CN112072308A - 一种单层亚波长反射阵调相单元 - Google Patents

一种单层亚波长反射阵调相单元 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种单层亚波长反射阵调相单元，所述调相单元包括：第一分支部和第二分支部，第一分支部和第二分支部的其中一个为镂空，另一个为实体，其中所述镂空所在表面与所述实体所在表面形成互补结构；所述第一分支部包括：中间部、连接部、第一枝节部和所述第二枝节部；采用该调相单元进行反射阵天线的设计时，调相单元外围尺寸固定，反射阵天线上不同位置处相邻单元之间的耦合作用差异很小，更有利于简单且准确地得到反射阵列中的单元的特性，从而提高反射阵天线的辐射性能。

Description

一种单层亚波长反射阵调相单元
技术领域
本发明涉及天线技术领域，更具体的，涉及一种单层亚波长反射阵调相单元。
背景技术
平面反射阵天线是一种较新的高增益天线形式，它包括馈源和反射阵列两部分，反射阵列是由若干个反射单元组阵而成，馈源通过空馈的方式对阵面进行馈电。这种天线具有质量轻、加工简单、成本低、平面结构、可折叠、易实现波束赋形等优点。但这种天线也存在带宽窄的缺点，通过近些年研究表明，采用亚波长技术是一种提高平面反射阵带宽的有效方法。传统的亚波长反射单元由于其周期很小，限制了单元调相参数的变化范围，因此其反射相位范围难以达到360度，这会在设计微带反射阵天线的时候引入一定的相位误差，从而影响天线的性能。
对于平面反射阵天线，由于馈源与不同位置处单元的距离不同，因此不同位置处单元的调相参数不同。一般来说，反射阵单元是通过改变其某个或者某几个参数，来调节单元的反射相位，对于传统的反射阵单元来说，这会使得其外围尺寸发生变化，进而导致阵列中不同位置处单元之间的耦合作用不同，给单元的反射特性分析带来了困难。
综上可知：现有平面反射阵列天线设计中难以准确考虑不同位置处相邻单元之间的耦合作用，并且反射相位范围难以达到360度，从而影响天线辐射特性和宽带特性。
发明内容
为了解决上述问题中的至少一个，本发明第一方面提供了一种调相单元，包括：第一分支部和第二分支部，第一分支部和第二分支部的其中一个为镂空，另一个为实体，其中所述镂空所在表面与所述实体所在表面形成互补结构；所述第一分支部包括：中间部和连接部，所述连接部包括多个；每个连接部包括与所述中间部的外侧边沿连接的固定端、暴露在所述中间部外侧的自由端以及位于所述固定端和所述自由端之间的中部；每个所述连接部的自由端和中部的其中一个以所述中间部的周向为参照延伸形成第一枝节部，每个所述连接部的自由端和中部的其中另一个以所述中间部的周向为参照延伸形成第二枝节部，所述第一枝节部与所述第二枝节部的延伸方向相反。
在优选的实施方式中，所述连接部包括两个，每个所述连接部以所述中间部所在表面的中央为中心对称设置。
在优选的实施方式中，所述中间部为圆环形。
在优选的实施方式中，所述第一枝节部和所述第二枝节部的两端各自与所述中间部的中央形成的夹角相同或不同。
在优选的实施方式中，所述第一枝节部和所述第二枝节部的两端各自与所述中间部的中央形成的夹角是0～180。
在优选的实施方式中，所述第一枝节部是所述连接部的自由端和中部的其中一个沿所述中间部的周向延伸形成，所述第二枝节部是所述连接部的自由端和中部的其中另一个沿所述中间部的周向延伸形成。
在优选的实施方式中，所述第一枝节部是所述连接部的自由端和中部的其中一个以所述中间部的周向为起始方向，在所述中间部所在平面上向外螺旋延伸形成；所述第二枝节部是所述连接部的自由端和中部的其中另一个以所述中间部的周向为起始方向，在所述中间部所在平面上向外螺旋延伸形成。
本发明第二方面提供了一种反射阵单元，包括：金属地板、介质基片以及本发明第一方面提供的调相单元，所述介质基片设置在金属地板和调相单元之间。
在优选的实施方式中，所述调相单元的间距范围是0.176个波长。
在优选的实施方式中，所述介质基片采用单层介质结构。
本发明的有益效果
本发明提供一种附加调相单元的反射阵单元及反射阵列天线，在调相时，调相单元外围尺寸固定，采用该调相单元进行反射阵天线的设计时，反射阵天线上不同位置处相邻单元之间的耦合作用差异很小，更有利于简单且准确地得到反射阵列中的单元的特性，从而提高反射阵天线的辐射性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施方式中一种调相单元结构示意图；
