CN108682946A - 基于超表面的全域空间可调六波束高定向夹角反射面天线 - Google Patents

基于超表面的全域空间可调六波束高定向夹角反射面天线 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于超表面的全域空间可调六波束高定向夹角反射面天线，用于实现全空间内的多波束定向辐射，波束指向动态可调，包括两个相对的三波束夹角反射面天线单元，每个天线单元包括一个侧面印制有金属底板的介质板及呈星型分布的三块直角隔离板，介质板另一个侧面的中心位置设置有垂直于板面的旋转轴，介质板与直角隔离板形成三个三面夹角结构，每个夹角结构的口径面外侧设置有球面波馈源，直角隔离板包括直角金属板及附着在其两个侧面的直角介质板，形成三面夹角结构的介质板和六块直角介质板的板面上分别印制有周期性排布的对称金属环结构，对称金属环结构的尺寸，由其所在位置的坐标值、球面波馈源的坐标值以及电磁波入射角度确定。

Description

基于超表面的全域空间可调六波束高定向夹角反射面天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种夹角反射面天线，具体涉及一种基于超表面的全域空间可调六波束高定向性夹角反射面天线，可用于无线通信和雷达领域。
技术背景
多波束天线技术能够以高增益覆盖广泛的传输区域，在卫星通信、雷达侦察、电子对抗以及微波传输等领域的需求不断扩大，成为了下一代卫星天线、多目标跟踪雷达和全域电子对抗系统的重要发展方向。
多波束天线依据波束形成原理的不同一般分为三类，即平面相控阵天线、反射面天线和透镜天线。对于高定向性多波束天线而言，天线设计和波束设计不仅是其设计的难点，同时也是关键技术。现有的基于超表面的多波束夹角反射面技术，通常是通过一块水平方向上的底板与多块垂直方向上的隔离板的组合，达到构建多波束天线的目的，并通过在夹角反射面表面加载超表面单元的方式，实现对出射波束的校准，从而实现高定向特性。然而现有的夹角反射面多波束天线设计并未涉及全域空间动态可调扫描。2015年，申请公布号为CN 104682012A，名称为“渐变波纹加载的高增益低散射夹角反射面”的专利申请，公开了一种渐变波纹加载的高增益低散射夹角反射面，通过在夹角反射面板上加载一组高度渐变的金属波纹结构，简单有效地将馈源球面波校准为平面波出射，从而有效提高了辐射增益，同时大幅降低了天线的后向散射特性，但是该发明仅工作在半空间区域，并且波束指向不能动态可调。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种基于超表面的全域空间可调六波束高定向性夹角反射面天线，采用六个角反射面的结构形式，实现全域空间内的多波束定向辐射，并通过旋转机构的设置，实现平面波波束指向的动态可调。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于超表面的全域空间可调六波束高定向夹角反射面天线，其特征在于：包括两个三波束夹角反射面天线单元，该天线单元包括一个侧面印制有金属底板2的介质板1，该介质板1另一个侧面的中心位置设置有垂直于板面的旋转轴3以及以旋转轴3为中心呈星型分布的三块直角隔离板4，形成三面夹角结构，每个夹角结构三个顶点所在平面的外侧设置有球面波馈源6，并通过与三个顶点连接的支撑杆7固定；所述直角隔离板4包括直角金属板41以及附着在直角金属板41两个侧面的直角介质板42；形成三面夹角结构的介质板1和六块直角介质板42的板面上分别印制有由多个周期性排布的对称金属环结构5组成的面阵结构；所述对称金属环结构5的尺寸，是通过该对称金属环结构5所在位置的坐标值、所在夹角结构对应的球面波馈源6位置的坐标值，以及入射电磁波的入射角度确定；
