CN112736487A - 一种采用锯齿形地板的微带反射阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种采用锯齿形地板的微带反射阵天线，工作在Ku波段，所述天线包括：馈源和微带反射阵列；其中，所述馈源为角锥喇叭天线；所述微带反射阵列包括上中下三层，依次为移相单元层、空气介质层和锯齿形金属地板；所述锯齿形金属地板包括一系列表面斜率不同的锯齿形地板单元结构。本发明巧妙的利用了锯齿形单元结构，将不同单元位置处入射电磁波反射回主波束方向，使反射阵天线的相位补偿更加准确，减小了反射阵天线的损耗；在不增加反射阵天线体积的情况下，从根本上解决了反射阵天线地板的镜面反射损耗问题，对低损耗反射阵天线的设计具有重要的借鉴意义。

Description

一种采用锯齿形地板的微带反射阵列天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种采用锯齿形地板的微带反射阵天线。

背景技术

随着雷达、卫星通信和深空探测技术的快速发展，对高增益天线的需求日益提升，传统的高增益天线主要包括抛物面天线和阵列天线，抛物面天线具有带宽宽、增益高的优点，然而其体积庞大，重量重，在高频波段对天线曲面制作精度要求高；相控阵天线采用移相器调节每个单元的辐射相位，从而实现波束扫描，但其馈电网络过于复杂，不仅增加了设计难度及加工成本，而且使得传输损耗变大，工作效率降低。

微带平面反射阵天线是一种基于微带天线技术发展起来的高增益天线，与传统的抛物面天线相比，在保持高增益的同时，平面反射阵天线加工制作简单，占用空间少；与相控阵天线相比，平面反射阵天线在能够实现波束赋形、波束扫描的同时，结构简单，加工成本低。

微带平面反射阵天线具有结构简单、高增益和低剖面的优点，然而在高频波段，其损耗变得不可忽视起来，其损耗主要包括以下几部分：反射阵单元与地板之间的介质损耗，反射阵单元辐射贴片的导体谐振损耗，反射阵表面波、爬行波损耗，地板的镜面反射损耗等。目前已有一些研究来降低反射阵天线的损耗，如采用低损耗介质基板或制作全金属反射阵天线来减小反射阵天线的介质损耗，采用等离子体或石墨烯等制成反射阵天线贴片来减小反射阵天线导体损耗，采用超材料结构来抑制反射阵表面波和爬行波等。针对反射阵地板镜面反射损耗问题，采用较大的焦径比可以在一定程度上减小反射阵天线地板镜面反射损耗，然而，一方面，采用较大焦径比会增加反射阵天线的体积，另一方面，其并未从根本上解决反射阵天线地板镜面反射损耗问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术微带反射阵天线存在损耗的技术缺陷，提出了一种采用锯齿形地板的微带反射阵天线。

为了实现上述目的，本发明提出了一种采用锯齿形地板的微带反射阵天线，工作在Ku波段，所述天线包括：馈源和微带反射阵列；其中，

所述馈源为角锥喇叭天线；

所述微带反射阵列包括上中下三层，依次为移相单元层、空气介质层和锯齿形金属地板；所述锯齿形金属地板包括一系列表面斜率不同的锯齿形地板单元结构。

作为上述装置的一种改进，所述移相单元层包括若干个内部结构相似，大小不同且等间隔排列的移相单元。

作为上述装置的一种改进，所述移相单元包括最外层的正方形环状的支撑环和同心设置于内侧的全金属双方环结构单元，在所述支撑环的两个对边中点设置一条金属条带。

作为上述装置的一种改进，所述全金属双方环结构单元的大小由需要补偿的相位确定；具体为：

根据下式计算中心频率处第i个全金属双方环结构单元需要补偿的相位φ_R(x_i,y_i)为：

其中，k₀是真空中电磁波的传播常数，(x_i,y_i)为全金属双方环结构单元所在的位置坐标，(θ_b,φ_b)为辐射波束方向，φ_b为辐射波束方向与x轴正半轴的夹角，θ_b为辐射波束方向与z轴正半轴的夹角，D_i为第i个移相单元距馈源相位中心的距离；

