CN110838613B - 基于单层准自互补结构单元的宽带反射阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于单层准自互补结构单元的宽带反射阵列天线，包括：馈源天线和反射阵列。反射阵列包括若干个反射单元，反射单元包括上层金属贴片、介质基片和金属地板，上层金属贴片为倒“L”型准自互补结构，包括倒“L”型贴片以及与其呈互补关系的倒“L”型缝隙。通过调节倒“L”型准自互补结构的长度可以实现相位的线性变化，进而使得由反射单元构成的反射阵列天线可以实现高增益、宽带宽和高口径效率，此外反射阵列采用单层介质基板，结构简单，加工方便，成本低、质量小，可以大规模生产。

Description

基于单层准自互补结构单元的宽带反射阵列天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种基于单层准自互补结构单元的宽带反射阵列天线。
背景技术
在现代社会中，随着雷达系统和卫星通信等通信技术的快速发展，对高增益天线的需求日益增加。抛物面天线和微带阵列天线是传统的高增益天线。抛物面天线由抛物面反射器和位于其焦点处的馈源组成，由于抛物面反射器体积大质量重，其无法满足现代通信应用中系统集成的要求。微带阵列天线虽然剖面低，体积小，易集成，但是其复杂的馈电网络导致损耗较高，从而影响了天线的增益与效率。
为实现一种体积小、剖面低、质量轻和损耗小的高增益天线，结合抛物面天线和微带阵列天线优点的空馈阵列天线应运而生。其采用抛物面天线空馈的方式和微带阵列天线的阵列原理，构成空馈的平面反射阵列天线。
平面反射阵列天线是集合抛物面天线和微带阵列天线优点形成的一种新型高增益天线。反射阵列天线由于其体积小、质量轻、成本低、损耗小的特点被广泛应用。平面反射阵列天线由馈源天线和反射阵列组成，反射阵列是由大量印制于介质板上的微带贴片单元构成，通过调节各个单元的参数形成反射波的相移。平面反射阵列的工作原理是：电磁波从馈源天线辐射出去后，沿着不同的传输路径到达每个单元，使其能对入射波进行相位补偿，让反射场在天线口径面上形成所需的同相位波前。这就要求反射单元有足够的相位补偿量，即能通过调整参数满足360°的反射波相移。此外，带宽是衡量天线性能的一个重要指标，而常规的反射阵列天线带宽较窄，限制了其应用领域。文献“A Novel Single-LayerUnit Structure for Broadband Reflectarray Antenna”采用环状结构加载相位延迟线的单元实现宽带设计，单元具有550°的相位响应但线性度不理想。文献“Broadband Designof a Single Layer Large Reflectarray Using Multi Cross Loop Elements”采用多谐振单元实现宽带设计，但拓展的带宽不是很大。
由上可知，现有反射式阵列天线虽然能够实现大于360°的相移，但是相位响应的线性度不理想，无法实现宽带宽。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能实现高增益、高效率、宽带和低成本等性能的宽带反射阵列天线。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于单层准自互补结构单元的宽带反射阵列天线，包括馈源天线和反射阵列；所述馈源天线位于反射阵列的上方，用于将球面电磁波发射给反射阵列；反射阵列包括若干个反射单元，用于将馈源天线发射的球面电磁波转换为平面电磁波辐射出去，实现天线高增益。
进一步地，所述馈源天线的馈电方式为偏馈。
进一步地，所述反射阵列为m×n的矩形阵列，包括m×n个反射单元。
进一步地，所述若干个反射单元周期性分布。
进一步地，所述若干个反射单元包括上层金属层、介质基片和金属地板；所述上层金属层、金属地板分别位于介质基片的上表面、下表面；
所述上层金属层为倒“L”型准自互补结构，包括倒“L”型金属贴片和加载有倒“L”型缝隙的矩形金属贴片，其中倒“L”型金属贴片包括第一矩形贴片和第二矩形贴片；所述倒“L”型缝隙使矩形金属贴片的某一侧长边存在缺口，所述倒“L”型金属贴片位于所述缺口一侧且与缺口间存在间距W4；所述“L”型缝隙与倒“L”型金属贴片互为准自互补关系，两个“L”同轴且开口相向设置。