所述两个三波束夹角反射面天线单元印制有金属底板2的一侧相对，形成全域空间可调六波束高定向夹角反射面结构，且两个三波束夹角反射面天线单元可以以各自的旋转轴3为中心旋转，用于实现全空间的多波束可调旋转扫描。
上述基于超表面的全域空间可调六波束高定向夹角反射面天线，所述直角隔离板4，其板面形状为等腰直角三角形。
上述基于超表面的全域空间可调六波束高定向夹角反射面天线，所述介质板1另一个侧面的中心位置设置的以旋转轴3为中心呈星型分布的三块直角隔离板4，其两两之间的夹角均为120°。
上述基于超表面的全域空间可调六波束高定向夹角反射面天线，所述对称金属环结构5，采用外边长为w1、内边长为w2的正方形金属环结构，通过调节外边长w1和内边长w2的尺寸，实现对入射波的相位补偿，其相位补偿值的计算公式为：
其中，k0为自由空间中波数，ri为球面波馈源6的相位中心距第i个对称金属环单元中心的距离；(xi,yi)为第i个对称金属环单元中心在xoy平面的位置坐标，为平面波出射方向，θ0和分别为平面波出射方向与z轴和x轴的夹角。
上述基于超表面的全域空间可调六波束高定向夹角反射面天线，所述球面波馈源6，采用标准矩形波导结构，该球面波馈源6的相位中心位于波导口径面中心位置，其具体坐标通过计算机仿真实验参数优化确定，确定的原则为：一是调整球面波馈源6口径面中心位置与三面夹角反射面单元顶点的距离，使得球面波馈源6辐射的球面电磁波刚好全部照射入对应夹角结构，且没有能量外漏；二是调整球面波馈源6的俯仰方位，使得入射球面电磁波的照射面积最大。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明通过两个半域空间的夹角反射面结构组合，简单有效地实现了全域空间的反射面天线结构的构建，与现有技术相比，实现了全域空间多波束特性，且实现了任意角度的波束指向。
2、本发明通过旋转机构的设置，实现了天线在全域空间的多波束连续可调旋转扫描。
附图说明
图1是本发明实施例的整体结构示意图；
图2是本发明实施例的超表面单元结构示意图；
图3是本发明实施例的三维增益效果图；
图4是本发明实施例的二维增益效果图；
图5是本发明实施例的宽带辐射特性示意图；
图6是本发明实施例未加载超表面时的三维RCS效果图；
图7是本发明实施例的三维RCS效果图；
图8是加载超表面前后本发明实施例在Ku波段内的RCS对比曲线图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。
参照图1，基于超表面的全域空间可调六波束高定向夹角反射面天线，包括两个三波束夹角反射面天线单元，该天线单元包括一个侧面印制有金属底板2的介质板1，该介质板1另一个侧面的中心位置设置有垂直于板面的旋转轴3以及以旋转轴3为中心呈星型分布的三块直角隔离板4，形成三面夹角结构，每个三面夹角结构在全域空间中的作用区域为120°角范围，每个夹角结构三个顶点所在平面的外侧设置有球面波馈源6，并通过与三个顶点连接的支撑杆7固定；
所述金属底板2采用金属铜材料，为了提高本发明的结构强度，金属底板1的厚度为0.5mm；介质板1采用FR4材料，厚度为1mm，所述介质板1的上表面印制有由M2个周期性排布的对称金属环结构5组成的面阵结构，M≥20；所述直角隔离板4包括直角金属板41以及附着在直角金属板41两个侧面的直角介质板42，直角金属板41和直角介质板42板面采用等腰直角三角形，介质板42的外表面印制有M×(1+M)/2个周期性排布的对称金属环结构5组成的面阵结构，M≥20，排布周期长度为a；所述等腰直角三角形板面的腰长为a×(1+M)，底边长为所述对称金属环结构5的尺寸，是通过该对称金属环结构5所在位置的坐标值、所在夹角结构对应的球面波馈源6位置的坐标值，以及入射电磁波的入射角度确定；
