CN111211404B - 一种副反射面旋转的低剖面可扫描平面反射阵天线系统及扫描方法 - Google Patents

一种副反射面旋转的低剖面可扫描平面反射阵天线系统及扫描方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种副反射面旋转的低剖面可扫描平面反射阵天线系统及扫描方法，包括平面反射阵天线模块(12)、副反射面(9)、馈源(8)和电机系统，平面反射阵天线模块(12)与电机系统连接，电机系统与副反射面(9)连接，馈源(8)安装在平面反射阵天线模块(12)的正中心，副反射面(9)位于馈源(8)正上方，平面反射阵天线模块(12)包括从上到下依次连接的天线层(5)、控制层(6)和电源层(7)，馈源(8)发出电磁波给副反射面(9)，电机系统控制副反射面(9)的旋转，该系统能够实现离轴角±α，旋转角360°的波束扫描，该系统具有更低的剖面、更高的增益，占用空间小，且系统高度集成化。

Description

一种副反射面旋转的低剖面可扫描平面反射阵天线系统及扫 描方法
技术领域
本发明涉及天线领域，特别是涉及一种副反射面旋转的低剖面可扫描平面反射阵天线系统及扫描方法。
背景技术
随着人们需求的不断提高，对于远距离无线通信系统的研究也是逐渐深入，而天线是整个通信系统中重要的一个部件，需要具备高增益、低旁瓣、波束扫描等特性，从而实现良好的远距离信号发射与接收功能，抛物面天线和相控阵天线具备以上电性能，但是前者体积大、笨重是明显的缺点，后者的材料成本又是极高的。现在的卫星发射都追求“一箭多星”，要想实现这一目标，装载的卫星除了性能满足需求外，还需要具备小重量、小体积的物理特性。若采用抛物面天线作为卫星天线，由于抛物面的物理特性，必然会导致卫星整机尺寸无法小型化，且重量偏重，进而导致“一箭多星”发射的卫星数量偏少，大重量也会增加发射成本；而采用相控阵天线作为卫星天线，虽然体积能做到小型化和低剖面，但重量是其一大缺点，其次就是成本居高不下，整机结构复杂是另一大缺点，在设计阶段就要耗费大量的精力。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种平面反射阵天线系统，能够实现天线扫描系统的高度集成化、易加工、价格低廉、低剖面和三维扫描。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种副反射面旋转的低剖面可扫描平面反射阵天线系统及扫描方法。
其中，该系统包括平面反射阵天线模块(12)、副反射面(9)、馈源(8)和电机系统，所述平面反射阵天线模块(12)与所述电机系统连接，所述电机系统与所述副反射面(9)连接，所述馈源(8)安装在所述平面反射阵天线模块(12)的正中心，所述副反射面(9)位于所述馈源(8)正上方。
优选地，所述平面反射阵天线模块(12)包括从上到下依次连接的天线层(5)、控制层(6)和电源层(7)，其中，所述控制层(6)与分别与所述馈源(8)和所述电机系统连接；所述电源层(7)通过外接导线与所述控制层(6)连接。
优选地，所述T/R组件包括功率放大器、低噪声放大器和接收发射切换开关，所述功率放大器、低噪声放大器的两端分别连接一个所述接收发射切换开关，所述T/R组件的两端分别通过一个所述接收发射切换开关连接所述馈源(8)和信道。
平面反射阵天线模块(12)的控制层(6)控制馈源(8)发出电磁波给副反射面(9)，同时控制层(6)控制电机系统工作，电机系统带动副反射面(9)旋转，副反射面(9)又将电磁波反射回平面反射阵天线，最终实现一定角度范围内的波束扫描。
优选地，所述天线层(5)包括平面反射阵面，所述平面反射阵面包括N×N个反射单元；所述控制层(6)包括控制电路和T/R组件，所述控制电路与所述T/R组件连接，所述T/R组件与所述馈源(8)连接，所述控制电路与所述电机系统连接。其中，所述反射单元口径大小具体为10mm×10mm。
优选地，所述反射单元包括基板、辐射贴片和金属地，所述辐射贴片环形开口，所述辐射贴片贴在所述基板上且环形开口，所述金属地贴在所述基板下；所述反射单元口径大小具体为10mm×10mm。
优选地，所述馈源(8)到所述副反射面(9)之间的距离为f，所述f具体为32mm，所述馈源(8)具体为喇叭天线。
优选地，所述电机系统包括电机A(11)和电机B(10)，其中，所述电机A(11)通过转轴与所述电机B(10)连接，所述电机B(10)通过转轴与所述副反射面(9)连接。
