CN111987481A - 一种反射阵列天线及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于反射阵列天线技术领域，具体地说，涉及一种反射阵列天线，其特征在于，所述反射阵列天线包括：馈源(3)和反射阵列；所述反射阵列包括多个呈等间隔周期排列的阵元；每个阵元的高度可调节，使各个阵元的高度呈不规则地增加或减小，且各个阵元的上端面处于不同平面上。

Description

一种反射阵列天线及其设计方法

技术领域

本发明属于反射阵天线技术领域，具体地说，涉及一种反射阵列天线及其设计方法。

背景技术

反射阵列天线一般包括：馈源和反射阵列。其中，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列上，经过反射阵列反射后，在反射阵列的口面上，形成不同的幅度和相位分布。反射阵列天线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。

反射阵与抛物面天线均包括馈源和阵面。可以理解为反射阵的阵面替代了抛物面，反射阵的馈源与抛物面天线的馈源一样位于抛物面的焦点或焦线上。

虽然，抛物面天线可以形成高增益的波束，但是，抛物面天线的体积太大，不利于小型化。反射阵列天线相比于抛物面天线，可以降低天线的剖面，还可以利用折叠、可展开的方式，便于天线的小型化设计。

现有的反射阵列天线中的反射阵列主要通过调节阵元自身的尺寸，或调节介质材料层的介电常数来实现波束的赋形，波束扫描、波束重构以及多波束；传统的反射阵天线的口面相位分布不易改变，口面相位改变代价很大。

发明内容

为解决现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种反射阵列天线，通过调节阵元高度与位置，简易实现了口面相位的改变，从而更便于实现波束赋性、扫描及多波束的性能。

所述反射阵列天线包括：馈源和反射阵列；所述反射阵列包括多个呈等间隔周期排列的阵元；每个阵元的高度可调节，使各个阵元的高度呈不规则地增加或减小，且各个阵元的上端面处于不同平面上。

作为上述技术方案的改进之一，所述阵元为柱状结构或立方体结构，其表面为矩形、方形或圆形的辐射结构，所述阵元包括：薄片结构和阵元位置控制层；薄片结构位于阵元位置控制层之上，且贴合在阵元位置控制层的顶部表面；

其中，阵元位置控制层为柱状结构或立方体结构的高度可控材料层，采用电压控制、磁控制或温度控制方式，控制每个阵元中的薄片结构在三维坐标系XYZ中的Z方向的坐标，从而改变每个阵元的高度。

作为上述技术方案的改进之一，所述薄片结构上刻蚀不同形状的薄片；薄片结构(1)为薄金属片或微带贴片。

作为上述技术方案的改进之一，所述馈源和反射阵列的组成形式为正馈或偏馈。

作为上述技术方案的改进之一，所述阵元位置控制层内设置微电机，每个阵元上的薄片结构布设在该微电机上，利用可编程芯片控制每个微电机，从而控制每个阵元的上升高度和下降高度，每个阵元的高度调节范围为-λ～λ；其中，λ为电磁波的波长。

本发明还提供了一种反射阵天线的设计方法，所述设计方法包括：

步骤1)根据焦距、天线口面尺寸和阵列单元数量N，设置反射阵列的平面排布方式为等间距周期排列，并根据设置的平面排布方试，建立三维坐标系XYZ，获得第i个阵元的中心坐标(x_i，y_i，z_i)；其中，i＝1,2，…，N；x_i为每个阵元在x轴方向上的位移；y_i为每个阵元在y轴方向上的位移；z_i为每个阵元的高度；

步骤2)根据第i个阵元的中心坐标(x_i，y_i，z_i)；计算反射阵表面的相位分布：

φ(x_i，y_i，z_i)＝-k₀sinθ₀cosφ₀x_i-k₀sinθ₀sinφ₀y_i-k₀cosθ₀z_i (1)

其中，φ(x_i，y_i，z_i)为反射阵表面相位分布；sinθ₀为波束指向在θ₀的正弦值；cosθ₀为波束指向在θ₀的余弦值；sinφ₀为波束指向在φ₀的正弦值；cosφ₀为波束指向在φ₀的余弦值；k₀为真空中的传播常数；波束指向为(θ₀，φ₀)；(x_i，y_i，z_i)为第i个阵元的中心坐标；

