏波结构12对于激励源表现为单面漏波而另一面为极化屏蔽特性，极化栅型漏波结构12单面漏波照射可重构反射阵面11，可重构反射阵面11则扭转激励场极化，使反射场极化与激励场正交(垂直)，并根据波束指向要求实现所要求的口径场分布进行移相控制与辐射。极化栅型漏波结构12能够实现对与激励场之极化方向正交的辐射场电磁波通过。可重构反射阵面11单元为基于圆极化器模型反射式移相器原理的工作，实现了极化扭转型2比特移相反射阵单元性能。若干个反射阵天线子阵1沿一维排列，而反射阵天线子阵1采用双端口漏波型馈电以提高口面馈电效率并改善辐射波束性能，并结合移相切换波导系统2实现多模工作，具有多天线相位中心、波束指向微调以及和差波束实现的技术功能。
移相切换波导系统2分别与第一CTS馈电结构13、第二CTS馈电结构14相连接。
偏置电压电路3与可重构反射阵面11通过低频连线相连接，为可重构反射阵面11提供偏置电压；波控机4与偏置电压电路3相连接，根据波控码向偏置电压电路3发出指令，完成偏置电压电路3输出正确的偏置电压矩阵状态；电源5分别与偏置电压电路3、波控机4相连接。具体的，偏置电压电路3与可重构反射阵面11通过低频连线相连，而通过数据线接受波控机4管理，并为可重构反射阵面11中的每个单元提供偏置电压，通过改变每个单元可重构控制点的偏置电压实现对单元射频状态的切换。波控机4则与偏置电压电路3相连，根据波束指向要求等信息计算对应的波控码，并向偏置电压电路3发出指令，完成偏置电压电路3输出正确的偏置电压矩阵状态，实现对可重构反射阵面11射频状态的正确控制。电源5与偏置电压电路3、波控机4相连，为相关数据计算与电路运行提供供电支持。
如图1所示，移相切换波导系统2包括第一功分器21、第二功分器25、第一移相器22、第二移相器26、第一切换开关23、第二切换开关27和魔Tee24；其中，
第一功分器21、第一切换开关23、第一移相器22、魔Tee24、第二移相器26、第二切换开关27和第二功分器25依次相连接；
第一功分器21与第一CTS馈电结构13相连接，第二功分器25与第二CTS馈电结构14相连接。
具体的，移相切换波导系统2中第一功分器21第二功分器25和实现对由反射阵天线子阵1组成的一维线阵进行功分馈电，而第一切换开关23、第一移相器22、魔Tee24、第二移相器26和第二切换开关27为天线提供了多模工作能力，其中分别对魔Tee24两个端口的激励将实现对反射阵天线子阵1的共模馈电和差分馈电，而第一移相器22和第二移相器26则实现共模馈电或差分馈电下的施加附加相差，实现对波束指向的微调整，最后则可以通过第一切换开关23和第二切换开关27切换，实现对反射阵天线子阵1在单侧馈电与双侧馈电的切换。
CTS馈电结构与移相切换波导系统2相连，而移相切换波导系统2中的移相器、切换开关、与魔Tee电路赋予了该天线不同的激励模式。该天线阵面子阵具有双端口，其激励幅度与相位构成激励向量(端口1幅度A，端口2幅度A2；端口1相位P1，端口2相位P2)，该激励向量的不同支持了多种工作模式的实现。(1,1；0°，0°)表示对阵面进行共模馈电，(1,1；0°，180°)表示对阵面进行差分馈电，而(1,0；0°，0°)与(0,1；0°，0°)则表示对双端口分别独立馈电。在该天线中，采用(1,1；0°，±90°)激励则可以实现相对于共模馈电或差分馈电模式下波束指向的微偏移。移相切换波导系统中通过开关切换实现要求的多模工作切换：波导魔Tee结构实现了对端口1与端口2分别激励获取对应的(1,1；0°，0°)与(1,1；0°，180°)功率输出，而左右移相器的增加则提供了在(1,1；0°，0°)与(1,1；0°，180°)功率输出的基础上进行相位偏移能力，比如实现(1,1；0°，±90°)功率输出；端口3与端口4则分别对应于单端口分别独立馈电。图中的采用微波电路实现多模工作的方式，也可采用数字波束形成方式通过在软件层面的数据计算实现多模数据流的输出或输入，如图4所示。
