CN112952395B - 基于单层回形针型单元结构的宽带反射阵列天线 - Google Patents

基于单层回形针型单元结构的宽带反射阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于单层回形针型单元结构的宽带反射阵列天线，包括角锥喇叭天线以及反射阵列，反射阵列包括若干个反射单元，每个反射单元包括金属贴片、介质基板和金属接地板，金属贴片印制在介质基板的上表面，介质基板底部设置金属接地板；金属贴片为带有内嵌式倒L型金属臂的回形针型结构，倒L型金属臂与矩形贴片两侧内边缘之间预留一定宽度。本发明每个反射单元矩形贴片的外尺寸保持不变，其相位可以实现超过360°的线性变化，由反射单元构成的平面反射阵列天线可以实现增益带宽以及口径效率的显著提高，且在工作频段内呈现稳定良好的辐射特性。

Description

基于单层回形针型单元结构的宽带反射阵列天线
技术领域
本发明属于反射阵列天线技术领域，特别是一种基于单层回形针型单元结构的宽带反射阵列天线。
背景技术
随着雷达目标检测、卫星远程通信以及深空探索等技术的飞速发展，高增益天线在现代通信领域中的作用愈发重要。与传统的高增益天线相比，平面反射阵列天线由于其结构简单且易于加工，无需设计复杂的馈电网络，可实现灵活的广角电子波束扫描等优势，具有十分广阔的发展前景。但是平面反射阵列天线存在一个显著缺点，就是其窄带宽特性。因此，如何拓宽平面反射阵列天线的带宽成为了一项极具研究价值和发展前景的课题，愈来愈多的致力于提高反射阵列带宽性能的单元结构被提出，例如文献“Broadbandreflectarray composed of gap coupled elements with linear phase response”中提出了一种间隙耦合单元，文献“A broadband KU-band microstrip reflectarray antennausing single-layer fractal elements”中提出了一种分形单元，文献“A single-layerbroadband reflectarray antenna by using quasi-spiral phase delay line”中提出了一种准螺旋相位延迟线单元结构等。
但是目前已有的多数设计需附加额外的空气层以实现平缓的相位变化，增大了反射阵列的体积。同时，为了在一个360°的相位变化周期内实现反射相位补偿，相邻阵元之间有可能存在尺寸突变。由于单元仿真时采用周期性边界条件，默认周围单元结构尺寸一致，这种尺寸突变会导致单元相位补偿值产生误差，从而影响平面反射阵列天线的性能。文献“A Broadband Reflectarray Antenna Using Single-Layer Rectangular PatchesEmbedded With Inverted L-Shaped Slots”提出了一种矩形贴片内嵌倒L形槽的单元结构，可避免相邻单元间的相位突变问题，但是其相位范围不足360°，同时宽带性能以及口径效率都有待提高。综上所述，目前已有的宽带反射单元设计方法难以满足现有的应用需求。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种能够解决单元间尺寸突变问题的单元结构，同时宽带性能和口径效率显著提高的宽带反射阵列天线。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于单层回形针型单元结构的宽带反射阵列天线，包括作为馈源的角锥喇叭天线和反射阵列，反射阵列包括若干个反射单元，反射单元为亚波长结构；
每个反射单元包括金属贴片、介质基板和金属接地板，金属贴片印制在介质基板的上表面，介质基板底部设置金属接地板；