所述两个三波束夹角反射面天线单元印制有金属底板2的一侧相对，形成全域空间可调六波束高定向夹角反射面结构，且两个三波束夹角反射面天线单元可以以各自的旋转轴3为中心旋转，用于实现全空间的多波束可调旋转扫描。
所述M2个周期性排布的对称金属环结构5，理论上当M≥55时，即夹角反射面边长的电尺寸达到10λ以上，超表面对于波束的调控效果最好，此时圆形金属底板2的直径大于200mm；但在实验验证的过程中，由于受到计算机仿真条件限制，本发明实施例仅取M＝20，即夹角反射面边长的电尺寸不足5λ，此时对应的圆形金属底板的直径为79.8mm。
本实施例中，天线的尺寸虽然仅约为最优效果条件下的一半，但天线的整体性能与现有技术相比，已增益相当，且RCS缩减效果更好；依据天线原理，若继续增加夹角反射面板的电尺寸长度，其辐射增益将得到大幅提高；因此显而易见的是，本发明的最优实施例，其定向性能大幅优于本实施例，且同时优于现有技术效果。在本实施例中，反射平面波的波束指向为，水平方向对称居中，俯仰方向抬高37°。
所述对称金属环结构5，如图2所示，采用外边长为w1、内边长为w2的正方形金属环结构，采用铜材料，厚度为0.017mm，其等间隔排布的周期长度a＝3.8mm；通过调节外边长w1和内边长w2的尺寸，以及电磁波的入射角度，可以得到在不同入射角度下，经不同尺寸大小的对称金属环结构5反射后的反射波相位分布；而后结合由公式计算得到的各对称金属环结构5所在位置处的相位补偿数值，即可确定每个对称金属环结构5的外边长w1和内边长w2的精确尺寸，从而在结构上实现金属环对入射波的相位补偿。
所述对称金属环结构5，对于相位的调控是在两个维度上进行的，其对入射波提供的相位补偿值是通过该对称金属环结构5所在位置的坐标值，以及该对称金属环结构5所在的三面夹角结构对应的球面波馈源6所在位置坐标值确定的。
假设反射面是位于xoy平面内的正方形平面，以整个反射面的几何中心作为坐标原点，球面波馈源6的入射波沿z轴负方向向下入射，馈源的最大辐射方向对准反射面的几何中心。假设第i个对称金属环结构5中心在xoy平面的位置坐标为(xi,yi)，则相位补偿值的计算公式为：
其中，k0为自由空间中波数，ri为球面波馈源6的相位中心距第i个对称金属环单元中心的距离；为平面波出射方向，θ0和分别为平面波出射方向与z轴和x轴的夹角。进一步地，公式中的k0ri表示将来自球面波馈源6的球面波转化为垂直于对称金属环单元表面出射的平面波所需要补偿的相位数值；第二部分表示形成给定方向上的平面波所需要进一步补偿的相位。
所述球面波馈源6，采用WR62矩形标准矩形波导结构，其相位中心位于波导口径面中心位置，具体的位置坐标由计算机仿真实验参数优化确定。确定的主要原则为：一是调整和确定球面波馈源6口径面中心位置与对应夹角结构的顶点的距离，使得球面波馈源6辐射的球面电磁波刚好全部照射入三面夹角反射面单元口径面，且没有能量外漏；二是调整和确定球面波馈源6的俯仰方位，使得入射球面电磁波的照射面积最大，让尽可能多的超表面单元参与到调控波束相位中，这有利于辐射波束增益的提高。在本实施例中球面波馈源6的口径面中心位置与三面夹角反射面单元顶点的距离为50mm，与该顶点位置的相对方位为(θ＝53°，)，其中θ和分别为馈源位置与z轴和x轴的夹角。
本实施例由于在结构上不具备三维对称性，且球面波馈源6的位置为偏置设置，因而在仿真计算时，必须分别对底板2平面和隔离板4平面各自建立相对坐标系求解。
