CN108847524B - 微带反射单元及反射阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微带反射单元，包括：包括移相单元、介质基片和金属地板，移相单元包括微带振子、第一相位延迟线和第二相位延迟线；第一相位延迟线和第二相位延迟线设置在微带振子两端，且相对于微带振子中心对称，且均以顺时针或逆时针方向绕着微带振子中心延伸，改变第一相位延迟线和第二相位延迟线的长度，以调节微带反射单元反射相位的大小。另外，本发明还公开了一种微带反射阵列天线，包括反射阵和馈源，反射阵由微带反射单元组成的阵列构成；馈源采用角锥喇叭形式，用于与反射阵之间传递波束。相比于现有技术，本发明提供的技术方案缓解了现有微带反射单元反射相位范围较小的现状，能有效提高微带反射阵列天线的带宽和增益性能。

Description

微带反射单元及反射阵列天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种微带反射单元及反射阵列天线。
背景技术
微带反射阵列天线可以理解为抛物面天线和阵列天线的结合体，它具有抛物面天线的空馈结构，也具有普通阵列天线的平面结构。它相比于抛物面天线和传统阵列天线最明显的优点有质量轻、价格便宜、加工方便、损耗较小、效率较高、易实现波束赋形和多波束等。上述优点使得微带反射阵列天线具有广阔的应用前景，尤其在航天领域具有非常大的应用潜力。
带宽较窄是微带反射阵列天线最为明显的缺点，为了克服一缺点，有学者提出采用亚波长技术来展宽反射阵列天线的带宽，通过实验证明该方法是非常有效的。亚波长技术主要是指阵列单元之间的间隔远小于半波长，也可理解为在半个波长的距离内放置多个单元，这相当于等效的增加了离散补偿相位精度，从而提高微带反射阵列天线的带宽。由于微带反射单元周期很小，限制了微带反射单元调相参数的变化范围，传统的亚波长反射单元的反射相位范围难以达到360°，这会在设计微带反射阵列天线的时候引入一定的相位误差，从而给反射阵列天线的增益、带宽等性能带来负面影响。
鉴于此，亟需一种反射单元的反射相位范围大于360°的反射阵列天线技术，以提升反射阵列天线增益、带宽方面的性能。
发明内容
本发明的目的在于，为了缓解现有微带反射单元反射相位范围较小的现状，且有效提高微带反射阵列天线的带宽和增益性能，提供一种微带反射单元及反射阵列天线。
第一方面，本发明提供了一种微带反射单元，包括移相单元、介质基片和金属地板，移相单元包括微带振子、第一相位延迟线和第二相位延迟线；第一相位延迟线和第二相位延迟线设置在微带振子两端，且相对于微带振子中心对称，且均以顺时针或逆时针方向绕着微带振子中心延伸。
进一步地，改变第一相位延迟线和第二相位延迟线的长度，以调节微带反射单元反射相位的大小。
可选地，微带反射单元的周期设置为入射波的0.2个中心频率处波长。
可选地，介质基片采用单层介质结构，单层介质的厚度为2mm，介电常数为2.2。
第二方面，本发明还提供了一种微带反射阵列天线，包括反射阵和馈源，反射阵由微带反射单元组成的阵列构成；馈源采用角锥喇叭形式，用于与反射阵之间传递波束。
进一步地，反射阵中相邻微带反射单元的旋向相反，以利于抑制反射阵的交叉极化电平。
进一步地，馈源的馈电方式采用偏馈方式。
进一步地，反射阵中微带反射单元的第一相位延迟线和第二相位延迟线的长度，由微带反射单元与馈源的距离、微带反射单元的位置、及反射阵反射波束方向确定。
进一步地，反射阵的入射波的频率为10GHz，反射阵微带反射单元周期设置为6mm；微带反射单元微带振子长度设置为5.6mm，宽度设置为0.7mm；微带反射单元第一相位延迟线和第二相位延迟线的宽度设置为0.2mm，馈源的偏馈角等于15°。
进一步地，反射阵由行数和列数均为31的微带反射单元阵列组成。
本发明的有益效果如下：
