CN113036449B - 一种宽带微带平面反射单元及阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带微带平面反射单元及阵列天线，包括微带移相单元、介质基板和金属地板；微带移相单元和金属地板分别印刷在介质基板的顶面和底面；微带移相单元包括从内至外依次布设同心布设的内层谐振单元、中层谐振单元和外层谐振单元；内层谐振单元包括直线金属带和两条内层圆弧；中层谐振单元包括两条中层圆弧；外层谐振单元包括两条外层圆弧；每个中层圆弧的径向厚度为θ₂保持不变，每个外层圆弧的径向厚度为θ₃大于每条内层圆弧的圆心角为θ₁，且能随同步变化θ₁。本申请仅通过改变变量θ₁，即实现反射单元中反射相位变化，并使变化范围突破360°的限制，进而超过500°，从而能大幅提高反射阵列的宽带。

Description

一种宽带微带平面反射单元及阵列天线

技术领域

本发明涉及微波与天线技术领域，特别是一种宽带微带平面反射单元及阵列天线。

背景技术

对于大多数雷达和远距离通信系统，对高增益天线的需求与日俱增，其中，抛物面天线和阵列天线发挥着重要作用。传统的抛物面天线具有增益高，方向性强，工作频带宽的优点，但是体积大、重量大，加工难度高；对于高增益阵列天线，依靠馈电网络的调控，可以满足大角度的波束电扫描的需求，但是阵列天线馈电网络复杂、造价非常高、外形庞大笨重。这些缺点严重限制了这两种传统高增益天线在雷达和远距离通信系统中的应用。在这种背景下，平面反射阵列天线应运而生，它采用与抛物面天线相同的馈电方式又有阵列天线的平面结构，且重量小、体积小、加工简单、成本低、性能多样等优点，使得平面反射阵列天线有广阔的应用前景。

但是，带宽窄是平面反射阵列天线的一个突出问题，对于中小型尺寸的天线而言，发射单元的带宽窄是限制天线整体带宽窄的主要因素。为了实现阵列单元的宽带化，需要对天线单元进行合理设计，从而提高整个反射阵列的带宽。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种宽带微带平面反射单元及阵列天线，该宽带微带平面反射单元及阵列天线能使每个微带反射单元的相位变化范围突破360°的限制，进而超过500°，从而能大幅提高反射阵列的宽带。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种宽带微带平面反射单元，包括微带移相单元、介质基板和金属地板。

微带移相单元和金属地板分别印刷在介质基板的顶面和底面。

微带移相单元包括从内至外依次同心布设的内层谐振单元、中层谐振单元和外层谐振单元。

内层谐振单元包括直线金属带和对称布设在直线金属带两端的两条内层圆弧。

中层谐振单元包括位于两条内层圆弧外侧的两条中层圆弧。

外层谐振单元包括位于两条中层圆弧外侧的两条外层圆弧。

假设直线金属带所在长度方向为u轴，直线金属带的中心点为O₁，假设过中心点O₁且垂直于直线金属带长度方向的轴为v轴。每条内层圆弧的圆心角为θ₁，每个中层圆弧的径向厚度为θ₂，每个外层圆弧的径向厚度为θ₃。

则两条内层圆弧、两条中层圆弧和两条外层圆弧均关于u轴和v轴对称，且圆心均为O₁。同时，θ₃>θ₁，且θ₃能随θ₁同步变化。

θ₃＝θ₁-16°。

θ₂角度固定，通过调节θ₁和θ₃的大小，进而调节反射相位大小。

假设每条内层圆弧的径向厚度为w₁，每个中层圆弧的径向厚度为w₂，每个外层圆弧的径向厚度为w₃。则w₁>w₂，且w₁>w₃。

w₂＝w₃。

一种宽带微带平面反射阵列天线，包括馈源和反射阵面。馈源指向反射阵面的正中心O，用于对反射阵面进行空间馈电。

反射阵面由宽带微带平面反射单元呈n×n的阵列排布形成，其中，n≥2。

每个宽带微带平面反射单元的周期P均为入射波中心频率波长的0.5倍。

馈源的形状为角锥喇叭状，馈源的馈电方式为正向馈电。

通过调节每个宽带微带平面反射单元中θ₁和θ₃的大小，进而调节对应每个宽带微带平面反射单元的反射相位大小，使得反射相位的变化范围超过500°。

反射阵面中第i个宽带微带平面反射单元中θ₁的计算方法，包括如下步骤。

步骤1、建立θ₁与相位变化曲线：将第i个宽带微带平面反射单元中的θ₁从60°按照设定角度间隔增加到170°，在每个设定角度点均通过测量得到对应的反射相位数据；其中，1 ≤i≤n²；