在共模馈电模式与差分馈电模式中，该新型反射阵子阵采用第一CTS馈电结构和第二CTS馈电结构双CTS馈电结构对阵面进行漏波型准平面波激励，分别从阵面的两侧向阵面进行馈电，双CTS馈电结构产生的准平面波通过表面波形式在极化栅型漏波结构中传输，实现对阵面口面的高效激励。而在双端口分别独立馈电模式中，对单个的CTS馈电结构进行激励，阵面口面场将从CTS馈电结构准平面波输出口向阵面另一侧进行指数式衰减，而分别对两侧CTS馈电结构进行激励将实现幅度不同的阵面激励场，等效为选择了不同区域的阵面进行激励，所形成的天线波束的相位中心也将有差别。该新型反射阵进行多模工作，将在在一副天线中实现多相位中心(Multiple Phase-Centre)的能力，采用相位中心偏置天线(Displaced Phase Centre Array,DPCA)技术利用在方位向所形成的多个相位中心(Multiple phase-Centre in Azimuth，MACs)，可以在SAR天线中实现高分辨率SAR应用兼容GMTI功能的潜力。例如，以共模馈电阵面激励场为依据进行和波束综合，获得对应波束指向的阵面单元控制矩阵。这样，子阵天线在(1,1；0°，0°)共模馈电下获得和波束性能，对应的相位中心为阵面中心位置，而子阵天线在相同的阵面单元控制矩阵下进行(1,1；0°，180°)差分馈电，将获得一维差波束性能；当子阵天线在相同的阵面单元控制矩阵下单侧馈电，将获得微小偏离原指向的和波束(在波束宽度内)，而对应的波束相位中心将分别处于阵面靠近CTS馈电结构的左侧和右侧，实现了天线多相位中心特性。同时，也可以通过改变阵面单元控制矩阵来修正波束指向偏移，通过在天线中切换不同激励(双端口与单端口馈电)下对应的阵面单元控制矩阵，获得具有完全相同波束指向的不同相位中心性能，满足SAR成像兼容GMTI应用的需求。
图3是本发明的极化栅型漏波结构的示意图。如图3所示，极化栅型漏波结构12包括上侧覆铜印刷板121、泡沫材料层122和下侧覆铜印刷板123；其中，
上侧覆铜印刷板121、泡沫材料层122和下侧覆铜印刷板123依次相连接；
上侧覆铜印刷板121的上表面设置有若干个第一金属条带1211，其中，若干个第一金属条带1211沿上侧覆铜印刷板121的长度方向并行排列；
下侧覆铜印刷板123的下表面设置有若干个第二金属条带1231，其中，若干个第二金属条带1231沿下侧覆铜印刷板123的长度方向并行排列。
具体的，第一金属条带1211的长度大于第二金属条带1231的长度。每相邻两个第一金属条带1211的间隔相等；每相邻两个第二金属条带1231的间隔相等；相邻两个第一金属条带1211的间隔大于相邻两个第二金属条带1231的间隔。
来自第一CTS馈电结构和第二CTS馈电结构的水平极化(电场方向平行于条带方向)电波从该极化栅型漏波结构的侧向从泡沫材料层122入射，上侧覆铜印刷板121对该极化电波表现为近似理想反射，而下侧覆铜印刷板123则表现为漏波特性，实现了一定比率的电波透过下侧覆铜印刷板，而剩余电波以表面波的形态向下一级单元进行类似的周期性级联传输。极化栅型漏波结构的漏波系数可以通过改变第二金属条带1231的长度来实现调节，而极化栅型漏波结构高度(中心的泡沫材料夹层122高度)则确定了表面波在极化栅型漏波结构中导向波传输的反射角度(以40～50°为宜)与漏波传输角度，该漏波传输角度将会影响到极化栅型漏波结构与可重构反射阵面间泡沫材料的厚度。同时，极化栅型漏波结构高度也会影响到其对垂直极化辐射波的透射系数与水平极化激励漏波系数。