本发明中提出的微带反射单元，结构简单，周期为入射波的0.2个中心频率处波长，远小于传统的亚波长单元的周期。通过改变第一相位延迟线和第二相位延迟线的长度，其反射相位范围超过了420°，突破了传统微带反射单元反射相位范围难以达到360°的限制，有利于宽带反射阵天线的设计。另一方面，本发明的基于所述微带反射单元的反射阵列天线辐射性能优良，天线结构简单，易于工程实现。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明第一实施例微带反射单元的结构侧视示意图。
图2为本发明第一实施例微带反射单元移相单元结构示意图。
图3为本发明第一实施例微带反射单元在中心频率10GHz处的反射相位曲线图。
图4为本发明第二实施例基于微带反射单元的反射阵列天线反射阵表面结构示意图。
图5为本发明第二实施例基于微带反射单元的反射阵列天线结构模型示意图。
图6为本发明第二实施例基于微带反射单元的微带反射阵列天线的E面辐射方向图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明所述的一种微带反射单元及反射阵列天线进行详细说明，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例一：
图1为本发明实施例微带反射单元的结构侧视示意图，如图1所示，本发明实施例提供的一种微带反射单元，包括移相单元10、介质基片20和金属地板30。
在一个可选的实施例中，介质基片20采用单层介质结构，所述单层介质的厚度为2mm，介电常数为2.2。
图2为本发明实施例微带反射单元移相单元结构示意图。如图2所示，移相单元10包括微带振子101、第一相位延迟线102和第二相位延迟线103；第一相位延迟线102和第二相位延迟线103设置在微带振子101两端，且相对于微带振子10中心对称，且均以顺时针或逆时针方向绕着微带振子101中心延伸。
在一个可选的实施例中，微带反射单元的周期设置为入射波的0.2个中心频率处波长，即图2中L数值大小为入射波的0.2个中心频率处波长。
改变第一相位延迟线102和第二相位延迟线103的长度，以调节微带反射单元反射相位的大小。即改变图2中θs的值，可以调节该微带反射单元的反射相位值。
图3为本发明实施例微带反射单元在中心频率10GHz处的反射相位曲线图，从图中可以看到，当设置的第一相位延迟线102和第二相位延迟线103变化时，即θs变化时微带反射单元的反射相位值也随着变化。当θs从5°增加到165°时，该微带反射单元的反射相位值从89°变化到－332°，总的变化范围超过了420°。图3表明，本发明实施例在微带反射单元周期为0.2个中心频率处波长状态下，即远小于传统的亚波长单元周期情况下，仍然突破了传统微带反射单元反射相位范围难以达到360°的限制，有利于提高微带反射阵天线的带宽。此外，该反射相位曲线平滑，线性度良好，斜率较小，对反射阵的加工精度要求较低。
实施例二：
图4为本发明实施例基于微带反射单元的反射阵列天线反射阵表面结构示意图，图5为本发明实施例基于微带反射单元的反射阵列天线结构模型示意图。如图4和图5所示，本发明实施例提供的一种反射阵列天线，包括反射阵40和馈源50，反射阵40由实施例一提供的微带反射单元组成的阵列构成；馈源50采用角锥喇叭形式，用于与所述反射阵40之间传递波束，馈源50的馈电方式采用偏馈方式。
如图4所示，反射阵40中相邻微带反射单元的旋向相反，以利于抑制所述反射阵40的交叉极化电平。反射阵40中微带反射单元的第一相位延迟线102和第二相位延迟线103的长度，由微带反射单元与所述馈源50的距离、微带反射单元的位置、及反射阵40反射波束方向确定。
具体地，采用以下公式对阵列中每个微带反射单元所需补偿的相位值进行计算：
Figure BDA0001689799610000041
其中，(xi,yi)为反射阵40中第i个单元的坐标，k0为真空中的传播常数，di为馈源50与第i个单元之间的距离，(θ0,φ0)为反射阵40的反射波束指向。
在一个具体的实施例中，反射阵列天线的入射波的频率为10GHz，根据微带反射单元周期为0.2个中心频率处波长，那么反射阵40微带反射单元周期为6mm。微带反射单元微带振子101长度设置为5.6mm，即图2中的a为5.6mm，宽度设置为0.7mm，即图2中的w为0.7mm；微带反射单元第一相位延迟线102和第二相位延迟线103的宽度设置为0.2mm，即图2中的w1为0.2mm。馈源50的偏馈角等于15°，馈源50采用角锥喇叭以偏馈的方式对反射阵进行馈电，阵面口径大小为186mm×186mm，焦径为186mm，即焦径比F/D＝1，波束指向为(θ0＝15°，φ0＝90°)的方向，阵列的工作极化方式为线极化。
