CN110444895B - 基于单层内嵌式开槽圆环单元的宽带反射阵列天线 - Google Patents

基于单层内嵌式开槽圆环单元的宽带反射阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于单层内嵌式开槽圆环单元的宽带反射阵列天线，包括反射阵列、馈电喇叭；反射阵列包括若干个反射单元；每个反射单元均包括金属贴片、介质基板和金属地板，金属贴片印制在介质基板的上表面，介质基板下方设置金属地板；金属贴片为圆环结构，且圆环相对一侧存在一对扇形缝隙，扇形缝隙靠近圆环中心的边缘与圆环内边缘之间预留一定宽度，扇形缝隙远离圆环中心的边缘与圆环外边缘之间预留一定宽度；两个扇形缝隙靠近圆环内边缘一侧的相对某一端均存在缝隙。本发明每个反射单元圆环的尺寸不变、且其相位可以实现线性变化，由反射单元构成的反射阵列天线可以实现高增益带宽和口径效率，与其他反射阵列天线相比性能上有显著的提高。

Description

基于单层内嵌式开槽圆环单元的宽带反射阵列天线
技术领域
本发明涉及反射阵列天线领域，特别是一种基于单层内嵌式开槽圆环单元的宽带反射阵列天线。
背景技术
对于大多数雷达和远距离通信系统，对高增益天线的需求与日俱增，其中，反射阵列天线由于其重量体积小、加工成本低和易于加工等优点而获得广泛应用。然而，反射阵天线有一个较为显著的缺点，即带宽窄。对于微带反射阵列天线，其窄带宽特性主要源于两个因素：一是微带贴片单元固有的窄带特性；二是因馈源喇叭到各个单元的路径不同引起的随频率变化的空间相位延迟。对于小尺寸或中等尺寸的反射阵列天线，反射单元的带宽是影响带宽的主要因素。目前有较多的单元设计方法可以用来增加带宽，例如论文“A high-efficiency Ku-band reflectarray antenna using single-layer multiresonanceelements”中设计了一种多谐振单元，论文“A wideband,single-layer reflectarrayexploiting a polarization rotating unit cell”中设计了一种极化旋转单元，论文“Broadband reflectarray antennas using double-layer subwavelength patchelements”中设计了一种亚波长单元等等。
但是对于上述提及的反射单元，依然存在一个问题，即相邻单元有可能存在尺寸突变问题，这会影响反射阵列天线的带宽。为了解决这个问题，国内外学者也提出了相应的单元设计方法，例如论文“Reflectarray element using interdigital gap loadingstructure”中设计了一种偶极子单元加载交指型结构，论文“An X-band reflectarraywith novel elements and enhanced bandwidth”中设计了一种圆环内嵌I型贴片结构，论文“A broadband reflectarray antenna using single-layer rectangular patchesembedded with inverted L-shaped slots”中设计了一种及矩形贴片开倒L型缝隙结构等。然而，这些结构设计的带宽依然较窄，不能满足现有的设计要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种反射单元尺寸不会发生突变、显著增加带宽的宽带反射阵列天线。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于单层内嵌式开槽圆环单元的宽带反射阵列天线，包括馈电喇叭和反射阵列，馈电喇叭位于反射阵列的斜上方；
反射阵列包括若干个反射单元；每个反射单元均包括金属贴片、介质基板和金属地板，金属贴片印制在介质基板的上表面，介质基板下方设置金属地板；金属贴片为圆环结构，其外半径为r1，内半径为r2，且圆环相对一侧存在一对以圆环中心为圆心、长度为
Figure BDA0002142627050000021
宽度为W2的扇形缝隙，扇形缝隙靠近圆环中心的边缘与圆环内边缘之间的宽度为W1，扇形缝隙远离圆环中心的边缘与圆环外边缘之间的宽度为W3；两个扇形缝隙靠近圆环内边缘一侧的相对某一端均存在宽度为w的缝隙。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明中提出的单层内嵌式开槽圆环反射单元，每个单元的圆环的尺寸不变，通过改变圆环内部扇形缝隙的长度实现相位变化，因此可基本确保周期单元之间的耦合，防止相邻单元之间的结构突变带来的影响；2)本发明提出的单层内嵌式开槽圆环单元结构，可以实现线性的相位变化，相位变化范围接近360°，可以实现较宽的单元带宽；3)基于单层内嵌式开槽圆环单元的宽带反射阵列天线，可以实现高增益带宽和口径效率，与其他反射阵列天线相比性能上有显著的提高。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明基于单层内嵌式开槽圆环单元的宽带反射阵列天线的示意图，其中图(a)为反射阵列天线的三维示意图，图(b)为反射阵列的局部俯视图。
图2为本发明基于单层内嵌式开槽圆环单元的宽带反射阵列天线的反射单元的俯视图。
图3为本发明基于单层内嵌式开槽圆环单元的宽带反射阵列天线的反射单元的侧视图。
图4为本发明基于单层内嵌式开槽圆环单元的宽带反射阵列天线的反射单元在不同的圆环内侧的缝隙宽度w下的反射相位曲线图。
图5为本发明基于单层内嵌式开槽圆环单元的宽带反射阵列天线的反射单元在不同的扇形缝隙的宽度W2下的反射相位曲线图。
图6为本发明基于单层内嵌式开槽圆环单元的宽带反射阵列天线的反射单元在不同的电磁波入射角度下的反射相位曲线图。