所述金属贴片为开槽矩形结构，其长度为L，宽度为w1，矩形贴片内部开有长边沿矩形贴片长边设置的矩形槽，该矩形槽的长为g2，宽为w4，同时矩形贴片的一侧长边上开有与所述矩形槽相连通的矩形缝隙，该矩形缝隙的宽度为g1；所述矩形槽内还设有倒L型金属臂，该金属臂的纵向臂平行于矩形贴片的长边设置，横向臂的末端与所述矩形缝隙的下侧边缘连接，所述倒L型金属臂与所述矩形槽的长边形成倒U型结构；所述倒L型金属臂的纵向臂长为l，宽为t，且该纵向臂处于U型结构内侧的边缘与矩形槽的长边之间的距离为w3；整个开槽矩形贴片构成一回形针型结构，每个反射单元的尺寸参数l、g2相同或不相同。
进一步地，所述纵向臂的长l可调，用于实现单元反射相位的线性变化。
进一步地，所述若干个反射单元均匀分布。
进一步地，所述若干个反射单元构成n×n的方形阵列。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)通过调节反射单元矩形贴片中内嵌倒L型金属臂平行于矩形长边的长度l，可以实现平缓的线性相位变化，且相位变化范围超过360°，显著改善了单元性能；2)本发明中提出的基于单层回形针型结构的单元，每个单元矩形贴片的尺寸相同，仅需调节内嵌倒L型金属臂平行于矩形长边的长度l以实现反射相位补偿，规避了相邻单元间的尺寸突变问题，提高了阵列相位补偿的准确性；3)本发明提出的基于单层回形针型单元结构的宽带反射阵列天线，能够实现增益带宽以及口径效率的显著提高，且在工作频段内呈现出稳定良好的辐射特性。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为一个实施例中基于单层回形针型单元结构的宽带反射阵列天线的结构示意图。
图2为一个实施例中基于单层回形针型单元结构的宽带反射阵列天线中反射单元的俯视图。
图3为一个实施例中基于单层回形针型单元结构的宽带反射阵列天线中反射单元的侧视图。
图4为一个实施例中反射单元在不同频率下的反射相移曲线图。
图5为一个实施例中在设计频率10GHz处宽带反射阵列天线的仿真和测试的E面方向图。
图6为一个实施例中在设计频率10GHz处宽带反射阵列天线的仿真和测试的H面方向图。
图7为一个实施例中在不同频率下E面的实测方向图。
图8为一个实施例中在不同频率下H面的实测方向图。
图9为一个实施例中反射阵列天线随频率变化的增益以及口径效率的仿真和测试结果图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在一个实施例中，结合图1至图3，本发明提供了一种基于单层回形针型单元结构的宽带反射阵列天线，包括作为馈源的角锥喇叭天线1和反射阵列2，反射阵列2包括若干个反射单元3，反射单元3为亚波长结构；
每个反射单元3包括金属贴片4、介质基板5和金属接地板6，金属贴片4印制在介质基板5的上表面，介质基板5底部设置金属接地板6；
所述金属贴片4为开槽矩形结构，其长度为L，宽度为w1，矩形贴片内部开有长边沿矩形贴片长边设置的矩形槽，该矩形槽的长为g2，宽为w4，同时矩形贴片的一侧长边上开有与所述矩形槽相连通的矩形缝隙，该矩形缝隙的宽度为g1；所述矩形槽内还设有倒L型金属臂，该金属臂的纵向臂平行于矩形贴片的长边设置，横向臂的末端与所述矩形缝隙的下侧边缘连接，所述倒L型金属臂与所述矩形槽的长边形成倒U型结构；所述倒L型金属臂的纵向臂长为l，宽为t，且该纵向臂处于U型结构内侧的边缘与矩形槽的长边之间的距离为w3；整个开槽矩形贴片构成一回形针型结构，每个反射单元的尺寸参数l、g2相同或不相同。
进一步地，在其中一个实施例中，所述纵向臂的长l可调，用于实现单元反射相位的线性变化。
进一步地，在其中一个实施例中，所述若干个反射单元3均匀分布。
进一步地，在其中一个实施例中，所述若干个反射单元3构成n×n的方形阵列。
进一步地，在其中一个实施例中，所述反射单元3为9mm×9mm的亚波长结构，即单元间距P＝0.3λ，其中λ为用户设计频率所对应的自由空间波长。
