CN110571530A - 一种集成反射阵的可重构抛物面天线 - Google Patents

一种集成反射阵的可重构抛物面天线 Download PDF

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郑生华
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Abstract

本发明一种集成反射阵的可重构抛物面天线，所述天线包括：抛物面天线和相控阵天线，其中，所述抛物面天线包括：金属背板和反射单元，其中，若干个所述反射单元阵列设置于所述金属背板朝向所述相控阵天线的平面上；每一个反射单元均通过MEMS开关连接到天线控制器上以使天线控制器通过控制所述MEMS开关的通断进而控制反射单元是否接通，且所述反射单元对相控阵天线辐射的电磁信号进行相位补偿；所述相控阵天线的相位中心与所述抛物面天线的焦点重合。应用本发明实施例，提高了抛物面高增益天线的适应性。

Description

一种集成反射阵的可重构抛物面天线
技术领域
本发明涉及一种天线，具体涉及一种集成反射阵的可重构抛物面天线。
背景技术
现代综合通信系统发展的重要方向之一是：大容量、多功能、智能化。很明显，通过提高系统容量、增加系统功能、优化系统算法，一方面可以满足日益膨胀的实际需求。
目前，应用广泛的传统高增益天线有相控阵天线和抛物面天线。相控阵天线由于其多功能的辐射特性、低轮廓结构以及可以由精确光刻蚀刻制造技术进行制造的特点，已成功的应用于许多高级应用中。随着移相器和发射/接收(T/R)模块的集成，相控阵在快速波束扫描，波束赋形和多波束应用方面也表现优异。但是，相控阵天线的天馈系统较复杂，阵元间距较大，因而占用空间较大。一般相控阵天线的工作频率越高，天馈系统中的移相器等部件的价格越昂贵，系统成本呈几何指数增加，而且馈电系统性能伴有随工作环境等变化的非线性现象会导致系统工作性能受到很大限制。相较于成本不菲的相控阵天线，高增益抛物面天线的成本一般会低一个数量级，且由于其良好的辐射效率及成熟的设计分析方法，往往成为高速率、远距离通信场景的首选天线。但传统的抛物面天线只能实现固定单波束覆盖，应用场景较为单一、抗干扰性弱。
由此可见，单一种类传统的高增益天线已难以适应现代通信系统多功能、智能化、低成本、集成化等需求，因此，现有技术存在传统的高增益抛物面天线的适应性不佳的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于如何提供一种集成反射阵的可重构抛物面天线，以解决现有技术中存在的传统的高增益抛物面天线的适应性不佳的技术问题。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
本发明实施例提供了一种集成反射阵的可重构抛物面天线，所述天线包括：抛物面天线和相控阵天线，其中，
所述抛物面天线包括：金属背板和反射单元，其中，若干个所述反射单元阵列设置于所述金属背板朝向所述相控阵天线的平面上；
每一个反射单元均通过MEMS开关连接到天线控制器上以使天线控制器通过控制所述MEMS开关的通断进而控制反射单元是否接通，且所述反射单元对相控阵天线辐射的电磁信号进行相位补偿；
所述相控阵天线的相位中心与所述抛物面天线的焦点重合。
应用本发明实施例，通过将反射单元设置于抛物面天线上，在需要发射或者接收主方向波束时，断开MEMS开关，在口径面处形成定向性较弱的波束，在需要发射或者接收特定方向的波束时，接通MEMS开关，可以使反射单元对波束进行相位补偿后实现口径处等相位辐射，相对于现有技术中的抛物面高增益天线，可以早保留其传统的功能的基础上实现口径处等相位辐射，扩展了抛物面高增益天线的功能，进而提高了抛物面高增益天线的适应性。
可选的，所述抛物面天线上朝向所述相控阵天线的平面上还设有介质层；
所述反射单元固定在所述介质层上。
可选的，所述反射单元共形于所述介质层设置。