以下通过仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明。
1、仿真条件和内容。
以下基于本发明实施例开展的仿真实验，均利用Ansoft HFSS全波仿真软件完成。
仿真1，对本发明实施例在15GHz频率下的三维辐射增益进行了仿真，仿真结果如图3所示。
仿真2，对本发明实施例在15GHz频率下的二维辐射增益曲线进行了仿真，取平面，仿真结果如图4所示。
仿真3，分别对本发明实施例在13.5GHz、14GHz、15.5GHz频率下的二维辐射增益曲线进行了仿真，取平面，并与15GHz频率下的数值结果进行对比，仿真结果如图5所示。
仿真4，对本发明实施例在未加载超表面时的三维RCS进行了仿真，取工作频率为15GHz的平面波入射，入射方向为θ＝45°，仿真结果如图6所示。
仿真5，对本发明实施例的三维RCS进行了仿真，取工作频率为15GHz的平面波入射，入射方向为θ＝45°，仿真结果如图7所示。
仿真6，分别本发明实施例在加载超表面前后的Ku波段(12GHz～18GHz)内的RCS数值曲线进行了仿真，取入射平面波方向为θ＝45°，频率间隔取1GHz，仿真结果如图8所示。
2、仿真结果分析。
参照图3，本实施例由于超表面的加载，天线在空间中形成了六束显著的笔形波束，最大辐射增益的仿真结果达到了11.7dBi，但实际应为19.5dBi。因为Ansoft HFSS软件在仿真计算时自动将激励源功率设置为单馈源功率大小的6倍，从而对于每一个独立的反射面天线单元来说，增益相应减小6倍，约7.8dBi，实际分析时应予以补偿。同时，天线在其他方向上的增益得到有效控制，表现出了显著的高定向特性。
参照图4，为进一步对比验证超表面结构的波束校准特性，对本实施例在15GHz频率下的二维辐射增益曲线进行了仿真，取参考平面为θ＝53°平面。三个明显的增益峰值出现在位置处，分别代表三个上半空间波束的最大增益值，波束辐射方向与理论设计结果一致，下半空间的波束效果与之类似。笔形波束的半功率波瓣宽度极窄，且副瓣增益均被压低在0dBi以下，定向性能十分显著。
参照图5，考察本实施例的宽带辐射特性，分别在13.5GHz、14GHz、15.5GHz频率下对本发明的二维辐射增益进行了仿真实验，并与15GHz频率下的数值结果进行对比，依然取仿真参考平面为θ＝53°平面。在13.5GHz～15.5GHz的频带范围内，天线均能保持较为良好的辐射特性，在上半空间的三个主要辐射方向上均能够形成显著的笔形波束，13.5GHz、14GHz、15.5GHz频点下的最大增益分别实际达到约18.4dBi、17.6dBi、18.9dBi(7.8dBi增益补偿后)，具备高定向多波束效果。从效果来看，各频点下的六波束定向辐射效应均十分显著，其中15GHz频率时的增益最大。
参照图6，未加载超表面时，由于本实施例的反射面结构形成了6组120°角反射器，因而入射波经反射面结构反射后的绝大多数能量都集中于个别特定的方向上。假定平面波以(θ＝45°，)的方向从远场入射。未加载超表面时，天线的散射强点均出现在(θ＝45°，)、(θ＝45°，)两个方向上。
参照图7，本实施例由于加载了超表面结构，使得反射面表面的反射相位发生改变，天线在主散射方向上的能量大为降低，各向的散射能量均被控制在较低的水平，实现了显著的RCS缩减效果。
