CN113078461B - 一种基于镜像对称法的反射阵列天线单元 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于镜像对称法的反射阵列天线单元，属于天线技术领域。高效反射阵列天线单元由第一金属片(1)、第一介质板(2)和第二金属片(3)组成。第一金属片(1)设置为四个尺寸完全相同的扇形结构(11)和一个开口圆环(12)组成不对称结构，具有变极化的特性，即入射波与反射波极化正交。第二金属片(3)呈方形，作为单元的反射金属板。第一介质板(2)选为Rogers5880，介电常数是2.2，损耗角的正切值是0.0009。本发明的工作频率为10.0GHz，单元的幅度具有稳定性，其平均反射幅度为‑0.2dB。本发明采用镜像对称法设计反射阵列单元结构，降低单元结构变化引起的非周期性影响，实现360°的反射相位覆盖，提高反射阵列效率。

Description

一种基于镜像对称法的反射阵列天线单元
技术领域
本发明属于天线领域，具体涉及一种基于镜像对称法的反射阵列天线单元。
背景技术
反射阵列天线是一种新型的高增益天线，它结合了反射面天线和微带阵列的优点，除了具有极低的剖面、轻巧和易于加工的结构、辐射效率高、成本低、无需复杂的馈电网络外，还可以单独控制反射阵列单元的相位，从而大大提高反射阵列辐射特性的灵活性。更重要的是，与透射阵列天线相比，反射阵列通常具有更简单的单元结构，并且反射阵列的馈源入射空间与辐射波束出射空间共享同一空间，大大提升了空间利用率。为了获得较高的效率，通常采用多个金属层和介质层堆叠的方式来设计反射阵列单元。除此之外，在单元介质层上打孔使金属层直接耦合、使用折叠天线构型、使用薄膜技术和超材料等方法也可以用来提升反射阵列天线单元的性能，但是反射阵列的单元结构变得更为复杂且不易加工，且成本较高。为了简化单元结构和提升反射阵列效率，本发明提出了一种基于镜像对称法的反射阵列天线单元，其通过镜像对称的方法改变单元金属贴片尺寸使单元实现360°连续相位变化，改善单元尺寸变化引起的非周期性，降低单元结构的复杂度，提高单元性能，从而提高反射阵列的效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于镜像对称法的反射阵列天线单元。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于镜像对称法的反射阵列天线单元，该天线单元自上至下包括：第一金属片(1)、第一介质板(2)、第二金属片(3)；所提出的反射阵列天线单元是平面结构，且沿xoy水平放置；
进一步，所述基于镜像对称法的反射阵列天线单元的第一金属片(1)和第二金属片(3)分别在第一介质板(2)的上下两侧；所述第一金属片(1)设置为四个扇形结构(11)和一个圆环开口结构(12)组成的不对称结构；所述四个扇形结构(11)尺寸相同且沿着z轴旋转对称分布，圆环开口结构(12)沿四个扇形结构的周向串接四个扇形结构，圆环开口结构(12)的左上角设置一个矩形开口(13)，且矩形开口(13)位于左上角的两个相邻扇形之间；所述第二金属片(3)与第一介质板(2)在xoy面上尺寸相同；
进一步，所述基于镜像对称法的反射阵列天线单元的第一介质板(2)设置为Rogers 5880，介电常数是2.2，损耗角的正切值是0.0009，所述第一介质板(2)的厚度为3.175mm；
进一步，所述基于镜像对称法的反射阵列天线单元具有变极化的特性，当入射波的极化方向沿x方向时，反射波的极化方向沿y方向；当入射波的极化方向沿y方向时，反射波的极化方向沿x方向；入射波与反射波极化正交，实现极化隔离；
进一步，所述基于镜像对称法的反射阵列天线单元通过改变第一金属片(1)长度和矩形开口(13)宽度，实现反射波相位和幅度的改变，实现0°～180°相位连续变化；