可选的，所述相控阵天线设置于所述抛物柱面反射阵的焦点上进行偏置馈电；且所述抛物柱面反射阵的焦距大于所述相控阵天线的工作波长。
可选的，所述相控阵天线的辐射方式包括：
在所述抛物面天线等幅同相辐射将馈源辐射的波束形成口径处的等相位面。
可选的，所述反射单元之间的中心距为：0.5λ＜S＜λ，其中，
S为反射单元之间的中心距；λ为可重构抛物面天线的工作波长。
可选的，所述反射单元的相位补偿值的计算公式包括：
Φ＝k0(Rn-xnsinθr)+Φ0，其中，
Φ为反射单元的相位补偿值；k0为自由空间的电磁波传播常数；Rn为相控阵天线的相位中心到第n个反射单元的距离xn为阵列中第n个反射单元到中心参考单元的距离；θr为反射电磁波相对于所述抛物柱面切线的反射角；Φ0为参考相位。
可选的，所述反射单元为低剖面结构，且包括：相同尺寸不同旋转角度的反射单元、开口缝隙矩形开环反射单元、方形十字槽反射单元中的一种或组合。
可选的，所述辐射单元包括：偶极子、微带贴片、耦合叠层贴片、矩形波导、圆形喇叭中的一种或组合。
本发明的优点在于：
应用本发明实施例，通过将反射单元设置于抛物面天线上，在需要发射或者接收主方向波束时，断开MEMS开关，在口径面处形成定向性较弱的波束，在需要发射或者接收特定方向的波束时，接通MEMS开关，可以使反射单元对波束进行相位补偿后实现口径处等相位辐射，相对于现有技术中的抛物面高增益天线，可以早保留其传统的功能的基础上实现口径处等相位辐射，扩展了抛物面高增益天线的功能，进而提高了抛物面高增益天线的适应性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种集成反射阵的可重构抛物面天线中反射单元的分布示意图；
图2为本发明实施例提供的一种集成反射阵的可重构抛物面天线的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种集成反射阵的可重构抛物面天线中MEMS开关断开时的工作原理示意图；
图4为本发明实施例提供的一种集成反射阵的可重构抛物面天线中MEMS开关接通时的工作原理示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
图1为本发明实施例提供的一种集成反射阵的可重构抛物面天线中反射单元1的分布示意图，如图1所示，所述天线包括：抛物面天线和相控阵天线，其中，
所述抛物面天线包括：金属背板2和反射单元1，其中，若干个所述反射单元1组成弧面阵列，弧面阵列设置于所述金属背板2朝向所述相控阵天线的平面上；为了利于控制反射单元1阵列的阵因子的栅瓣、反射单元1之间的互耦效应以及离散分布的要求，所述反射单元1之间的中心距为：0.5λ＜S＜λ，其中，S为反射单元1之间的中心距；λ为可重构抛物面天线的工作波长。所述反射单元1的不同尺寸大小所补偿的相位需要以360°为周期进行循环，使整数倍的波长可以直接消除。
每一个反射单元1均通过MEMS(Micro Electro Mechanical System，微机电系统)开关连接到天线控制器上以使天线控制器通过控制所述MEMS开关的通断进而控制反射单元1是否接通，且所述反射单元1对相控阵天线辐射的电磁信号进行相位补偿；在所述抛物面天线等幅同相辐射将相控阵天线4辐射的波束形成口径处的等相位面。
相控阵天线由一个或者多个圆形口径喇叭单元阵列设置组成，且相控阵天线的相位中心与所述抛物面天线的焦点重合。
通常情况下，相控阵天线4也可以被称为馈源。
应用本发明实施例，与抛物面天线通信连接的通信系统需要发射主方向波束时，用于控制反射单元1是否接通的MEMS开关断开，此时信号辐射至反射单元1时，反射单元1不能对信号进行相位补偿，因此，波束被金属背板2反射后到达相控阵天线中的圆形口径喇叭单元，在口径面形成定向性较弱的波束，经所述金属背板2反射后在远场实现高增益覆盖。在需要发射主方向波束时，相控阵天线4辐射的电磁波由金属抛物面反射后辐射至远场。当所述反射单元1加载的MEMS开关断开，所述天线等效为普通的抛物面天线，高增益反射波束在中心方位面实现空域覆盖；当所述反射单元1加载的MEMS开关连通时，所述天线等效为反射阵天线，高增益反射波束在指定的特殊方向实现空域覆盖。引入可重构波束，通过相控阵天线4复用，增强了综合通信系统的灵活性，实现了综合通信系统的智能化与多功能化。
