CN113314856A - 一种双频微带平面反射阵列天线 - Google Patents

一种双频微带平面反射阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双频微带平面反射阵列天线，其反射阵面包括呈阵列排布的若干个双频微带平面反射单元；每个双频微带平面反射单元均包括从上至下依次布设的Phoenix单元、上层介质基板、I型缝隙单元、下层介质基板和金属地板；每个双频微带平面反射单元均具有两条相互正交的对称轴，分别为u轴和v轴；Phoenix包括从内至外同心布设的内层开口环和外层开口环；I型缝隙单元包括“I”型缝隙。本发明采用Phoenix单元并通过调整内层开口环的半径，能在高频实现360°的相位变化；另外，采用I型缝隙单元并通过调整“I”型缝隙的长度，能在低频实现大于330°的相位变化。

Description

一种双频微带平面反射阵列天线
技术领域
本发明涉及微波与天线技术领域，特别是一种双频微带平面反射阵列天线。
背景技术
微带平面反射阵列天线结合了抛物面天线和相控阵天线的优点，具有体积小、重量轻、增益高、成本低等优点。但是，带宽窄是微带平面反射阵列天线的一个突出问题。往往通过对单元进行合理设计来扩宽带宽，例如使用多层结构、相位延迟线、多谐振结构等，还可以进行双频设计来进一步拓展带宽。
双频天线在扩展带宽的基础上，使得天线的应用更加灵活，更适应卫星通信的需求。双频平面反射阵列天线单元通常采用双层或单层结构，对于双层结构，通常高频单元在下层，上层采用金属面积较小的低频单元，或者采用高频单元在下层，充当低频单元的金属地。对于单层结构，设计复杂度往往较高，需要考虑单元结构之间的耦合以及两个频带之间的比例关系。而在综合考虑双频天线的工作频带、极化方式、工作带宽等要求下，需要设计一款结构简单，性能优越的天线。
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，而提供一种双频微带平面反射阵列天线，该双频微带平面反射阵列天线
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种双频微带平面反射阵列天线，包括反射阵面，反射阵面包括呈阵列排布的若干个双频微带平面反射单元。
每个双频微带平面反射单元均包括从上至下依次布设的Phoenix单元、上层介质基板、I型缝隙单元、下层介质基板和金属地板。
每个双频微带平面反射单元均具有两条相互正交的对称轴，分别为u轴和v轴。
Phoenix单元印刷在上层介质基板的顶面，Phoenix单元包括从内至外同心布设的内层开口环和外层开口环。
内层开口环包括关于v轴对称的两条内圆弧。
外层开口环包括关于v轴对称的两条外圆弧。
I型缝隙单元设置在上层介质基板和下层介质基板之间；I型缝隙单元包括中层金属板和蚀刻在中层金属板上的“I”型缝隙；“I”型缝隙包括长条缝隙和对称布设在长条缝隙两端的两个端部矩形缝隙；其中，长条缝隙位于v轴上且关于u轴对称。
金属地板印刷在下层介质基板的底面。
每条内圆弧的张角和每条外圆弧的张角均相等。
假设长条缝隙的宽度为w3，每个端部矩形缝隙的长度为w4，每个端部矩形缝隙的宽度为w5，则w4＞w5＞w3。
通过调整Phoenix单元中内层开口环的半径r1，能使高频实现360°的反射相位变化；通过调整I型缝隙单元中长条缝隙的长度l，能使低频实现大于330°的反射相位变化。
根据高频所需的反射相移，调整每个双频微带平面反射单元中r1的大小；根据低频所需的反射相移，调整每个双频微带平面反射单元中l的大小。
假设双频微带平面反射单元在反射阵面中呈n*n排列，其中，n≥2；则第i个双频微带平面反射单元中r1和l的计算方法，包括如下步骤：
步骤1、分别建立r1和l的相位变化曲线，建立方法为：
A、建立r1相位变化曲线：将第i个双频微带平面反射单元中的r1从1mm按照设定间隔增加到4.5mm，其中，1≤i≤n2；在每个r1值处，均测试一次高频的反射相位，进而得到高频时r1与反射相位的单元相位变化曲线。