具体地，反射阵40由行数和列数均为31的所述微带反射单元阵列组成，即反射阵天线共有31行31列，共961个微带反射单元，单元周期为6mm，反射阵40的中心频率为10GHz。在其他实施例中，微带反射单元个数根据应用情况而定。由于反射阵40中各个微带反射单元与馈源50的之间的距离不同，因此反射阵40中不同位置处所需补偿的相位值不同，即每个微带反射单元所加载的相位延迟线长度不同，从而将馈源50发出的球面波经微带反射阵40反射之后形成平面波。反射阵40中相邻微带反射单元的旋向相反，以利于抑制所述反射阵40的交叉极化电平。
通过公式(1)计算得到反射阵40中每个微带反射单元位置处所需补偿的相位值之后，结合图3给出的微带反射单元的反射相位曲线，通过线性插值的方法就可以得出反射阵40中每个微带反射单元的相位延迟线的长度，从而完成反射阵列天线的设计。
通过计算得到该具体实施例反射阵列天线的E面辐射方向图，从图6中可以看到，该反射阵天线的增益达到了22.6dB，副瓣电平低于－19.7dB，波束指向准确地指向了所设计的θ＝15°方向。总之，基于本发明中的微带反射单元设计的反射阵列天线具有良好的辐射特性和宽带潜力，且结构简单，易于工程实现，具有较高的应用价值。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种微带反射单元，包括移相单元(10)、介质基片(20)和金属地板(30)，其特征在于，
所述移相单元(10)包括微带振子(101)、第一相位延迟线(102)和第二相位延迟线(103)；
所述第一相位延迟线(102)和第二相位延迟线(103)设置在微带振子(101)两端，且相对于所述微带振子(101)中心对称，且均以顺时针或逆时针方向绕着所述微带振子(101)中心延伸；
所述微带反射单元的周期设置为入射波的0.2个中心频率处波长。
2.根据权利要求1所述的微带反射单元，其特征在于，包括：改变所述第一相位延迟线(102)和第二相位延迟线(103)的长度，以调节所述微带反射单元反射相位的大小。
3.根据权利要求1所述的微带反射单元，其特征在于，包括：所述介质基片(20)采用单层介质结构，所述单层介质的厚度为2mm，介电常数为2.2。
4.一种反射阵列天线，包括反射阵(40)和馈源(50)，其特征在于，所述反射阵(40)由权利要求1至3任一所述的微带反射单元组成的阵列构成；所述馈源(50)采用角锥喇叭形式，用于与所述反射阵(40)之间传递波束。
5.根据权利要求4所述的反射阵列天线，其特征在于，包括：所述反射阵(40)中相邻微带反射单元的旋向相反，以利于抑制所述反射阵(40)的交叉极化电平。
6.根据权利要求4所述的反射阵列天线，其特征在于，包括：所述馈源(50)的馈电方式采用偏馈方式。
7.根据权利要求4所述的反射阵列天线，其特征在于，包括：所述反射阵(40)中微带反射单元的第一相位延迟线(102)和第二相位延迟线(103)的长度，由所述微带反射单元与所述馈源(50)的距离、所述微带反射单元的位置、及所述反射阵(40)反射波束方向确定。
8.根据权利要求4至7任一所述的反射阵列天线，所述反射阵(40)的入射波的频率为10GHz，其特征在于，包括：
所述反射阵(40)微带反射单元周期设置为6mm；
所述微带反射单元微带振子(101)长度设置为5.6mm，宽度设置为0.7mm；所述微带反射单元第一相位延迟线(102)和第二相位延迟线(103)的宽度设置为0.2mm；
所述馈源(50)的偏馈角等于15°。
9.根据权利要求8所述的反射阵列天线，其特征在于，包括：所述反射阵(40)由行数和列数均为31的所述微带反射单元阵列组成。
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