根据φ_R(x_i,y_i)，结合预先建立的反射阵单元反射移相曲线，得到相应位置处全金属双方环结构单元调节相位变量d_i，单位为mm；

根据调节相位变量d_i，由下式计算；

第i个全金属双方环结构的外层环外边长L2_i为：

L2_i＝a₂d_i，a₂＞0；

第i个全金属双方环结构的外层环内边长L3_i为：

L3_i＝a₃d_i，a₃＞0；

第i个全金属双方环结构的内层环外边长L4_i为：

L4_i＝a₄d_i，a₄＞0；

第i个全金属双方环结构的内层环内边长L5_i为：

L5_i＝a₅d_i，a₅＞0；

其中，a₂,a₃,a₄,a₅分别为系数，且a₂＞a₃＞a₄＞a₅＞0，进而得到第i个全金属双方环结构单元的大小。

作为上述装置的一种改进，所述反射阵单元反射移相曲线为反射波相位变化与全金属双方环结构单元调节相位变量的关系曲线。

作为上述装置的一种改进，所述锯齿形地板单元结构的斜率通过反射定律或抛物线方程计算得到，使得入射电磁波经所述锯齿形地板单元结构反射后，反射回波沿着主波束方向。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、本发明的锯齿形反射阵天线地板巧妙的利用了锯齿形单元结构，将不同单元位置处入射电磁波反射回主波束方向，使反射阵天线的相位补偿更加准确，减小了反射阵天线的损耗；

2、本发明的锯齿形反射阵天线的地板具有结构简单，易于加工的优点；

3、本发明的锯齿形反射阵天线地板结构，不同于通过增加焦径比来减小反射阵天线的损耗，其在不增加反射阵天线体积的情况下，从根本上解决了反射阵天线地板的镜面反射损耗问题，对低损耗反射阵天线的设计具有重要的借鉴意义。

附图说明

图1(a)是本发明的锯齿形地板的微带反射阵天线的移相单元结构示意图的俯视图；

图1(b)是本发明的锯齿形地板的微带反射阵天线的移相单元结构示意图的前视图；

图2是本发明的反射阵单元反射相位曲线；

图3(a)是理想导体平面对斜入射电磁波的反射示意图；

图3(b)是反射表面旋转对反射电磁波反射角影响示意图；

图3(c)是根据反射定律确定锯齿形地板单元结构表面斜率示意图；

图3(d)是本发明的应用锯齿形地板单元结构的反射阵单元对入射电磁波再辐射及反射示意图；

图4(a)是抛物面天线对从焦点处发出的电磁波的反射示意图；

图4(b)是相同焦点不同焦距的一系列抛物面对从焦点处发射的电磁波的反射示意图；

图4(c)是根据抛物面方程确定锯齿形地板单元结构表面斜率示意图；

图4(d)是采用了根据抛物面方程设计的锯齿形地板结构的反射阵单元对入射电磁波再辐射及反射示意图；

图5(a)是本发明的微带反射阵锯齿形地板结构主视图；

图5(b)是本发明的微带反射阵锯齿形地板结构俯视图；

图6是采用本发明的锯齿形地板结构的反射阵天线示意图；

图7是用于对比的应用现有技术的平滑地板结构的反射阵天线结构示意图；

图8(a)是采用本发明的锯齿形地板的微带反射阵天线辐射方向图；

图8(b)是采用现有技术的平滑地板的微带反射阵天线辐射方向图；

图8(c)是采用本发明锯齿形地板的微带反射阵天线和应用现有技术平滑地板的微带反射阵天线增益对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

所述微带反射阵单元可以为任何一种满足反射阵移相要求的单元结构，不失一般性地，本发明采用一种双方环结构单元，如图1(a)和图1(b)所示，从上到下依次包括：双方环结构金属贴片、空气介质层、金属地板。

所述双方环结构金属贴片包括最外层的支撑环结构，其尺寸L为10mm，L1为9mm，双方环结构的外层环外边长L2为3.5*dmm，内边长L3为3*dmm，双方环结构的内层环外边长L4为2.5*dmm，内边长L5为2*dmm，中间竖直金属条带的宽度w为0.5mm，d为调节相位的变量。