B、建立l相位变化曲线：将第i个双频微带平面反射单元中的l从0.5mm按照设定的间隔增加到8.5mm，在每个l值处，均测试一次低频的反射相位，进而得到低频时l与反射相位的单元相位变化曲线；
步骤2、计算补偿相位：根据第i个双频微带平面反射单元在反射阵面坐标系中的坐标，计算得到第i个双频微带平面反射单元所需要的补偿相位，补偿相位包括高频反射相位和低频反射相位。
步骤3、计算r1和l：将步骤2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个反射单元中的r1和l值。
反射阵面坐标系的建立方法为：以反射阵面的中心为原点O，过原点O且平行于v轴的方向为x轴，过原点O且平行于u轴的方向为y轴，过原点O且垂直于反射阵面的方向为z轴；工作在高频时，馈源极化方向为x方向；工作在低频时，馈源极化方向为y方向；则第i个双频微带平面反射单元所需要的补偿相位
Figure BDA0003112765800000021
的计算公式为：
Figure BDA0003112765800000022
其中：(xi,yi)为第i个双频微带平面反射单元的x向和y向坐标；
k0为电磁波在真空中的传播常数。
Ri为馈源与第i个双频微带平面反射单元之间的欧氏距离。
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。
还包括均位于z轴正向的高频馈源和低频馈源，分别用于高频馈电和低频馈电；高频馈源和低频馈源的喇叭均为角锥喇叭，每个角锥喇叭的E面和H面方向图对称，两个角锥喇叭半功率波束宽度相等。
双频微带平面反射单元在反射阵面中的阵列周期为p，当工作在高频时，高频入射波中心频率波长为2p；当工作在低频时，低频入射波中心频率波长为3p。
上层介质基板的厚度大于下层介质基板的厚度，上层介质基板的介电常数大于下层介质基板的介电常数。
本发明具有如下有益效果：
1、本申请结构简单，采用双层结构，简单有效的在两个频带内实现所需要的相移曲线，采用Phoenix单元在高频实现360°的相位变化，采用I型缝隙单元在低频实现大于330°的相位变化。高频和低频变化时不会产生相互影响。由于Phoenix单元和I型缝隙单元所需要的电场极化方向相互正交，阵列天线可以实线两个正交的线性极化。
2、天线在低频，中心频率10GHz处增益可达21dBi，3-dB增益带宽为23％，在高频，中心频率15GHz处增益可达23.8dBi，3-dB增益带宽约为32％。
3、单元的高频结构和地频结构之间的参数变化不会产生影响，有利于提高天线的整体性能，同时两个频采用正交极化，进一步提高隔离度。
附图说明
图1显示了本发明一种双频微带平面反射单元的结构示意图。
图2显示了本发明中Phoenix单元(高频部分)的结构示意图。
图3显示了本发明中I型缝隙单元(低频部分)的结构示意图。
图4显示了本发明一种双频微带平面反射单元的侧视图。
图5显示了本发明中高频部分反射阵面的结构示意图。
图6显示了本发明中低频部分反射阵面的结构示意图。
图7显示了本发明一种双频带平面反射阵列天线工作在高频带的示意图。
图8显示了本发明一种双频带平面反射阵列天线工作在低频带的示意图。
图9显示了本发明一种双频微带平面反射单元在14GHz-16GHz的反射相位变化曲线。
图10显示了本发明一种双频微带平面反射单元在9GHz-11GHz的反射相位变化曲线。
图11显示了本发明一种双频微带平面反射单元中I型缝隙参数变化对Phoenix单元反射相位曲线的影响。
图12显示了本发明一种双频微带平面反射单元中Phoenix参数变化对I型缝隙单元反射相位曲线的影响。
图13显示了本发明一种双频带平面反射阵列天线在15GHZ的E面和H面方向图。
图14显示了本发明一种双频带平面反射阵列天线在10GHz的E面和H面方向图。
图15显示了本发明一种双频带平面反射阵列天线在12GHz-18GHz的增益曲线。
图16显示了本发明一种双频带平面反射阵列天线在8GHz-12GHz的增益曲线。