步骤3)计算第i个阵元的入射场的相位M：

M＝-k₀d_i (2)

其中，

其中，(x_f，y_f，z_f)为馈源的相位中心坐标；

步骤4)计算第i个阵元所需要引入的相移：

其中，

为第i个阵元所需要引入的相移；其中，

为初始相位；

步骤5)采用HFSS仿真软件，计算第i个阵元的反射相位phi，将计算得到的phi与步骤4)计算得到的

作差，根据该差值，计算第i个新的阵元的中心坐标；

步骤6)将第i个新阵元的中心坐标重复步骤2)-5)，进行多次迭代，直至该差值小于Δ；其中，Δ为一个已知常量；判断是否调整第i个阵元在Z方向上的坐标，获得第i个新的阵元的中心坐标；

步骤7)重复步骤2)-6)，得到N个阵元，并按照步骤1)设置的平面排布方式组成反射阵列，并与馈源按照正馈或反馈的方式组合，形成反射阵列天线。

作为上述技术方案的改进之一，所述步骤6)Z中，判断是否调整第i个阵元在Z方向上的坐标，获得第i个新的阵元的中心坐标；具体为：

如果该差值大于预先设定的阈值，则需要分别增加或减小第i个阵元在Z方向上的坐标，获得第i个新的阵元的中心坐标；

如果该差值小于或等于预先设定的阈值，则不需要调整第i个阵元在Z方向上的坐标。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明的反射阵列天线通过控制每个阵元在X、Y、Z方向上的坐标，改变了每个阵元的相移，从而形成不同的相位差，更易于实现反射阵天线波束的赋形，波束扫描、波束重构以及多波束。同时对比相控阵天线需要每个阵元设计收发组件，本发明仅需要调整每个阵元的高度，就可实现波束扫描，降低了天线的加工制成本。

附图说明

图1是本发明的一种反射阵列天线的结构示意图；

图2是本发明的一种反射阵列天线的一个实施例的侧视图；

图3是本发明的一种反射阵列天线的一个实施例的结构示意图。

附图标记：

1、薄片结构 2、阵元位置控制层

3、馈源

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1和2所示，本发明提供了一种反射阵列天线，通过调整阵元的位置，使各个阵元处于不同的物理平面上，来实现相位调节，从而实现波束赋形、波束扫描、波束重构及多波束。对于传统反射阵天线，当工作频率偏离预先设定的中心频率时，各个阵元之间的相位差在不同的频率上会不同，从而限制传统反射阵天线的带宽，通过本发明设计的反射阵列天线，可以改变阵元间的相差，使不同阵元在不同工作频率上的相位差一致，从而展宽的反射阵列的工作频带，还可以应用于相控阵天线的设计。

实施例1.

如图1所示，本发明提供了一种反射阵列天线，所述反射阵列天线包括：馈源3和反射阵列；其中，馈源3和反射阵列采用正馈组成形式，即馈源3位于反射阵列的上方，所述反射阵列包括多个呈等间隔周期排列的阵元；每个阵元的高度可调节，使各个阵元的高度呈不规则地增加或减小，且各个阵元的上端面处于不同平面上。

其中，所述阵元为柱状结构，其表面为圆形的辐射结构，所述阵元包括：薄片结构1和阵元位置控制层2；薄片结构1位于阵元位置控制层2之上，且贴合在阵元位置控制层2的顶部表面；

其中，阵元位置控制层2为柱状结构或立方体结构的高度可控材料层，采用电压控制、磁控制或温度控制方式，控制每个阵元中的薄片结构在三维坐标系XYZ中的Z方向上的坐标，从而控制每个阵元的上升高度和下降高度，每个阵元的高度调节范围为-λ-λ；其中，λ为电磁波的波长；定义上升高度为正，下降高度为负；对每个阵元进行移相，形成不同的相位差，达到整个反射阵列天线实现波束赋形、波束扫描、波束重构和多波束。