进一步，所述基于镜像对称法的反射阵列天线单元经过镜像对称后做相同的尺寸变化实现180°～360°相位连续变化；
进一步，所述基于镜像对称法的反射阵列天线单元的工作频点为10.0GHz，单元的幅度具有稳定性，其平均反射幅度为-0.2dB；通过改善单元尺寸变化过程中的非周期性，提高单元相位覆盖能力，降低单元结构的复杂度，从而提高反射阵列天线的效率。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.相较于金属打孔、多层结构或折叠天线构型，本发明基于镜像对称法的反射阵列天线单元采用了镜像对称法缩小单元尺寸变化范围，降低阵列单元结构复杂度和非周期性的影响，提高天线辐射效率；
2.本发明的基于镜像对称法的反射阵列天线单元具有变极化的特性，入射波与反射波极化正交，实现极化正交隔离；
3.本发明的基于镜像对称法的反射阵列天线单元通过优化单元结构使单元获得较好的反射幅度，降低单元损耗。
4.本发明的基于镜像对称法的反射阵列天线单元选用厚度为3.175mm的Rogers5880材料作为第一介质板，在高频板材中成本较低，在保持低损耗天线性能的同时还具有小型化、集成化的特点。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
1-第一金属片，2-第一介质板，3-第二金属片，11-四个扇形结构；12-圆环开口结构；13-矩形开口。
图1为本发明的基于镜像对称法的反射阵列天线单元的整体结构示意图；
图2为本发明的基于镜像对称法的反射阵列天线单元的初始阵列单元俯视图；
图3为本发明的基于镜像对称法的反射阵列天线单元的镜像阵列单元俯视图；
图4为本发明的基于镜像对称法的反射阵列天线单元的反射幅度图；
图5为本发明的基于镜像对称法的反射阵列天线单元的反射相位图；
图6为本发明的基于镜像对称法的反射阵列天线单元组成反射阵天线结构图；
图7为本发明的基于镜像对称法的反射阵列天线单元组成的反射阵列效率图；
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。根据以下说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰的辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征、优点能够更加明显易懂，请参阅附图。
本发明提供了一种基于镜像对称法的反射阵列天线单元，具体实施方式如下：
参阅图1和图2基于镜像对称法的反射阵列天线单元由第一金属片(1)、第一介质板(2)和第二金属片(3)组成；所述基于镜像对称法的反射阵列天线单元是平面结构，且沿xoy水平放置；所述基于镜像对称法的反射阵列天线单元的第一金属片(1)和第二金属片(3)分别在第一介质板(2)的上下两侧；所述第一金属片(1)设置为四个扇形结构(11)和一个圆环开口结构(12)组成；所述四个扇形结构(11)尺寸相同且沿着z轴旋转对称分布，圆环开口结构(12)沿四个扇形结构的周向串接四个扇形结构，圆环开口结构(12)的左上角设置一个矩形开口(13)，且矩形开口(13)位于左上角的两个相邻扇形之间；所述基于镜像对称法的反射阵列天线单元的第一介质板(2)设置为Rogers 5880，介电常数是2.2，损耗角的正切值是0.0009，所述第一介质板(2)的厚度h为3.175mm；所述第二金属片(3)与第一介质板(2)在xoy面上尺寸相同；所述基于镜像对称法的反射阵列天线单元因为圆环开口结构(12)的不对称性，入射波与反射波极化正交，具有变极化特性，实现极化正交隔离；所述基于镜像对称法的反射阵列天线单元通过改变第一金属片(1)长度和矩形开口(13)宽度，实现反射波相位和幅度的改变，实现0°～180°相位连续变化；所述基于镜像对称法的反射阵列天线单元经过镜像对称后做相同尺寸变化实现180°～360°相位连续变化，验证镜像法可以降低单元尺寸变化范围。