进一步地，在其中一个实施例中，所述角锥喇叭天线1在距离反射阵列2 148mm的竖直高度处以方位角θ＝-25°，
Figure BDA0002918324380000041
对反射阵列2进行偏馈照射，反射阵列2将波束聚焦至方位角为θ＝25°，
Figure BDA0002918324380000042
的方向辐射出去；以沿反射阵列2表面的水平方向为x轴，以垂直于反射阵列2表面的方向为z轴，θ为角锥喇叭天线1与z轴的夹角，
Figure BDA0002918324380000043
为角锥喇叭天线1与xoz面的夹角。
进一步地，在其中一个实施例中，所述介质基板5的介电常数εr为2.2，厚度h为3.175mm，损耗角正切tanδ为0.0007。
进一步地，在其中一个实施例中，所述反射单元的结构参数w1＝2.0mm，w3＝0.6mm，w4＝1.5mm，g1＝0.1mm，t＝0.1mm，L＝7.4mm。
作为一种具体示例，在其中一个实施例中，对本发明基于单层回形针型单元结构的宽带反射阵列天线进行进一步验证说明。
本实施例中，基于单层回形针型单元结构的宽带反射阵列天线，包括角锥喇叭天线1和反射阵列2，反射阵列2的尺寸为207mm×207mm×3.175mm，包括23行23列共529个反射单元3，反射单元3为9mm×9mm的亚波长结构。每个反射单元3包括金属贴片4、介质基板5和金属接地板6，金属贴片4印制在介质基板5的上表面，紧贴介质基板5底部设置金属接地板6，其中介质基板5的介电常数εr为2.2，厚度h为3.175mm，损耗角正切tanδ为0.0007。
金属贴片4为开槽矩形结构，其长度为L，宽度为w1，矩形贴片内部开有长边沿矩形贴片长边设置的矩形槽，该矩形槽的长为g2，宽为w4，同时矩形贴片的一侧长边上开有与所述矩形槽相连通的矩形缝隙，该矩形缝隙的宽度为g1；所述矩形槽内还设有倒L型金属臂，该金属臂的纵向臂平行于矩形贴片的长边设置，横向臂的末端与所述矩形缝隙的下侧边缘连接，所述倒L型金属臂与所述矩形槽的长边形成倒U型结构；所述倒L型金属臂的纵向臂长为l，宽为t，且该纵向臂处于U型结构内侧的边缘与矩形槽的长边之间的距离为w3；整个开槽矩形贴片构成一回形针型结构，每个反射单元的尺寸参数l相同或不相同。本实施例中，上述单元结构参数取值w1＝2.0mm，w3＝0.6mm，w4＝1.5mm，g1＝0.1mm，t＝0.1mm，L＝7.4mm，开有缝隙的长边的外边缘与矩形槽中远离该外边缘的一边之间的距离w2＝1.8mm。
通过改变单元贴片中倒L型金属臂平行于矩形长边的长度l来实现反射相位的线性变化，本实施例中针对频率9GHz、10GHz、11GHz、12GHz，将l从0.1mm变化至5.0mm，获得每个频率所对应的反射单元相移曲线图如图4所示，由图4可知，反射单元相应的相位响应随着频率变化保持较好的线性度和一致性，并且能够实现大于360°的相位变化范围，反射单元呈现良好的宽带特性。
由图5和图6可知，宽带反射阵列天线在设计频率10GHz时，反射波束按照预期出现在θ＝25°，
Figure BDA0002918324380000051
方向，且E面和H面的仿真和测量的辐射方向图吻合度较高。
由图7和图8可知，在不同频率下，阵列天线E面和H面的辐射方向图测量结果均较为稳定。E面的主瓣方向均按照预期出现在θ＝25°，
Figure BDA0002918324380000052
方向。随着工作频率的提高，旁瓣电平和交叉极化略有上升。
由图9可知，宽带反射阵列天线的测量结果显示其1-dB相对增益带宽为39.0％，在设计频率10GHz处的增益为25.7dBi，对应于68.5％的口径效率。
