CN113823904B - 一种e波段高增益平面反射阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种E波段高增益平面反射阵天线，包括馈源喇叭和反射阵面，反射阵面包括M×N个周期性等间距排列的反射阵天线单元，M、N均为大于2的整数；反射阵天线单元包括介质板、金属层、金属反射板，介质板设置在金属层和金属反射板之间；金属层包括开环耦合槽、圆形贴片、手柄状贴片、边缘为方形的耦合金属片，圆形贴片为开环耦合槽包围的圆形区域，手柄状贴片为开环耦合槽的开口区域，手柄状贴片连接圆形贴片和耦合金属片。本发明结构简单，在E波段没有采用微纳加工工艺，而是采用PCB加工工艺实现大规模组阵，加工难度低，降低了成产成本；实测带宽大于10％、实测工作频段70GHz‑80GHz、增益大于25dB，交叉极化小于20dB，适合地面通信和卫星通信。

Description

一种E波段高增益平面反射阵天线
技术领域
本发明属于天线工程技术领域，尤其涉及一种E波段高增益平面反射阵天线。
背景技术
随着空、天、海、地网络一体化的发展和信息传输、融合、共享的战略需求，无线通信技术越来越重要，其要求的数据流越来越大，为了使传输数据量成倍增加，需要提高工作频率，增加通信带宽。目前Ka频段(26-40GHz)的高级CDL的数据传输速率为3Gb/s，要将几百个空间网络与地面网络连接起来需要每秒千兆字节的数据速率，宽带E波段(70-80GHz)毫米波技术是最佳的选择，有望达到100Gb/s的传输速率，天线作为无线通信系统的眼睛，需要高频率、宽带宽，窄波束。因此，有必要提出一种E波段高增益平面反射阵天线。
发明内容
针对上述现有技术中存在的无线通信技术要求的数据流越来越大，为了使传输数据量成倍增加，需要提高工作频率，增加通信带宽的技术问题，本发明的目的在于提供一种E波段高增益平面反射阵天线。
为达到上述目的，本发明提出了一种E波段高增益平面反射阵天线，包括馈源喇叭和反射阵面，反射阵面包括M×N个周期性等间距排列的反射阵天线单元，M、N均为大于2的整数；反射阵天线单元包括介质板、金属层、金属反射板，介质板设置在金属层和金属反射板之间；金属层包括开环耦合槽、圆形贴片、手柄状贴片、边缘为方形的耦合金属片，圆形贴片为开环耦合槽包围的圆形区域，手柄状贴片为开环耦合槽的开口区域，手柄状贴片连接圆形贴片和耦合金属片。
另外，反射阵天线单元关于一条对角线对称。本发明提供的平面反射阵天线结构单元包括一层金属层、一层介质板、一层金属反射板，没有复杂的馈电结构和复杂的偏置线结构，结构简单。结构简单的平面反射阵天线没有金属化孔，没有复杂的偏置网络，反射阵天线在PCB加工精度0.127mm的变化范围内性能变化很小，鲁棒性高，可以采用PCB加工工艺，加工难度低。反射阵天线单元的设计使得带宽宽。
进一步地，反射阵天线单元的状态分为第一状态和第二状态，第一状态的反射阵天线单元顺时针旋转90°得到第二状态的反射阵天线单元。
进一步地，第一状态反射阵天线单元和第二状态反射阵天线单元的相位差为180°。
本发明第一状态反射阵天线单元和第二状态反射阵天线单元的相位差为180°，即1bit调相，通过反射阵天线单元按照聚焦的方式排列，即每个反射阵天线的波束都指向法向，叠加后即为聚焦，使得增益高、窄波束。
进一步地，介质板紧贴金属反射板。
进一步地，圆形贴片的半径小于2mm。
进一步地，介质板为微波材质。
进一步地，馈源喇叭设置在反射阵面正前方位置或者以反射阵面正前方位置为起点绕反射阵面顺时针或者逆时针旋转10°-20°。
进一步地，馈源喇叭设置在反射阵面正前方位置或者以反射阵面正前方位置为起点绕反射阵面顺时针或者逆时针旋转15°。
相对于现有技术，本发明的技术效果为：本发明涉及的E波段高增益平面反射阵天线结构简单，可以采用PCB加工工艺实现大规模组阵，加工难度低，降低了成产成本；实测带宽大于10％、增益大于25dB，交叉极化为小于20dB，既适合地面通信也适合卫星通信，具有较高的市场应用潜力。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明反射阵天线单元的立体结构示意图；
图2为本发明反射阵天线单元的侧视图；
图3为本发明第一状态的反射阵天线单元和第二状态的反射阵天线单元俯视图；
图4为本发明第一状态的反射阵天线单元和第二状态的反射阵天线单元的相位分布图；
图5为本发明第一状态的反射阵天线单元和第二状态的反射阵天线单元之间的相位差；
图6为反射阵天线的结构示意图；
图7为本发明实施例的反射阵面的结构示意图；
图8为反射阵天线单元仿真的回波损耗图；
图9为反射阵天线单元仿真的插入损耗图；
