CN111987480B - 一种反射阵天线及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于宽频液晶反射阵天线领域，具体涉及一种反射阵天线及其设计方法，所述反射阵天线包括馈源和反射阵面，馈源和反射阵面的组成形式为正馈或偏馈；所述反射阵面包括可控介电常数层及其上贴合的m行*n列的反射阵单元；所有反射阵单元采用相同的控制电压。本发明从材料的介电常数调节着手，可以展宽已有的反射阵天线的带宽，解决了现有反射阵天线频带展宽问题。

Description

一种反射阵天线及其设计方法
技术领域
本发明属于宽频液晶反射阵天线技术领域，具体是一种可展宽反射阵带宽的反射阵天线及其设计方法。
背景技术
反射阵天线一般由馈源和反射阵组成。馈源可采用任意天线形式，馈源辐射的电磁波照射在反射阵上，经过反射阵反射后在阵列口面上形成不同的幅度和相位分布。反射阵的设计可以类比抛物面天线，即馈源的摆放位置应位于反射阵的“焦点”或“焦线”上。
抛物面天线虽然可以形成高增益的波束，但是体积太大，不利于小型化。反射阵天线相比于抛物面天线可以降低剖面，还可以利用折叠、可展开等技术，便于天线的小型化设计。
为了实现反射阵天线的波束赋形，现有研究已将反射阵的介质材料替换为介电常数可调的材料，最广泛的研究对象即为液晶材料。但这些研究都是对反射阵的一个单元或一组单元介电常数进行调节，使不同的调节单元具有不同的介电常数。由于反射阵天线单元数量成百上千，因而这种调节形式结构复杂。
现有反射阵单元的结构如图1和图2所示，其中图1为反射阵结构的俯视图，图1中，多个矩形为刻蚀在微带板材或隔离层(一般为石英)上的金属，圆形为可控介电常数层。图2示出了可控介电常数层的结构，其中，可控介电常数层分为三部分，上下两部分为导电材质用于形成不同的电压值，中间部分为液晶层，其在不同的电压下，对应不同的介电常数。
可控介电常数层可以不止一层，如图3所示，为两层可控介电常数层。当采用多个可控介电常数层时，两个相邻的可控介电常数层之间可以由绝缘材质隔开，也可以由经过刻蚀的微带电路板隔开。可控介电常数层下面为刻蚀在微带板材或隔离层(一般为石英)上的金属地板层。
现有反射阵天线采用微带介质板结构，因而频带较窄。现有研究对于展宽频带从单元带宽、单元空间相位延迟不同以及单元间距等方面着手，未有其他方面的研究报道。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种可展宽反射阵带宽的反射阵天线及其设计方法，本发明从材料的介电常数调节着手，可以展宽已有的反射阵天线的带宽，解决了现有反射阵天线频带展宽问题。
为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种反射阵天线，包括馈源和反射阵面，馈源和反射阵面的组成形式为正馈或偏馈；所述反射阵面包括可控介电常数层及其上贴合的m行*n列的反射阵单元；所有反射阵单元连接同一个电压控制器，使反射阵单元采用相同的控制电压。
优选地，所述可控介电常数层的层数为1层，本领域技术人员根据需要可以选择可控介电常数层的层数，具体层数可以为2层或3层等。
可控介电常数层所采用的制作材料可以是领域内的常用液晶材料，具体可以为K15，TUD-862，TUD-566，GT-23001，TUD-899等。
优选地，所述可控介电常数层的介电常数可调范围εv-εh为2.32到3.11。这个介电常数可调范围是由上述具体材料决定的，本发明优选采用TUD-566。
优选地，反射阵单元采用四臂阿基米德螺旋单元结构，21行*19列反射阵单元的排列方式，扇形波束反射阵天线。根据需要，本领域技术人员还可以选择其他类型的单元结构以及排布方式。
本发明中，按照介电常数的中间值设计中心频点的反射阵天线，不同位置的反射阵单元采用不同的螺旋圈数从而使反射阵表面的相位分布一致，圈数取值为0.6到0.9。
本发明还提供了上述反射阵天线的设计方法，所述设计方法包括如下步骤：
1)在可控介电常数层的液晶材料的阈值电压Vth和饱和电压Vsat之间线性选取数量≥5个的不同电压值，测试不同电压情况下可控介电常数层的介电常数，绘制介电常数曲线；
