CN109638464B - 一种平面反射阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种相位补偿范围更大的宽频带平面反射阵列天线。采用的技术方案包括：馈源、导电平面反射阵面，所述馈源用于发射或接收电磁波，所述导电平面反射阵面用于将馈源发出的电磁波散射成平面波，或者接收平面波并汇聚到所述馈源上,所述导电平面反射阵面上阵列分布若干反射单元，所述反射单元包括相位孔、四根分布在所述相位孔上的枝干，其特征在于：所述枝干单侧延伸出有方向相同的枝条，且所述枝条靠近所述相位孔边沿方向延伸，与其边沿形成有缝隙，用于调整控制相位补偿和工作频率。

Description

一种平面反射阵列天线

技术领域

本发明涉及一种平面反射阵列天线。

背景技术

随着通信技术的发展，高增益天线的应用越来越广泛，尤其是在雷达、卫星通信等应用中。平面反射阵天线作为一种新兴的高增益天线，与抛物面天线相比，具有重量轻、体积小、成本低、易制造、易组装、易集成等优点；与微带阵列天线相比，克服了馈电传输损耗大的难题。因此自诞生以来便成为了天线领域的研究热点，是未来大型高增益天线的主要研究方向之一。

传统平面反射阵天线又称微带反射阵天线，微带反射阵天线采用微带结构，微带介质层作为单元支撑结构对反射阵天线性能起到诸多不利影响，主要有以下缺点：一是微带介质层增加了损耗，降低增益。二是微带介质层在室外环境工作难以保持平整性。介质材料具有吸湿性，在室外环境条件下吸收空气水分引起介质层涨缩，导致介质层翘曲，影响反射面平整性。三是微带介质层在吸湿后介电常数会变化，影响相位补偿。四是微带介质层结构稳定性不足，易折裂受损。因此，微带介质层影响微带反射阵天线性能，并使其无法适应室外环境工作要求，制约了微带反射阵天线的推广应用。

针对上述问题，授权公告号为“CN 103887609 B”的中国发明专利，公开“一种平面反射阵天线”，采用的技术方案包括：馈源，用于发射或接收电磁波；金属平面反射阵列，用于将馈源发出的电磁波散射成平面波，或者接收平面波并汇聚到所述馈源上；支撑杆，用于连接所述馈源和所述金属平面反射阵列，固定二者的相对位置，其中，所述金属平面反射阵列包括多行多列金属贴片单元，多个金属贴片单元共用相邻的相位孔，以使所述金属平面反射阵列内呈现一个镂空的整体平面器件，每个所述金属贴片单元具体包括：一个正方形的金属相位孔，其中，相邻的金属贴片单元之间共用所述金属相位孔；和四组相同的金属枝节组合，所述四组相同的金属枝节组合在所述金属贴片单元中呈中心对称分布，所述金属枝节组合与所述金属相位孔相连，其中，通过调节各个所述金属贴片单元中的所述金属枝节组合的形状和尺寸来实现相位调节，从而在所述金属平面反射阵列上形成一个等相位面。

上述方案存在的缺点是：该领域研究人员众所周知，反射阵列单元可以通过变化枝节尺寸与长度的方式实现相位变化，阵列单元原则上要求实现360度以上的相位变化，只有满足360度才能对相位角度实现全面的补偿，从而使反射阵列天线实现宽频带及具备良好的增益特性。为实现360度以上的相位补偿，反射阵列单元设计应具备有足够的枝节延伸长度以使单元结构实现360度以上的相位补偿。而上述发明无法满足360度以上的相位补偿要求，因此无法实现宽频带及良好的增益特性。该发明无法实现360度的相位补偿主要原因是：采用中心对称分布结构，且第一金属技节长度小于金属相位孔边长的一半。由于第一金属枝节代表了枝节延伸范围，受限于对称结构，第一金属技节长度无法达到金属相位孔边长的一半，枝节无法满足延伸扩展相位变化，根据公开论文可知最大相位扩展范围只能达到300度。扩展结构采用单个或多个第二金属枝节与第一金属枝节垂直交叉并且轴对称的方式，垂直交叉限制了第二金属枝节延伸空间，轴对称将第二金属枝节一分为二，大大压缩了第二金属技节单侧延伸长度。

