CN109638469A - 一种内部加载相位枝节的反射单元及反射阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种内部加载相位枝节的反射单元及反射阵列天线，所述反射单元包括贴片、介质基片以及金属地板；其中贴片结构是在一个圆环内部加载两根相位枝节，所述两根相位枝节相对于圆环的圆心中心对称，均以逆时针或者顺时针绕着圆环的圆心延伸，通过改变加载的相位枝节的长度，可以调节该反射单元的反射相位值。本发明还公开了一种包括该内部加载相位枝节的反射单元的反射阵列天线，所述反射阵列天线包括馈源和平板反射阵列，所述阵列包括若干个上述反射单元，本发明可解决传统的反射阵列天线设计中难以准确考虑所有相邻单元之间的耦合作用，从而导致反射阵列天线效率较低的缺陷。

Description

一种内部加载相位枝节的反射单元及反射阵列天线
技术领域
本申请涉及天线技术领域，尤其涉及一种内部加载相位枝节的反射单元及反射阵列天线。
背景技术
平板反射阵列天线是将抛物面天线和平面阵列天线进行结合，它包括馈源和反射阵列两部分，反射阵列是由若干个反射单元组阵而成，它的馈电方式采用跟抛物面天线的一样的空馈结构。它的主要特点有质量轻、加工简单成本低、平面结构易于载体共形、可折叠、易与微带电路集成、易实现波束赋形等，这些特点使得平板反射阵列天线在星载方面具有很大的应用潜力。
反射单元是通过改变单元的某一个或者几个参数，来进行单元反射相位的调节，对于传统的反射单元来说，这会使得其外围尺寸发生变化。由于反射阵单元的外围尺寸变化较大，引起相邻单元边缘距离不同，从而导致阵列中不同位置处单元之间的耦合作用不同，因此采用传统的分析反射阵单元方法，比如无限周期阵列模型，是很难准确地考虑到所有相邻单元之间的耦合作用。但是对于外围尺寸固定的反射阵单元形式，其相邻单元边缘距离也固定，因此反射阵天线上所有相邻单元之间的耦合作用差异很小。所以外围尺寸固定的反射阵单元形式更有利于简单且准确地得到反射阵列中的单元的特性，从而提高反射阵天线的各方面的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种内部加载相位枝节的反射单元，解决传统的反射阵列天线设计中难以准确考虑所有相邻单元之间的耦合作用，从而导致反射阵列天线效率较低的缺陷。本发明的另一个目的在于提供一种反射阵列天线，来验证单元有益特性的有效性。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明公开了一种内部加载相位枝节的反射单元，包括：
金属地板，
介质基片，所述介质基片的下表面与金属地板的上表面相连接；
贴片，所述贴片包括圆环和两根相位枝节，所述相位枝节加载在圆环内部，所述相位枝节与圆环的下表面均与介质基片的上表面相连接。
本发明的有益效果在于：本发明的一种内部加载相位枝节的反射单元，它的调节反射相位值的参数是通过改变所加载的相位枝节的长度，而其相位枝节是加载在圆环内部，因此枝节长度变化时单元的外围尺寸不会发生变化。
优选的，两根所述相位枝节相对于圆环的圆心中心对称，所述相位枝节包括连接段和圆弧段，所述圆弧段沿着逆时针或者顺时针绕着圆环的圆心延伸，所述连接段连接圆弧段的一端与圆环，所述圆环的圆心落在连接段的延长线上。
优选的，所述反射单元的反射相位值与相位枝节的长度相关。
上述优选方案的有益效果在于：圆弧状的相位枝节能够更好的在有限的平面空间内，实现多种相位枝节的延展长度的可能性，从而为改变反射相位值提供多种可能。
优选地，所述介质基片的横截面为正方形，所述正方形的边长为13mm，所述反射单元的周期为0.39个中心频率处波长，小于传统的半波长单元的周期。
上述优选方案的有益效果在于：采用外围尺寸固定的反射单元，在组成阵列时相邻单元的边缘距离也固定，因此反射阵天线上所有相邻单元之间的耦合作用差异很小。所以外围尺寸固定的反射阵单元形式更有利于简单且准确地得到反射阵列中的单元的特性，从而提高反射阵天线的各方面的性能。
优选地，所述反射单元的介质基片为单层介质，所述单层介质的厚度为3mm，介电常数为3.55。
优选地，所述反射单元中贴片结构的圆环内半径为4.2mm，圆环宽度为0.8mm，加载的相位枝节的宽度为0.6mm，所述连接段的长度为2.2mm。
本发明另一方面公开了一种反射阵列天线，包括馈源和平板反射阵列，所述阵列包括多个所述的圆环内部加载相位枝节的反射单元。
优选地，所述馈源采用角锥喇叭天线，用于向所述平板反射阵列发射能量，馈电方式为偏馈，偏馈角等于15°，阵列波束指向为馈源入射波的镜面反射方向。
优选地，所述平板反射阵列为行数和列数相同的正方形阵列。