综上，本发明提出的单层回形针型结构单元，通过调节反射单元矩形贴片中内嵌倒L型金属臂平行于矩形长边的长度l，可实现平缓的相位变化以及超过360°线性相位变化范围，显著改善了单元的带宽性能。同时，每个单元矩形贴片的尺寸相同，规避了相邻单元间的尺寸突变问题，提高了阵列相位补偿的准确性。基于此种单元结构设计出的宽带反射阵列天线，实现了增益带宽以及口径效率的显著提高，且在工作频段内呈现出稳定良好的辐射特性。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明专利。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明专利不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明专利的揭示，不脱离本发明专利范畴所做出的改进和修改都应该在本发明专利的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于单层回形针型单元结构的宽带反射阵列天线，其特征在于，包括作为馈源的角锥喇叭天线(1)和反射阵列(2)，反射阵列(2)包括若干个反射单元(3)，反射单元(3)为亚波长结构；
每个反射单元(3)包括金属贴片(4)、介质基板(5)和金属接地板(6)，金属贴片(4)印制在介质基板(5)的上表面，介质基板(5)底部设置金属接地板(6)；
所述金属贴片(4)为开槽矩形结构，其长度为L，宽度为w1，矩形贴片内部开有长边沿矩形贴片长边设置的矩形槽，该矩形槽的长为g2，宽为w4，同时矩形贴片的一侧长边上开有与所述矩形槽相连通的矩形缝隙，该矩形缝隙的宽度为g1；所述矩形槽内还设有倒L型金属臂，该金属臂的纵向臂平行于矩形贴片的长边设置，横向臂的末端与所述矩形缝隙的下侧边缘连接，所述倒L型金属臂与所述矩形槽的长边形成倒U型结构；所述倒L型金属臂的纵向臂长为l，宽为t，且该纵向臂处于U型结构内侧的边缘与矩形槽的长边之间的距离为w3；整个开槽矩形贴片构成一回形针型结构，每个反射单元的尺寸参数l、g2相同或不相同。
2.根据权利要求1所述的基于单层回形针型单元结构的宽带反射阵列天线，其特征在于，所述纵向臂的长l可调，用于实现单元反射相位的线性变化。
3.根据权利要求1所述的基于单层回形针型单元结构的宽带反射阵列天线，其特征在于，所述若干个反射单元(3)均匀分布。
4.根据权利要求1或3所述的基于单层回形针型单元结构的宽带反射阵列天线，其特征在于，所述若干个反射单元(3)构成n×n的方形阵列。
5.根据权利要求1所述的基于单层回形针型单元结构的宽带反射阵列天线，其特征在于，所述反射单元(3)为9mm×9mm的亚波长结构，即单元间距P＝0.3λ，其中λ为用户设计频率所对应的自由空间波长。
6.根据权利要求1所述的基于单层回形针型单元结构的宽带反射阵列天线，其特征在于，所述角锥喇叭天线(1)在距离反射阵列(2)148mm的竖直高度处以方位角θ＝-25°，
Figure FDA0002918324370000011
对反射阵列(2)进行偏馈照射，反射阵列(2)将波束聚焦至方位角为θ＝25°，
Figure FDA0002918324370000012
的方向辐射出去；以沿反射阵列(2)表面的水平方向为x轴，以垂直于反射阵列(2)表面的方向为z轴，θ为角锥喇叭天线(1)与z轴的夹角，
Figure FDA0002918324370000013
为角锥喇叭天线(1)与xoz面的夹角。
7.根据权利要求1所述的基于单层回形针型单元结构的宽带反射阵列天线，其特征在于，所述介质基板(5)的介电常数εr为2.2，厚度h为3.175mm，损耗角正切tanδ为0.0007。
8.根据权利要求1所述的基于单层回形针型单元结构的宽带反射阵列天线，其特征在于，所述反射单元的结构参数w1＝2.0mm，w3＝0.6mm，w4＝1.5mm，g1＝0.1mm，t＝0.1mm，L＝7.4mm。
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