所述全金属双方环结构的栅格周期p为10mm。双方环移相单元与地板之间的空气层厚度为5mm。

由于在微带平面反射阵中，馈源发出的入射波到达每个单元的波程不同，导致各个单元的入射相位不同，为了能够在远场实现同相反射波束，需要对每个单元进行相位补偿。在本发明中，通过反射阵中不同位置处单元尺寸的不同来补偿由于反射阵各个单元由于距离差带来的相位差。

采用下式来计算反射阵各个位置处单元所需要补偿的相位的大小：

其中，k₀是真空中电磁波的传播常数，(x_i,y_i)为反射阵单元所在的位置坐标，(θ_b,φ_b)为辐射波束方向，D_i为反射阵单元距馈源相位中心的距离，φ_R(x_i,y_i)就是第i个单元所需要补偿的相位，φ_b为辐射波束方向与x轴正半轴的夹角，θ_b为辐射波束方向与z轴正半轴的夹角。

在得到微带反射阵列各个位置处的单元所需要补偿的相位值后，结合单元的反射相位曲线，对应得到单元尺寸的大小。

如图2所示为利用高频电磁仿真软件对全金属双方环结构单元进行仿真分析得到的反射相移曲线，当变量d从1.0mm增加到5.6mm时，全金属双方环结构的反射相位从174°变化到-423°，总范围达到了597°，满足反射阵单元所要求的360°的相位范围，并且该曲线的线性度较好；确定中心频率处的反射相位曲线和各个单元所需要补偿的反射相位之后，通过对应关系可以得到每个单元的尺寸，之后就可以对反射阵进行建模分析。

如图3(a)、图3(b)、图3(c)和图3(d)所示为根据反射定律确定锯齿形地板结构单元表面斜率示意图。当电磁波斜入射到理想导体地板上时，根据麦克斯韦方程组及边界条件，地板将会对电磁波进行镜面反射，其反射角a_r与入射角a_i大小相等，此时如果将地板旋转角度β，则由反射定律易知旋转地板后的反射波方向相较于未旋转地板的反射波的方向将旋转角度2*β；如果将同一水平面不同位置一系列地板单元分别旋转相较于各自对应入射角的一半的角度，那么易知，经各个地板单元反射的电磁波将沿着竖直方向反射回去；此时只需要调节各个单元的反射相位，即通过合理的设计各个单元处的反射相位及反射回波方向，实现远场电磁波的同相相加，从而获得很强的笔形波束。

如图4(a)、图4(b)、图4(c)和图4(d)所示为根据抛物线方程确定锯齿形地板结构单元表面斜率示意图。由抛物线的性质可知，从焦点发出的一系列电磁波分别经过相同焦点(0,0)不同焦距

的一系列抛物线

反射后，其反射波束相互平行且都沿着主波束方向，如果用相同大小不同斜率的平面单元在同一水平位置分别去逼近所述抛物线，易知此时经各个地板反射的电磁波将沿着竖直方向反射回去达到了类似抛物面天线的效果。

如图5(a)和图5(b)所示为本发明的锯齿形地板结构的示意图。锯齿形地板结构通过合理的设置锯齿形单元表面斜率，能够有效的将各个单元处的反射波反射回主波束方向，提高了反射阵天线相位补偿的精度，减小了反射阵天线的损耗。

实施例1

如图6所示为本发明的一种应用锯齿形地板结构的反射阵天线示意图，包括：馈源和微带反射阵列；所述馈源为角锥喇叭天线；所述微带反射阵列包括若干个全金属双方环结构单元和锯齿形地板。

所述全金属双方环结构单元通过调节变量d的大小来调节反射相位，进而调节反射阵表面相位分布。

所述锯齿形地板为根据所述反射定律或抛物线方程制作而成。

为了便于对比分析本发明的锯齿形地板结构对于反射阵天线损耗的减小，将实施例1中的锯齿形地板结构替换成与之平均厚度相等平滑地板结构，如图7所示。值得注意的是，所述锯齿形地板结构的反射阵天线与平滑地板结构的反射阵天线只有地板结构的不同，其余参数完全相同。