在其他具体实施例中，对每个阵元中的薄片结构，除了控制Z方向上的坐标外，还需要控制X和Y方向上的坐标，从而改变阵元的整个尺寸，进而获得非等间隔周期排列的反射阵列。

其中，所述薄片结构1上刻蚀不同形状的、具有移相功能的薄片；薄片结构1为薄金属片或微带贴片。在本实施例中，所述薄片结构1为刻蚀四臂螺旋结构的微带贴片。

其中，所述馈源3和反射阵列的组成模式为正馈或偏馈。

其中，所述阵元位置控制层2内设置微电机，每个阵元上的薄片结构布设在该微电机上，通过微电机控制每个阵元的上升高度和下降高度，每个阵元的高度调节范围为-λ-λ；其中，λ为电磁波的波长；从而控制每个阵元中的薄片结构Z方向上的坐标，对每个阵元进行移相，形成不同的相位差，达到整个反射阵列天线实现波束赋形、波束扫描、波束重构和多波束。其中，控制每个阵元的上升高度和下降高度，就是控制薄片结构的上升高度和下降高度，从而使各个薄片结构处于不同平面。

本发明还提供了一种反射阵天线的设计方法，所述设计方法包括如下步骤：

步骤1)根据焦距值、天线口面尺寸和阵列单元数量N，设置反射阵列的平面排布方式为等间隔周期排列，并根据设置的平面排布方试，建立三维坐标系XYZ，获得第i个阵元的中心坐标(x_i，y_i，z_i)；其中，i＝1,2，…，N；x_i为每个阵元在x轴方向上的位移；y_i为每个阵元在y轴方向上的位移；z_i为每个阵元的高度；

步骤2)根据第i个阵元的中心坐标(x_i，y_i，z_i)；计算反射阵表面的相位分布：

φ(x_i，y_i，z_i)＝-k₀sinθ₀cosφ₀x_i-k₀sinθ₀sinφ₀y_i-k₀cosθ₀z_i (1)

其中，φ(x_i，y_i，z_i)为反射阵表面相位分布；sinθ₀为波束指向在θ₀的正弦值；cosθ₀为波束指向在θ₀的余弦值；sinφ₀为波束指向在φ₀的正弦值；cosφ₀为波束指向在φ₀的余弦值；k₀为真空中的传播常数；波束指向为(θ₀，φ₀)；(x_i，y_i，z_i)为第i个阵元的中心坐标；

步骤3)计算第i个阵元的入射场的相位M：

M＝-k₀d_i (2)

其中，

其中，(x_f，y_f，z_f)为馈源的相位中心坐标；

步骤4)计算第i个阵元所需要引入的相移：

其中，

为第i个阵元所需要引入的相移；其中，

为初始相位；

步骤5)采用HFSS仿真软件，计算第i个阵元的反射相位phi，将计算得到的phi与步骤4)计算得到的

作差，根据该差值，计算第i个新的阵元的中心坐标；

具体地，所述步骤6)中，判断是否调整第i个阵元在Z方向上的坐标，获得第i个新的阵元的中心坐标；具体为：

如果该差值大于预先设定的阈值，则需要分别增加或减小第i个阵元在Z方向上的坐标，获得第i个新的阵元的中心坐标；

如果该差值小于或等于预先设定的阈值，则不需要调整第i个阵元在Z方向上的坐标。

步骤6)将第i个新阵元的中心坐标重复步骤2)-5)，进行多次迭代，直至该差值小于Δ；其中，Δ为一个已知常量；判断是否调整第i个阵元在Z方向上的坐标，获得第i个新的阵元的中心坐标；

步骤7)重复步骤2)-6)，得到N个阵元，并按照步骤1)设置的平面排布方式组成反射阵列，并与馈源按照正馈或反馈的方式组合，形成反射阵列天线。

实施例2.