图2为本发明实施方式中一种反射阵单元结构侧视图；
图3为本发明实施方式中一种调相单元结构实现方式示意图；
图4为本发明实施方式中一种调相单元的分支部结构形成示意图；
图5a为本发明实施方式中一种调相单元的枝节部对应圆心角取60度的示意图；
图5b为本发明实施方式中一种调相单元的枝节部对应圆心角取90度的示意图；
图5c为本发明实施方式中一种调相单元的枝节部对应圆心角取120度的示意图；
图5d为本发明实施方式中一种调相单元的枝节部对应圆心角取150度的示意图；
图6为本发明实施方式中一种反射阵单元在12GHz处的反射相位和幅度曲线；
图7为本发明实施方式中一种反射阵单元在不同频率处的反射相位曲线。
附图标记：1、调相单元；2、第一分支部；3、第二分支部；4、中间部；5、连接部；6.1～6.2、第一枝节部；6.3～6.4、第二枝节部；7、介质基片；8、金属地板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
为便于描述，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅设置为描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
目前，现有平面反射阵列天线设计中难以准确考虑不同位置处相邻单元之间的耦合作用，并且反射相位范围难以达到360度，从而影响天线辐射特性和宽带特性。
基于此，本发明第一方面提供一种调相单元1，具体实施方式，请参阅图1、图3和图4，调相单元1包括第一分支部2和第二分支部3，第一分支部2为镂空，第二分支部3为实体，其中第一分支部2所在表面与第二分支部3所在表面形成互补结构；第一分支部2包括：中间部4和连接部5，其中连接部5包括多个；每个连接部5包括与中间部4的外侧边沿连接的固定端、暴露在中间部4外侧的自由端以及位于固定端和自由端之间的中部；每个连接部4的自由端和中部的其中一个以中间部4的周向为参照延伸形成第一枝节部6.1～6.2，每个连接部5的自由端和中部的其中另一个以中间部4的周向为参照延伸形成第二枝节部6.3～6.4，第一枝节部6.1～6.2与第二枝节部6.3～6.4的延伸方向相反。
由图3可知，调相单元1的一种形成方式可以是圆形贴片减去第一分支部2得到。
另一种实施方式，请参阅图4，调相单元1包括第一分支部2和第二分支部3，第一分支部2为实体，第二分支部3为镂空，其中第一分支部2所在表面与第二分支部3所在表面形成互补结构；第一分支部2的结构与上述实施方式中相同。
由图4可知，调相单元1的另一种形成方式可以是两个第一分支部2叠加得到。
本发明提供一种附加调相单元1，在调相时，调相单元外围尺寸固定，采用该调相单元进行反射阵天线的设计时，反射阵天线上不同位置处相邻单元之间的耦合作用差异很小，更有利于简单且准确地得到反射阵列中的单元的特性，从而提高反射阵天线的辐射性能。
在本发明的实施方式中，连接部5包括两个，每个连接部5以中间部4所在表面的中央为中心对称设置，结构简单，易于工程实现，具有较高的工程应用价值。
具体的，中间部4可以为圆环形。
在本发明的实施方式中，第一枝节部6.1～6.2和第二枝节部6.3～6.4的两端各自与中间部4的中央形成的夹角相同或不同。
优选的，第一枝节部6.1～6.2和第二枝节部6.3～6.4的两端各自与中间部的中央形成的夹角是0°～180°。
请参阅图5，具体的，圆心角θ值取60°、90°、120°和150°时，所对应的调相单元1如图5所示，显而易见，调相单元1在进行调相时，外围尺寸是不变的，这将在采用该调相单元1进行平面反射阵列天线设计时，有利于使不同位置处相邻单元之间的耦合作用差异减小，更有利于简单且准确地得到反射阵列中的单元的特性，从而提高反射阵天线的辐射性能。
在一些优选的实施方式中，第一枝节部6.1～6.2是连接部的自由端和中部的其中一个沿中间部的周向延伸形成，第二枝节部6.2～6.3是连接部的自由端和中部的其中另一个沿中间部的周向延伸形成。
在另一些实施方式中，第一枝节部6.1～6.2是连接部的自由端和中部的其中一个以中间部4的周向为起始方向，在中间部4所在平面上向外螺旋延伸形成；
请参阅图2，本发明第二方面提供一种反射阵单元，包括：金属地板8、介质基片7以及本发明第一方面提供的调相单元1，介质基片设置在金属地板和调相单元之间。
优选的，介质基片7采用单层介质结构，且为低损耗、低介电常数材质，调相单元1的间距范围是0.176个波长。
