CN112768906B - 带左手调控结构的s型旋转单元结构平面反射阵列天线 - Google Patents
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Abstract
带左手调控结构的S型旋转单元结构平面反射阵列天线，属于微波技术领域。为悬置微带结构，在圆形介质基板上表面设有由若干S型旋转单元构成的正八边形阵列，单元横向及纵向单元中心间距相同；阵列下表面为圆形接地板，圆形接地板的半径与圆形介质基板相同；圆形介质基板与圆形接地板间设有空气层；反射单元阵列及接地板均为良导体，阵列天线轮廓为圆形，均匀排列的带左手调控结构的S型旋转单元在反射阵列上表面呈一定角度逆时针旋转型分布，带左手调控结构S型旋转单元贴片阵列面朝向馈源。通过控制带左手调控结构的S型旋转单元反射阵列单元的旋转角度可进行调相、提高增益，控制旁瓣和低交叉极化等，可广泛应用于5G频段。
Description
技术领域
本发明属于微波技术领域，尤其是涉及一种带左手调控结构的S型旋转单元结构平面反射阵列天线。
背景技术
传统的高增益天线主要有以大型抛物面天线为代表的反射面天线和以相控阵天线为代表的微带贴片阵列天线。大型反射面天线设计简单、理论上增益带宽无限，具有高效率和强方向性，但体积庞大、不易部署，需要复杂的伺候系统，曲面结构对于加工精度要求很高，尤其是毫米波波段，另外，只能通过机械旋转来实现波束扫描也是一个缺点。微带贴片阵列天线往往低剖面，PCB刻蚀技术成熟，由移相独立实现对辐射单元相位和幅度的调节，易实现波束扫描，但是对超大规模阵列来说，其馈电网络设计复杂，电扫描所需的T/R组件成本高，而且毫米波波段损耗急剧增加。在此背景下，微带反射阵列天线应运而生，融合了抛物面天线高增益高效率和微带低剖面低成本的优点，一经提出，就得到了国内外专家学者的广泛关注，成为了新型高增益天线的首选，展现了广阔的应用前景。
从天线激励方式角度，圆极化天线能够辐射和接受任意极化的电磁波，从而避免极化损失，正是电子侦察等应用中普遍使用圆极化天线的原因；由于反射波旋向发生反转，故能抑制雨雾天气的干扰和多径反射；另外，基于圆极化天线的极化正交性，还可以消除电离层因为法拉第旋转引起的电磁波畸变。正因为圆极化天线这些无可比拟的优势，其在雷达通信、导航系统的极化分集中得到了广泛应用。
电磁超材料是指一些自然界不具有某些电磁特性的人工复合材料。它往往是单体材料周期排列得到。狭义的超材料常常指左手材料(LHMs)，是指一类在一定频段下同时实现负的介电常数和负的磁导率的电磁材料，其中传播的电磁波的波矢量和坡印廷矢量刚好相反，故左手材料相比于自然界其他普通材料拥有一些奇特的电磁特性，如：逆多普勒效应、倏逝波放大效应、逆切伦科夫辐射效应(Cerenkov)、后向波效应、“完美透镜”应以及负折射率等，可以实现隐身斗篷或者超透镜等。很多结构在某个频点或频段已经表现出了左手特性，包括螺旋环型结构、树枝状结构、蘑菇型结构、双S型结构、Z型结构等。但这些结构的左手材料只能在某特定频率上实现左手特性，因此缺乏应用的灵活性和多样性。
发明内容
本发明的目的在于提供拥有高增益、低旁瓣、低交叉极化的性能，同时左手特性频率范围可控，能够广泛运用于5G毫米波通信的带左手调控结构的S型旋转单元结构平面反射阵列天线。
本发明为悬置微带结构，设有圆形介质基板，在圆形介质基板上表面设有正八边形反射单元阵列，所述正八边形反射单元阵列由若干个单元基板为正方形结构为S型旋转单元构成，阵列中每个单元横向及纵向单元中心间距相同；反射阵列的下表面为圆形接地板，圆形接地板的半径与圆形介质基板相同；圆形介质基板与圆形接地板间设有空气层；反射阵列和圆形接地板均为良导体，阵列天线轮廓为圆形，所述S型旋转单元带左手调控结构且上下对称，由上下相连的圆环弧和位于S型上下中心的两个左手调控结构构成，S型旋转单元在反射单元阵列的上表面呈一定角度逆时针旋转型分布；S型旋转单元贴片阵列面朝向馈源。
