CN110600884B - 基于带有凹形臂的单层开槽贴片单元的宽带反射阵列天线 - Google Patents

基于带有凹形臂的单层开槽贴片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带有凹形臂的单层开槽贴片单元的宽带反射阵列天线，包括角锥喇叭天线、反射阵列，反射阵列包括若干个反射单元，每个反射单元包括金属贴片、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；金属贴片为带有凹形臂的开槽矩形结构，凹形臂与开槽矩形贴片预留一定宽度。本发明的反射单元相位可以实现360°的线性变化，由反射单元构成的反射阵列天线可以实现高增益带宽、高口径效率以及良好的辐射特性，且结构简单，易于工程实现，具有较高的应用价值。

Description

基于带有凹形臂的单层开槽贴片单元的宽带反射阵列天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种基于带有凹形臂的单层开槽贴片单元的宽带反射阵列天线。
背景技术
随着卫星通信，微波通信和航空航天技术的发展，高增益天线越来越受到重视。在高增益天线领域，反射阵天线结合了抛物面天线和微带阵列天线的优点。具体来说，具有以下优点：平面结构、易加工、高辐射效率和低损耗。但是常规的反射阵天线具有增益带宽狭窄的缺陷，限制了其在某些领域的应用。
为了克服反射阵天线增益带宽窄的缺点，有学者提出采用亚波长单元技术来拓宽反射阵天线的带宽，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一个波长，由于微带反射单元周期较小，一定程度上限制了微带反射单元调相参数的变化范围，但这可使相位线性度得到改善进而拓展带宽。文献“A BroadbandReflectarray Antenna Using Single-Layer Rectangular Patches Embedded WithInverted L-Shaped Slots”提出了基于在矩形贴片上开倒L形槽的方法，并且采用亚波长结构，实现宽带反射阵列天线，但是其相位范围不足360°。另一个能有效拓展带宽的方法是采用多谐振单元，在文献“Broadband microstrip reflectarray with five paralleldipole elements”中，用五根平行的偶极子实现反射阵的宽带特性，但是性能有待提高。综上，目前的方法扩展的带宽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能实现高增益带宽、高口径效率以及良好方向图的宽带反射阵天线。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于带有凹形臂的单层开槽贴片单元的宽带反射阵列天线，包括作为馈源的角锥喇叭天线和反射阵列，反射阵列包括若干个反射单元，反射单元为亚波长结构；
每个反射单元包括金属贴片、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；
所述金属贴片包括尺寸相同的第一矩形金属贴片、第三矩形金属贴片、第四矩形金属贴片、第六矩形金属贴片；尺寸相同的第二矩形金属贴片、第五矩形金属贴片，以及第七矩形金属贴片；其中，第一矩形金属贴片、第二矩形金属贴片、第三矩形金属贴片构成第一凹形臂结构，第一矩形金属贴片、第三矩形金属贴片分别作为“凹”字的竖边；第四矩形金属贴片、第五矩形金属贴片、第六矩形金属贴片构成第二凹形臂结构，第四矩形金属贴片、第六矩形金属贴片分别作为“凹”字的竖边；第一凹形臂结构和第二凹形臂结构的开口正相对且平行设置，两者之间的间距为W3；第七矩形金属贴片居中设置于第一凹形臂结构、第二凹形臂结构之间，且其长边与第二矩形金属贴片平行，第七矩形金属贴片的中心位置处关于其长度方向的中心轴对称镜像开有两个L形槽，L形槽中沿第七矩形金属贴片长度方向的槽长度与第二矩形金属贴片的长度L1相等，L形槽中沿第七矩形金属贴片宽度方向的槽使得第七矩形金属贴片的长边存在缺口，且该槽的宽度与第一矩形金属贴片的宽度L2相等；第七矩形金属贴片的长度L大于第二矩形金属贴片的长度L1；每个反射单元的L1相同或不相同。