图5是本发明的极化扭转型2比特反射阵单元原理结构的示意图。如图5所示，可重构反射阵面11包括若干个极化扭转型2比特反射阵单元111，若干个极化扭转型2比特反射阵单元111按照M×N栅格式排列。
极化扭转型2比特反射阵单元以双环缝隙圆极化器结构为原理电路，通过极化左向旋转或右向旋转，并进行双极化等量反射移相，使反射波极化方向与入射波正交，并结合90°反射相差控制，获得了极化扭转并具有4种反射相位状态，对应的反射波具有相同的极化特性，而等幅相位成90°相差分布(0°，90°，180°，270°)，即2比特反射移相设计。完成极化扭转后的电磁波为垂直极化，能够穿透极化栅型漏波结构进行辐射。这种通过极化旋转方式实现2比特移相的反射阵单元与极化栅进行结合具有很大优势，即有利于实现低剖面的漏波结构也不会产生结构遮挡问题，同时提高了辐射波束的极化纯度。
极化扭转型2比特反射阵单元111包括极化旋转层1111、移相反射层1112、泡沫夹层1113和泡沫底层1114。其中，
极化旋转层1111、泡沫夹层1113、移相反射层1112和泡沫底层1114依次相连接。
泡沫夹层1113作为极化旋转层1111与移相反射层1112之间的结构支撑性泡沫夹层而连接这两个电气功能层，并提供之间的电磁耦合。
极化旋转层1111开设有双环缝隙11110，双环缝隙11110为具有缺口的同心环缝隙；
移相反射层1112设置有十字环微带线11121；
双环缝隙11110的中心轴线与所述十字环微带线11121的中心轴线相重合。
泡沫底层1114也为结构支撑性泡沫而与支撑架6盒体底部连接，并由支撑架6盒体提供电磁屏蔽，如图2所示。
具体的，该极化扭转型2比特反射阵单元采用了基于双环缝隙式圆极化器的设计模型。通过对双缝隙增加控制元件产生缝隙环缺口实现相对于入射波的左向或右向极化扭转，并具有频率选择面的透波能力。十字环微带线具有对双极化波的等相位反射特性，通过十字环微带线上的控制元件，获得反射波的两种反射相位状态，且相位相差90°。来自双环缝隙的圆极化透射波照射十字环微带线谐振器结构，对应的反射波为与透射波圆极化正交，反射后透过双环缝隙式圆极化器，则获得与入射波线极化正交的反射波，实现了极化扭转。通过控制双缝隙中的控制元件与十字环微带线上的控制元件，则可以实现4种反射相位状态，获得2比特反射式移相。这样，该极化扭转型2比特反射阵单元111具有了2比特反射移相与极化扭转能力，其电气功能层由极化旋转层1111与移相反射层1112组成，见图7，且极化旋转层1111与移相反射层1112上分别加装4个射频状态控制点(如图7(a)和图7(b)所示)，可以采用射频二极管或MEMS开关等器件实现。应用该极化扭转型2比特反射阵单元111，通过控制在阵中使单元共处于4种状态，其等效电路可以通过缝隙环缺口方向与十字环短路枝节来区分，见图8(a)、图8(b)、图8(c)和图8(d)。在天线应用中，阵中单元按照口面场要求实现这4种状态进行特定组合分布，获得对应的天线性能。
以上详细描述了该天线反射阵天线子阵1中的可重构反射阵面11、极化栅型漏波结构12，这两部分组成了多层结构，如图6所示，给出了可重构反射阵天线子阵多层结构组成侧视截面图。