所述圆形介质基板的半径为1.05*n*λ，λ＝(c/f)/2为单元中心工作频率下的半波长，其中，c为光速，f为单元中心工作频率，圆形介质基板采用高性能毫米波介质材料，介电常数为2.2～8.0，圆形介质基板的厚度h＝0.45～0.55mm。
所述圆形介质基板的介电常数优选为2.2～3.8。
所述单元基板的外形轮廓为正方形，单元基板的正方形轮廓边长P＝3.9～4.1mm，单元基板的厚度h＝0.45～0.55mm。
所述空气层的厚度ha＝1.5～2mm。
所述S型旋转单元上下相连的圆环弧，弧张角ao可为270°±50°，外径ro可为0.45～0.65mm，内径ri可为0.1～0.4mm；左手调控结构为实心圆时，半径rd可为0.1～0.2mm；左手调控结构为小圆环时外径rdo可为0.05～0.2mm，内径rdi可为0.01～0.1mm；左手调控结构为C型开口结构时外径rdo可为0.05～0.2mm，内径rdi可为0.01～0.1mm，圆弧环张角aoi可为10°～350°。
通过控制带左手调控结构的S型旋转单元沿每个带左手调控结构的S型自身中心逆时针旋转的角度ψmn用于实现反射相位延迟，依据口径场叠加法由相位分布得出所需补偿相位
随后根据单元相移曲线得到对应的带左手调控结构的S型旋转单元旋转角度ψmn。
所述阵列天线系统使用喇叭天线做偏馈激励，波束偏馈角度为10°～30°，所述喇叭天线馈源和带左手调控结构的S型旋转单元贴片阵列反射面之间的距离可为85～90mm。
所述S型旋转单元贴片的上表面金属层为铜层，厚度H＝0.015～0.02mm。
所述正八边形反射单元阵列中横向和纵向最大单元数均为2n+1，单元由上至阵列中心前3/2*m行单元个数为7*m+2，后m/2+1行单元个数为2n+1，单元横向及纵向单元的中心间距均为λ/2，n的取值范围为10～30的偶数，
其中，A为天线口径，P为正方形单元基板边长；n*n单元的构成方式是依据口径场叠加法由所求波束得相位场分布得出所需补偿相位
即第(m,n)个单元的补偿相位，假设馈源位矢为
第(m,n)个单元位矢为
目标波束指向
应满足
通过对
的调整，令其满足上式得出主波束任意朝向的反射阵；根据反射单元相移曲线得到
对应的反射单元沿花瓣中心逆时针旋转的角度ψmn，其中单元旋转角度ψmn的范围为0～180°。
所述左手调控结构可为上下相同且旋转对称的实心圆、小圆环或C型开口结构；左手调控结构为实心圆时，可控制其半径rd＝0.1～0.2mm调控S型旋转单元左手特性所在频率；左手调控结构为小圆环时，可控制其外径rdo＝0.05～0.2mm，内径rdi＝0.01～0.1mm调控S型旋转单元左手特性所在频率；左手调控结构为C型开口结构时，可通过控制其外径rdo可为0.05～0.2mm，内径rdi可为0.01～0.1mm，弧张角aoi可为10°～350°调控S型旋转单元左手特性所在频率。
本发明通过控制带左手调控结构的S型旋转单元反射单元的旋转角度可进行调相、提高增益，控制旁瓣和低交叉极化等效果。本发明的偏馈激励多频点新型圆极化毫米波宽带平面反射阵列天线结构简单统一，只需对单元进行旋转，易于加工制作，成本低廉；
本发明通过控制带左手调控结构的S型旋转单元反射阵列单元的旋转角度可进行调相、提高增益，控制旁瓣和低交叉极化等效果；同时可以通过选择左手调控单元的结构和其具体参数在不同频段实现左手特性。实现了反射阵列单元与左手材料的结合。且结构简单，易于加工，成本低廉，可广泛应用于5G频段。
附图说明
图1为本发明系统整体组成结构图；
图2为带左手调控结构的S型旋转单元的结构示意图；其中，(a)为左手调控结构为实心圆时的主视图；(b)为左手调控结构小圆环时的主视图，(c)为左手调控结构为C型开口结构时的主视图，(d)为侧视图；
