CN112952396B - 基于内嵌式加载凹形臂的开槽方形环单元的反射阵天线 - Google Patents

基于内嵌式加载凹形臂的开槽方形环单元的反射阵天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于内嵌式加载凹形臂的开槽方形环单元的反射阵天线，包括角锥喇叭天线、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；金属贴片为内嵌式加载凹形臂的开槽方形环结构，凹形臂与开槽方形环两侧内边缘预留一定宽度。本发明的反射单元周期仅为0.15λ×0.15λ，其中λ为用户设计频率所对应的自由空间波长，且单元相位可以实现近360°的线性变化。由反射单元构成的反射阵列天线可以同时实现高增益带宽以及高口径效率带宽，因而具有较高的应用价值。

Description

基于内嵌式加载凹形臂的开槽方形环单元的反射阵天线
技术领域
本发明属于反射阵列天线技术领域，特别是一种基于内嵌式加载凹形臂的开槽方形环单元的反射阵天线。
背景技术
作为一种高增益天线，平面反射阵列天线由于具有剖面低、结构简单且易于加工、无需设计复杂的功分馈电网络、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“A high-efficiency Ku-bandreflectarray antenna using single-layer multiresonance elements”提出了一款多谐振单元，文献“Broadband reflectarray composed of gap coupled elements withlinear phase response”提出了一款间隙耦合单元，“A broadband KU-band microstripreflectarray antenna using single-layer fractal elements”提出了一款分形单元，文献“A novel broadband reflectarray antenna with lattice stubs on squareelement for Ku-band application”提出了一款附加格栅形短截线的正方形贴片单元等。还有学者提出采用亚波长单元结构可有效拓宽反射阵天线的增益带宽，例如文献“Abroadband reflectarray using multiresonant and subwavelength elements”，以及“Broadband Reflectarray Antenna Using Subwavelength Elements Based on DoubleSquare Meander-Line Rings”等。该结构主要是指单元周期电长度低于半个自由空间波长，但是随着单元周期进一步减小设计难度也随之增加，主要存在以下设计难点：一，随着单元周期减小，单元尺寸参数可供调节的范围也随之缩小，难以达到接近360°的反射相位跨度(即一个相位变化周期)，从而限制了相位补偿精度；二，单元间距的减小将要求设计者对单元结构进行更加细致合理的优化，以获得线性度良好的反射相移曲线。
此外，目前已有的大多数研究只是致力于拓宽其增益带宽，而很少考虑其口径效率带宽。这些具有高增益带宽的平面反射阵列随着工作频率的增加口径效率通常会明显下降。同时，在改变单元结构参数进行相位补偿的时候，相邻单元之间可能存在尺寸突变问题，使得整体阵列的性能受限。综上所述，目前已有的宽带反射单元设计方法难以兼顾阵列的增益带宽和口径效率带宽，不能满足更高的应用需求。
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，提供一种兼顾增益带宽和口径效率带宽的平面反射阵列，使其拥有良好的辐射特性。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于内嵌式加载凹形臂的开槽方形环单元的反射阵天线，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，介质基板紧贴设置金属接地板；
所述金属贴片为开槽方形结构，其长度为h1，宽度为w5，方形贴片内部开有方形槽，该方形槽的长为h4，宽为w4，同时方形贴片的一侧长边上开有与所述方形槽相连通的矩形缝隙，该矩形缝隙的宽度为h3，且缝隙的上边缘与最邻近的方形贴片的一边之间的距离为h2；所述方形槽内设有凹型金属臂，该金属臂的开口朝向所述一侧长边，且其底边臂与该长边相平行，与此同时金属臂的一端与所述矩形缝隙的下侧边缘连接；所述凹型金属臂的宽为t，底边臂的长为l，两侧臂的顶端与底边臂的上边缘之间的距离为w3；每个反射单元的尺寸参数l、h2、h4相同或不相同。
进一步地，所述方形槽位于方形贴片内部的中心位置。
