CN113314853A - 一种自适应平面反射/散射阵天线 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种自适应平面反射/散射阵天线。所述天线包括：喇叭天线与平面反射阵，喇叭天线在平面反射阵的中心轴线上，并且喇叭天线与平面反射阵的距离为中心频率的自由空间波长的倍数；平面反射阵包括：金属地板、介质基底和反射阵元；反射阵元由多个不同尺寸的工字型金属单元组成；每个工字型金属单元中间放置二极管单元；工字型金属单元的尺寸由所在反射阵元中的位置确定；二极管单元包括零偏状态和导通状态；当天线正常工作时，二极管单元处于零偏状态，当天线受到强磁辐射时，二极管单元处于导通状态。采用方案可以提高平面反射阵天线的防护能力。

Description

一种自适应平面反射/散射阵天线

技术领域

本申请涉及天线技术领域，特别是涉及一种自适应平面反射/散射阵天线。

背景技术

随着无线通讯技术的不断发展，抛物面天线因其高增益、低副瓣的特点被广泛应用于卫星通信、雷达等领域。抛物面天线由金属抛物面和置于抛物面焦点上的馈源组成，馈源发射的球面波经抛物面反射后沿抛物面轴线方向以平面波的形式向空间中传播。

然而，抛物面天线复杂的曲面对制造工艺的要求极高，加工困难，成本高。此外，当今电磁环境日益复杂，许多电子设备面临强电磁辐射场的威胁，电子设备对电磁防护的要求日益提高。目前抛物面天线的防护一般包括馈源防护与整机防护，馈源防护会明显降低天线的增益，以致干扰抛物面天线的正常工作，整机防护是在天线外围加载强电磁防护罩，一方面由于难以共形，会影响天线的气动外形，另一方面会极大增加天线罩设计加工的成本。

为突破传统抛物面天线的限制，平面反射阵天线成为了研究热点。它采用平面结构代替抛物面结构，具有体积小、成本低、易加工等优点。平面反射阵天线由两部分组成，馈源天线和平面反射阵，馈源一般采用喇叭天线、振子天线等弱方向性的天线作为激励，平面反射阵由三层结构组成，包括反射阵元、基底和金属地板。当馈源发射的电磁波以入射至反射阵元所在的平面，电磁波到达不同阵元的路程不同，会产生不同的相位差，相位差可通过广义反射定律得到。通过合理设计反射阵元结构的排布，使其在不同位置提供不同的相位补偿，使反射阵元反射的电磁波在平面反射阵表面实现等相位，而后以平面波的形式继续向远场传播。

目前平面反射阵天线的设计已经非常成熟，而且功能趋向于多样化，但面对强电磁辐射时缺少有效的防护手段，无法满足应用需求。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够解决平面反射阵天线防护措施少问题的自适应平面反射/散射阵天线。

一种自适应平面反射/散射阵天线，所述天线包括：

喇叭天线与平面反射阵，所述喇叭天线在所述平面反射阵的中心轴线上，并且所述喇叭天线与所述平面反射阵的距离为中心频率的自由空间波长的倍数；

所述平面反射阵包括：金属地板、介质基底和反射阵元；

所述反射阵元由多个不同尺寸的工字型金属单元组成；每个所述工字型金属单元中间放置二极管单元；所述工字型金属单元的尺寸由所在所述反射阵元中的位置确定；所述二极管单元包括零偏状态和导通状态；当天线正常工作时，所述二极管单元处于零偏状态，当天线受到强磁辐射时，所述二极管单元处于导通状态。

在其中一个实施例中，还包括：所述工字型金属单元包括：上金属臂、下金属臂和金属连接臂；所述金属连接臂包括上金属连接臂和下金属连接臂；所述上金属连接臂和下金属连接臂的尺寸相同，且通过所述二极管单元连接。

在其中一个实施例中，还包括：所述上金属臂和下金属臂的尺寸相同，所述工字型金属单元的尺寸由所述上金属臂和所述下金属臂的长度确定。

在其中一个实施例中，还包括：所述二极管单元包括两个并联放置且极性相反的二极管。

在其中一个实施例中，还包括：所述反射阵元包括25×25个单元格，每个单元格对应一个工字型金属单元，每个单元格的边长为10mm。

在其中一个实施例中，还包括：所述介质基底选用Rogers RT5880，介电常数为2.2，厚度为1.575mm。

在其中一个实施例中，还包括：所述二极管的型号为NSR201MX。

上述一种自适应平面反射/散射阵天线，天线正常工作时，反射阵元上的二极管处于零偏状态，可以将喇叭天线发射的电磁波转换为平面波，增益高，副瓣电平低；当天线受到强电磁辐射时，反射阵元上的二极管单元导通，每个单元补偿的相位发生变化，反射阵转化为散射阵，将入射电磁波进行散射，从而实现防护效果。