图3为带左手调控结构的S型旋转单元旋转角度与反射幅度和相位的关系曲线；其中，(a)为S型旋转单元旋转角度与反射相位曲线，(b)为S型旋转单元旋转角度与极化分量曲线；
图4为本发明反射阵的俯视图；
图5为带左手调控结构的S型旋转单元共极化分量幅度，交叉极化分量幅度与入射角关系曲线；其中，(a)为S型旋转单元共极化与入射角度曲线，(b)为S型旋转单元交叉极化与入射角度曲线；
图6为带左手调控结构的S型旋转单元不同频率下反射幅度和相位曲线；其中，(a)为S型旋转单元旋转相位特性与频率相关曲线，(b)为S型旋转单元旋转幅值特性与频率相关曲线；
图7是带左手调控结构的S型旋转单元阵列远场不同凡响波束切面图；
图8是旋转调相机制的带左手调控结构的S型旋转单元单元阵列3D效果图；
图9为左手特性实现案例之一(左手调控单元采用C型开口结构，ao＝320°，ai＝240°)的等效介电常数曲线εγ及等效磁导率曲线μγ；
图10为左手特性实现案例之二(左手调控单元采用C型开口结构，ao＝320°，ai＝190°)的等效介电常数曲线εγ及等效磁导率曲线μγ；
图11为左手特性实现案例之三(左手调控单元采用C型开口结构，ao＝320°，ai＝160°)的等效介电常数曲线εγ及等效磁导率曲线μγ。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步说明。
带左手调控结构的S型旋转单元结构平面反射阵列天线，其结构为悬置微带，设有圆形介质基板，其半径为1.05*n*λ，λ＝(c/f)/2为单元中心工作频率下的半波长，其中c为光速，f为单元中心工作频率，其材料为高性能毫米波介质材料，介电常数为2.2～8.0，厚度为h＝0.45～0.55mm。介质基板上表面设有由反射单元构成的正八边形阵列，单元横向及纵向单元中心间距均为λ；阵列下表面为接地板为圆形其半径同介质基板为1.05*n*λ；介质基板与接地板间设有空气层，空气层厚度ha＝1.5～2mm。反射单元阵列及接地板均为良导体，所述阵列天线轮廓为圆形；带左手调控结构的S型旋转单元均匀排列且在圆形介质基板上表面呈一定角度按各自单元中心逆时针旋转型分布，带左手调控结构的S型旋转单元贴片阵列的上表面朝向馈源。通过控制带左手调控结构的S型旋转单元沿每个带左手调控结构的各个S型旋转单元各自中心逆时针旋转的角度ψmn实现反射相位延迟的目的，依据口径场叠加法由相位分布得出所需补偿相位
随后根据单元相移曲线得到对应的带左手调控结构的S型旋转单元旋转角度ψmn。所述带左手调控结构的S型旋转单元包括上下相连的圆环弧(弧张角ao为270°±50°可调控旋转反射幅度及相位)和位于字母S对称分布上下中心的两个左手调控结构构成多重可调双开口左手复合左手谐振环，所述左手调控结构的结构为可调控大小的实心圆、小圆环或C型开口结构。通过控制带左手调控结构的S型上下相连的圆环弧张角、按S型旋转单元各自中心逆时针旋转的角度ψmn及填入的子左手调控单元实现反射相位延迟多重控制的目标。通过调整左手调控结构为实心圆、小圆环或C型开口结构及相对应结构的内外径和圆环弧张角可以调控S型旋转单元左手特性所在频率。
所述介质基板层材料采用高性能毫米波介质材料，介电常数可为2.2～8.0，所述基板的介质基板厚度h＝0.45～0.55mm，空气层的厚度ha＝1.5～2mm。
所述天线使用喇叭天线做偏馈激励，波束偏馈角度为10°～30°，所述喇叭天线馈源和带左手调控结构的S型阵元反射面之间的距离为85～90mm。
所述带左手调控结构的S型旋转单元的上表面金属层为铜层，厚度H为0.015～0.02mm。