然后，将得到的所有反射相位数据与对应设定角度点进行线性拟合，进而得到θ₁与相位变化曲线。

步骤2、计算补偿相位：采用如下公式(1)对第i个宽带微带平面反射单元所需要的补偿相位

进行计算：

式(1)中，(x_i,y_i)为第i个宽带微带反射阵列单元的x向和y向坐标；k₀为电磁波在真空中的传播常数，R_i为馈源与第i个宽带微带反射阵列单元之间的欧氏距离，(θ₀,φ₀)为反射阵面的反射波束指向，θ₀指反射波束指向与Z轴的夹角，其中，z轴是指馈源与反射阵面正中心O的连线；φ₀指反射波束指向与x向的夹角。

步骤3、计算θ₁：将步骤计算的补偿相位

代入步骤1建立的相位变化曲线中，进而得到第i个宽带微带平面反射单元中的内层圆弧圆心角θ₁。

本发明具有如下有益效果：

1、本申请提出的反射单元结构简单，采用三个谐振结构，简单有效的增加反射相位的变化范围，突破了传统微带反射单元相位变化范围难以达到360°的限制。仅通过改变变量θ₁(θ₃随θ₁而变化)，即可实现超过500°的反射相位变化范围。

2、由于反射相位能超过500°，故而能使得在8-12GHz范围内，最大增益可达24.16dBi， -1dB增益带宽可达23.2％，带宽得到明显展宽。

3、通过对内层圆弧、中层圆弧以及外层圆弧张角的优化，可以很容易的实现相位变化曲线的平滑以及较好的线性度，易于工程实现。

4、在较大频率范围内实现不同频率的相位变化曲线保持平行，有效提高微带反射阵列天线的带宽。

5、馈源采用角锥喇叭的形式，能对反射阵面进行正向馈电。

附图说明

图1显示了本发明一种宽带微带平面反射单元的结构示意图。

图2显示了本发明一种宽带微带平面反射单元的侧视图。

图3显示了本发明的宽带微带平面反射单元在9GHz-11GHz处的反射相位变化曲线图。

图4显示了本发明中反射阵面的结构示意图。

图5显示了本发明一种宽带微带平面反射阵列天线的结构模型示意图。

图6显示了本发明一种宽带微带平面反射阵列天线的E面辐射方向图。

图7显示了本发明一种宽带微带平面反射阵列天线的增益曲线。

其中有：

10.微带移相单元；

101.内层圆弧；102.中层圆弧；103.外层圆弧；104.直线金属带；

20.介质基板；30.金属地板；40.反射阵面；50.馈源。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

本发明以反射阵面的工作频段为X波段，入射波中心频率10GHz为例，进行详细说明。

如图4和图5所示，一种宽带微带平面反射阵列天线，包括馈源50和反射阵面40。

馈源指向反射阵面的正中心O，用于对反射阵面进行空间馈电。馈源的形状优选为角锥喇叭状，馈源的馈电方式优选为正向馈电。馈源的喇叭的相位中心到反射面的距离优选为F＝210mm。

反射阵面包括若干个呈n×n阵列排布的宽带微带平面反射单元，其中，n≥2，优选n＝14，，共196个宽带微带平面反射单元单元。

进一步，反射阵面的边长优选为D＝210mm，因而确定焦径比F/D＝1。这样设置后，能在保持阵列边缘电平小于-10dB的条件下，反射面的口径效率可以达到最大。

假设反射阵面所在平面为xoy平面，且以过正中心O的水平方向为x向，以过正中心O的竖直方向为y向，则馈源与反射阵面正中心O的连线为z轴，馈源位于+z方向。另外，由于采用正馈形式，反射波束指向为+z方向，阵列的极化方向是y方向的线极化。

上述宽带微带平面反射单元在反射阵面中的周期P(也即图2中宽带微带平面反射单元的边长)均优选为入射波中心频率波长的0.5倍。

如图1和图2所示，一种宽带微带平面反射单元，包括微带移相单元10、介质基板20和金属地板30。

上述介质基板优选采用单层介质结构，其厚度优选为3.175mm，介电常数优选为2.2。

微带移相单元和金属地板分别印刷在介质基板的顶面和底面。

微带移相单元包括从内至外依次同心布设的内层谐振单元、中层谐振单元和外层谐振单元。

内层谐振单元包括直线金属带104和对称布设在直线金属带两端的两条内层圆弧101。在本实施例中，直线金属带分别连接在两条内层圆弧的内弧中心点处。

上述直线金属带的长度也即等于两条内层圆弧的内径，直线金属带的宽度优选为w＝0.5mm。

假设直线金属带所在长度方向为u轴，直线金属带的中心点为O₁，假设过中心点O₁且垂直于直线金属带长度方向的轴为v轴；在本实施例中，每个宽带微带平面反射单元的u轴均优选平行于x轴，每个宽带微带平面反射单元的v轴均优选平行于y轴。