应用本发明实施例，在通信系统需要接收特定方向的波束时，所述反射单元1加载的MEMS开关连通，来自远场接收波束在所述反射单元1激励起感应电流，由反射单元1组成的阵列补偿相位后辐射至所述相控阵天线4口径，信号通过同轴电缆送入后端处理模块。在需要向特定方向发射波束时，反射阵面对相控阵天线4辐射的电磁波进行相位补偿后在特定方向形成高增益波束。引入反射阵后，可以根据应用需求调整反射单元1的补偿相位量，控制天线波束指向。与传统抛物面天线相比，所述天线能产生两个高增益波束，且波束指向控制十分灵活。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述反射单元1为低剖面结构，且包括：相同尺寸不同旋转角度的反射单元1、开口缝隙矩形开环反射单元、方形十字槽反射单元中的一种或组合。反射单元1可以采用铜板、铝板或不锈钢板，通过PCB工艺加工得到。
所述辐射单元包括：偶极子、微带贴片、耦合叠层贴片、矩形波导、圆形喇叭中的一种或组合。
在实际应用中，可以预先利用公式Φ＝k0(Rn-xnsinθr)+Φ0，计算每一个反射单元1的相位补偿值，其中，Φ为反射单元1的相位补偿值；k0为自由空间的电磁波传播常数；Rn为相控阵天线4的相位中心到第n个反射单元1的距离xn为阵列中第n个反射单元1到中心参考单元的距离；θr为反射电磁波相对于所述抛物柱面切线的反射角；Φ0为参考相位。
目前有关于方向图可重构天线的研究多是对已有天线的功能再实现，其本质上还是仅有单一功能的天线。而本发明实施例将两种功能的天线结合设计，可以针对不同通信应用场景实现多功能小型化综合通信系统，并为其前端提供复合特性的可重构高增益天线。
另外，本发明实施例提供的天线在不增加成本、重量、体积的前提下，将反射阵天线与抛物面天线一体化集成，在同一口径面提供两种可供选择的高增益波束，提高了综合通信系统的安全稳定性，实现了系统前端的多功能、低成本、智能化。
而且，现有技术中为了实现在同一通信平台上实现多种通信，通常是在平台上架设各种不同类别的前端天线，进而会导致系统冗重、面积利用率低、成本大幅度增加，而本发明实施例利用方向图可重构天线，在不增加额外口径面、重量以及系统复杂度的前提下，利用可重构天线的概念，将抛物面与现有的反射阵天线多功能一体化集成，充分利用两种天线体制各自的优越性，消减各自天线体制的缺陷，为复杂高速通信应用场景提供天线解决方案。另一方面，在同一平台上搭载的通信子系统数量增加会提高综合通信系统的整体成本、增加系统重量、提高系统的雷达散射截面、进而导致电磁兼容性不佳。因此，本发明实施例还可以降低系统重量，提高电磁兼容性。
最后，应用本发明实施例，通过将反射单元1设置于抛物面天线上，在需要发射或者接收主方向波束时，断开MEMS开关，在口径面处形成定向性较弱的波束，在需要发射或者接收特定方向的波束时，接通MEMS开关，可以使反射单元1对波束进行相位补偿后实现口径处等相位辐射，相对于现有技术中的抛物面高增益天线，可以早保留其传统的功能的基础上实现口径处等相位辐射，扩展了抛物面高增益天线的功能，进而提高了抛物面高增益天线的适应性。
实施例2
图2为本发明实施例提供的一种集成反射阵的可重构抛物面天线的结构示意图；图3为本发明实施例提供的一种集成反射阵的可重构抛物面天线中MEMS开关断开时的工作原理示意图；图4为本发明实施例提供的一种集成反射阵的可重构抛物面天线中MEMS开关接通时的工作原理示意图。如图2-图4所示，本发明实施例2与本发明实施例1的区别在于，所述相控阵天线4设置于所述抛物柱面反射阵的焦点上进行偏置馈电；且所述抛物柱面反射阵的焦距大于所述相控阵天线的工作波长。