进一步地，所述倒“L”型缝隙、倒“L”型金属贴片沿矩形金属贴片长边方向的长度L可调。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)馈源天线采用的馈电方式为偏馈，避免了馈源遮挡效应；2)采用周期为0.3个自由空间波长的反射单元，单元为亚波长结构，天线整体尺寸小；3)宽带反射阵列天线工作在10GHz，剖面高度为3.175mm仅有0.11个自由空间波长，实现了天线的低剖面设计，能有效减小高增益天线在系统中所占空间，有利于系统集成；4)通过调节倒“L”型准自互补结构的长度可实现372°的线性反射相移，有利于高增益宽带反射阵列设计，所设计阵列口径效率可达60％，带宽可达38％；5)采用单层介质基板，结构简单，加工方便，成本低、质量小，可以大规模生产。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明基于单层准自互补结构单元的宽带反射阵列天线结构示意图。
图2为本发明其中一个实施例中基于单层准自互补结构单元的宽带反射阵列天线的反射单元结构俯视图。
图3为本发明其中一个实施例中基于单层准自互补结构单元的宽带反射阵列天线的反射单元结构侧视图。
图4为本发明其中一个实施例中基于单层准自互补结构单元的宽带反射阵列天线的反射单元在设计频率10GHz处的反射幅度和相位曲线图。
图5为本发明其中一个实施例中基于单层准自互补结构单元的宽带反射阵列天线的反射单元在设计频率10GHz处不同入射角度的反射相位曲线图。
图6为本发明其中一个实施例中基于单层准自互补结构单元的宽带反射阵列天线的反射单元在不同频率处的反射相位曲线图。
图7为本发明其中一个实施例中基于单层准自互补结构单元的宽带反射阵列天线在设计频率10GHz处测试和仿真的E面和H面归一化辐射方向图，其中图(a)为E面的测试与仿真归一化辐射方向图，图(b)为H面的测试与仿真归一化辐射方向图。
图8为本发明其中一个实施例中基于单层准自互补结构单元的宽带反射阵列天线在不同频率下测试的E面和H面归一化辐射方向图，其中图(a)为不同频率下E面的测试归一化辐射方向图，图(b)为不同频率下H面的测试归一化辐射方向图。
图9为本发明其中一个实施例中基于单层准自互补结构单元的宽带反射阵列天线随频率变化的增益曲线图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
结合图1，本发明提出了一种基于单层准自互补结构单元的宽带反射阵列天线，包括馈源天线1和反射阵列2；馈源天线1位于反射阵列2的上方，用于将球面电磁波发射给反射阵列2；反射阵列2包括若干个反射单元，用于将馈源天线1发射的球面电磁波转换为平面电磁波辐射出去，实现天线高增益。
进一步地，在其中一个实施例中，馈源天线1的馈电方式为偏馈，能够避免馈源遮挡效应。
进一步优选地，在其中一个实施例中，偏馈角度为25°。
进一步优选地，在其中一个实施例中，馈源天线1到反射阵列2的垂直距离为147.9mm。
进一步地，在其中一个实施例中，馈源天线1具体采用角锥喇叭天线。
进一步地，在其中一个实施例中，反射阵列2为m×n的矩形阵列，包括m×n个反射单元。
进一步优选地，在其中一个实施例中，反射阵列2为23*23的正方形阵列，包括529个反射单元。
进一步地，在其中一个实施例中，若干个反射单元周期性分布。
进一步优选地，在其中一个实施例中，若干个反射单元周期性分布的周期为9mm即0.3个自由空间波长。
进一步地，在其中一个实施例中，结合图2、图3，反射单元包括上层金属层、介质基片5和金属地板6；上层金属层、金属地板6分别位于介质基片5的上表面、下表面；
上层金属层为倒“L”型准自互补结构，包括倒“L”型金属贴片3和加载有倒“L”型缝隙4-1的矩形金属贴片4-2，其中倒“L”型金属贴片3包括第一矩形贴片3-1和第二矩形贴片3-2；倒“L”型缝隙4-1使矩形金属贴片4-2的某一侧长边存在缺口，倒“L”型金属贴片3位于缺口一侧且与缺口间存在间距W4；“L”型缝隙4-1与倒“L”型金属贴片3互为准自互补关系，两个“L”同轴且开口相向设置。
进一步地，在其中一个实施例中，倒“L”型缝隙4-1、倒“L”型金属贴片3沿矩形金属贴片4-2长边方向的长度L可调，以调节微带反射单元的反射相位，可实现372°的反射相移。
进一步优选地，在其中一个实施例中，矩形金属贴片4-2的长度D设置为7.8mm，宽度W1设置为1mm；第一矩形贴片3-1的长度Ls设置为0.9mm，宽度W2设置为0.2mm；倒“L”型准自互补结构沿矩形金属贴片4-2长边方向的长度L的变化范围为0.4mm～7.6mm，宽度W3设置为0.5mm；间距W4设置为0.1mm。