2)依据步骤1)所得介电常数曲线采用HFSS建模，建立反射阵单元的等效模型；
3)依据反射阵单元的等效模型，按照介电常数的中间值(εv+εh)/2设计中心频点处的反射阵，反射阵中，不同位置的反射阵单元采用不同的螺旋圈数从而使不同位置反射阵单元的反射相位一致，所有反射阵单元的控制电压相同，其中，εv为垂直介电常数，εh为平行介电常数。
本发明的设计方法均采用领域内的设计软件(比如HFSS)进行设计。
本发明设计的反射阵，在低频端，增大电压，使介电常数增大；在高频端减小电压，使介电常数减小，从而展宽反射阵的带宽。
例如，低频端29GHz，电压值为V1；中心频率为37GHz，电压值为V 2；高频端43GHz，电压V 3；其中V1＞V2＞V 3。根据本发明的优选，反射阵采用21行*19列的反射阵单元，所有反射阵单元的控制电压可以V1、V2、V 3中的任一个电压，但必须所有反射阵单元的控制电压相同。
具体地，一种上述反射阵天线的设计方法，所述设计方法包括如下步骤：
1)在可控介电常数层的液晶材料的阈值电压Vth和饱和电压Vsat之间线性选取5个不同电压，测试不同电压情况下可控介电常数层的介电常数曲线；
当外加电压小于液晶材料的阈值电压Vth时，液晶材料的介电常数不变，记为垂直介电常数εv；当外加电压大于饱和电压Vsat时，液晶介电常数不变，记为平行介电常数εh；εh>εv，不同电压是指在Vth和Vsat之间的电压值，这时介电常数介于垂直介电常数与水平介电常数之间。
2)依据步骤1)所得介电常数曲线，建立反射阵单元的等效模型，得到不同介电常数时的反射阵单元的仿真结果；
3)依据反射阵单元的仿真结果，按照介电常数的中间值(εv+εh)/2设计中心频点的反射阵，反射阵中，所有反射阵单元的控制电压相同，其中，εv为垂直介电常数，εh为平行介电常数；
反射阵的设计时需要带入频率和介电常数，本发明在实施例中带入的频率就是工作频带中的中心频率，带入的介电常数就是(εv+εh)/2。
4)步骤3)设计的反射阵，在低频端，增大电压，使介电常数增大；在高频端减小电压，使介电常数减小，从而展宽反射阵的带宽。
对于反射阵单元，不同的螺旋圈数，反射相位不一致。
当不考虑阵元的相位补偿时，反射阵中不同位置的阵元对应的相位是跟排布位置相关的，而本发明需求是反射阵表面相位一致(或反射阵表面相位分布符合一定的分布规律)，为了达到本发明的需求需要对每个阵元进行相位补偿，每个阵元补偿的相位是不一致的。通过改变阵元的尺寸，旋转角度都能得到不同的相位，但在本发明中是通过不同的圈数来获得不同的反射相位。
本发明通过测试不同电压情况下，液晶的介电常数曲线，根据得到的介电常数曲线，建立反射阵元的等效模型，得到不同介电常数时的反射阵元在中心频点处的仿真结果；根据仿真计算结果，按照介电常数中间值设计反射阵；根据所设计的反射阵，在低频端，增大电压，使介电常数增大；在高频端减小电压，使介电常数减小，从而展宽反射阵的带宽。
本发明中的反射阵天线包括馈源和反射阵面两部分。类比抛物面天线，馈源与抛物面天线馈源一样，可以是任意形式的天线。与反射阵面的组成形式可以是正馈或偏馈。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明提供了一种反射阵天线，该天线可展宽反射阵带宽，相比于原有阵元的带宽，在采用本发明的后，可使带宽增加50％以上。
附图说明
图1为现有技术中反射阵结构的俯视图；
图2为现有技术中可控介电常数层的结构示意图；
图3为现有技术中两层可控介电常数层的结构示意图；
图4为本发明实施例1的反射阵面模型图；
图5为本发明实施例1中的反射单元等效模型图；
图6为本发明实施例1中反射相位随圈数分布图；
图7为本发明实施例1中反射幅度随圈数分布图。
具体实施方式
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或者类似特征中的一个例子而已。所述仅仅是为了帮助理解本发明，不应该视为对本发明的具体限制。