附图说明

图1为一个实施例中自适应平面反射/散射阵天线的结构图；

图2为一个实施例中平面反射阵的结构图；

图3为一个实施例中反射阵元的结构图；

图4为一个实施例中工字型金属单元的结构图；

图5为一个实施例中抛物面天线的结构图；

图6为另一个实施例中平面反射阵天线的结构图；

图7为一个实施例中反射阵元相位补偿图；

图8为一个实施例中工字型结构参数示意图；

图9为一个实施例中a与9.3GHz下单元相位φ的关系图；

图10为一个实施例中平面反射阵天线仿真示意图；

图11为一个实施例中防护效果仿真示意图；

图12为一个实施例中天线在工作与防护两种状态下的驻波示意图。

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。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种自适应平面反射/散射阵天线，包括：

喇叭天线100与平面反射阵200，喇叭天线100在平面反射阵200的中心轴线上，并且喇叭天线100与平面反射阵200的距离为中心频率的自由空间波长的倍数。例如，可以选择5倍中心频率的自由空间波长作为二者的距离。

如图2所示，平面反射阵200包括：金属地板210、介质基底220和反射阵元230。

如图3所示，反射阵元230由多个不同尺寸的工字型金属单元组成；每个工字型金属单元中间放置二极管单元；工字型金属单元的尺寸由所在反射阵元230中的位置确定；二极管单元包括零偏状态和导通状态；当天线正常工作时，二极管单元处于零偏状态，当天线受到强磁辐射时，二极管单元处于导通状态。工字型金属单元为本发明中选择的其中一种形式，改变工字型的长边边长，可以实现接近-180到180的相位补偿。如果其他结构可以实现上述相同效果，也可以作为本发明的金属单元。

上述能量选择平面反射阵天线中，天线正常工作时，反射阵元上的二极管处于零偏状态，可以将喇叭天线发射的电磁波转换为平面波，增益高，副瓣电平低；当天线受到强电磁辐射时，反射阵元上的二极管单元导通，每个单元补偿的相位发生变化，反射阵转化为散射阵，将入射电磁波进行散射，从而实现防护效果。

在其中一个实施例中，如图4所示，工字型金属单元包括：上金属臂310、下金属臂320和金属连接臂330；金属连接臂330包括上金属连接臂331和下金属连接臂332；上金属连接臂331和下金属连接臂332的尺寸相同，且通过二极管单元连接。

在其中一个实施例中，上金属臂310和下金属臂320的尺寸相同，工字型金属单元的尺寸由上金属臂310和下金属臂320的长度确定。本实施例中，其中每一个工字型金属单元的尺寸通过广义斯奈尔反射定律计算得到。

在其中一个实施例中，二极管单元包括两个并联放置且极性相反的二极管。本实施例中，可以提高平面反射阵天线的耐受场强。

在其中一个实施例中，反射阵元包括25×25个单元格，每个单元格对应一个工字型金属单元，每个单元格的边长为10mm。

在其中一个实施例中，介质基底选用Rogers RT5880，介电常数为2.2，厚度为1.575mm。

在其中一个实施例中，二极管的型号为NSR201MX。

具体的，以主波束内30dB以上的防护为设计目标进行设计，具体过程如下：

对于抛物面天线而言，如图5所示，置于焦点处的馈源发射的球面波经抛物面反射以平面波的形式传播。平面反射阵天线以平面代替抛物面天线的金属抛物面，当馈源发射的电磁波以入射至反射阵元所在的平面，电磁波到达不同阵元的路程不同，会产生不同的相位差，相位差可通过广义反射定律得到。通过合理设计反射阵元结构的排布，使其在不同位置提供不同的相位补偿，使反射阵元反射的电磁波在平面反射阵表面实现等相位，而后以平面波的形式继续向远场传播。