如图8(a)、图8(b)和图8(c)所示为本发明的应用锯齿形地板结构微带反射阵天线和传统的平滑地板结构的微带反射阵天线辐射方向图及增益对比图。本发明的基于锯齿形地板结构的反射阵天线的增益为25.279dB，基于平滑地板结构的反射阵天线的增益为24.610dB；通过对比可知，应用锯齿形地板结构的反射阵天线相较于应用平滑地板结构的反射阵天线的增益提高为0.669dB；锯齿形地板结构利用自身的锯齿形状，将各个单元处的反射回波反射回主波束方向，从根本上解决了反射阵天线地板的镜面反射损耗问题，提高了反射阵天线相位补偿的精度，减小了反射阵天线的损耗，对低损耗反射阵天线的设计有着重要的借鉴意义。

需要说明的是，本发明的移相单元不限于金属双方环结构单元。

本发明提出的锯齿形地板结构，该锯齿形地板结构利用自身锯齿形单元结构，能够将不同单元位置处的入射电磁波反射回主波束方向，提高了相位补偿的精度，减小了反射阵天线的损耗，对低损耗反射阵天线的设计具有重要的参考价值。

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 (6)

1.一种采用锯齿形地板的微带反射阵天线，工作在Ku波段，其特征在于，所述天线包括：馈源和微带反射阵列；其中，

所述馈源为角锥喇叭天线；

所述微带反射阵列包括上中下三层，依次为移相单元层、空气介质层和锯齿形金属地板；所述锯齿形金属地板包括一系列表面斜率不同的锯齿形地板单元结构。

2.根据权利要求1所述的采用锯齿形地板的微带反射阵天线，其特征在于，所述移相单元层包括若干个内部结构相似，大小不同且等间隔排列的移相单元。

3.根据权利要求2所述的采用锯齿形地板的微带反射阵天线，其特征在于，所述移相单元包括最外层的正方形环状的支撑环和同心设置于内侧的全金属双方环结构单元，在所述支撑环的两个对边中点设置一条金属条带。

4.根据权利要求3所述的采用锯齿形地板的微带反射阵天线，其特征在于，所述全金属双方环结构单元的大小由需要补偿的相位确定；具体为：

根据下式计算中心频率处第i个全金属双方环结构单元需要补偿的相位φ_R(x_i,y_i)为：

其中，k₀是真空中电磁波的传播常数，(x_i,y_i)为全金属双方环结构单元所在的位置坐标，(θ_b,φ_b)为辐射波束方向，φ_b为辐射波束方向与x轴正半轴的夹角，θ_b为辐射波束方向与z轴正半轴的夹角，D_i为第i个移相单元距馈源相位中心的距离；

根据φ_R(x_i,y_i)，结合预先建立的反射阵单元反射移相曲线，得到相应位置处全金属双方环结构单元调节相位变量d_i，单位为mm；

根据调节相位变量d_i，由下式计算；

第i个全金属双方环结构的外层环外边长L2_i为：

L2_i＝a₂d_i，a₂＞0；

第i个全金属双方环结构的外层环内边长L3_i为：

L3_i＝a₃d_i，a₃＞0；

第i个全金属双方环结构的内层环外边长L4_i为：

L4_i＝a₄d_i，a₄＞0；

第i个全金属双方环结构的内层环内边长L5_i为：

L5_i＝a₅d_i，a₅＞0；

其中，a₂,a₃,a₄,a₅分别为系数，且a₂＞a₃＞a₄＞a₅＞0，进而得到第i个全金属双方环结构单元的大小。

5.根据权利要求4所述的采用锯齿形地板的微带反射阵天线，其特征在于，所述反射阵单元反射移相曲线为反射波相位变化与全金属双方环结构单元调节相位变量的关系曲线。

6.根据权利要求1所述的采用锯齿形地板的微带反射阵天线，其特征在于，所述锯齿形地板单元结构的斜率通过反射定律或抛物线方程计算得到，使得入射电磁波经所述锯齿形地板单元结构反射后，反射回波沿着主波束方向。

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