下面以附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
一种反射阵天线，包括馈源和反射阵面，馈源和反射阵面的组成形式为正馈或偏馈；其特征在于，所述反射阵面包括可控介电常数层及其上贴合的m行*n列的反射阵单元；所有反射阵单元连接同一个电压控制器，采用相同的控制电压。
所述可控介电常数层的层数为1层，本领域技术人员根据需要可以选择可控介电常数层的层数，具体层可以为2层或3层等。
可控介电常数层所采用的制作材料可以领域内的常用液晶材料，具体可以为TUD-566。
所述可控介电常数层的介电常数可调范围εv-εh为2.32到3.11。
反射阵单元采用四臂阿基米德螺旋单元结构，21行*19列反射阵单元的排列方式，扇形波束反射阵天线。根据需要，本领域技术人员还可以选择其他类型的单元结构以及排布方式。
本发明中，按照介电常数的中间值设置反射阵，不同位置的反射阵单元采用不同的螺旋圈数从而使反射阵表面的相位分布一致，圈数取值为0.6到0.9。
上述反射阵天线采用以下的设计方法，所述设计方法包括如下步骤：
可控介电常数层选用液晶材料TUD-566，测试频率为37GHz；
1)在可控介电常数层的液晶材料的阈值电压Vth和饱和电压Vsat之间线性选取5个不同电压，测试不同电压下可控介电常数层的介电常数随电压变化曲线；
当外加电压小于液晶材料的阈值电压Vth时，液晶材料的介电常数不变，记为垂直介电常数εv；当外加电压大于饱和电压Vsat时，液晶介电常数不变，记为平行介电常数εh；εh>εv，不同电压是指在Vth和Vsat之间的电压值，这时介电常数介于垂直介电常数与水平介电常数之间。
2)依据步骤1)所得介电常数曲线，采用HFSS建立反射阵单元的等效模型，如图5所示，得到不同介电常数时的反射阵单元的仿真结果；
3)依据反射阵单元的仿真结果，设置介电常数为εm＝(εv+εh)/2，工作频率为中心频点设计反射阵，如图4所示，反射阵中，所有反射阵单元的控制电压相同；
4)步骤3)设计的反射阵，在42GHz到46GHz建，设计介电常数为εv到εm间线性改变，对应步骤1)中的介电常数测试曲线，改变加载电压值，在29GHz到33GHz到设计介电常数为εm到εh间线性改变，对应步骤1)中的测试曲线，改变加载电压值，在33GHz到42GHz间设计介电常数为εm，即加载电压不变。
上述方法中，采用四臂阿基米德螺旋单元结构，为了简化仅采用一层可控介电常数层，介电常数可调范围为εv＝2.32到εh＝3.11，中心频率37GHz。反射阵面为21行*19列的单元，设计扇形波束反射阵天线。
本发明的整个反射阵不需要针对不同的单元控制不同的电压，整个反射阵的控制电压一致，简化了控制电路。
本发明按照中心频率37GHz设计反射阵单元，不同位置的反射阵单元设计为不同的螺旋圈数，圈数取值为0.6到0.9。利用不同圈数的反射相位不同最后得到口面上相同的相位值，完成波束指向法线的设计。如果需要设计指向非法线的反射阵，则需要调整圈数得到特定的口面相位分布。同时需要不同圈数的反射幅度尽量一致，反射损耗尽量低。这种设计的关键是要用不同圈数的相位差值(不是相位绝对值)来调整口面相位分布。
根据阵元排布位置得到该位置处的反射相位
Figure BDA00026357437700000611
实施例1中设计的相位分布为每个阵元的相位分布相等，可以都是/>
Figure BDA00026357437700000610
也可以都是/>
Figure BDA0002635743770000069
等等。根据此相位分布，计算出每个需要补偿的相位值/>
Figure BDA0002635743770000066
但是这个/>
Figure BDA0002635743770000067
不是唯一的。如果按照/>
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计算，每个单元补偿/>
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如果按照/>
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但是不论是/>