进一步地，所述凹型金属臂的尺寸参数l可调，用于得到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)单元周期电长度仅为0.15λ×0.15λ(其中λ为用户设计频率所对应的自由空间波长)，使相同面积的阵列口径可以容纳更多单元，有效提高了反射阵列的整体性能；2)通过调节反射单元金属贴片中凹形臂的高度l，可以在0.15λ×0.15λ的单元周期内实现近360°的线性相位变化；3)整个宽带反射阵列天线能够兼顾增益带宽和口径效率带宽，且辐射特性在工作频段内稳定性好，具有较高的应用价值。
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内嵌式加载凹形臂的开槽方形环单元的反射阵天线的结构示意图。
图2为一个实施例中基于内嵌式加载凹形臂的开槽方形环单元的反射阵天线中反射单元的俯视图。
图3为一个实施例中基于内嵌式加载凹形臂的开槽方形环单元的反射阵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测试的E面方向图。
图8为一个实施例中在不同频率下测试的H面方向图。
图9为一个实施例中反射阵天线随频率变化的增益以及口径效率曲线图。
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，提供了一种基于内嵌式加载凹形臂的开槽方形环单元的反射阵天线，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为开槽方形结构，其长度为h1，宽度为w5，方形贴片内部开有方形槽，该方形槽的长为h4，宽为w4，同时方形贴片的一侧长边上开有与所述方形槽相连通的矩形缝隙，该矩形缝隙的宽度为h3，且缝隙的上边缘与最邻近的方形贴片的一边之间的距离为h2；所述方形槽内设有凹型金属臂，该金属臂的开口朝向所述一侧长边，且其底边臂与该长边相平行，与此同时金属臂的一端与所述矩形缝隙的下侧边缘连接；所述凹型金属臂的宽为t，底边臂的长为l，两侧臂的顶端与底边臂的上边缘之间的距离为w3；每个反射单元的尺寸参数l、h2、h4相同或不相同。
进一步地，在其中一个实施例中，所述方形槽位于方形贴片内部的中心位置。
进一步地，在其中一个实施例中，所述凹型金属臂的尺寸参数l可调，用于得到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4.5mm×4.5mm的亚波长结构，即单元间距P＝0.15λ，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以方位角θ＝-25°，
Figure BDA0002918324310000041
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 BDA0002918324310000042
的方向；以沿反射阵列2表面的水平方向作为x轴，以垂直于反射阵列2表面的方向作为z轴，θ为角锥喇叭天线1与z轴的夹角，
Figure BDA0002918324310000043
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，所述角锥喇叭天线1到反射阵列2的垂直距离为148mm。
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，所述单元结构参数h1＝3.7mm，h3＝0.1mm，h4＝2.7mm，w3＝0.9mm，w4＝3.0mm，w5＝3.6mm，t＝0.1mm。
作为一种具体示例，在其中一个实施例中，对本发明基于内嵌式加载凹形臂的开槽方形环单元的反射阵天线进行进一步验证说明。
本实施例中，基于内嵌式加载凹形臂的开槽方形环单元的反射阵天线，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46行46列共2116个反射单元3，反射单元3为4.5mm×4.5mm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下方设置金属接地板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为开槽方形结构，其长度为h1，宽度为w5，方形贴片内部开有方形槽，该方形槽的长为h4，宽为w4，同时方形贴片的一侧长边上开有与所述方形槽相连通的矩形缝隙，该矩形缝隙的宽度为h3；所述方形槽内设有凹型金属臂，该金属臂的开口朝向所述一侧长边，且其底边臂与该长边相平行，与此同时金属臂的一端与所述矩形缝隙的下侧边缘连接；所述凹型金属臂的宽为t，底边臂的长为l，两侧臂的顶端与底边臂的上边缘之间的距离为w3；每个反射单元的尺寸参数l、h2、h4相同或不相同。单元结构参数h1＝3.7mm，h3＝0.1mm，h4＝2.7mm，w3＝0.9mm，w4＝3.0mm，w5＝3.6mm，t＝0.1mm，底边臂的下边缘到开有缝隙的长边的外边缘的距离w1＝1.4mm，方形槽靠近开有缝隙的长边的一边与该长边的外边缘的距离为w2＝0.3mm，缝隙的下边缘与最邻近的方形贴片的一边之间的距离为h2＝0.5mm。