优选地，所述副反射面(9)在一定角度±α范围内旋转，所述副反射面(9)在xy面的等效口径大小为d3＝d*cosα，所述馈源照射到副反射面(9)的口径大小为所述d3>d2。
具体地，按照需求选择合适的反射面口径大小(32×32个单元，面积为320mm×320mm)以及所需频率(15GHZ)，同时还需要确定副反射面(9)口径大小d(40mm×40mm)，副反射面的焦径比为1；确定副反射面(9)与馈源(8)的距离f＝32mm，其中馈源(8)到副反射面(9)的距离与副反射面(9)口径大小比值取0.8；还需确定副反射面(9)旋转的最大角度，因为馈源(8)为喇叭天线，安装在反射面正中心，垂直xy平面射向z轴方向，其中馈源的-10dB波束带宽约为θ＝56°，馈源(8)照射到副反射面(9)的口径大小为设副反射面(9)旋转角度为α，在xy面的等效口径大小为d3＝d*cosα，为了避免发生漏波现象，需要d3>d2，所以这里副反射面(9)的最大旋转角度α取为20°，避免旋转角度过大导致喇叭天线发出的电磁波绕射严重，使得增益降低。
基于上述一种副反射面旋转的低剖面可扫描平面反射阵天线系统的扫描方法，包括以下步骤：
S1.所述控制层(6)的T/R组件为所述馈源(8)提供发射和接收通道，所述馈源(8)对准副反射面(9)发射电磁波；
S2.所述控制层(6)的控制电路控制所述电机系统，所述电机A(11)旋转360°，带动所述电机B(10)及所述副反射面(9)旋转360°；
S3.所述电机B(10)旋转角度±α，以所述副反射面(9)垂直于平面反射阵面为初始状态，旋转角度为±α，所述副反射面(9)将从馈源(8)发出的电磁波反射回平面反射阵面，够实现离轴角±α，旋转角360°的波束扫描。
具体地，所述从副反射面(9)反射回所述平面反射阵面的电磁波到达每个单元的距离不同，相位不同，需要计算各个单元的相位补偿。通过公式计算出单元天线需要补偿的空间相位差，通过将单元天线旋转不同角度从而实现不同空间相位差的补偿。
预设电机A(11)旋转的步进间距为0.1°，最大旋转角度为360°；预设电机B(10)旋转的步进间距为0.1°，最大旋转角度为±α。对于完整的天线系统，只需开启馈源(8)，通过电路控制两个电机的旋转，实现离轴角±α、旋转角360°的波束扫描。
本发明的有益效果是：(1)反射面天线不需要复杂的电路设计，整个天线阵面只需要单元天线以及基板组成，喇叭天线作为馈源，能有效的减小传输过程的损耗，保证稳定的功率输出；(2)系统采用单个T/R组件实现其发射接收功能，不需要多个昂贵的T/R组件或复杂的馈电部分，结构相对更简单，能够有效地降低成本；(3)相比一般抛物面天线和平面反射阵天线而言，有更高的增益，波瓣宽度更窄，具有更强的方向性；(4)由于天线阵面是平面结构，利用副反射面进行一次反射，能有效地降低纵向尺寸，相比于一般的抛物面天线和平面反射阵天线具有更低的剖面，占用空间更小；(5)天线阵采用多层复合的FR-4制成，价格低廉，易于加工，高度集成化实现低剖面。
附图说明
图1是本发明天线系统结构图；
图2是本发明平面反射阵阵面示意图；
图3是本发明平面反射阵天线单元；
图4是本发明馈源示意图；
图5是本发明T/R组件原理图；
图6是本发明电机系统与副反射面连接示意图；
图7是本发明副反射面最大旋转角的计算示意图；
图8、9是本发明天线扫描原理示意图；
图10、11、12分别是天线扫描的正视图、俯视图和立体图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步地阐述。
实施例1
在一示例性实施例中，如图1所示，一种副反射面旋转的低剖面可扫描平面反射阵天线系统包括：包括平面反射阵天线模块(12)、副反射面(9)、馈源(8)和电机系统，所述平面反射阵天线模块(12)与所述电机系统连接，所述电机系统与所述副反射面(9)连接，所述馈源(8)安装在所述平面反射阵天线模块(12)的正中心，所述副反射面(9)位于所述馈源(8)正上方。
平面反射阵天线模块(12)的控制层(6)控制馈源(8)发出电磁波给副反射面(9)，同时控制层(6)控制电机系统工作，电机系统带动副反射面(9)旋转，副反射面(9)又将电磁波反射回平面反射阵天线，最终实现一定角度范围内的波束扫描。
进一步地，所述平面反射阵天线模块(12)包括从上到下依次连接的天线层(5)、控制层(6)和电源层(7)，其中，所述控制层(6)与分别与所述馈源(8)和所述电机系统连接；所述电源层(7)通过外接导线与所述控制层(6)连接。
进一步地，所述天线层(5)包括平面反射阵面，如图2所示，所述平面反射阵面包括N×N个反射单元，其中，所述反射单元口径大小具体为10mm×10mm。