针对本电扫反射阵的设计，在第一CTS馈电结构13和第二CTS馈电结构14均采用了8个缝隙口输出对极化栅型漏波结构进行激励，并进行3级并联式转换，见图9，通过设计使该馈电系统能够良好地匹配到标准波导口，并在极化栅型漏波结构侧面实现了准平面波激励，且极化方向为水平极化，CTS馈电结构的波导输入端口窄边平行于天线阵面。在CTS馈电结构的设计中，8个缝隙口根据极化栅型漏波结构窄边长度均匀分布，而CTS馈电结构中每级缝隙宽度参数则通过级联优化获得。在CTS馈电结构中还采用了功分匹配设计，增加了台阶与圆弧结构改善带内匹配特性。与一般的波导功分相比，该CTS馈电结构的级联向长度更小，有利于整个天线结构紧凑化的实现。这样，通过该CTS馈电结构8个均布缝隙口的等幅同相输出，实现了对天线阵面的高效激励。
将移相切换波导系统进行简化，去除掉移相器与开关组件，则获得了图10中的简化结构，为和差波束双端口激励。在移相切换波导中采用了宽带波导魔Tee结构24，为脊波导与探针、膜片耦合结构，见图11。
极化栅型漏波结构2与可重构反射阵面1口径等长宽尺寸，并为上下关系，使天线具有了紧凑型的漏波馈电结构，通过控制漏波系数使表面波漏波衰减式传播实施对整个阵面的激励，避免了传统空间馈电的天线高度与口径相关的约束，从而降低了整个天线的结构高度。
如图2所示，新型低剖面电扫描波束反射阵天线还包括：支撑架6，支撑架6的数量与反射阵天线子阵1的数量相通，每个反射阵天线子阵1与相对应的支撑架6相连接。
本实施例采用了基于可重构技术的大口径波束电扫描反射阵天线方案进行设计与性能实现。在本实施例的低剖面电扫描波束反射阵天线为基于极化栅型漏波结构的低剖面表面波漏波结构，CTS馈电结构提供一种线极化波激励极化栅型漏波结构，并通过周期性级联漏波实现对可重构反射阵面的激励，可重构反射阵面中极化扭转型2比特反射阵单元实现0°、90°、180°或270°反射相位调制，并使反射阵面反射波极化与漏波(激励场)的极化正交，透过极化栅型漏波结构进行辐射。极化栅型漏波结构2能够对来自CTS馈电结构的入射波表现为表面波漏波特性，并能够透过来自反射阵面的经过极化旋转后与激励场极化正交的电磁波，而可重构反射阵面用于对漏波的照射进行反射、移相与极化方向旋转，形成对应波束所要求的辐射口径场。该天线结构使得能够在较小的结构剖面下实现对大型阵面的高效激励。
根据CTS馈电结构幅相激励设置与极化栅型漏波结构模型，可以计算出极化栅型漏波结构的漏波场，即后对反射阵阵面的激励场。将该激励场进行等间距离散化，按照阵列综合方式，对该电大口径的反射阵进行设计。
在反射阵天线的设计中，对其离散口面场使用了阵列综合技术进行和波束设计。如图1所示，对于位于XY平面上的M×N个极化扭转型2比特反射阵单元进行栅格式排列的可重构反射阵面。设mn号单元的激励电流为方向图函数为fmn(θ,φ)，位置矢量为则在观察方向阵列的方向图函数为
要使阵列的波束最大值指向为(θ0,φ0)，则各个单元的馈电相位应为
反射阵辐射口径的相位分布是通过反射阵每个单元反射入射波的相位值得到的，为
其中为极化栅型漏波结构对反射阵的入射场相位，为反射阵单元调制入射波相位后，反射场与入射波相位的差，即反射阵单元调节相位值。
要实现特定的波束指向，根据式(3)得到了在减去得到的即可以得到反射阵元调节相位值是为整个反射阵的相位调节分布。
为了获得2比特反射移相，需要对相位调节分布进行离散化。在这里，以90°为量化值，就得到经过离散量化后的满足所要求波束指向的2比特相位调节分布谱，再根据该分布谱控制阵面内单元阵列的逻辑器件状态(如图7中的4状状态)进行相应排布，就可以实现所需要的天线性能，这样有：