下列数据引用上述专利的发明人所发表的论文《A Metal-Only ReflectarrayAntenna Using Slot-Type Elements》，发表于“IEEE ANTENNAS AND WIRELESSPROPAGATION LETTERS, VOL. 13, 2014”。论文对两种结构进行了重点描述，引用论文数据，基础方案（如图11所示）可实现相位变化为257度，优选方案（如图12所示）实现相位变化为300度，两则都无法实现360度的相位补偿。受限于相位补偿能力，工作频带约为8.3%，天线效率不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种相位补偿范围更大的宽频带平面反射阵列天线。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案包括：馈源、导电平面反射阵面，所述馈源用于发射或接收电磁波，所述导电平面反射阵面用于将馈源发出的电磁波散射成平面波，或者接收平面波并汇聚到所述馈源上, 所述导电平面反射阵面上阵列分布若干反射单元，所述反射单元包括相位孔、四根分布在所述相位孔上的枝干，其特征在于：所述枝干单侧延伸出有方向相同的枝条，且所述枝条靠近所述相位孔边沿方向延伸，与其边沿形成有缝隙，用于调整控制相位补偿和工作频率。

所述的平面反射阵天线，其特征在于：所述相位孔呈圆形，所述枝干等份分布在所述相位孔上，所述枝条呈圆弧形，实现相位调整时，所述枝干朝相位孔中心方向伸展，所述枝条沿相位孔边沿方向伸展。

所述的平面反射阵天线，其特征在于：所述相位孔呈方形，所述枝干分布在所述相位孔夹角上或靠近夹角位置，所述枝条呈直线形，实现相位调整时，所述枝干朝相位孔中心方向伸展，所述枝条沿相位孔边沿方向伸展。

所述的平面反射阵天线，其特征在于：所述枝条距离所述相位孔边沿的缝隙最小处小于十分之一工作波长。

所述的平面反射阵天线，其特征在于：所述枝干非中心对称方式均匀分布在所述相位孔上。

所述的平面反射阵天线，其特征在于：所述导电平面反射阵面的背面设有接地金属背板，所述接地金属背板与导电平面反射阵面之间形成有空气层。

所述的平面反射阵天线，其特征在于：所述枝条从所述相位孔上延伸出来，并沿相位孔边沿方向延伸，且其起始端靠近所述枝干。

所述的平面反射阵天线，其特征在于：当天线工作频率为3.5GHz至5.5GHz时，以枝干长度L1为参考，通过变化L1长度实现相位的调节，所述反射单元的栅格周期L=41mm，所述相位孔的直径D=39mm，所述枝干的边宽W1=1.8mm，所述枝条的边宽W2=1.1mm，所述枝条与所述相位孔边沿最小处间距S=0.4mm，所述枝条的半径R=(1.77* L1-4)mm。

所述的平面反射阵天线，其特征在于：所述导电平面反射阵面厚度为h1为1mm，所述空气层厚度为h2为18mm，所述接地金属背板厚度为h3为1mm。

所述的平面反射阵天线，其特征在于：所述导电平面反射阵面由金属导电材料或非金属导电材料制成。

本发明的平面反射阵天线优点如下：

1、相比普通全金属平面反射阵天线，可实现最大相位补偿720度，在宽频带范围内满足360度相位补偿的原则，大大提升了天线性能。

2、相比普通全金属平面反射阵天线，具备更好的宽带特性及更高的天线效率。其阵列单元采用非中心对称分布，枝干尺寸变化范围可大于半径或方形相位孔的一半，枝条采用非对称单侧结构，单侧有利于最大程序扩展延伸树杈尺寸，使树杈尺寸大于树干尺寸，实现相位补偿角度大于360度，特殊的缝隙结构使天线在宽频带范围内相位变化呈现线性并且具备一致性，由于有非常优越的相位特性，天线带宽可达40%，天线效率可达50%-63%。