如图2和3所示，本发明提供了一种反射阵列天线，所述反射阵列天线包括：馈源3和反射阵列；其中，馈源3和反射阵列采用正馈组成形式，即馈源3位于反射阵列的上方，所述反射阵列包括多个呈等间隔周期排列的阵元；每个阵元的高度可调节，使各个阵元的高度呈不规则地增加或减小，且各个阵元的上端面处于不同平面上。

其中，所述阵元为立方体结构，其表面为矩形的辐射结构，所述阵元包括：薄片结构1和阵元位置控制层2；薄片结构1位于阵元位置控制层2之上，且贴合在阵元位置控制层2的顶部表面；

其中，阵元位置控制层2为立方体结构，在其内设置超声波电机，采用电压控制方式，控制每个阵元中的薄片结构在三维坐标系XYZ中的Z方向上的坐标，从而控制每个阵元的上升高度和下降高度，每个阵元的高度调节范围为-λ-λ；其中，λ为电磁波的波长；定义上升高度为正，下降高度为负；对每个阵元进行移相，形成不同的相位差，达到整个反射阵列天线实现波束赋形、波束扫描、波束重构和多波束。

在其他具体实施例中，将每个薄片结构1作为一个阵元，多个薄片结构1设置一个阵元位置控制层上，并通过为每个薄片结构1单独设置一个超声波电机，用于控制每个阵元的高度，对每个阵元进行移相，形成不同的相位差，达到整个反射阵列天线实现波束赋形、波束扫描、波束重构和多波束。

其中，所述薄片结构1上刻蚀不同形状的、具有移相功能的薄片；薄片结构为薄金属片。

其中，所述馈源3和反射阵列的组成形式为正馈或偏馈。

本发明还提供了一种反射阵天线的设计方法，所述设计方法包括如下步骤：

步骤1)根据焦距值、天线口面尺寸和阵列单元数量N，设置反射阵列的平面排布方式，并根据设置的平面排布方试，建立三维坐标系XYZ，获得第i个阵元的中心坐标(x_i，y_i，z_i)；其中，i＝1,2，…，N；x_i为每个阵元在x轴方向上的位移；y_i为每个阵元在y轴方向上的位移；z_i为每个阵元的高度；

步骤2)根据第i个阵元的中心坐标(x_i，y_i，z_i)；计算反射阵表面的相位分布：

φ(x_i，y_i，z_i)＝-k₀sinθ₀cosφ₀x_i-k₀sinθ₀sinφ₀y_i-k₀cosθ₀z_i (1)

其中，φ(x_i，y_i，z_i)为反射阵表面相位分布；sinθ₀为波束指向在θ₀的正弦值；cosθ₀为波束指向在θ₀的余弦值；sinφ₀为波束指向在φ₀的正弦值；cosφ₀为波束指向在φ₀的余弦值；k₀为真空中的传播常数；波束指向为(θ₀，φ₀)；(x_i，y_i，z_i)为第i个阵元的中心坐标；

步骤3)计算第i个阵元的入射场的相位M：

M＝-k₀d_i (2)

其中，

其中，(x_f，y_f，z_f)为馈源的相位中心坐标；

步骤4)计算第i个阵元所需要引入的相移：

其中，

为第i个阵元所需要引入的相移；其中，

为初始相位；

步骤5)采用HFSS仿真软件，计算第i个阵元的反射相位phi，将计算得到的phi与步骤4)计算得到的

作差，根据该差值，计算第i个新的阵元的中心坐标；

具体地，所述步骤6)中，判断是否调整第i个阵元在Z方向上的坐标，获得第i个新的阵元的中心坐标；具体为：

如果该差值大于预先设定的阈值，则需要分别增加或减小第i个阵元在Z方向上的坐标，获得第i个新的阵元的中心坐标；

如果该差值小于或等于预先设定的阈值，则不需要调整第i个阵元在Z方向上的坐标。

步骤6)将第i个新阵元的中心坐标重复步骤2)-5)，进行多次迭代，直至该差值小于Δ；其中，Δ为一个已知常量；判断是否调整第i个阵元在Z方向上的坐标，获得第i个新的阵元的中心坐标；

步骤7)重复步骤2)-6)，得到N个阵元，并按照步骤1)设置的平面排布方式组成反射阵列，并与馈源按照正馈或反馈的方式组合，形成反射阵列天线。

在其他具体实施例中，采用本发明的设计方法还可以设计成透射阵天线。

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当理解，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 (7)

1.一种反射阵列天线，所述反射阵列天线包括：馈源(3)和反射阵列；其特征在于，所述反射阵列包括多个呈等间隔周期排列的阵元；每个阵元的高度可调节，使各个阵元的高度呈不规则地增加或减小，且各个阵元的上端面处于不同平面上。