本发明中，反射阵列天线单元的工作频点为10.0GHz，第一金属片(1)长度具体变化范围为L1＝6.1～8.5mm；矩形开口(13)宽度在L1＝6.1到7.5mm变化范围内满足W1＝8－L1mm，在L1＝7.6到8.5mm变化范围内满足W1＝L1－6.6mm；扇形结构(11)的半椭圆短轴尺寸为d1＝1mm。圆环开口结构(12)的内半径R1＝2.4mm，外半径R2＝2.7mm。第一介质板(2)长宽均为P＝15mm，厚度h＝3.175mm。第二金属片(3)长宽均为P＝15mm。本实例中，为了抑制阵列出现栅瓣，优选天线单元尺寸小于等于1/2个波长，即选为15mm×15mm。
图3是基于镜像对称法的反射阵列天线单元的反射幅度随第一金属片长度L1变化曲线图，分别为初始单元和镜像单元两种情况。仿真结果显示，单元的幅度具有稳定性，其平均反射幅度达到-0.2dB。在这两种情况下，单元的反射幅度随第一金属片长度变化几乎是一致的，验证镜像对称法不会影响该单元的反射幅度。
图4是基于镜像对称法的反射阵列天线单元的反射相位随第一金属片长度L1变化曲线图，分别为初始单元和镜像单元两种情况。仿真结果显示，镜像单元与初始单元的反射相位相差180°，当初始单元反射相位从360°变化到180°，镜像单元从180°变化到0°，验证本发明提出的镜像对称法实现的反射阵列单元实现了360°反射相位连续变化。
图5是将基于镜像对称法的反射阵列天线单元在垂直和水平方向拓展，使用676个单元组成26×26二维方形口面反射阵天线结构，相邻单元间距为15mm，并沿着x轴和y轴的方向延展。
图6是基于镜像对称法的反射阵列天线单元构成的反射阵列天线在不同频率下的效率曲线图。仿真结果显示，反射阵列天线在工作频点10.0GHz处时效率达到了61.2％，验证本发明提出的基于镜像对称法的反射阵列天线单元可以提高阵列天线的效率。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种基于镜像对称法的反射阵列天线单元，该天线单元自上至下包括：第一金属片(1)、第一介质板(2)和第二金属片(3)，所提出的反射阵列天线单元是平面结构，且沿xoy水平放置；其特征是第一金属片(1)和第二金属片(3)分别在第一介质板(2)的上下两侧，所述第一金属片(1)设置为四个扇形结构(11)和一个圆环开口结构(12)组成的不对称结构；所述四个扇形结构(11)尺寸相同且沿着z轴旋转对称分布，圆环开口结构(12)沿四个扇形结构的周向串接四个扇形结构，圆环开口结构(12)的左上角设置一个矩形开口(13)，且矩形开口(13)位于左上角的两个相邻扇形之间；所述第二金属片(3)与第一介质板(2)在xoy面上尺寸相同，第一介质板(2)设置为Rogers 5880，介电常数是2.2，损耗角的正切值是0.0009，所述第一介质板(2)的厚度为3.175mm。
2.根据权利要求1所述基于镜像对称法的反射阵列天线单元，该天线单元具有变极化的特性，当入射波的极化方向沿x方向时，反射波的极化方向沿y方向；当入射波的极化方向沿y方向时，反射波的极化方向沿x方向；入射波与反射波极化正交，实现极化正交隔离。
3.根据权利要求1所述的基于镜像对称法的反射阵列天线单元，该天线单元通过改变第一金属片(1)长度和矩形开口(13)宽度，实现反射波相位和幅度的改变，实现0°～180°反射相位连续变化。
4.根据权利要求3所述的基于镜像对称法的反射阵列天线单元，该天线单元经过镜像对称后做相同的尺寸变化实现180°～360°反射相位连续变化。
5.根据权利要求1所述的基于镜像对称法的反射阵列天线单元，该天线单元的工作频点为10.0GHz，实现0°～360°相位连续变化，天线单元的平均反射幅度为-0.2dB。
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