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)通过调节反射单元金属贴片中第二矩形金属贴片的长度L1，实现相位变化，线性相位变化范围超过360°，可以实现较宽的单元带宽；2)整个宽带反射阵列天线能实现高增益带宽和高口径效率，且辐射特性在工作频段内稳定性好。
下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。
附图说明
图1为本发明基于带有凹形臂的单层开槽贴片单元的宽带反射阵列天线的结构示意图。
图2为本发明基于带有凹形臂的单层开槽贴片单元的宽带反射阵列天线中反射单元的俯视图。
图3为本发明基于带有凹形臂的单层开槽贴片单元的宽带反射阵列天线中反射单元的俯视图。
图4为本发明基于带有凹形臂的单层开槽贴片单元的宽带反射阵列天线中反射单元的侧视图。
图5为本发明实施例中反射单元在不同频率下的相移曲线图。
图6为本发明实施例中在设计频率10GHz处宽带反射阵列天线的仿真和测试的E面方向图。
图7为本发明实施例中在设计频率10GHz处宽带反射阵列天线的仿真和测试的H面方向图。
图8为本发明实施例中在不同频率下测试的E面方向图。
图9为本发明实施例中在不同频率下测试的H面方向图。
图10为本发明实施例中反射阵天线随频率变化的增益以及口径效率曲线图。
具体实施方式
结合图1至图4，本发明基于带有凹形臂的单层开槽贴片单元的宽带反射阵列天线，包括作为馈源的角锥喇叭天线1和反射阵列，反射阵列包括若干个反射单元，反射单元为亚波长结构；
每个反射单元包括金属贴片2、介质基板3和金属地板4，金属贴片2印制在介质基板3的上表面，介质基板3下方设置金属地板4；
金属贴片2包括尺寸相同的第一矩形金属贴片5-1、第三矩形金属贴片5-3、第四矩形金属贴片5-4、第六矩形金属贴片5-6；尺寸相同的第二矩形金属贴片5-2、第五矩形金属贴片5-5，以及第七矩形金属贴片5-7；其中，第一矩形金属贴片5-1、第二矩形金属贴片5-2、第三矩形金属贴片5-3构成第一凹形臂结构，第一矩形金属贴片5-1、第三矩形金属贴片5-3分别作为“凹”字的竖边；第四矩形金属贴片5-4、第五矩形金属贴片5-5、第六矩形金属贴片5-6构成第二凹形臂结构，第四矩形金属贴片5-4、第六矩形金属贴片5-6分别作为“凹”字的竖边；第一凹形臂结构和第二凹形臂结构的开口正相对且平行设置，两者之间的间距为W3；第七矩形金属贴片5-7居中设置于第一凹形臂结构、第二凹形臂结构之间，且其长边与第二矩形金属贴片5-2平行，第七矩形金属贴片5-7的中心位置处关于其长度方向的中心轴对称镜像开有两个L形槽，L形槽中沿第七矩形金属贴片5-7长度方向的槽长度与第二矩形金属贴片5-2的长度L1相等，L形槽中沿第七矩形金属贴片5-7宽度方向的槽使得第七矩形金属贴片5-7的长边存在缺口，且该槽的宽度与第一矩形金属贴片5-1的宽度L2相等；第七矩形金属贴片5-7的长度L大于第二矩形金属贴片5-2的长度L1；每个反射单元的L1相同或不相同。
进一步地，第二矩形金属贴片5-2、第五矩形金属贴片5-5的L1可调，用于改变反射单元的反射相位。
进一步地，若干个反射单元均匀分布。
进一步示例性地，若干个反射单元构成m×n的阵列。
进一步地，L形槽的整体宽度与第二矩形金属贴片5-2的宽度W1相等。
进一步优选地，反射单元为9mm*9mm的亚波长结构。
进一步优选地，角锥喇叭天线1以方位角θ＝-25°,
Figure BDA0002172917470000041
对反射阵列进行偏馈照射，反射阵列将波束聚焦至方位角为θ＝25°,
Figure BDA0002172917470000042
的方向；以沿反射阵列表面的水平方向作为x轴，以垂直于反射阵列表面的方向作为z轴，θ为角锥喇叭天线1与z轴的夹角，