其中有：
10.Phoenix单元；
101.外层开口环；102.内层开口环；
20.上层介质基板；30.I型缝隙单元；40.下层介质基板；50金属地板；
60.反射阵面；
601.反射阵面高频结构；602反射阵面低频结构；
701.高频馈源；702.低频馈源。
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。
如图7和图8所示，一种双频微带平面反射阵列天线，包括馈源和反射阵面60。其中，馈源分为高频馈源701和低频馈源702。
高频馈源701和低频馈源702均指向反射阵面的正中心O，分别用于对反射阵面进行空间的高频或低频馈电。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＝90mm。
进一步，每个角锥喇叭的E面和H面方向图对称，两个角锥喇叭半功率波束宽度相等,能使得从馈源喇叭发出的电磁波能量更均匀的照射到反射阵面上。
反射阵面包括若干个呈n×n阵列排布的双频微带平面反射单元，其中，n≥2，优选n＝14，，共196个双频微带平面反射单元。
进一步，反射阵面的边长优选为D＝140mm，因此焦径比F/D约为0.64。这样设置后，能在保证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，以过正中心O相互垂直的两条对称轴分别为x向和y向，馈源与反射阵面正中心O的连线为z轴，则馈源位于+z方向。
另外，由于采用正馈形式，反射波束指向为+z方向，阵列工作在高频时的极化方向是x方向的线极化，工作在低频时的极化方向是y方向的线极化。
上述双频微带平面反射单元在反射阵面中的阵列周期为p，当工作在高频时，高频入射波中心频率波长为2p；当工作在低频时，低频入射波中心频率波长为3p。
如图1所示，每个双频微带平面反射单元均包括从上至下依次布设的Phoenix单元10、上层介质基板20、I型缝隙单元30、下层介质基板40和金属地板50。
金属地板印刷在下层介质基板的底面。
上层介质基板的厚度大于下层介质基板的厚度，上层介质基板的介电常数大于下层介质基板的介电常数。
在本实施例中，上层介质基板厚度优选为3mm，介电常数优选为3.55；下层介质基板厚度优选为1.524mm，介电常数优选为2.2。
每个双频微带平面反射单元均具有两条相互正交的对称轴，分别为u轴和v轴。其中，所有v轴均平行于反射阵面中的x轴，所有u轴均平行于反射阵面中的y轴。
Phoenix单元，也称高频结构，印刷在上层介质基板的顶面，如图2所示，Phoenix单元包括从内至外同心布设的内层开口环102和外层开口环101。
内层开口环包括关于v轴对称的两条内圆弧，每条内圆弧的张角均优选为θ＝140°，每条内圆弧的半径为r1，通过调整Phoenix单元中内层开口环的半径r1，能使高频实现360°的反射相位变化；根据高频所需的反射相移，调整每个双频微带平面反射单元中r1的大小，每条内圆弧的宽度均为w1。
外层开口环包括关于v轴对称的两条外圆弧，每条外圆弧的张角也均优选为θ＝140°，每条外圆弧的半径为r2＝4.5mm，每条外圆弧的宽度均为w2，优选w2＝w1。
I型缝隙单元，也称低频结构，设置在上层介质基板和下层介质基板之间；如图3所示，I型缝隙单元包括中层金属板和蚀刻在中层金属板上的“I”型缝隙；“I”型缝隙包括长条缝隙和对称布设在长条缝隙两端的两个端部矩形缝隙；其中，长条缝隙位于v轴上且关于u轴对称。
上述长条缝隙的长度为l，宽度为w3，每个端部矩形缝隙的长度为w4，每个端部矩形缝隙的宽度为w5，则w4＞w5＞w3。在本实施例中，l为变量，其余尺寸优选为w4＝2.6mm，w5＝0.7mm，w3＝0.4mm。
上述长条缝隙的长度l，在本申请中是指两个端部矩形缝隙之间的间距。假设两个端部矩形缝隙分别为顶端部矩形缝隙和底端部矩形缝隙；则长度l为顶端部矩形缝隙中心至底端部矩形缝隙中心的距离。