优选地，所述平板反射阵列包括961个所述反射单元，即行数和列数均为31个，正方形阵列的边长为403mm。
优选地，所述相位枝节包括连接段和圆弧段，所述圆弧段沿着逆时针或者顺时针绕着圆环的圆心延伸，所述连接段连接圆弧段的一端与圆环，所述阵列天线中相邻的两个反射单元加载的相位枝节的延伸方向相反。也可以叫做平板反射阵列中相邻反射单元加载的相位枝节的旋向相反，有利于抑制反射阵的交叉极化电平。
本发明的反射阵列天线的有益效果在于：本发明中基于该内部加载相位枝节的反射单元设计的反射阵列天线具有较高的口径效率，辐射特性较好，且结构非常简单，易工程实现，具有较高的工程应用价值，尤其在星载天线方面具有很大的应用潜力。本发明可解决传统的反射阵列天线设计中难以准确考虑所有相邻单元之间的耦合作用，从而导致反射阵列天线效率较低的缺陷。
附图说明
图1a为本发明中内部加载相位枝节的反射单元的贴片结构图；
图1b为本发明中内部加载相位枝节的反射单元的结构侧视图；
图2为本发明中内部加载相位枝节的反射单元在中心频率9GHz处的反射相位和幅度；
图3为本发明中的平板反射阵列表面结构图；
图4为本发明中的反射阵列天线结构模型示意图；
图5为本发明中的反射阵列天线的E面辐射方向图。
附图标记说明：
100.反射单元，1.金属地板，2.介质基片，3.贴片，31.相位枝节，311.圆弧段，312.连接段，32.圆环。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，以下结合附图和实施例对本发明所述的一种内部加载相位枝节的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。
本发明一方面公开了一种内部加载相位枝节的反射单元100，包括贴片3、介质基片2以及金属地板1；所述介质基片2的下表面与金属地板1的上表面相连接；所述贴片3包括圆环32和两根相位枝节31，所述相位枝节31加载在圆环32内部，所述相位枝节31与圆环32的下表面均与介质基片2的上表面相连接。两根所述相位枝节31相对于圆环32的圆心中心对称，所述相位枝节31包括连接段312和圆弧段311，所述圆弧段311沿着逆时针或者顺时针绕着圆环32的圆心延伸，所述连接段312连接圆弧段311的一端与圆环32，所述圆环32的圆心落在连接段312的延长线上。所述反射单元100的反射相位值与相位枝节31的长度相关。所述反射单元100的周期为0.39个中心频率处波长，小于传统的半波长单元的周期。所述反射单元100的介质基片2为单层介质，所述单层介质的厚度t为3mm，介电常数为3.55。所述反射单元100中贴片3的圆环32的内半径R为4.2mm，圆环宽度W3为0.8mm，加载的相位枝节的宽度(W1，W2)为0.6mm，所述连接段L1的长度为2.2mm。
本发明另一方面公开了一种反射阵列天线，包括馈源和平板反射阵列，所述阵列包括多个所述的圆环内部加载相位枝节的反射单元100。所述馈源采用角锥喇叭天线，用于向所述平板反射阵列发射能量，馈电方式为偏馈，偏馈角等于15°，阵列波束指向为馈源入射波的镜面反射方向。所述平板反射阵列为行数和列数相同的正方形阵列。所述平板反射阵列包括961个所述反射单元，即行数和列数均为31个，正方形阵列的边长为403mm。所述相位枝节包括连接段和圆弧段，所述圆弧段沿着逆时针或者顺时针绕着圆环的圆心延伸，所述连接段连接圆弧段的一端与圆环，所述阵列天线中相邻的两个反射单元加载的相位枝节的延伸方向相反。也可以叫做平板反射阵列中相邻反射单元加载的相位枝节的旋向相反，有利于抑制反射阵的交叉极化电平。
如图1a所示，本实施例公开了一种内部加载相位枝节的反射单元，包括贴片、介质基片以及金属地板；其中贴片结构是在一个圆环内部加载两根相位枝节，这两根相位枝节相对于圆环的圆心中心对称，均以逆时针绕着圆环的圆心延伸。通过改变加载的相位枝节的长度，即图中θs的值，可以调节该反射单元的反射相位值。在本实施例中，为了使该反射单元具有良好的反射特性，对该单元的各个参数进行优化分析，权衡各个参数之间的互相影响，最终得出一组较优值，此时所述介质基片为方形，介质基片的边长L＝13mm，一个相位枝节的宽度W1＝0.6mm，另一个相位枝节的宽度W2＝0.6mm，圆环的宽度W3＝0.8mm，相位枝节连接段的长度L1＝2.2mm，圆环的内半径R＝4.2mm。
如图1b所示，所述反射单元中的介质基片采用单层介质结构，所述介质的介电常数εr＝3.55，厚度t＝3mm。所述移相单元的周期L＝13mm＝0.39λ0，小于传统的半波长反射阵单元，其中λ0是9GHz时对应的自由空间的波长。