两条内层圆弧关于u轴和v轴对称，圆心为O₁。

每条上述内层圆弧的径向厚度优选为w₁＝1.5mm，每条内层圆弧的半径优选为γ₁＝4mm，每条内层圆弧的圆心角θ₁为变量，具体需根据馈源与宽带微带平面反射单元的距离、宽带微带平面反射单元在反射阵面上的位置以及波束方向所决定。

中层谐振单元包括位于两条内层圆弧外侧的两条中层圆弧102，两条中层圆弧关于u轴和v轴对称，圆心也为O₁；每条中层圆弧的径向厚度w₂＜w₁，优选为w₂＝0.5mm，每条中层圆弧的半径优选为γ₂＝5.5mm，每条内层圆弧的圆心角θ₂角度固定，优选为θ₂＝100°。

外层谐振单元包括位于两条中层圆弧外侧的两条外层圆弧103，两条外层圆弧均关于u 轴和v轴对称，且圆心也为O₁。每条外层圆弧的径向厚度w₃＜w₁，优选为w₂＝w₃＝0.5mm，每条外层圆弧的半径优选为γ₃＝7mm，每条外层圆弧的圆心角θ₃>θ₁，优选θ₃＝θ₁-16°；θ₃与θ₁变化量相同，且同步变化。通过调节θ₁和θ₃的大小，进而调节对应每个宽带微带平面反射单元的反射相位大小，使得反射相位的变化范围超过500°。

在本实施例中每个宽带微带平面反射单元的优选设置参数如表所示：(尺寸单位：mm，角度单位为°)

p	15	h	3.175
				w	0.5	r<sub>1</sub>	4
w<sub>1</sub>	1.5	r<sub>2</sub>	5.5
				w<sub>2</sub>	0.5	r<sub>3</sub>	7
w<sub>3</sub>	0.5	θ<sub>2</sub>	100°
				θ<sub>1</sub>	60°：1°：170°	θ<sub>3</sub>	θ<sub>1</sub>-16°

反射阵面中第i个宽带微带平面反射单元中θ₁的计算方法，包括如下步骤。

步骤1、建立θ₁与相位变化曲线：将第i个宽带微带平面反射单元中的θ₁从60°按照设定角度间隔1°步进递增到170°，在每个设定角度点均通过测量得到对应的反射相位数据；其中，1≤i≤n²；

然后，将得到的所有反射相位数据与对应设定角度点进行线性拟合，进而得到θ₁与相位变化曲线。

如图3所示，显示了宽带微带反射阵列单元在9GHz-11GHz处的反射相位变化曲线图。从图3中可以看出，当内层圆弧101和外层圆弧103的长度变化时，即θ₁变化时，宽带微带反射阵列单元相位值也发生变化。在中心频率10GHz处，当θ₁从60°增加到170°时，该微带反射阵列单元的相位值从30.5°变化到-496°，总的相位变化范围超过520°。突破了传统微带单元反射相位变化小于360°的限制，同时，该相位变化曲线平滑，线性度良好，斜率较小，加工精度要求较低。9GHz-11GHz的单元反射相位曲线变化范围均大于360°，且线性度良好，各曲线大致保持平行，满足宽带反射阵列单元的设计要求

步骤2、计算补偿相位：采用如下公式(1)对第i个宽带微带平面反射单元所需要的补偿相位

进行计算：

式(1)中，(x_i,y_i)为反射阵面40中第i个宽带微带反射阵列单元的x向和y向坐标，其中1≤i≤n²；k₀为电磁波在真空中的传播常数，R_i为馈源50与第i个宽带微带反射阵列单元之间的欧氏距离，(θ₀,φ₀)为反射阵面的反射波束指向，θ₀指反射波束指向与Z轴的夹角，φ₀指反射波束指向与x向的夹角。

当垂直反射出去的时候，θ₀＝0，φ₀为任意数。公式完整形式为：

小括号里面其实是矢量运算后的形式，用直角坐标系表示的。

反射阵面40中每个宽带微带反射阵列单元与馈源50之间的距离不同，因此反射阵面 40中不同位置的所需要得补偿相位不同，即每个宽带微带反射阵列单元中内层圆弧或外层圆弧的张角不同，从而将馈源50发出的球面波经反射阵面40反射之后形成平面波。