进一步地，如图5所示，所述控制层(6)包括控制电路和T/R组件，所述控制电路与所述T/R组件连接，所述T/R组件与所述馈源(8)连接，所述控制电路与所述电机系统连接，所述T/R组件包括功率放大器、低噪声放大器和接收发射切换开关，所述功率放大器、低噪声放大器的两端分别连接一个所述接收发射切换开关，所述T/R组件的两端分别通过一个所述接收发射切换开关连接所述馈源(8)和信道。
进一步地，信道给T/R组件发送射频信号，依次经过接收发射切换开关、功率放大器和接收发射切换开关输出给馈源，馈源反馈回来的信号依次经过接收发射切换开关、低噪声放大器和接收发射切换开关输出到信道。
进一步地，如图3所示，所述反射单元包括基板、辐射贴片和金属地，所述辐射贴片环形开口，所述辐射贴片贴在所述基板上且环形开口，所述金属地贴在所述基板下。所述馈源到所述副反射面之间的距离为f，所述馈源具体为喇叭天线。
进一步地，如图4所示，所述馈源(8)到所述副反射面(9)之间的距离为f，所述f具体为32mm，所述馈源(8)具体为喇叭天线。
进一步地，如图7所示，所述副反射面(9)在一定角度±α范围内旋转，所述副反射面(9)在xy面的等效口径大小为d3＝d*cosα，所述馈源照射到副反射面(9)的口径大小约为所述d3>d2。
进一步地，按照需求选择合适的反射面口径大小(32×32个单元，面积为320mm×320mm)以及所需频率(15GHZ)，同时还需要确定副反射面(9)口径大小d(40mm×40mm)，副反射面的焦径比为1；确定副反射面(9)与馈源(8)的距离f＝32mm，其中馈源(8)到副反射面(9)的距离与副反射面(9)口径大小比值取0.8；还需确定副反射面(9)旋转的最大角度，因为馈源(8)为喇叭天线，安装在反射面正中心，垂直xy平面射向z轴方向，其中馈源的-10dB波束带宽约为θ＝56°，馈源(8)照射到副反射面(9)的口径大小约为设副反射面(9)旋转角度为α，在xy面的等效口径大小为d3＝d*cosα，为了避免发生漏波现象，需要d3>d2，所以这里副反射面(9)的最大旋转角度α取为20°，避免旋转角度过大导致喇叭天线发出的电磁波绕射严重，使得增益降低。
进一步地，单个电机只能实现一个面的360°旋转，这里需要实现三维扫描，则需要两个电机，如图5所示，所述电机系统包括电机A(11)和电机B(10)，其中，所述电机A(11)通过转轴与所述电机B(10)连接，所述电机B(10)通过转轴与所述副反射面(9)连接。
进一步地，电机A(11)旋转360°，带动电机B(10)及副反射面(9)旋转360°，同时电机B(10)以副反射面(9)垂直于平面反射阵为初始状态，旋转角度为±α，就能够实现离轴角±20°，旋转角360°的波束扫描。
进一步地，改变单元数量以及单元辐射贴片的尺寸，可以实现不同增益以及频率的需求，但是需要保持馈源(8)到副反射面(9)的距离与副反射面(9)口径大小比值应取小于0.8，这样可以尽可能的减少入射波绕射造成的损耗；可以根据需求改变组合阵的形状，但阵列形状需要保持关于中心对称。
实施例2
基于上述一种副反射面旋转的低剖面可扫描平面反射阵天线系统的扫描方法，包括以下步骤：
S1.所述控制层(6)的T/R组件为所述馈源(8)提供发射和接收通道，所述馈源(8)对准副反射面(9)发射电磁波；
S2.所述控制层(6)的控制电路控制所述电机系统，所述电机A(11)旋转360°，带动所述电机B(10)及所述副反射面(9)旋转360°。
S3.所述电机B(10)旋转角度±α，以所述副反射面(9)垂直于平面反射阵面为初始状态，旋转角度为±α，所述副反射面(9)将从馈源(8)发出的电磁波反射回平面反射阵面，够实现离轴角±α，旋转角360°的波束扫描。
进一步地，所述从副反射面(9)反射回所述平面反射阵面的电磁波到达每个单元的距离不同，相位不同，需要计算各个单元的相位补偿。通过公式计算出单元天线需要补偿的空间相位差，通过将单元天线旋转不同角度从而实现不同空间相位差的补偿。
进一步地，如图8、9所示，图中标号1为馈源发出的入射波，标号2为副反射面的初始状态，标号3、4为反射波，这里设置最大旋转角度为±α(本例取α＝20°)，旋转副反射面能实现波束的扫描功能。
进一步地，如图10、11、12所示，由于馈源发射出的电磁波为球面波，经过副反射面的反射，到达反射阵面也为球面波，因而到达每个阵元的距离不同，导致相位也不同，所以需要计算出各个阵元需要补偿的相位值：φ(m,n)＝-k0xm sinβcosε-k0ym sinβsinε，其中β为反射波与Z轴的夹角，图8中ε表示反射波在xy平面投影与x轴的夹角，m和n分为单元所在的行和列，k0是波在自由空间的传播常数，xm,ym分别表示副反射面到天线单元的距离。补偿后的反射面在空间相位分布相当于图10正视图中的等效反射面。