单比特反射相位
经过分析，可以认为反射阵口径的辐射场幅度与激励场的幅度相等。这样，就可以得到反射阵口径的辐射场，进行计算就可以得到反射阵天线的辐射方向图。根据以上公式进行计算，就可以得到天线阵面移相矩阵和对应的阵列综合后辐射方向图。
本实施例提出了通过在漏波激励型反射阵天线中应用CTS馈电结构、新型2比特移相反射阵单元与移相切换波导系统实现波束电扫描的高增益低剖面天线方案，涉及可重构反射阵技术、CTS天线技术、圆极化器(栅)技术、波束扫描技术、多模天线技术、大规模阵列仿真计算手段等，通过方案设计以及关键技术攻关，得到了所要求的天线性能：该新型低剖面电扫描波束反射阵天线，通过应用基于CTS结构的准平面波漏波馈电方式实现天线低结构剖面特性，而且基于圆极化器模型进行了2比特极化扭转移相单元设计，巧妙地改进了原有基于3dB-90°电桥的反射式移相器设计方向，克服了原有方法需要进行电桥结构与移相器平面布线、对单元尺寸小型化有限制的缺点，并在子阵中采用双端口馈电使天线具有多模工作能力，其设计思想与天线结构具有新颖性；新型低剖面电扫描波束反射阵天线创造性的在漏波馈电中引入了双CTS结构进行准平面波激励，解决了大口径天线阵面的漏波馈电激励设计问题，在技术上具有进步性，且基于圆极化器模型实现了2比特反射移相与极化扭转的兼容，有利于进行大口径反射阵面低剖面设计与辐射效率的保持，技术优势明显，所应用的基本技术合理可行，具有工程化应用价值。
该天线可以应用到多种无线系统中，特别是推动和开拓了相关应用。该天线的不仅可以用于作为雷达系统的多功能天线辐射结构进行雷达信号发射与接收，也能够用于作为通信天线进行根据电磁环境与应用需要进行灵活应用。该发明所涉及的新型低剖面电扫描波束反射阵天线不仅可以作为用于对空间非合作目标的识别与探测的天基雷达系统中的天线，也可以作为多用途、多功能天线用于复杂空间飞行器间实现通信、指令控制、数据传输等多种任务的应用。该天线也可以作为卫星通信终端天线的重要技术手段，应用到有限布局空间下各类车载、机载高码速率卫通天线设计中，是新一代低成本大口径卫通天线的基础技术支撑。
该新型低剖面电扫描波束反射阵天线与传统相控阵天线相比，馈电方式简单，波束扫描方式特殊，具有明显的技术优势。该新型低剖面电扫描波束反射阵天线通过控制激励方式具有了多模工作能力，并能够提供多相位中心特性，在新型多功能SAR天线、智能天线方面具有重要的应用前景，其进行复杂功能雷达天线实现的思想、途径与天线结构特点对于其它多功能多任务天线、天线智能化设计具有重要借鉴意义，而且其特殊的设计思路和结构特点使得该天线具有广泛的应用前景。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种新型低剖面电扫描波束反射阵天线，其特征在于包括：若干个反射阵天线子阵(1)、移相切换波导系统(2)、偏置电压电路(3)、波控机(4)和电源(5)；其中，
若干个反射阵天线子阵(1)并行排列；
所述反射阵天线子阵(1)包括可重构反射阵面(11)、极化栅型漏波结构(12)、第一CTS馈电结构(13)和第二CTS馈电结构(14)；其中，所述可重构反射阵面(11)和所述极化栅型漏波结构(12)相连接，可重构反射阵面(11)处于极化栅型漏波结构(12)上方；所述第一CTS馈电结构(13)与所述极化栅型漏波结构(12)的一端相连接；所述第二CTS馈电结构(14)与所述极化栅型漏波结构(12)的另一端相连接；
所述移相切换波导系统(2)分别与所述第一CTS馈电结构(13)、所述第二CTS馈电结构(14)相连接；