Figure BDA0002635743770000065
还是/>
Figure BDA0002635743770000062
都可以得到一样的反射阵方向图。
在实际应用中，刻蚀后的阵元是没有办法移动的，因而每个阵元的
Figure BDA00026357437700000612
是不变的。按照中心频点设计/>
Figure BDA00026357437700000615
这时每个阵元在中心频率的反射相位是/>
Figure BDA00026357437700000613
频率变化较小时，同样圈数同样介电常数的相位分布变为了/>
Figure BDA00026357437700000614
这时每个阵元在中心频率的反射相位是/>
Figure BDA00026357437700000616
不会影响反射阵的方向图。当频率变化很大时，同样圈数同样介电常数的相位分布由一致变为不相等了，反射阵方向图变差，不能继续使用。
由于反射阵单元的圈数经过刻蚀后是不能改变的，而随着工作频率偏离设计的中心频率，边频的相位差值不能保持和中心频率的相位差值一致，造成天线方向图的恶化，因而限制了反射阵的工作带宽。实施例的仿真结果图6中的曲线反应了不同圈数对应的反射相位。当斜率一致时，即不同圈数的反射相位差一致，即可形成与中心频率一致的方向图。由图中可见介电常数不可调时，频率45GHz时的反射相位的斜率与中心频率37GHz已经不一致了，而采用本发明的设计，调整介电常数后，45GHz的反射相位斜率与37GHz的斜率仍然保持一致，因而有效的展宽了带宽。
37GHz是中心频点，仿真图说明45GHz时，原有不可调介电常数的设计已经不能应用了，实际仅到43GHz。调整介电常数后，45GHz还是可用的。所以高频部分由43GHz扩展到45GHz。低频部分同理。
此实施例中调整介电常数前，带宽为28％，调整介电常数后，带宽为43％。
同时由图7可见反射幅度基本没有变化，从而保证了方向图的增益在带宽内基本无衰减。
本发明的工艺参数(如温度、时间等)区间上下限取值以及区间值都能实现本法，在此不一一列举实施例。
本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种反射阵天线，包括馈源和反射阵面，馈源和反射阵面的组成形式为正馈或偏馈；其特征在于，所述反射阵面包括可控介电常数层及其上贴合的m行*n列的反射阵单元；所有反射阵单元连接同一个电压控制器；使反射阵单元采用相同的控制电压；所述反射阵天线，在低频端，增大电压，使介电常数增大；在高频端减小电压，使介电常数减小，从而展宽反射阵的带宽。
2.根据权利要求1所述的反射阵天线，其特征在于，所述可控介电常数层的层数为1层。
3.根据权利要求1所述的反射阵天线，其特征在于，所述可控介电常数层的介电常数可调范围εv-εh为2.32到3.11。
4.根据权利要求1所述的反射阵天线，其特征在于，反射阵单元采用四臂阿基米德螺旋单元结构，21行*19列反射阵单元的排列方式，扇形波束反射阵天线。
5.根据权利要求1所述的反射阵天线，其特征在于，按照介电常数的中间值设置反射阵，不同位置的反射阵单元采用不同的螺旋圈数从而使反射阵表面的相位分布一致，使反射阵天线形成扇形波束，圈数取值为0.6到0.9。
6.一种权利要求1-5任一项所述反射阵天线的设计方法，所述设计方法包括如下步骤：
1)在可控介电常数层的液晶材料的阈值电压Vth和饱和电压Vsat之间线性选取数量≥5个的不同电压值，测试不同电压情况下可控介电常数层的介电常数，绘制介电常数曲线；
2)依据步骤1)所得介电常数曲线采用HFSS建模，建立反射阵单元的等效模型；
3)依据反射阵单元的等效模型，按照介电常数的中间值(εv+εh)/2设计中心频点的反射阵，不同位置的反射阵单元采用不同的螺旋圈数从而使反射阵表面的相位分布一致，反射阵中，所有反射阵单元的控制电压相同，其中，εv为垂直介电常数，εh为平行介电常数。
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