Figure BDA0002172917470000043
为角锥喇叭天线1与xoz面的夹角。
进一步优选地，角锥喇叭天线1到反射阵列的垂直距离为147.9mm。
进一步优选地，介质基板3的介电常数ε＝2.2。
进一步优选地，第七矩形金属贴片5-7的长度L＝7.4mm，宽度W＝2mm；第二矩形金属贴片5-2的宽度W1＝0.5mm，第一矩形金属贴片5-1或第三矩形金属贴片5-3或第四矩形金属贴片5-4或第六矩形金属贴片5-6的长度为W2＝0.3mm。
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述。
实施例
本实施例基于带有凹形臂的单层开槽贴片单元的宽带反射阵列天线，包括角锥喇叭天线1和反射阵列，反射阵列的尺寸为207mm*207mm*3.175mm，包括23行23列共529个反射单元，反射单元为9mm*9mm的亚波长结构。每个反射单元包括金属贴片2、介质基板3和金属地板4，金属贴片2印制在介质基板3的上表面，介质基板3下方设置金属地板4，其中介质基板3的介电常数ε＝2.2，厚度为H＝3.175mm。
金属贴片2包括尺寸相同的第一矩形金属贴片5-1、第三矩形金属贴片5-3、第四矩形金属贴片5-4、第六矩形金属贴片5-6；尺寸相同的第二矩形金属贴片5-2、第五矩形金属贴片5-5，以及第七矩形金属贴片5-7；其中，第一矩形金属贴片5-1、第二矩形金属贴片5-2、第三矩形金属贴片5-3构成第一凹形臂结构，第一矩形金属贴片5-1、第三矩形金属贴片5-3分别作为“凹”字的竖边；第四矩形金属贴片5-4、第五矩形金属贴片5-5、第六矩形金属贴片5-6构成第二凹形臂结构，第四矩形金属贴片5-4、第六矩形金属贴片5-6分别作为“凹”字的竖边；第一凹形臂结构和第二凹形臂结构的开口正相对且平行设置，两者之间的间距为W3；第七矩形金属贴片5-7居中设置于第一凹形臂结构、第二凹形臂结构之间，且其长边与第二矩形金属贴片5-2平行，第七矩形金属贴片5-7的中心位置处关于其长度方向的中心轴对称镜像开有两个L形槽，L形槽中沿第七矩形金属贴片5-7长度方向的槽长度与第二矩形金属贴片5-2的长度L1相等，L形槽中沿第七矩形金属贴片5-7宽度方向的槽使得第七矩形金属贴片5-7的长边存在缺口，且该槽的宽度与第一矩形金属贴片5-1的宽度L2相等；第七矩形金属贴片5-7的长度L大于第二矩形金属贴片5-2的长度L1；每个反射单元的L1相同或不相同。本实施例中，第七矩形金属贴片5-7的长度L＝7.4mm，宽度W＝2mm；第二矩形金属贴片5-2或第五矩形金属贴片5-5的宽度W1＝0.5mm，第一矩形金属贴片5-1或第三矩形金属贴片5-3或第四矩形金属贴片5-4或第六矩形金属贴片5-6的长度为W2＝0.3mm。
反射单元相位变化通过改变L1来实现，本实施例中针对频率9GHz、10GHz、11GHz、12GHz、13GHz，将L1从0.4mm变化至7.4mm，获得每个频率对应的反射单元相移曲线图如图5所示，由图5可知，反射单元相应的相位响应随着频率变化保持较好的线性度，并且相位范围大于360°，具有良好的宽带性能。
由图6和图7可知，宽带反射阵列天线在设计频率10GHz时，天线的波束指向θ＝25°,
Figure BDA0002172917470000051
仿真和测试结果相吻合。
由图8和图9可知，在各个频率处，天线波束的指向和形状均较稳定。
由图10可知，天线1-dB相对增益带宽为36％，在设计频率10GHz的口径效率为65％。
综上，本发明的反射单元相位可以实现360°的线性变化，由反射单元构成的反射阵列天线可以实现高增益带宽、高口径效率以及良好的辐射特性，且结构简单，易于工程实现，具有较高的应用价值。

Claims (9)

1.一种基于带有凹形臂的单层开槽贴片单元的宽带反射阵列天线，其特征在于，包括作为馈源的角锥喇叭天线(1)和反射阵列，反射阵列包括若干个反射单元，反射单元为亚波长结构；