2.根据权利要求1所述的反射阵列天线，其特征在于，所述阵元为柱状结构或立方体结构，其表面为矩形、方形或圆形的辐射结构，所述阵元包括：薄片结构(1)和阵元位置控制层(2)；薄片结构(1)位于阵元位置控制层(2)之上，且贴合在阵元位置控制层(2)的顶部表面；

其中，阵元位置控制层(2)为柱状结构或立方体结构的高度可控材料层，采用电压控制、磁控制或温度控制方式，控制每个阵元中的薄片结构(1)在三维坐标系XYZ中的Z方向的坐标，从而改变每个阵元的高度。

3.根据权利要求2所述的反射阵列天线，其特征在于，所述薄片结构(1)上刻蚀不同形状的薄片；薄片结构(1)为薄金属片或微带贴片。

4.根据权利要求1所述的反射阵列天线，其特征在于，所述馈源(3)和反射阵列的组成形式为正馈或偏馈。

5.根据权利要求1所述的反射阵列天线，其特征在于，所述阵元位置控制层(2)内设置微电机，每个阵元上的薄片结构布设在该微电机上，利用可编程芯片控制每个微电机，从而控制每个阵元的上升高度和下降高度，每个阵元的高度调节范围为-λ～λ；其中，λ为电磁波的波长。

6.一种权利要求1-5任一项所述的反射阵天线的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括：

步骤1)根据焦距、天线口面尺寸和阵列单元数量N，设置反射阵列的平面排布方式为等间隔周期排列，并根据设置的平面排布方试，建立三维坐标系XYZ，获得第i个阵元的中心坐标(x_i，y_i，z_i)；其中，i＝1，2，...，N；x_i为每个阵元在x轴方向上的位移；y_i为每个阵元在y轴方向上的位移；z_i为每个阵元的高度；

步骤2)根据第i个阵元的中心坐标(x_i，y_i，z_i)；计算反射阵表面的相位分布：

φ(x_i，y_i，z_i)＝-k₀sinθ₀cosφ₀x_i-k₀sinθ₀sinφ₀y_i-k₀cosθ₀z_i (1)

其中，φ(x_i，y_i，z_i)为反射阵表面相位分布；sinθ₀为波束指向在θ₀的正弦值；cosθ₀为波束指向在θ₀的余弦值；sinφ₀为波束指向在φ₀的正弦值；cosφ₀为波束指向在φ₀的余弦值；k₀为真空中的传播常数；波束指向为(θ₀，φ₀)；(x_i，y_i，z_i)为第i个阵元的中心坐标；

步骤3)计算第i个阵元的入射场的相位M：

M＝-k₀d_i (2)

其中，

其中，(x_f，y_f，z_f)为馈源的相位中心坐标；

步骤4)计算第i个阵元所需要引入的相移：

其中，φ_i ^R为第i个阵元所需要引入的相移；其中，

为初始相位；

步骤5)采用HFSS仿真软件，计算第i个阵元的反射相位phi，将计算得到的phi与步骤4)计算得到的φ_i ^R作差，根据该差值，计算第i个新的阵元的中心坐标；

步骤6)将第i个新阵元的中心坐标重复步骤2)-5)，进行多次迭代，直至该差值小于Δ；其中，Δ为一个已知常量；判断是否调整第i个阵元在Z方向上的坐标，获得第i个新的阵元的中心坐标；

步骤7)重复步骤2)-6)，得到N个阵元，并按照步骤1)设置的平面排布方式组成反射阵列，并与馈源按照正馈或反馈的方式组合，形成反射阵列天线。

7.根据权利要求6所述的反射阵天线的设计方法，其特征在于，所述步骤6)中，判断是否调整第i个阵元在Z方向上的坐标，获得第i个新的阵元的中心坐标；具体为：

如果该差值大于预先设定的阈值，则需要分别增加或减小第i个阵元在Z方向上的坐标，获得第i个新的阵元的中心坐标；

如果该差值小于或等于预先设定的阈值，则不需要调整第i个阵元在Z方向上的坐标。

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