步骤3、计算θ₁：将步骤计算的补偿相位

代入步骤1建立的相位变化曲线中，进而得到第i个宽带微带平面反射单元中的内层圆弧圆心角θ₁。

图6显示了本申请宽带反射阵列天线的E面辐射方向图，可以看出：9GHz、10GHz、11GHz所对应的方向图在主瓣完全重合，旁瓣电平均小于-15dBi。

图7为本发明宽带反射阵列天线的增益曲线，在8-12GHz范围内，最大增益可达24.16dBi，-1dB增益带宽可达23.2％，带宽得到明显展宽。整个天线具有良好的辐射特性，结构简单易于实现，具有较高的应用价值。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种宽带微带平面反射单元，用于形成宽带微带平面反射阵列天线，其特征在于：包括微带移相单元、介质基板和金属地板；

微带移相单元和金属地板分别印刷在介质基板的顶面和底面；

微带移相单元包括从内至外依次同心布设的内层谐振单元、中层谐振单元和外层谐振单元；

内层谐振单元包括直线金属带和对称布设在直线金属带两端的两条内层圆弧；

中层谐振单元包括位于两条内层圆弧外侧的两条中层圆弧；

外层谐振单元包括位于两条中层圆弧外侧的两条外层圆弧；

假设直线金属带所在长度方向为u轴，直线金属带的中心点为O₁，假设过中心点O₁且垂直于直线金属带长度方向的轴为v轴；每条内层圆弧的圆心角为θ₁，每个中层圆弧的圆心角为θ₂，每个外层圆弧的圆心角为θ₃；

则两条内层圆弧、两条中层圆弧和两条外层圆弧均关于u轴和v轴对称，且圆心均为O₁；同时，θ₃>θ₁，不同宽带微带平面反射单元的θ₃和θ₁不同，θ₃能随θ₁同步变化。

2.根据权利要求1所述的宽带微带平面反射单元，其特征在于：θ₁＝θ₃-16°。

3.根据权利要求2所述的宽带微带平面反射单元，其特征在于：对于不同宽带微带平面反射单元，θ₂角度固定，通过调节不同宽带微带平面反射单元中θ₁和θ₃的大小，进而调节宽带微带平面反射阵列天线的反射相位大小。

4.根据权利要求1所述的宽带微带平面反射单元，其特征在于：假设每条内层圆弧的径向厚度为w₁，每个中层圆弧的径向厚度为w₂，每个外层圆弧的径向厚度为w₃；则w₁>w₂，且w₁>w₃。

5.根据权利要求4所述的宽带微带平面反射单元，其特征在于：w₂＝w₃。

6.一种宽带微带平面反射阵列天线，其特征在于：包括馈源和反射阵面；馈源指向反射阵面的正中心O，用于对反射阵面进行空间馈电；

反射阵面由权利要求1-5任一项所述的宽带微带平面反射单元呈n×n的阵列排布形成，其中，n≥2。

7.根据权利要求6所述的宽带微带平面反射阵列天线，其特征在于：每个宽带微带平面反射单元的周期P均为入射波中心频率波长的0.5倍。

8.根据权利要求6所述的宽带微带平面反射阵列天线，其特征在于：馈源的形状为角锥喇叭状，馈源的馈电方式为正向馈电。

9.根据权利要求6所述的宽带微带平面反射阵列天线，其特征在于：通过调节每个宽带微带平面反射单元中θ₁和θ₃的大小，进而调节对应每个宽带微带平面反射单元的反射相位大小，使得反射相位的变化范围超过500°。

10.根据权利要求9所述的宽带微带平面反射阵列天线，其特征在于：反射阵面中第i个宽带微带平面反射单元中θ₁的计算方法，包括如下步骤：

步骤1、建立θ₁与相位变化曲线：将第i个宽带微带平面反射单元中的θ₁从60°按照设定角度间隔增加到170°，在每个设定角度点均通过测量得到对应的反射相位数据；其中，1≤i≤n²；然后，将得到的所有反射相位数据与对应设定角度点进行线性拟合，进而得到θ₁与相位变化曲线；

步骤2、计算补偿相位：采用如下公式(1)对第i个宽带微带平面反射单元所需要的补偿相位

进行计算：

式(1)中，(x_i,y_i)为第i个宽带微带反射阵列单元的x向和y向坐标；k₀为电磁波在真空中的传播常数，R_i为馈源与第i个宽带微带反射阵列单元之间的欧氏距离，(θ₀,φ₀)为反射阵面的反射波束指向，θ₀指反射波束指向与Z轴的夹角，其中，z轴是指馈源与反射阵面正中心O的连线；φ₀指反射波束指向与x向的夹角；

步骤3、计算θ₁：将步骤计算的补偿相位

代入步骤1建立的相位变化曲线中，进而得到第i个宽带微带平面反射单元中的内层圆弧圆心角θ₁。

Images