参照图8，考察本实施例的宽带RCS缩减特性，以Ku波段(12GHz～18GHz)为例进行仿真实验，取入射平面波方向为θ＝45°，频率间隔为1GHz；选取数据参考方向为θ＝45°，未加载超表面时，天线在主散射方向上的RCS数值在-6dBsm～-2dBsm，在12GHz时最低为-6dBsm，在17GHz时最高为-2dBsm；加载超表面后，本实施例在主散射方向上的RCS数值大幅降低，在14GHz时最低为-20.5dBsm，比未加载时下降约16.3dBsm，在18GHz时最高为-8.3dBsm，比未加载时下降约5.6dBsm。整个Ku波段范围内，在天线的主散射方向上，其RCS数值比未加载超表面时平均缩减约11.2dBsm，说明超表面的加载具有显著的宽带RCS缩减特性。
以上描述仅是本发明的优选实施方式，并不对本发明构成限制，对于本领域的普通技术人员来说，均可在不脱离本发明创新构思的前提下所做出的若干变形和改进，但这些改变均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于超表面的全域空间可调六波束高定向夹角反射面天线，其特征在于：包括两个三波束夹角反射面天线单元，该天线单元包括一个侧面印制有金属底板(2)的介质板(1)，该介质板(1)另一个侧面的中心位置设置有垂直于板面的旋转轴(3)以及以旋转轴(3)为中心呈星型分布的三块直角隔离板(4)，形成三面夹角结构，每个夹角结构三个顶点所在平面的外侧设置有球面波馈源(6)，并通过与三个顶点连接的支撑杆(7)固定；所述直角隔离板(4)包括直角金属板(41)以及附着在直角金属板(41)两个侧面的直角介质板(42)；形成三面夹角结构的介质板(1)和六块直角介质板(42)的板面上分别印制有由多个周期性排布的对称金属环结构(5)组成的面阵结构；所述对称金属环结构(5)的尺寸，是通过该对称金属环结构(5)所在位置的坐标值、所在夹角结构对应的球面波馈源(6)位置的坐标值，以及入射电磁波的入射角度确定；
所述两个三波束夹角反射面天线单元印制有金属底板(2)的一侧相对，形成全域空间可调六波束高定向夹角反射面结构，且两个三波束夹角反射面天线单元可以以各自的旋转轴(3)为中心旋转，用于实现全空间的多波束可调旋转扫描。
2.根据权利要求1所述的基于超表面的全域空间可调六波束高定向夹角反射面天线，其特征在于，所述直角隔离板(4)，其板面形状为等腰直角三角形。
3.根据权利要求1所述的基于超表面的全域空间可调六波束高定向夹角反射面天线，其特征在于，所述介质板(1)另一个侧面的中心位置设置的以旋转轴(3)为中心呈星型分布的三块直角隔离板(4)，其两两之间的夹角均为120°。
4.根据权利要求1所述的基于超表面的全域空间可调六波束高定向夹角反射面天线，其特征在于，所述对称金属环结构(5)，采用外边长为w1、内边长为w2的正方形金属环结构，通过调节外边长w1和内边长w2的尺寸，实现对入射波的相位补偿，其相位补偿值的计算公式为：
其中，k0为自由空间中波数，ri为球面波馈源(6)的相位中心距第i个对称金属环单元中心的距离；(xi,yi)为第i个对称金属环单元中心在xoy平面的位置坐标，为平面波出射方向，θ0和分别为平面波出射方向与z轴和x轴的夹角。
5.根据权利要求1所述的基于超表面的全域空间可调六波束高定向夹角反射面天线，其特征在于，所述球面波馈源(6)，采用标准矩形波导结构，该球面波馈源(6)的相位中心位于波导口径面中心位置，其具体坐标通过计算机仿真实验参数优化确定，确定的原则为：一是调整球面波馈源(6)口径面中心位置与对应夹角结构的顶点的距离，使得球面波馈源(6)辐射的球面电磁波刚好全部照射入对应夹角结构，且没有能量外漏；二是调整球面波馈源(6)的俯仰方位，使得入射球面电磁波在夹角结构中的照射面积最大。
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