进一步地，通过公式计算出单元天线需要补偿的空间相位差，可以将单元天线旋转不同角度从而实现不同空间相位差的补偿。
预设电机A(11)旋转的步进间距为0.1°，最大旋转角度为360°；预设电机B(10)旋转的步进间距为0.1°，最大旋转角度为±α。对于完整的天线系统，只需开启馈源(8)，通过电路控制两个电机的旋转，实现离轴角±α、旋转角360°的波束扫描。以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种副反射面旋转的低剖面可扫描平面反射阵天线系统，其特征在于：包括平面反射阵天线模块(12)、副反射面(9)、馈源(8)和电机系统，所述平面反射阵天线模块(12)与所述电机系统连接，所述电机系统与所述副反射面(9)连接，所述馈源(8)安装在所述平面反射阵天线模块(12)的正中心，所述副反射面(9)位于所述馈源(8)正上方；其中，所述平面反射阵天线模块(12)包括从上到下依次连接的天线层(5)、控制层(6)和电源层(7)，所述天线层(5)包括平面反射阵面，所述平面反射阵面包括N×N个反射单元；所述控制层(6)包括控制电路和T/R组件，所述控制电路与所述T/R组件连接，所述T/R组件与所述馈源(8)连接，所述控制电路与所述电机系统连接；
所述馈源(8)到所述副反射面(9)之间的距离为f，所述馈源(8)具体为喇叭天线，所述副反射面(9)的口径大小d具体为40mm×40mm，馈源（8）到副反射面（9）的距离与副反射面（9）口径大小比值不大于0.8，减少入射波绕射造成的损耗；
所述副反射面(9)在一定角度±α范围内旋转，所述副反射面(9)在xy面的等效口径大小为，所述馈源（8）照射到副反射面(9)的口径大小为/>，所述/>表示馈源波速的有效辐射角度，所述/>；α最大取值为20°；
所述电机系统包括电机A（11）和电机B（10），其中，所述电机A（11）通过转轴与所述电机B（10）连接，所述电机B（10）通过转轴与所述副反射面（9）连接。
2.根据权利要求1所述的一种副反射面旋转的低剖面可扫描平面反射阵天线系统，其特征在于：所述电源层(7)通过外接导线与所述控制层(6)连接；所述T/R组件包括功率放大器、低噪声放大器和接收发射切换开关，所述功率放大器、低噪声放大器的两端分别连接一个所述接收发射切换开关，所述T/R组件的两端分别通过一个所述接收发射切换开关连接所述馈源(8)和信道。
3.根据权利要求2所述的一种副反射面旋转的低剖面可扫描平面反射阵天线系统，其特征在于：所述反射单元包括基板、辐射贴片和金属地，所述辐射贴片贴在所述基板上且为环形开口，所述金属地贴在所述基板下；所述反射单元口径大小具体为10mm×10mm。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种副反射面旋转的低剖面可扫描平面反射阵天线系统的扫描方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1. 所述控制层（6）的T/R组件为所述馈源（8）提供发射和接收通道，所述馈源（8）对准副反射面（9）发射电磁波；
S2. 所述控制层（6）的控制电路控制所述电机系统，所述电机A（11）旋转360°，能够带动所述电机B（10）及所述副反射面（9）旋转360°；
S3.以所述副反射面（9）垂直于平面反射阵面为初始状态，所述电机B（10）旋转角度±α，所述副反射面（9）将从馈源（8）发出的电磁波反射回平面反射阵面，能够实现离轴角±α，旋转角360°的波束扫描。
5.根据权利要求4所述的一种副反射面旋转的低剖面可扫描平面反射阵天线系统的扫描方法，其特征在于：从副反射面（9）反射回所述平面反射阵面的电磁波到达每个反射单元的距离不同，相位不同，需要计算各个反射单元的相位补偿。
6.根据权利要求4所述的一种副反射面旋转的低剖面可扫描平面反射阵天线系统的扫描方法，其特征在于：所述电机A（11）旋转的步进间距为0.1°，最大旋转角度为360°；预设电机B（10）旋转的步进间距为0.1°。
7.根据权利要求6所述的一种副反射面旋转的低剖面可扫描平面反射阵天线系统，其特征在于：通过将反射单元旋转不同角度从而实现不同反射单元相位补偿。
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