对称S型结构上下圆环弧度ao可为270°±50°，外径ro可为0.45～0.65mm，内径ri可为0.1～0.4mm。当左手调控结构为实心圆时，可控制其半径rd＝0.1～0.2mm调控S型旋转单元左手特性所在频率；左手调控结构为小圆环时，可控制其外径rdo＝0.05～0.2mm，内径rdi＝0.01～0.1mm调控S型旋转单元左手特性所在频率；左手调控结构为C型开口结构时，可控制其圆环弧外径rdo＝0.05～0.2mm，内径rdi＝0.01～0.1mm，弧张角aoi＝10°～350°调控S型旋转单元左手特性所在频率。
所述带左手调控结构的S型旋转单元结构平面反射阵列天线，工作频率范围为34～42GHz，中心频率为38GHz。阵列形状为正八边形，阵列中横向和纵向最大单元数均为2n+1，横向和纵向最大单元数均为2n+1，单元由上至阵列中心前3/2*m行单元个数为7*m+2，后m/2+1行单元个数为2n+1，单元横向及纵向单元中心间距均为λ，n的取值范围为10～30的偶数。
正八边形阵列的构成方式是依据口径场叠加法由所求波束的相位场分布得出所需补偿相位
即第(m,n)个单元的补偿相位，假设馈源位矢为
第(m,n)个单元位矢为
目标波束指向
应满足
通过对
的调整，令其满足上式设计出主波束任意朝向的反射阵。随后根据反射单元相移曲线得到
对应的反射单元沿双波点S型旋转单元中心逆时针旋转的角度ψmn，其中单元旋转角度ψmn的范围为0～180°。
以下给出具体实施例。
实施例1
参见图1～8，本实施例天线结构为悬置微带，设有圆形介质基板3，其半径为103.6mm，介质基板采用Rossgers RT5880(lossy)，介电常数εr＝2.2，损耗角正切σ＝0.002，厚度h＝0.508mm；介质基板上表面设有微带贴片阵列，下表面为圆形接地板4,圆形接地板4的半径为103.6mm，圆形介质基板3与圆形接地板4间设有空气层，厚度ha＝1.8mm；带左手调控结构S型旋转单元构成阵列为正八边形，横向和纵向最大单元数为25，单元由上至阵列中心行数为m，前9行单元个数为7*m+2，后4行单元个数为13，单元横向及纵向单元中心间距均为3.947mm；均匀排列的带左手调控结构的S型旋转单元反射阵列在上表面呈一定角度旋转型分布，带左手调控结构的S型贴片阵列面朝向馈源。通过控制带左手调控结构的S型旋转单元沿每个带左手调控结构的S型旋转单元自身中心逆时针旋转的角度ψmn实现反射相位延迟，依据口径场叠加法由相位分布得出所需补偿相位
随后根据单元相移曲线得到对应的带左手调控结构的S型旋转单元旋转角度ψmn。
所述介质基板层材料采用Rogers 5880，所述基板的介电常数为2.2，所述基板单元的外形轮廓为正方形，阵列带左手调控结构的S型旋转单元正方形轮廓边长P＝3.947mm，介质基板厚度h＝0.508mm，空气层厚度ha＝1.8mm。所述天线系统使用喇叭天线做偏馈激励，波束偏馈角度为16°40′，反射阵出射波束的目标偏出角度为Phi＝180°、Theta＝14.9°，所述喇叭天线馈源和带左手调控结构的S型旋转单元反射面2之间的距离为88.3mm。
实施例的反射阵列天线为圆形，直径D＝103.6mm，厚度为2.3mm，承载带左手调控结构的S型旋转单元的单层介质基板采用Rossgers RT5880(lossy)，介电常数εr＝2.2，损耗角正切σ＝0.002。阵列带左手调控结构的S型旋转单元正方形轮廓边长尺寸P＝3.947mm，介质基板厚度h＝0.508mm，空气层厚度ha＝1.8mm。
实施反射阵列例中，采用带左手调控结构的S型旋转单元结构，施加圆极化波，工作在38GHz时，带左手调控结构的S型旋转单元上的电流均匀分布，带左手调控结构的S型旋转单元结构与优化尺寸如下：上下相连的S型圆弧环外径ro＝0.57mm，内径ri＝0.32mm；子左手调控单元结构为实心圆，半径rd＝0.15mm。
作为实现方案，焦径比F/D＝1.14为最佳馈源位置，单元周期P＝3.947mm，辐射直径D＝103.6mm，所述喇叭天线馈源1和带左手调控结构的S型旋转单元反射面2之间的垂直距离距离为88.3mm，偏馈角度为16°40′。