通过调节单元贴片中凹形臂的参数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2.8mm，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相对高的一致性，并且能够实现近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 BDA0002918324310000051
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 BDA0002918324310000052
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增益带宽为27.6％，40％以上的口径效率带宽为36.2％。
综上，本发明基于加载凹形臂的单层内嵌式开槽方形环单元，通过调节反射单元方形环中内嵌凹形臂的尺寸参数l，可在0.15λ×0.15λ(其中λ为用户设计频率所对应的自由空间波长)的单元周期内实现平缓的相位变化以及近360°的线性相位变化范围，显著改善了单元的性能。同时，每个单元开槽方形环贴片的尺寸相同，避免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，同时实现了增益带宽以及口径效率带宽的宽带化设计，且在工作频段内呈现出稳定良好的辐射特性，相比于其他宽带平面反射阵列设计拥有更为良好的特性。
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 (10)

1.一种基于内嵌式加载凹形臂的开槽方形环单元的反射阵天线，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)为开槽方形结构，其长度为h1，宽度为w5，方形贴片内部开有方形槽，该方形槽的长为h4，宽为w4，同时方形贴片的一侧长边上开有与所述方形槽相连通的矩形缝隙，该矩形缝隙的宽度为h3，且缝隙的上边缘与最邻近的方形贴片的一边之间的距离为h2；所述方形槽内设有凹型金属臂，该金属臂的开口朝向所述一侧长边，且其底边臂与该长边相平行，与此同时金属臂的一端与所述矩形缝隙的下侧边缘连接；所述凹型金属臂的宽为t，底边臂的长为l，两侧臂的顶端与底边臂的上边缘之间的距离为w3；每个反射单元的尺寸参数l、h2、h4相同或不相同。
2.根据权利要求1所述的基于内嵌式加载凹形臂的开槽方形环单元的反射阵天线，其特征在于，所述方形槽位于方形贴片内部的中心位置。
3.根据权利要求1或2所述的基于内嵌式加载凹形臂的开槽方形环单元的反射阵天线，其特征在于，所述凹型金属臂的尺寸参数l可调，用于得到单元反射相位的线性变化。
4.根据权利要求3所述的基于内嵌式加载凹形臂的开槽方形环单元的反射阵天线，其特征在于，所述若干个反射单元(3)均匀分布。
5.根据权利要求4所述的基于内嵌式加载凹形臂的开槽方形环单元的反射阵天线，其特征在于，所述若干个反射单元(3)构成n×n的方形阵列。
6.根据权利要求5所述的基于内嵌式加载凹形臂的开槽方形环单元的反射阵天线，其特征在于，所述反射单元(3)为4.5mm×4.5mm的亚波长结构，即单元间距P＝0.15λ，其中λ为用户设计频率所对应的自由空间波长。
7.根据权利要求6所述的基于内嵌式加载凹形臂的开槽方形环单元的反射阵天线，其特征在于，所述角锥喇叭天线(1)以方位角θ＝-25°，
Figure FDA0002918324300000011
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 FDA0002918324300000012
的方向；以沿反射阵列(2)表面的水平方向作为x轴，以垂直于反射阵列(2)表面的方向作为z轴，θ为角锥喇叭天线(1)与z轴的夹角，
Figure FDA0002918324300000013
为角锥喇叭天线(1)与xoz面的夹角。
8.根据权利要求7所述的基于内嵌式加载凹形臂的开槽方形环单元的反射阵天线，其特征在于，所述角锥喇叭天线(1)到反射阵列(2)的垂直距离为148mm。
9.根据权利要求8所述的基于内嵌式加载凹形臂的开槽方形环单元的反射阵天线，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。
10.根据权利要求9所述的基于内嵌式加载凹形臂的开槽方形环单元的反射阵天线，其特征在于，所述反射单元结构参数h1＝3.7mm，h3＝0.1mm，h4＝2.7mm，w3＝0.9mm，w4＝3.0mm，w5＝3.6mm，t＝0.1mm。
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