进一步地，在其中一个实施例中，介质基片5采用单层介质结构，其厚度为3.175mm即0.11个自由空间波长，介电常数为2.2。
进一步地，在其中一个实施例中，该宽带反射阵列天线入射波的频率为10GHz。
本发明反射单元在设计频率10GHz处的反射和相位曲线如图4所示，由图可知，将L从0.4mm变化到7.6mm，相位范围在372°内，反射幅度始终大于-0.2dB，表明反射单元具有良好的单元性能。
反射单元在设计频率10GHz处不同入射角度的反射相位曲线如图5所示，由图可知，在俯仰角θ小于等于40°、方位角ψ小于等于20°的范围内，将L从0.4mm变化到7.6mm，得到的相位曲线有较好的一致性。
反射单元在不同频率(频率9GHz、10GHz、11GHz、12GHz、13GHz)的反射相位曲线如图6所示，由图可知，将L从0.4mm变化至7.6mm，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7可知，本发明反射阵列天线在设计频率10GHz处E面和H面的测试结果和仿真结果相吻合，阵列天线的副瓣低于-19dB，交叉极化在-28dB以下。
本发明反射阵列天线在10GHz，11GHz，12GHz，13GHz处E面和H面的测试结果如图8所示，由图可知，在各个频率处，天线波束的指向和形状均较稳定，在不同频点处阵列天线副瓣始终低于-15dB，交叉极化始终在-24dB以下。
本发明反射阵列天线随频率变化的增益测量与仿真曲线图如图9所示，由图可知天线1-dB相对增益带宽为38％，在设计频率10GHz的口径效率为60％。
综上，本发明的反射单元可以实现372°的线性相位变化，进而由反射单元构成的反射阵列天线可以实现高增益、宽带宽和高口径效率，此外反射阵列采用单层介质基板，结构简单，加工方便，成本低、质量小，因而可以大规模生产；
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于单层准自互补结构单元的宽带反射阵列天线，其特征在于，包括馈源天线（1）和反射阵列（2）；所述馈源天线（1）位于反射阵列（2）的上方，用于将球面电磁波发射给反射阵列（2）；反射阵列（2）包括若干个反射单元，用于将馈源天线（1）发射的球面电磁波转换为平面电磁波辐射出去，实现天线高增益；所述反射单元包括上层金属层、介质基片（5）和金属地板（6）；所述上层金属层、金属地板（6）分别位于介质基片（5）的上表面、下表面；
所述上层金属层为倒“L”型准自互补结构，包括倒“L”型金属贴片和加载有倒“L”型缝隙（4-1）的矩形金属贴片（4-2），其中倒“L”型金属贴片包括第一矩形贴片（3-1）和第二矩形贴片（3-2）；所述倒“L”型缝隙（4-1）使矩形金属贴片（4-2）的某一侧长边存在缺口，所述倒“L”型金属贴片位于所述缺口一侧且与缺口间存在间距W 4 ；所述“L”型缝隙（4-1）与倒“L”型金属贴片互为准自互补关系，两个“L”同轴且开口相向设置；
所述倒“L”型缝隙（4-1）、倒“L”型金属贴片沿矩形金属贴片（4-2）长边方向的长度L可调。
2.根据权利要求1所述的基于单层准自互补结构单元的宽带反射阵列天线，其特征在于，所述馈源天线（1）的馈电方式为偏馈。
3.根据权利要求1所述的基于单层准自互补结构单元的宽带反射阵列天线，其特征在于，所述馈源天线（1）具体采用角锥喇叭天线。
4.根据权利要求1所述的基于单层准自互补结构单元的宽带反射阵列天线，其特征在于，所述反射阵列（2）为m×n的矩形阵列，包括m×n个反射单元。
5.根据权利要求1所述的基于单层准自互补结构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周期性分布。
6.根据权利要求5所述的基于单层准自互补结构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周期性分布的周期为9mm即0.3个自由空间波长。
7.根据权利要求1所述的基于单层准自互补结构单元的宽带反射阵列天线，其特征在于，所述介质基片（5）采用单层介质结构，其厚度为3.175mm即0.11个自由空间波长，介电常数为2.2。
8.根据权利要求1所述的基于单层准自互补结构单元的宽带反射阵列天线，其特征在于，该宽带反射阵列天线入射波的频率为10GHz。
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