采用带左手调控结构的S型旋转单元设计单馈源双波束反射阵，由喇叭天线做偏馈激励，反射阵出射波束的目标偏出角度为Phi＝180°、Theta＝14.9°。
参见图6，斜入射30°时带左手调控结构的S型旋转单元反射损耗剧烈增加，对于小于30°的入射角度不敏感，0～20°的斜入射情况都有很好的反射相位和幅度响应。
参见图7，S型旋转单元阵列远场不同角度波束切面主极化交叉极化分量，工作评率于37GHz，39GHz时，反射单元反射幅度下降明显，于38gGHz中心频率1GHz内幅度变化不大。
参见图8，带左手调控结构的S型旋转单元阵列在圆极化工作方式下中心频点处增益为27.2dBi，副瓣电平为-15.2dBi，3dB波束带宽为5.5°，中心频率处交叉极化为13.2dBi。
实施例2：
实施例2的左手调控单元采用C型开口结构(如图2中的图(c))，带左手调控结构的S型旋转单元正方形轮廓边长尺寸P＝3.947mm，介质基板厚度h＝0.508mm，空气层厚度ha＝1.8mm，天线尺寸为3.947mm×3.947mm×2.3mm，承载带左手调控结构的S型旋转单元的单层介质基板采用Rossgers RT5880(lossy)，介电常数εr＝2.2，损耗角正切σ＝0.002。
实施例2中，采用带左手调控结构的S型旋转单元结构，施加圆极化波，中心工作频率为38GHz，带左手调控结构的S型旋转单元上的电流均匀分布，带左手调控结构的S型旋转单元结构与优化尺寸如下：上下圆环均为外径ro＝0.501mm，内径ri＝0.301mm；对称波点半径rd＝0.15mm。左手调控结构为圆弧，外径rdo＝0.15mm，内径rdi＝0.1mm，弧度范围是10°～350°，调整其开口圆环弧度，可以控制S型旋转单元左手特性所在具体频率。
参见图9，C型开口结构ai＝240°时，该设计在34.1～42GHz频段范围内产生负介电常数；该设计在34.1～40.2GHzz频段频段范围内产生负磁导率；故而可知产生双负特性的频段为二者交集，即34.1～40.2GHz频段，所设计的带左手调控结构的S型旋转单元在这个频段具有左手特性。
参见图10，C型开口结构ai＝190°时，该设计在35.6～38.1及39～42GHz频段范围内产生负介电常数；该设计在35.7～38,38.1～39及39～42GHz频段频段范围内产生负磁导率；故而可知产生双负特性的频段为二者交集，即35.7～38及39～42GHz频段，所设计的带左手调控结构的S型旋转单元在这个频段具有左手特性。
参见图11，C型开口结构ai＝160°时，该设计在35.8～41GHz频段范围内产生负介电常数；该设计在35.8～39GHz频段频段范围内产生负磁导率；故而可知产生双负特性的频段为二者交集，即35.8～39GHz频段，所设计的带左手调控结构的S型旋转单元在这个频段具有左手特性。
Claims (11)
1.带左手调控结构的S型旋转单元结构平面反射阵列天线，其特征在于为悬置微带结构，设有圆形介质基板，在圆形介质基板上表面设有正八边形反射单元阵列，所述正八边形反射单元阵列由若干个单元基板为正方形结构的S型旋转单元构成，阵列中每个单元横向及纵向单元中心间距相同；反射阵列天线的下方有圆形接地板，圆形接地板的半径与圆形介质基板同心放置；圆形介质基板与圆形接地板间设有空气层；反射阵列和圆形接地板均为良导体，阵列天线轮廓为圆形，所述S型旋转单元带左手调控结构且上下对称，由上下相连的圆环弧和位于S型上下中心的两个左手调控结构构成，S型旋转单元在反射单元阵列的上表面呈一定角度逆时针旋转型分布；S型旋转单元贴片阵列面朝向馈源；所述左手调控结构通过选择左手调控单元的结构和具体参数在不同频段实现左手特性。