3、相对传统微带反射阵天线，舍弃了传统反射阵天线反射阵面微带结构，采用缝隙天线技术，消除了介质层对天线性能的影响，大大提高了天线环境适应能力。

4、相对传统微带反射阵天线，具有更高的天线效率，天线去除了介质层的吸波效应，并且相位孔图形结构尺寸相同，降低了单元耦合的影响，因此天线增益相比传统反射阵天线更高。

5、相对传统微带反射阵天线，天线带宽可达40%，具有超宽带特性。

6、相对传统微带反射阵天线，其采用单层全金属结构，大大降低加工成本和加工难度，增强了结构稳定性及牢固程度，具有良好的经济效益及推广应用前景。

附图说明

下面结合说明书附图对本发明做进一步说明。

图1是本发明平面反射阵天线的结构示意图；

图2是本发明导电平面反射阵面的结构示意图；

图3、4是本发明圆形反射单元的结构示意图，为非中心对称方案；

图5是本发明方形反射单元的结构示意图，为中心对称方案；

图6是本发明方形反射单元的结构示意图，为非中心称方案；

图7是本发明方形反射单元的结构示意图，显示枝条从相位孔上延伸出来，且为非中心称方案；

图8是本发明反射单元的侧视图；

图9是本发明线极化入射波下的反射相位曲线图；

图10是本发明反射单元金属树枝不同尺寸下的反射相位曲线

图11是背景技术所述平面反射阵天线基础方案的线极化入射波下的反射相位曲线图；

图12是背景技术所述平面反射阵天线的优选方案的线极化入射波下的反射相位曲线图。

具体实施方式

实施例1：

参照图1至图4所示，本发明的平面反射阵天线，包括馈源1和导电平面反射阵面2。所述馈源1用于发射或接收电磁波。所述导电平面反射阵面2优选呈方形，但也不限于此，其用于将馈源1发出的电磁波散射成平面波，或者接收平面波并汇聚到所述馈源，或可应用于任何需要进行电磁波聚集的应用场合。所述导电平面反射阵面2上阵列分布若干相同的反射单元3。所述反射单元3包括相位孔4以及四根分布在所述相位孔4上的枝干，且相邻反射单元3之间共用边框。所述枝干5单侧延伸出有方向相同的枝条6，且所述枝条6靠近所述相位孔4边沿方向延伸，与其边沿形成有间隙7，用于调整控制相位补偿和工作频率。所述相位孔4优选方案呈圆形，其枝干上延伸的枝条呈弧形，所述枝干5均匀分布在所述相位孔4上，实现相位调整时，所述枝干5朝相位孔4中心方向伸展，所述枝条6沿相位孔4边沿方向伸展。

进一步的，其中所述枝条6距离所述相位孔4边沿的缝隙最小处小于十分之一工作波长（λ=c/f，其中：λ为工作波长，c为光速，f为工作频率），有助于调节相位曲线线性，使得宽频带范围内相位曲线具备一致性。

进一步的，所述枝干5非中心对称方式均匀分布在所述相位孔4上。使得枝干尺寸变化范围可大于半径相位孔的一半，枝条采用非对称单侧结构，单侧有利于最大程度扩展延伸枝条尺寸，使枝条尺寸大于枝干尺寸，从而实现相位补偿角度大于360度。由于具有优良的相位特性，天线带宽可达40%，天线效率可达50%-63%。注，所述圆形相位孔4的中心方向即其圆心位置，枝干的非中心对称分布指：枝干延伸后不会在其圆心位置处重合。