图7为本发明基于单层内嵌式开槽圆环单元的宽带反射阵列天线的反射单元在设计频率10GHz最终的反射相位和幅度曲线图。
图8为本发明基于单层内嵌式开槽圆环单元的宽带反射阵列天线的反射单元在不同的频率下的反射相位曲线图。
图9为本发明基于单层内嵌式开槽圆环单元的宽带反射阵列天线10GHz时的仿真和测量的辐射方向图，其中图(a)为E面，图(b)为H面。
图10为本发明基于单层内嵌式开槽圆环单元的宽带反射阵列天线不同频率下的测量的辐射方向图，其中图(a)为E面，图(b)为H面。
图11为本发明基于单层内嵌式开槽圆环单元的宽带反射阵列天线仿真和测量的增益及口径效率曲线图。
具体实施方式
结合图1至图3，本发明基于单层内嵌式开槽圆环单元的宽带反射阵列天线，包括馈电喇叭1和反射阵列2，馈电喇叭1位于反射阵列2的斜上方；
反射阵列2包括若干个反射单元3；每个反射单元3均包括金属贴片4、介质基板5和金属地板6，金属贴片4印制在介质基板5的上表面，介质基板5下方设置金属地板6；金属贴片4为圆环结构，其外半径为r1，内半径为r2，且圆环相对一侧存在一对以圆环中心为圆心、长度为
Figure BDA0002142627050000031
宽度为W2的扇形缝隙，扇形缝隙靠近圆环中心的边缘与圆环内边缘之间的宽度为W1，扇形缝隙远离圆环中心的边缘与圆环外边缘之间的宽度为W3；两个扇形缝隙靠近圆环内边缘一侧的相对某一端均存在宽度为w的缝隙。
进一步地，扇形缝隙的长度
Figure BDA0002142627050000032
可调，用于实现反射单元3线性相位变化，
Figure BDA0002142627050000033
的变化范围是1°到179°。
进一步地，上述若干个反射单元3均匀排列。
进一步地，反射单元3之间的间距P＝0.3λ，其中λ为用户设计频率对应的自由空间波长。
示例性地，假设用户设计的目标频率为10GHz，则反射单元3之间的间距P＝9mm。
下面阐述反射单元参数、入射角度和频率对单元反射相位的影响。
结合图4，保持其他参数不变，只改变圆环内侧的缝隙宽度w，随着w的减小，反射相位曲线越来越线性，且相位范围越来越宽，当w为0.1mm时，可以得到一个线性的相位曲线，相位范围接近360°。
结合图5，保持其他参数不变，只改变扇形缝隙的宽度W2，随着W2的增大，反射相位曲线越来越平坦，相位范围略有一些缩减，最优的W2为0.6mm。
结合图6，改变入射波的入射角度，入射角度从0°变化到40°，不同相位曲线之间的变化很小。
结合图7，反射单元在10GHz的反射相位曲线非常的线性，而且可以达到接近360°的相位范围，同时反射幅度也接近于0dB，实现了全反射。
结合图8，反射单元在不同的频率下的反射相位曲线呈现了很好的线性度，并且对频率的敏感度较小，从而可实现宽带特性。
综上，进一步优选地，r1＝3.3mm，r2＝2.4mm，W2＝0.6mm，W1＝0.2mm，W3＝0.1mm，w＝0.1mm。
进一步优选地，介质基板5的介电常数εr为2.2，厚度h为3.175mm。
进一步优选地，馈电喇叭1位于反射阵列2的斜上方，具体位置为：馈电喇叭1与竖直方向的夹角为25°，与反射阵列2的竖直距离为148mm。
下面结合实施例对本发明做进一步详细的说明。
实施例
本实施例基于单层内嵌式开槽圆环单元的宽带反射阵列天线，包括馈电喇叭1和反射阵列2，馈电喇叭1位于反射阵列2的斜上方，具体位置为：馈电喇叭1与竖直方向的夹角为25°，与反射阵列2的竖直距离为148mm。本实施例中，反射阵列2口径面尺寸为207mm×207mm，包括529个反射单元3；每个反射单元3均包括金属贴片4、介质基板5和金属地板6，金属贴片4印制在介质基板5的上表面，介质基板5下方设置金属地板6。其中，介质基板5的介电常数εr为2.2，厚度h为3.175mm，反射单元3之间的间距P＝9mm；金属贴片4为圆环结构，其外半径r1＝3.3mm，内半径r2＝2.4mm，且圆环相对一侧存在一对以圆环中心为圆心、长度为
Figure BDA0002142627050000041
宽度为W2＝0.6mm的扇形缝隙，扇形缝隙靠近圆环中心的边缘与圆环内边缘之间的宽度为W1＝0.2mm，扇形缝隙远离圆环中心的边缘与圆环外边缘之间的宽度为W3＝0.1mm；两个扇形缝隙靠近圆环内边缘一侧的相对某一端均存在宽度为w＝0.1mm的缝隙，反射单元3相位变化通过改变扇形缝隙的长度
Figure BDA0002142627050000042
来实现，
Figure BDA0002142627050000043
的变化范围是1°到179°。
由图9可知，宽带反射阵列天线在10GHz时，E面和H面的仿真和测量的辐射方向图基本重合。E面的主瓣方向在25°，与设计吻合。E面的副瓣电平和交叉极化分别为-19dB和-41dB，H面的副瓣电平和交叉极化分别为-19dB和-32dB。
由图10可知，宽带反射阵列天线在不同频率下E面和H面的测量的辐射方向图都比较合理。E面的主瓣方向在25°，随着频率的增大，E面的副瓣电平和交叉极化略微上升。H面的副瓣电平和交叉极化在10-12GHz比较稳定，在13GHz有明显上升。
由图11可知，宽带反射阵列天线的测量得出，在10GHz的增益为25dBi，相对应的最大口径效率为58.3％。同时，该反射阵列天线可以实现34％的1-dB增益带宽。
综上，本发明基于单层内嵌式开槽圆环反射单元，每个单元的圆环的尺寸是不变的，通过在圆环内部的两侧开两个扇形缝隙，改变缝隙的长度，可以实现线性的相位变化，相位变化范围接近360°，这样的设计可以确保周期单元间基本相同的耦合，防止相邻单元之间的结构突变带来的影响。基于这种反射单元结构，设计出的反射阵列天线可以实现高增益带宽和口径效率，与其他反射阵列天线相比性能上有显著的提高。