本发明采用25×25的平面反射阵，单元尺寸为10mm。每个单元位置需要补偿不同的相位，以保证从馈源发射的电磁波经平面反射阵反射后等相位面为平面。如图6所示，喇叭天线置于平面反射阵中心轴线方向，二者相距L，设待计算的反射阵元单元中心距离平面反射阵中心为d，由喇叭天线发射的电磁波入射至待计算反射阵元单元中心的距离为

与平面反射阵中心相比相位滞后了

其中k为自由空间波数。因此，若使平面反射阵反射的电磁波的等相位面为平面，待计算的反射阵元单元应补偿相位为Δ，经计算，反射阵元相位补偿图如图7所示。

本发明的反射阵元采用工字型结构，如图8所示，工字型中心为正反连接的两个二极管，其中：p＝10mm，g＝0.8mm，w＝0.5mm，a为变量，二极管型号为NSR201MX，零偏状态可以等效为电容与电感串联，C1＝0.15pF，L1＝0.45nH，导通时等效为电阻与电感串联，R2＝12.2Ω，L2＝0.45nH。本发明采用周期性边界的仿真方法，将工字型长边a进行参数扫描，建立a与9.3GHz下单元相位φ的关系，如图9所示，该单元结构可以实现-176°到178°的相位补偿。

本发明的自适应平面反射/散射阵天线包括喇叭天线与平面反射阵。平面反射阵由三层结构组成，自下而上分别为金属地板、介质基底和反射阵元。基底材料为RogersRT5880。其介电常数为2.2，厚度为1.575mm。反射阵元材料为金属铜，为25×25的工字型阵列结构。将得到的不同长边的工字形结构的相位补偿与第一步不同位置所需的相位补偿信息对应起来，可以得到反射阵元每个工字型单元的具体尺寸。如图10所示，利用MATLAB联合CST仿真对平面反射阵天线进行建模，喇叭天线工作在X波段，将喇叭天线置于平面阵中心位置处，距离为150mm。

正常工作时，二极管处于零偏状态，等效为C1＝0.15pF的电容与L1＝0.45nH的电感串联，主波束沿平面反射阵中心轴线方向，增益为21.5dB；当平面反射天线受到强电磁场辐射时，二极管导通，等效为R2＝12.2Ω的电阻与L2＝0.45nH的电感串联，主波束明显偏离中心轴线方向，主波束内可以实现30dB以上的防护，仿真结果如图11所示，天线在工作与防护两种状态下的驻波如图12所示，可以看出工作状态驻波小于-10dB。

本发明实现了工作在9.3GHz的自适应平面反射/散射阵天线。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种自适应平面反射/散射阵天线，其特征在于，所述天线包括：

喇叭天线与平面反射阵，所述喇叭天线在所述平面反射阵的中心轴线上，并且所述喇叭天线与所述平面反射阵的距离为中心频率的自由空间波长的倍数；

所述平面反射阵包括：金属地板、介质基底和反射阵元；

所述反射阵元由多个不同尺寸的工字型金属单元组成；每个所述工字型金属单元中间放置二极管单元；所述工字型金属单元的尺寸由所在所述反射阵元中的位置确定；所述二极管单元包括零偏状态和导通状态；当天线正常工作时，所述二极管单元处于零偏状态，当天线受到强磁辐射时，所述二极管单元处于导通状态。

2.根据权利要求1所述的自适应平面反射/散射阵天线，其特征在于，所述工字型金属单元包括：上金属臂、下金属臂和金属连接臂；所述金属连接臂包括上金属连接臂和下金属连接臂；

所述上金属连接臂和下金属连接臂的尺寸相同，且通过所述二极管单元连接。

3.根据权利要求2所述的自适应平面反射/散射阵天线，其特征在于，所述上金属臂和下金属臂的尺寸相同，所述工字型金属单元的尺寸由所述上金属臂和所述下金属臂的长度确定。

4.根据权利要求1至3任一项所述自适应平面反射/散射阵天线，其特征在于，所述二极管单元包括两个并联放置且极性相反的二极管。

5.根据权利要求1至3任一项所述自适应平面反射/散射阵天线，其特征在于，所述反射阵元包括25×25个单元格，每个单元格对应一个工字型金属单元，每个单元格的边长为10mm。

6.根据权利要求1至3任一项所述自适应平面反射/散射阵天线，其特征在于，所述介质基底选用Rogers RT5880，介电常数为2.2，厚度为1.575mm。

7.根据权利要求4所述的自适应平面反射/散射阵天线，其特征在于，所述二极管的型号为NSR201MX。

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