每个反射单元包括金属贴片(2)、介质基板(3)和金属地板(4)，金属贴片(2)印制在介质基板(3)的上表面，介质基板(3)下方设置金属地板(4)；
所述金属贴片(2)包括尺寸相同的第一矩形金属贴片(5-1)、第三矩形金属贴片(5-3)、第四矩形金属贴片(5-4)、第六矩形金属贴片(5-6)；尺寸相同的第二矩形金属贴片(5-2)、第五矩形金属贴片(5-5)，以及第七矩形金属贴片(5-7)；其中，第一矩形金属贴片(5-1)、第二矩形金属贴片(5-2)、第三矩形金属贴片(5-3)构成第一凹形臂结构，第一矩形金属贴片(5-1)、第三矩形金属贴片(5-3)分别作为“凹”字的竖边；第四矩形金属贴片(5-4)、第五矩形金属贴片(5-5)、第六矩形金属贴片(5-6)构成第二凹形臂结构，第四矩形金属贴片(5-4)、第六矩形金属贴片(5-6)分别作为“凹”字的竖边；第一凹形臂结构和第二凹形臂结构的开口正相对且平行设置，两者之间的间距为W3；第七矩形金属贴片(5-7)居中设置于第一凹形臂结构、第二凹形臂结构之间，且其长边与第二矩形金属贴片(5-2)平行，第七矩形金属贴片(5-7)的中心位置处关于其长度方向的中心轴对称镜像开有两个L形槽，L形槽中沿第七矩形金属贴片(5-7)长度方向的槽长度与第二矩形金属贴片(5-2)的长度L1相等，L形槽中沿第七矩形金属贴片(5-7)宽度方向的槽使得第七矩形金属贴片(5-7)的长边存在缺口，且该槽的宽度与第一矩形金属贴片(5-1)的宽度L2相等；第七矩形金属贴片(5-7)的长度L大于第二矩形金属贴片(5-2)的长度L1，第七矩形金属贴片(5-7)的宽度W小于第一凹形臂结构和第二凹形臂结构的间距W3；每个反射单元的L1不相同；所述第二矩形金属贴片(5-2)、第五矩形金属贴片(5-5)的L1可调，用于改变反射单元的反射相位。
2.根据权利要求1所述的基于带有凹形臂的单层开槽贴片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均匀分布。
3.根据权利要求1或2所述的基于带有凹形臂的单层开槽贴片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构成m×n的阵列。
4.根据权利要求1所述的基于带有凹形臂的单层开槽贴片单元的宽带反射阵列天线，其特征在于，所述L形槽的整体宽度与第二矩形金属贴片(5-2)的宽度W1相等。
5.根据权利要求1所述的基于带有凹形臂的单层开槽贴片单元的宽带反射阵列天线，其特征在于，所述反射单元为9mm*9mm的亚波长结构。
6.根据权利要求1所述的基于带有凹形臂的单层开槽贴片单元的宽带反射阵列天线，其特征在于，所述角锥喇叭天线(1)以方位角θ＝-25°,
Figure FDA0002479529440000021
对反射阵列进行偏馈照射，反射阵列将波束聚焦至方位角为θ＝25°,
Figure FDA0002479529440000022
的方向；以沿反射阵列表面的水平方向作为x轴，以垂直于反射阵列表面的方向作为z轴，θ为角锥喇叭天线(1)与z轴的夹角，
Figure FDA0002479529440000023
为角锥喇叭天线(1)与xoz面的夹角。
7.根据权利要求1所述的基于带有凹形臂的单层开槽贴片单元的宽带反射阵列天线，其特征在于，所述角锥喇叭天线(1)到反射阵列的垂直距离为147.9mm。
8.根据权利要求1所述的基于带有凹形臂的单层开槽贴片单元的宽带反射阵列天线，其特征在于，所述介质基板(3)的介电常数ε＝2.2。
9.根据权利要求1所述的基于带有凹形臂的单层开槽贴片单元的宽带反射阵列天线，其特征在于，所述第七矩形金属贴片(5-7)的长度L＝7.4mm，宽度W＝2mm；第二矩形金属贴片(5-2)的宽度W1＝0.5mm，第一矩形金属贴片(5-1)或第三矩形金属贴片(5-3)或第四矩形金属贴片(5-4)或第六矩形金属贴片(5-6)的长度为W2＝0.3mm。
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