图2为本发明中的圆环内部加载相位枝节的反射单元在中心频率9GHz处的反射相位和幅度曲线，从图中可以看到，当圆环内部加载的相位枝节的长度变化时，单元的反射相位值也随着变化，且反射相位曲线平滑，线性度良好。此外，单元的反射幅度值在相位枝节的变化范围内均大于-0.2dB，说明单元的损耗较小，对入射波接近于全反射。
根据本发明的另一方面，本实施例还公开了一种基于上述内部加载相位枝节的反射单元设计的反射阵列天线，包括馈源和平板反射阵列。其中平板反射阵列包含若干个上述圆环内部加载相位枝节的反射单元。平板反射阵列的表面结构如图3所示，所有反射单元以0.39个中心频率处波长的间距周期排列。在本发明中该反射阵列天线共有31行31列，即共包含961个反射阵单元，单元间距为13mm，所述反射阵的中心频率为9GHz。阵列中相邻单元所加载的延迟线的旋向相反，有利于改善反射阵天线的交叉极化性能。在其他实施例中，单元个数可视情况而定。由于阵中各个反射单元与馈源的之间的距离不同，因此阵中不同位置处的单元所需补偿的相位值不同，故阵中每个单元所加载的相位枝节的长度不同，从而将馈源发出的球面波经平板反射阵列反射之后形成平面波。
采用以下公式对阵列中每个单元所需补偿的相位值进行计算：
其中，(xi,yi)为阵列中第i个单元的坐标，k0为真空中的传播常数，di为馈源与第i个单元之间的距离，(θ0,φ0)为阵列的波束指向。
在通过公式(1)计算得到了平板反射阵列中每个单元位置处所需补偿的相位值之后，结合图2给出的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阵列中每个单元的相位枝节的长度，从而完成该反射阵列天线的设计。
图4为本发明中的一种基于上述内部加载相位枝节的反射单元设计的反射阵列天线的模型示意图，采用角锥喇叭以偏馈的方式对平板反射阵列进行馈电，平板反射阵列的口径大小为403mm×403mm，焦径F为403mm，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。
图5为本发明中的反射阵列天线在中心频率9GHz处的E面辐射方向图，从图中可以看到，该反射阵的增益达到了30.4dB，副瓣电平为-19dB，波束指向准确地指向了所设计的θ＝15°方向。按照口径大小计算出来该天线的方向性系数为32.6dB，因此可知该反射阵列天线的口径效率达到了60％，具有高效率的特性，可解决传统的反射阵列天线设计中难以准确考虑所有相邻单元之间的耦合作用，从而导致反射阵列天线效率较低的缺陷。总之，基于本发明中的内部加载相位枝节的反射单元设计的反射阵列天线具有高效的辐射特性，且结构简单，易于工程实现，具有较高的应用价值。

Claims (9)

1.一种内部加载相位枝节的反射单元，其特征在于，包括：
金属地板，
介质基片，所述介质基片的下表面与金属地板的上表面相连接；
贴片，所述贴片包括圆环和两根相位枝节，所述相位枝节加载在圆环内部，所述相位枝节与圆环的下表面均与介质基片的上表面相连接。
2.根据权利要求1所述的内部加载相位枝节的反射单元，其特征在于，两根所述相位枝节相对于圆环的圆心中心对称，所述相位枝节包括连接段和圆弧段，所述圆弧段沿着逆时针或者顺时针绕着圆环的圆心延伸，所述连接段连接圆弧段的一端与圆环，所述圆环的圆心落在连接段的延长线上。
3.根据权利要求2所述的内部加载相位枝节的反射单元，其特征在于，所述反射单元的反射相位值与相位枝节的长度相关。
4.根据权利要求1所述的内部加载相位枝节的反射单元，其特征在于，所述介质基片的横截面为正方形，所述正方形的边长为13mm，所述反射单元的周期为0.39个中心频率处波长。
5.根据权利要求1所述的内部加载相位枝节的反射单元，其特征在于，所述反射单元的介质基片为单层介质，所述单层介质的厚度为3mm，介电常数为3.55。
6.根据权利要求2所述的内部加载相位枝节的反射单元，其特征在于，所述圆环的内半径为4.2mm，圆环宽度为0.8mm，所述相位枝节的宽度为0.6mm，所述连接段的长度为2.2mm。
7.一种反射阵列天线，其特征在于，包括馈源和平板反射阵列，其中平板反射阵列由多个权利要求1-6任一项所述的圆环内部加载相位枝节的反射单元组成。
8.根据权利要求7所述的一种反射阵列天线，其特征在于，所述馈源为角锥喇叭天线，所述馈源的馈电方式为偏馈，偏馈角为15°，所述反射阵列天线的阵列波束指向为馈源入射波的镜面反射方向。
9.根据权利要求7所述的一种反射阵列天线，其特征在于，所述相位枝节包括连接段和圆弧段，所述圆弧段沿着逆时针或者顺时针绕着圆环的圆心延伸，所述连接段连接圆弧段的一端与圆环，所述阵列天线中相邻的两个反射单元中的相位枝节的延伸方向相反。
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