而是偏置一定角度照射金属反射平面的中心。引入偏置相控阵天线41消除了其对平面反射阵辐射电磁波的遮挡，从而改善了天线由于遮挡造成增益下降、副瓣电平升高等问题，同时改善了天线的驻波比。
示例性的，相控阵天线4为标准圆形波导喇叭天线，所述圆形口径喇叭单元工作在Ka频段，口径大小为D＝24mm，采用收发共口径的体制，极化方式为双圆极化，波束极化可定义，通过同轴电缆接入后端处理模块。为了避免相控阵天线4对反射波束特性影响，同时保证所述金属平面反射阵列辐射的波束也不会影响相控阵天线4的正常工作，所述相控阵天线4轴线指向设计角度为Ф＝32.5°。所述相控阵天线4口径照射均匀，保证抛物柱面边缘的能量漏失最小化。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述抛物面天线上朝向所述相控阵天线的平面上还设有介质层3；所述反射单元1固定在所述介质层3上。为了减小反射单元12的辐射损失，介质层3采用低介电常数、低损耗正切角且吸水率低的材料，同时为了抑制表面波和保证一定的工作带宽，选取板材厚度h＝0.05λ。
需要说明的是，介质层3使用的材料为现有材料，且用户可以根据实际需要进行选择，并不会对本发明实施例的应用效果产生影响。
进一步的，所述反射单元1共形于所述介质层3设置。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种集成反射阵的可重构抛物面天线，其特征在于，所述天线包括：抛物面天线和相控阵天线，其中，
所述抛物面天线包括：金属背板和反射单元，其中，若干个所述反射单元阵列设置于所述金属背板朝向所述相控阵天线的平面上；
每一个反射单元均通过MEMS开关连接到天线控制器上以使天线控制器通过控制所述MEMS开关的通断进而控制反射单元是否接通，且所述反射单元对相控阵天线辐射的电磁信号进行相位补偿；
所述相控阵天线的相位中心与所述抛物面天线的焦点重合。
2.根据权利要求1所述的一种集成反射阵的可重构抛物面天线，其特征在于，所述抛物面天线上朝向所述相控阵天线的平面上还设有介质层；
所述反射单元固定在所述介质层上。
3.根据权利要求2所述的一种集成反射阵的可重构抛物面天线，其特征在于，所述反射单元共形于所述介质层设置。
4.根据权利要求1所述的一种集成反射阵的可重构抛物面天线，其特征在于，所述相控阵天线设置于所述抛物柱面反射阵的焦点上进行偏置馈电；且所述抛物柱面反射阵的焦距大于所述相控阵天线的工作波长。
5.根据权利要求1所述的一种集成反射阵的可重构抛物面天线，其特征在于，所述相控阵天线的辐射方式包括：
在所述抛物面天线等幅同相辐射将馈源辐射的波束形成口径处的等相位面。
6.根据权利要求1所述的一种集成反射阵的可重构抛物面天线，其特征在于，所述反射单元之间的中心距为：0.5λ＜S＜λ，其中，
S为反射单元之间的中心距；λ为可重构抛物面天线的工作波长。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种集成反射阵的可重构抛物面天线，其特征在于，所述反射单元的相位补偿值的计算公式包括：
Φ＝k0(Rn-xnsinθr)+Φ0，其中，
Φ为反射单元的相位补偿值；k0为自由空间的电磁波传播常数；Rn为相控阵天线的相位中心到第n个反射单元的距离xn为阵列中第n个反射单元到中心参考单元的距离；θr为反射电磁波相对于所述抛物柱面切线的反射角；Φ0为参考相位。
8.根据权利要求7所述的一种集成反射阵的可重构抛物面天线，其特征在于，所述反射单元为低剖面结构，且包括：相同尺寸不同旋转角度的反射单元、开口缝隙矩形开环反射单元、方形十字槽反射单元中的一种或组合。
9.根据权利要求7所述的一种集成反射阵的可重构抛物面天线，其特征在于，所述辐射单元包括：偶极子、微带贴片、耦合叠层贴片、矩形波导、圆形喇叭中的一种或组合。
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