2.如权利要求1所述带左手调控结构的S型旋转单元结构平面反射阵列天线，其特征在于所述圆形介质基板的半径为1.05*n*λ，λ＝(c/f)/2为单元中心工作频率下的半波长，其中，n的取值范围为10～30的偶数，c为光速，f为单元中心工作频率，圆形介质基板采用高性能毫米波介质材料，介电常数为2.2～8.0，圆形介质基板的厚度h＝0.45～0.55mm。
3.如权利要求2所述带左手调控结构的S型旋转单元结构平面反射阵列天线，其特征在于所述圆形介质基板的介电常数为2.2～3.8。
4.如权利要求1所述带左手调控结构的S型旋转单元结构平面反射阵列天线，其特征在于所述单元基板的外形轮廓为正方形，单元基板的正方形轮廓边长P＝3.9～4.1mm，单元基板的厚度h＝0.45～0.55mm。
5.如权利要求1所述带左手调控结构的S型旋转单元结构平面反射阵列天线，其特征在于所述空气层的厚度ha＝1.5～2mm。
6.如权利要求1所述带左手调控结构的S型旋转单元结构平面反射阵列天线，其特征在于所述S型旋转单元上下相连的圆环弧，弧张角ao为270°±50°，外径ro为0.45～0.65mm，内径ri为0.1～0.4mm；左手调控结构为实心圆时，半径rd为0.1～0.2mm；左手调控结构为小圆环时外径rdo为0.05～0.2mm，内径rdi为0.01～0.1mm；左手调控结构为C型开口结构时外径rdo为0.05～0.2mm，内径rdi为0.01～0.1mm，圆弧环张角aoi为10°～350°。
7.如权利要求1所述带左手调控结构的S型旋转单元结构平面反射阵列天线，其特征在于通过控制带左手调控结构的S型旋转单元沿每个带左手调控结构的S型自身中心逆时针旋转的角度ψmn用于实现反射相位延迟，依据口径场叠加法由相位分布得出所需补偿相位
随后根据单元相移曲线得到对应的带左手调控结构的S型旋转单元旋转角度ψmn。
8.如权利要求1所述带左手调控结构的S型旋转单元结构平面反射阵列天线，其特征在于所述阵列天线系统使用喇叭天线做偏馈激励，波束偏馈角度为10°～30°，所述喇叭天线馈源和带左手调控结构的S型旋转单元贴片阵列反射面之间的距离为85～90mm。
9.如权利要求1所述带左手调控结构的S型旋转单元结构平面反射阵列天线，其特征在于所述S型旋转单元贴片的上表面金属层为铜层，厚度H＝0.015～0.02mm。
10.如权利要求1所述带左手调控结构的S型旋转单元结构平面反射阵列天线，其特征在于所述正八边形反射单元阵列中横向和纵向最大单元数均为2n+1，单元由上至阵列中心前3/2*m行单元个数为7*m+2，后m/2+1行单元个数为2n+1，单元横向及纵向单元的中心间距均为λ/2，n的取值范围为10～30的偶数，
其中，A为天线口径，P为正方形单元基板边长；n*n单元的构成方式是依据口径场叠加法由所求波束得相位场分布得出所需补偿相位
即第(m,n)个单元的补偿相位，假设馈源位矢为
第(m,n)个单元位矢为
目标波束指向
应满足
通过对
的调整，令其满足上式得出主波束任意朝向的反射阵；根据反射单元相移曲线得到
对应的反射单元沿自身中心逆时针旋转的角度ψmn，其中单元旋转角度ψmn的范围为0～180°。
11.如权利要求1所述带左手调控结构的S型旋转单元结构平面反射阵列天线，其特征在于所述左手调控结构为上下相同且旋转对称的实心圆、小圆环或C型开口结构；左手调控结构为实心圆时，控制其半径rd＝0.1～0.2mm调控S型旋转单元左手特性所在频率；左手调控结构为小圆环时，控制其外径rdo＝0.05～0.2mm，内径rdi＝0.01～0.1mm调控S型旋转单元左手特性所在频率；左手调控结构为C型开口结构时，是通过控制其外径rdo为0.05～0.2mm，内径rdi为0.01～0.1mm，弧张角aoi为10°～350°调控S型旋转单元左手特性所在频率。
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