进一步的，如图8所示，所述导电平面反射阵面2的背面设有接地金属背板8，所述导电平面反射阵面2与接地金属背板8之间可通过支撑杆连接，所述接地金属背板8与导电平面反射阵面2之间隔有空气层9，导电平面反射阵面2为全金属结构。

由于馈源到反射阵面上各个反射单元的距离不同，导致从馈源发出的电磁波到达反射阵面上各个反射单元处产生相位差，通过调节相位孔内延伸的枝干及枝条长度来补偿反射阵面上各个反射单元由于距离差带来的相位差，使得经反射阵面上各个圆形或方形反射单元反射之后的波具有相同的相位，从而使得反射阵面在特定方向上实现高增益的波束。

当最大辐射方向为(

)时，采用下列公式计算反射阵面上任意一处单元

的散射相位值：

其中，

为自由空间传播常数，

为单元坐标位置。

确定了每个频率处的反射相位曲线和各个双方环单元位置处所需补偿的相位之后，便可对应计算出每个单元的枝干及枝条延伸尺寸。

在本实施例中，所述馈源为角锥喇叭天线，其馈电方式为正馈，波束方向指向垂直阵面方向。该天线的工作频率为3.5GHz至5.5GHz时，可满足目前规划的5G通信频段要求。如采用圆形相位孔单元结构，以枝干长度L1为参考，通过变化L1长度实现相位的调节。四根枝干结构可工作于双极化，并且每个极化都有两根枝干同时工作，保证了天线增益。如图5所示，L为栅格周期，D为圆形相位孔直径，W1与W2分别为枝干宽度与枝条宽度，L1为枝干长度，R为枝条半径，枝条为半径R旋转82.5°，S为枝条与相位孔边沿最小处间距。为了使单元结构达到宽频带特性，对单元的各个参数进行扫描优化， 最终选择圆形相位孔单元的栅格周期为L＝41mm，D=39mm，W1=1.8 mm ,W2=1.1 mm ,S=0.4mm,R=(1.77*L1-4)mm，进一步的，所述导电平面反射阵面2厚度为h1为1mm，所述空气层9厚度为h2为18mm，所述接地金属背板8厚度为h3为1mm。

进一步的，所述导电平面反射阵面2由金、银、铜、金合金、银合金、铜合金、锌合金、铝合金等金属导电材料制成，或由导电石墨、铟锡氧化物、掺铝氧化锌等非金属导电材料制成。

下面通过试验例进一步证明本发明的有益效果：

在电磁仿真软件CST中对单元的反射特性进行分析，线极化入射波下的反射相位曲线如图9所示，从图中可看出在3GHz-6GHz频率范围内具有良好的相位曲线。当延伸枝干及枝条可变参数直边长度L1变化时，不同长度L1反射相位曲线近似平行且间距相近，所有相位曲线在不同频率上保持为线性且变化平缓相一致，相位偏移范围约为720°，这些特性保证了在3GHz-6GHz频率范围内具有良好的带宽特性。本案例选择单元相位特性良好的3.5GHz至5.5GHz作为工作带宽。图9（a）与图9（b）分别给出了在正交线极化情况下的单元相位曲线特性，可以看到，由于单元结构的对称性，单元在正交极化状态下相位曲线保持了一致性，可满足于双极化工作。

且反射单元枝干及枝条不同尺寸下的反射相位曲线如图10所示，由图可知，在3.5GHz至5.5GHz频率范围内，反射相位曲线呈线性现不同频率间的相位曲线近似平行，反射相位曲线相位偏移范围大于360°。反射相位曲线保证了在3.5GHz至5.5GHz频率范围内实现超宽带特性。