通过调整上述长条缝隙的长度l，能使低频实现大于330°的反射相位变化。故而，根据低频所需的反射相移，调整每个双频微带平面反射单元中l的大小。
第i个双频微带平面反射单元中r1和l的计算方法，包括如下步骤。
步骤1、分别建立r1和l的相位变化曲线，建立方法为：
A、建立r1相位变化曲线：将第i个双频微带平面反射单元中的r1从1mm按照设定间隔增加到4.5mm，其中，1≤i≤n2；在每个r1值处，均测试一次高频的反射相位，进而得到高频时r1与反射相位的单元相位变化曲线。
图9显示了Phoenix单元在14GHz-16GHz的反射相位变化曲线，可以看出在中心频率15GHz处，单元的反射相位变化范围为360°，同时在不通过频率下的相位变化曲线大致保持平行，且线性度良好，符合微带平面反射阵列单元的设计要求。
B、建立l相位变化曲线：将第i个双频微带平面反射单元中的l从0.5mm按照设定的间隔增加到8.5mm，在每个l值处，均测试一次低频的反射相位，进而得到低频时l与反射相位的单元相位变化曲线。
图10显示了I型缝隙单元在9GHz-11GHz的反射相位变化曲线，可以看出在中心频率10GHz处，单元的反射相位变化范围为330°；同时在不通过频率下的相位变化曲线大致保持平行，且线性度良好，符合微带平面反射阵列单元的设计要求。
同时，从图11可以看出，在不同l值的情况下，Phoenix单元的相位变化曲线几乎重合，证明I型缝隙单元的参数变化对其没有影响，同理，从图12可以看出，Phoenix单元的参数变化对I型缝隙单元的相位变化曲线的影响可以忽略不计。
步骤2、计算补偿相位：根据第i个双频微带平面反射单元在反射阵面坐标系中的坐标，计算得到第i个双频微带平面反射单元所需要的补偿相位，补偿相位包括高频反射相位和低频反射相位。
第i个双频微带平面反射单元所需要的补偿相位
Figure BDA0003112765800000071
的计算公式为：
Figure BDA0003112765800000072
其中：(xi,yi)为第i个双频微带平面反射单元的x向和y向坐标。
k0为电磁波在真空中的传播常数。
Ri为馈源与第i个双频微带平面反射单元之间的欧氏距离。
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。
反射阵面中每个双频微带反射阵列单元与馈源之间的距离不同，因此反射阵面中不同位置的所需要得补偿相位不同，即每个反射阵列单元中Phoenix单元的内层开口环半径和I型缝隙单元的长度不同，从而将馈源发出的球面波经反射阵面反射之后形成平面波。
步骤3、计算r1和l：将步骤2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个反射单元中的r1和l值。
图13显示了双频微带平面反射阵列天线在15GHz的E面和H面方向图，可以看出E面方向图旁瓣电平低于-16dB，H面方向图旁瓣电平低于-17dB。图14显示了双频微带平面反射阵列天线在10GHz的E面和H面方向图，可以看出E面旁瓣电平低于-14dB，H面方向图旁瓣电平低于-17.5dB。
图15显示了阵列天线在高频处的增益曲线，可以看出15GHz时，增益可达23.8dBi，3-dB增益带宽约为32％；图16显示了阵列天线在8GHz-12GHz的增益曲线，可以看出10GHz处增益可达21dBi，3-dB增益带宽为23％。
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)

1.一种双频微带平面反射阵列天线，其特征在于：包括反射阵面，反射阵面包括呈阵列排布的若干个双频微带平面反射单元；
每个双频微带平面反射单元均包括从上至下依次布设的Phoenix单元、上层介质基板、I型缝隙单元、下层介质基板和金属地板；
每个双频微带平面反射单元均具有两条相互正交的对称轴，分别为u轴和v轴；
Phoenix单元印刷在上层介质基板的顶面，Phoenix单元包括从内至外同心布设的内层开口环和外层开口环；
内层开口环包括关于v轴对称的两条内圆弧；