图10为归一化测试和仿真辐射方向图；
图11为反射阵天线交叉极化测试和仿真方向图；
图12为反射阵天线增益测试图。
附图标记说明：
金属层1、介质板2、金属反射板3、反射阵面4、馈源喇叭5、开环耦合槽11、圆形贴片12、手柄状贴片13、耦合金属片14。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的E波段高增益平面反射阵天线。
如图1-图7所示，E波段高增益平面反射阵天线包括馈源喇叭5和反射阵面4，反射阵面4包括M×N个周期性等间距排列的反射阵天线单元，M、N均为大于2的整数；反射阵天线单元包括介质板2、金属层1、金属反射板3，介质板2设置在金属层1和金属反射板3之间；金属层1包括开环耦合槽11、圆形贴片12、手柄状贴片13、边缘为方形的耦合金属片14，圆形贴片12为开环耦合槽11包围的圆形区域，手柄状贴片13为开环耦合槽11的开口区域，手柄状贴片13连接圆形贴片12和耦合金属片14。
如图1和图2所示，反射阵天线单元关于一条对角线对称，反射阵天线单元自上而下包括金属层1、介质板2、金属反射板3，介质板2设置在金属层1和金属反射板3之间，介质板2和金属反射板3之间为空气层。金属层1包括开环耦合槽11、圆形贴片12、手柄状贴片13、边缘为方形的耦合金属片14。圆形贴片12为开环耦合槽11包围的圆形区域，其半径小于2mm，圆形贴片12具有耦合和谐振功能，用于引导电流流向；手柄状贴片13为开环耦合槽11的开口区域，手柄状贴片13连接圆形贴片12和耦合金属片14。介质板2为微波材质Rogers5880，相对介电常数为2.2。通过仿真如图2所示的模型，反射阵天线单元仿真的幅度分析，如图8所示，在宽带内回波损耗S11＜-10dB；如图9所示，插入损耗S12＜1dB。
反射阵天线单元的状态分为第一状态和第二状态，如图3所示，第一状态的反射阵天线单元顺时针旋转90°得到第二状态的反射阵天线单元。如图4和图5所示，第一状态的反射阵天线单元和第二状态的反射阵天线单元的相位差为180°，即1bit调相。
如图6所示，平面反射阵天线包括馈源喇叭5和反射阵面4，馈源喇叭5设置在反射阵面4正前方位置，距离反射阵面4的高度为30mm。反射阵面4包括M×N个周期性等间距排列的反射阵天线单元，M、N均为大于2的整数，本实施例中M和N均为32，即反射阵面4包括32×32个周期性等间距排列的反射阵天线单元，反射阵面4的结构如图7所示。
对本发明的反射阵天线进行仿真和实测测试，如图10所示，从图中可以看出反射阵天线阵列的实测和仿真辐射方向曲线吻合，波瓣宽度小于4°，窄波束，副瓣电平小于-17dB，本发明的反射阵天线辐射性能好，高频段E波段天线的设计方法可行。如图11所示，反射阵天线实测和仿真测试的交叉极化均小于20dB，辐射性能好，可以广泛使用。如图12所示，反射阵天线实测增益大于25dB，实测带宽大于10％。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种E波段高增益平面反射阵天线，其特征在于，包括馈源喇叭和反射阵面，所述反射阵面包括M×N个周期性等间距排列的反射阵天线单元，M、N均为大于2的整数；所述反射阵天线单元包括介质板、金属层、金属反射板，所述介质板设置在所述金属层和所述金属反射板之间；所述金属层包括开环耦合槽、圆形贴片、手柄状贴片、边缘为方形的耦合金属片，所述圆形贴片为所述开环耦合槽包围的圆形区域，所述手柄状贴片为所述开环耦合槽的开口区域，所述手柄状贴片连接所述圆形贴片和所述耦合金属片，所述反射阵天线单元关于一条对角线对称，
所述反射阵天线单元的状态分为第一状态和第二状态，所述第一状态的所述反射阵天线单元顺时针旋转90°得到所述第二状态的所述反射阵天线单元，所述第一状态的所述反射阵天线单元和所述第二状态的所述反射阵天线单元的相位差为180°，
所述馈源喇叭设置在所述反射阵面正前方位置或者以所述反射阵面正前方位置为起点绕所述反射阵面顺时针或者逆时针旋转10°-20°。
2.如权利要求1所述的E波段高增益平面反射阵天线，其特征在于，所述介质板紧贴所述金属反射板。
3.如权利要求1所述的E波段高增益平面反射阵天线，其特征在于，所述圆形贴片的半径小于2mm。
4.如权利要求1所述的E波段高增益平面反射阵天线，其特征在于，所述介质板为微波材质。
5.如权利要求1所述的E波段高增益平面反射阵天线，其特征在于，所述馈源喇叭设置在所述反射阵面正前方位置或者以所述反射阵面正前方位置为起点绕所述反射阵面顺时针或者逆时针旋转15°。
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