实施例2：

参照图5至图6所示，本发明的平面反射阵天线，在实施例1的基础上，所述反射单元3的相位孔4的另一种优选方案呈方形。所述枝干5分布在所述相位孔4夹角上或靠近夹角位置，所述枝干5优选也为非中心对称方式均匀分布在所述相位孔4上。所述枝条6呈直线形，实现相位调整时，所述枝干5朝相位孔4中心方向伸展，所述枝条6沿相位孔4边沿方向伸展，其中所述枝条6距离所述相位孔4边沿的缝隙最小处小于十分之一工作波长。通过上述方案也能达到圆形结构相近的效果。注，所述方形相位孔4的中心方向即其对角线交叉位置，枝干的非中心对称分布指：枝干延伸后不会在其对角线交叉位置处重合。

实施例3：

参照图7所示，本发明的平面反射阵天线，在实施例2的基础上，所述枝条6可以从所述相位孔4上延伸出来，并沿相位孔4边沿方向延伸，且其起始端靠近所述枝干5。通过上述方案也能达到与实施例1、实施例2相近的效果。

上所述，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (9)

1.一种平面反射阵天线，包括馈源（1）、导电平面反射阵面（2），所述馈源（1）用于发射或接收电磁波，所述导电平面反射阵面（2）用于将馈源（1）发出的电磁波散射成平面波，或者接收平面波并汇聚到所述馈源上, 所述导电平面反射阵面（2）上阵列分布若干反射单元（3），所述反射单元（3）包括相位孔（4）、四根分布在所述相位孔（4）上的枝干（5），其特征在于：所述枝干（5）以非中心对称方式均匀分布在所述相位孔（4）上，且所述枝干（5）单侧延伸出有方向相同的枝条（6），所述枝条（6）靠近所述相位孔（4）边沿方向延伸，与其边沿形成有缝隙（7），通过调节所述相位孔（4）内延伸的枝干（5）以及枝条（6）的长度来调整控制相位补偿。

2.根据权利要求1所述的平面反射阵天线，其特征在于：所述相位孔（4）呈圆形，所述枝条（6）呈圆弧形，实现相位调整时，所述枝干（5）朝相位孔（4）中心方向伸展，所述枝条（6）沿相位孔（4）边沿方向伸展。

3.根据权利要求1所述的平面反射阵天线，其特征在于：所述相位孔（4）呈方形，所述枝干（5）分布在所述相位孔（4）夹角上或靠近夹角位置，所述枝条（6）呈直线形，实现相位调整时，所述枝干（5）朝相位孔（4）中心方向伸展,所述枝条（6）沿相位孔（4）边沿方向伸展。

4.根据权利要求1所述的平面反射阵天线，其特征在于：所述枝条（6）距离所述相位孔（4）边沿的缝隙（7）最小处小于十分之一工作波长。

5.根据权利要求1所述的平面反射阵天线，其特征在于：所述导电平面反射阵面（2）的背面设有接地金属背板（8），所述接地金属背板（8）与导电平面反射阵面（2）之间隔有空气层（9）。

6.根据权利要求1所述的平面反射阵天线，其特征在于：所述枝条（6）从所述相位孔（4）上延伸出来，并沿相位孔（4）边沿方向延伸，且其起始端靠近所述枝干（5）。

7.根据权利要求2所述的平面反射阵天线，其特征在于：当天线工作频率为3.5GHz至5.5GHz时，以枝干长度L1为参考，通过变化L1长度实现相位的调节，所述反射单元（3）的栅格周期L=41mm，所述相位孔（4）的直径D=39mm，所述枝干（5）的边宽W1=1.8mm，所述枝条（6）的边宽W2=1.1mm，所述枝条（6）与所述相位孔（4）边沿最小处间距S=0.4mm，所述枝条（6）的半径R=(1.77* L1-4)mm。

8.根据权利要求5所述的平面反射阵天线，其特征在于：所述导电平面反射阵面（2）厚度h1为1mm，所述空气层（9）厚度h2为18mm，所述接地金属背板（8）厚度h3为1mm。

9.根据权利要求1所述的平面反射阵天线，其特征在于：所述导电平面反射阵面（2）由金属导电材料或非金属导电材料制成。

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