Claims (7)

1.一种基于单层内嵌式开槽圆环单元的宽带反射阵列天线，其特征在于，包括馈电喇叭(1)和反射阵列(2)，馈电喇叭(1)位于反射阵列(2)的斜上方；
反射阵列(2)包括若干个反射单元(3)；每个反射单元(3)均包括金属贴片(4)、介质基板(5)和金属地板(6)，金属贴片(4)印制在介质基板(5)的上表面，介质基板(5)下方设置金属地板(6)；金属贴片(4)为圆环结构，其外半径为r1，内半径为r2，且圆环相对一侧存在一对以圆环中心为圆心、长度为
Figure FDA0002458473850000011
宽度为W2的扇形缝隙，扇形缝隙靠近圆环中心的边缘与圆环内边缘之间的宽度为W1，扇形缝隙远离圆环中心的边缘与圆环外边缘之间的宽度为W3；两个扇形缝隙靠近圆环内边缘一侧的相对某一端均存在宽度为w的缝隙；
所述扇形缝隙的长度
Figure FDA0002458473850000012
可调，用于实现反射单元(3)线性相位变化。
2.根据权利要求1所述的基于单层内嵌式开槽圆环单元的宽带反射阵列天线，其特征在于，所述若干个反射单元(3)均匀排列。
3.根据权利要求2所述的基于单层内嵌式开槽圆环单元的宽带反射阵列天线，其特征在于，所述反射单元(3)之间的间距P＝0.3λ，其中λ为用户设计频率对应的自由空间波长。
4.根据权利要求3所述的基于单层内嵌式开槽圆环单元的宽带反射阵列天线，其特征在于，所述反射单元(3)之间的间距P＝9mm，即0.3λ，其中λ为10GHz对应的自由空间波长。
5.根据权利要求4所述的基于单层内嵌式开槽圆环单元的宽带反射阵列天线，其特征在于，所述r1＝3.3mm，r2＝2.4mm，W2＝0.6mm，W1＝0.2mm，W3＝0.1mm，w＝0.1mm。
6.根据权利要求5所述的基于单层内嵌式开槽圆环单元的宽带反射阵列天线，其特征在于，所述介质基板(5)的介电常数εr为2.2，厚度h为3.175mm。
7.根据权利要求6所述的基于单层内嵌式开槽圆环单元的宽带反射阵列天线，其特征在于，所述馈电喇叭(1)位于反射阵列(2)的斜上方，具体位置为：馈电喇叭(1)与竖直方向的夹角为25°，与反射阵列(2)的竖直距离为148mm。
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