具体的，相邻调相单元1之间的距离(即单元周期L)为4.4mm，单元周期L＝4.4mm＝0.176λ0(其中λ0是12GHz时对应的自由空间的波长)，远小于传统的半波长反射阵单元，反射阵天线中心频率为12GHz，介质基片的介电常数εr＝2.2，厚度t＝2mm。
请参阅图6和图7，在上述优选实施例中，图6表示反射相位和反射幅度随θ值(图4中的θ值)变化图像，从图中可以看到，当调节图4所示挖掉部分的θ值时，反射相位值也随着变化，反射相位变化范围超过了360度，且反射相位曲线平滑，线性度良好；此外，反射阵单元的反射幅度值在变化范围内均大于-0.05dB，说明反射阵单元的损耗小，对入射波接近于全反射；该反射阵单元在采用亚波长技术(单元周期为0.176个波长)的同时，其反射相位变化范围超过了360度，且反射相位曲线平滑，线性度良好，反射损耗小，说明了该反射阵单元良好的反射特性，非常适用于平面反射阵列天线的设计。
图7为上述实施例中反射阵单元在不同频率处的反射相位曲线，不同频率处的反射相位曲线之间平行度较好，且反射相位曲线平滑，线性度良好，说明了该反射阵单元良好的宽带特性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施方式的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施方式或示例。
此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施方式或示例以及不同实施方式或示例的特征进行结合和组合。以上所述仅为本说明书实施方式的实施方式而已，并不用于限制本说明书实施方式。对于本领域技术人员来说，本说明书实施方式可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施方式的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施方式的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种调相单元，其特征在于，包括：
第一分支部和第二分支部，第一分支部和第二分支部的其中一个为镂空，另一个为实体，其中所述镂空所在表面与所述实体所在表面形成互补结构；
所述第一分支部包括：中间部和连接部，所述连接部包括多个；
每个连接部包括与所述中间部的外侧边沿连接的固定端、暴露在所述中间部外侧的自由端以及位于所述固定端和所述自由端之间的中部；
每个所述连接部的自由端和中部的其中一个以所述中间部的周向为参照延伸形成第一枝节部，每个所述连接部的自由端和中部的其中另一个以所述中间部的周向为参照延伸形成第二枝节部，所述第一枝节部与所述第二枝节部的延伸方向相反。
2.根据权利要求1所述调相单元，其特征在于，所述连接部包括两个，每个所述连接部以所述中间部所在表面的中央为中心对称设置。
3.根据权利要求1所述调相单元，其特征在于，所述中间部为圆环形。
4.根据权利要求1所述调相单元，其特征在于，所述第一枝节部和所述第二枝节部的两端各自与所述中间部的中央形成的夹角相同或不同。
5.根据权利要求1所述调相单元，其特征在于，所述第一枝节部和所述第二枝节部的两端各自与所述中间部的中央形成的夹角是0°～180°。
6.根据权利要求3所述调相单元，其特征在于，所述第一枝节部是所述连接部的自由端和中部的其中一个沿所述中间部的周向延伸形成，所述第二枝节部是所述连接部的自由端和中部的其中另一个沿所述中间部的周向延伸形成。
7.根据权利要求3所述调相单元，其特征在于，所述第一枝节部是所述连接部的自由端和中部的其中一个以所述中间部的周向为起始方向，在所述中间部所在平面上向外螺旋延伸形成；
所述第二枝节部是所述连接部的自由端和中部的其中另一个以所述中间部的周向为起始方向，在所述中间部所在平面上向外螺旋延伸形成。
8.一种反射阵单元，其特征在于，包括：
金属地板、介质基片以及调相单元，所述介质基片设置在金属地板和调相单元之间，所述调相单元包括权利要求1至7任意一项所述的调相单元。
9.根据权利要求8所述反射阵单元，其特征在于，所述调相单元的间距范围是0.176个波长。
10.根据权利要求8所述反射阵单元，其特征在于，所述介质基片采用单层介质结构。
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