外层开口环包括关于v轴对称的两条外圆弧；
I型缝隙单元设置在上层介质基板和下层介质基板之间；I型缝隙单元包括中层金属板和蚀刻在中层金属板上的“I”型缝隙；“I”型缝隙包括长条缝隙和对称布设在长条缝隙两端的两个端部矩形缝隙；其中，长条缝隙位于v轴上且关于u轴对称；
金属地板印刷在下层介质基板的底面。
2.根据权利要求1所述的双频微带平面反射阵列天线，其特征在于：每条内圆弧的张角和每条外圆弧的张角均相等。
3.根据权利要求1所述的双频微带平面反射阵列天线，其特征在于：假设长条缝隙的宽度为w3，每个端部矩形缝隙的长度为w4，每个端部矩形缝隙的宽度为w5，则w4＞w5＞w3。
4.根据权利要求1所述的双频微带平面反射阵列天线，其特征在于：通过调整Phoenix单元中内层开口环的半径r1，能使高频实现360°的反射相位变化；通过调整I型缝隙单元中长条缝隙的长度l，能使低频实现大于330°的反射相位变化。
5.根据权利要求4所述的双频微带平面反射阵列天线，其特征在于：根据高频所需的反射相移，调整每个双频微带平面反射单元中r1的大小；根据低频所需的反射相移，调整每个双频微带平面反射单元中l的大小。
6.根据权利要求5所述的双频微带平面反射阵列天线，其特征在于：假设双频微带平面反射单元在反射阵面中呈n*n排列，其中，n≥2；则第i个双频微带平面反射单元中r1和l的计算方法，包括如下步骤：
步骤1、分别建立r1和l的相位变化曲线，建立方法为：
A、建立r1相位变化曲线：将第i个双频微带平面反射单元中的r1从1mm按照设定间隔增加到4.5mm，其中，1≤i≤n2；在每个r1值处，均测试一次高频的反射相位，进而得到高频时r1与反射相位的单元相位变化曲线；
B、建立l相位变化曲线：将第i个双频微带平面反射单元中的l从0.5mm按照设定的间隔增加到8.5mm，在每个l值处，均测试一次低频的反射相位，进而得到低频时l与反射相位的单元相位变化曲线；
步骤2、计算补偿相位：根据第i个双频微带平面反射单元在反射阵面坐标系中的坐标，计算得到第i个双频微带平面反射单元所需要的补偿相位，补偿相位包括高频反射相位和低频反射相位；
步骤3、计算r1和l：将步骤2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个反射单元中的r1和l值。
7.根据权利要求6所述的双频微带平面反射阵列天线，其特征在于：反射阵面坐标系的建立方法为：以反射阵面的中心为原点O，过原点O且平行于v轴的方向为x轴，过原点O且平行于u轴的方向为y轴，过原点O且垂直于反射阵面的方向为z轴；工作在高频时，馈源极化方向为x方向；工作在低频时，馈源极化方向为y方向；则第i个双频微带平面反射单元所需要补偿相位
Figure FDA0003112765790000021
的计算公式为：
Figure FDA0003112765790000022
其中：(xi,yi)为第i个双频微带平面反射单元的x向和y向坐标；
k0为电磁波在真空中的传播常数；
Ri为馈源与第i个双频微带平面反射单元之间的欧氏距离；
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。
8.根据权利要求7所述的双频微带平面反射阵列天线，其特征在于：还包括均位于z轴正向的高频馈源和低频馈源，分别用于高频馈电和低频馈电；高频馈源和低频馈源的喇叭均为角锥喇叭，每个角锥喇叭的E面和H面方向图对称，两个角锥喇叭半功率波束宽度相等。
9.根据权利要求1所述的双频微带平面反射阵列天线，其特征在于：双频微带平面反射单元在反射阵面中的阵列周期为p，当工作在高频时，高频入射波中心频率波长为2p；当工作在低频时，低频入射波中心频率波长为3p。
10.根据权利要求1所述的双频微带平面反射阵列天线，其特征在于：上层介质基板的厚度大于下层介质基板的厚度，上层介质基板的介电常数大于下层介质基板的介电常数。
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