偏置电压电路(3)与可重构反射阵面(11)通过低频连线相连接，为可重构反射阵面(11)提供偏置电压；波控机(4)与偏置电压电路(3)相连接，根据波控码向偏置电压电路(3)发出指令，完成偏置电压电路(3)输出正确的偏置电压矩阵状态；电源(5)分别与偏置电压电路(3)、波控机(4)相连接。
2.根据权利要求1所述的新型低剖面电扫描波束反射阵天线，其特征在于：所述移相切换波导系统(2)包括第一功分器(21)、第二功分器(25)、第一移相器(22)、第二移相器(26)、第一切换开关(23)、第二切换开关(27)和魔Tee(24)；其中，
第一功分器(21)、第一切换开关(23)、第一移相器(22)、魔Tee(24)、第二移相器(26)、第二切换开关(27)和第二功分器(25)依次相连接；
第一功分器(21)与第一CTS馈电结构(13)相连接，第二功分器(25)与第二CTS馈电结构(14)相连接。
3.根据权利要求1所述的新型低剖面电扫描波束反射阵天线，其特征在于：所述极化栅型漏波结构(12)包括上侧覆铜印刷板(121)、泡沫材料层(122)和下侧覆铜印刷板(123)；其中，
上侧覆铜印刷板(121)、泡沫材料层(122)和下侧覆铜印刷板(123)依次相连接；
上侧覆铜印刷板(121)的上表面设置有若干个第一金属条带(1211)，其中，若干个第一金属条带(1211)沿上侧覆铜印刷板(121)的长度方向并行排列；
下侧覆铜印刷板(123)的下表面设置有若干个第二金属条带(1231)，其中，若干个第二金属条带(1231)沿下侧覆铜印刷板(123)的长度方向并行排列。
4.根据权利要求3所述的新型低剖面电扫描波束反射阵天线，其特征在于：第一金属条带(1211)的长度大于第二金属条带(1231)的长度。
5.根据权利要求3所述的新型低剖面电扫描波束反射阵天线，其特征在于：每相邻两个第一金属条带(1211)的间隔相等；每相邻两个第二金属条带(1231)的间隔相等；相邻两个第一金属条带(1211)的间隔大于相邻两个第二金属条带(1231)的间隔。
6.根据权利要求1所述的新型低剖面电扫描波束反射阵天线，其特征在于：所述可重构反射阵面(11)包括若干个极化扭转型2比特反射阵单元(111)，若干个极化扭转型2比特反射阵单元(111)栅格式排列。
7.根据权利要求6所述的新型低剖面电扫描波束反射阵天线，其特征在于：所述极化扭转型2比特反射阵单元(111)包括极化旋转层(1111)、移相反射层(1112)、泡沫夹层(1113)和泡沫底层(1114)；其中，
极化旋转层(1111)、泡沫夹层(1113)、移相反射层(1112)和泡沫底层(1114)依次相连接；
所述极化旋转层(1111)开设有双环缝隙(11110)，双环缝隙(11110)为具有缺口的同心环缝隙；
所述移相反射层(1112)设置有十字环微带线(11121)；
所述双环缝隙(11110)的中心轴线与所述十字环微带线(11121)的中心轴线相重合。
8.根据权利要求1所述的新型低剖面电扫描波束反射阵天线，其特征在于，还包括：支撑架(6)，支撑架(6)的数量与反射阵天线子阵(1)的数量相同，每个反射阵天线子阵(1)与相对应的支撑架(6)相连接。
9.根据权利要求1所述的新型低剖面电扫描波束反射阵天线，其特征在于：极化栅型漏波结构(12)的长与可重构反射阵面(11)的长相等，极化栅型漏波结构(12)的宽与可重构反射阵面(11)的宽相等。
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