CN114725691A - 介质埋藏型宽带高功率微波空间波束可扫反射阵列天线 - Google Patents

介质埋藏型宽带高功率微波空间波束可扫反射阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种介质埋藏型宽带高功率微波空间波束可扫反射阵列天线，目的是提供一种不需要真空封装，能直接在空气条件下工作的高功率微波阵列天线，并解决带宽窄、波束扫描范围小问题。本发明由馈源天线和反射阵列天线组成；馈源天线采用喇叭天线；反射阵列天线由M×N个天线单元按照方形阵列布局，天线单元由介质埋藏单元和金属反射板组成，介质埋藏单元由第一介质圆柱、金属单元、第二介质圆柱组成；第一介质圆柱采用固态介质材料制作，内部埋藏金属单元，第二介质圆柱穿过金属反射板，将介质埋藏单元固定在金属反射板上。本发明具有低剖面、GW量级功率容量，可直接工作在空气条件下，相对带宽大于40％，空间波束扫描范围为±60度。

Description

介质埋藏型宽带高功率微波空间波束可扫反射阵列天线
技术领域
本发明涉及高功率微波技术领域的一种反射阵列天线，尤其是一种具有高功率容量和可以实现宽频带和大角度波束扫描的旋转单元移相式介质埋藏型反射阵列天线。
背景技术
目前所研究的高功率微波辐射系统主要是基于传输线馈电形式，包含了馈电网络和辐射天线。为了实现整个系统更高的功率容量，通常采用空间功率合成的形式，即组成天线阵列来实现高功率容量和空间波束扫描性能，这进一步增加了馈电系统的体积和重量，不利于实现高功率微波辐射系统的轻量化与小型化。作为对比，反射阵列天线采用空间馈电的形式，即微波通过初级馈源辐射至自由空间，传输一定距离后辐照到接收阵列天线表面，经过接收天线单元的相位调制后形成具有定向辐射能力的反射波。反射阵天线具有低剖面、反射波束可调控、易于与装载平台共形等优点，在高功率微波天线领域有巨大的应用潜力。
反射阵列天线近年来在常规微波领域特别是卫星通信领域获得了广泛的应用，现阶段实现反射阵天线波束扫描的主要方式主要分为电调节和机械调节。电调节反射阵如清华大学杨帆教授团队使用加载PIN二极管的超表面结构设计了一套应用于Ku波段的宽带反射阵天线(HuanhuanYang,Fan Yang,et al.A 1-bit 10×10reconfigurablereflectarray antenna:design,optimization,and experiment.IEEE Transactions onAntennas&Propagation,2016,64(6):2246～2254)，该反射阵列天线具有响应快和控制简单的优点，但是其带宽小于10％，且在输入功率较高时容易发生局部击穿，功率容量为百千瓦到兆瓦量级，难以应用于高功率微波领域。机械调节分为伸缩移相式和旋转移相式，基于波导伸缩式反射阵天线的概念最早在1963年由美国学者D.G.Berry提出，通过波导在高度上的变化实现对反射微波的线性相位调控(D.G.Berry,R.G.Malech.The Reflect-arrayAntenna.IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1963,11(6):645-651)，这类反射阵列天线功率容量高，带宽能够做到40％以上，可以应用在宽带高功率微波系统中，但其在轴向上的尺寸较大，因而整个系统受到体积和重量的限制；旋转移相式反射阵通过圆极化转换单元的旋转实现对反射波的相位调节，清华大学博士杨雪设计了一种对称双环形机械旋转移相式可重构反射阵天线，带有底部反射板的开槽双环形单元刻蚀在介质基板上，通过步进电机调节单元的旋转角度从而完成对单元的反射相位调节(Xue Yang,Shengheng Xu,Fan Yang,et al.A Broadband High-Efficiency ReconfigurableReflectarray Antenna Using Mechanically Rotational Elements.IEEE Transactionson Antennas and Propagation,2017,65(8):3959～3966)，该反射阵列天线实现了±60度范围内的波束扫描，达到最大扫描角度时增益相比最高增益下降3.7dB，带宽为28.6％，但是由于使用微带印刷结构，其功率容量小于10MW，依旧不能直接应用于高功率微波辐射系统。
虽然反射阵列天线在常规的低功率领域的应用较为成熟，但受到功率容量的限制，传统的反射阵天线并不能直接应用于高功率微波领域(峰值功率大于100MW)。西南交通大学李相强团队提出一种用于高功率微波的宽频带双螺旋反射阵列天线，能够工作在8.5～10GHz。但是受制于单元结构，其波束扫描角仅为±30度(60度锥角)，且需要工作在真空状态下，使得对使用环境要求苛刻，不能通用，功率容量仅能达到207MW(孔歌星,李相强,张健穹,等.X波段高功率宽频带双螺旋反射阵列天线的设计.强激光与粒子束,2019，31(9)：5)。
综上所述，高功率微波反射阵天线的研究面临功率容量、带宽、波束扫描能力、真空封装等多方面挑战，这对于天线单元结构性能提出了更高的要求，要实现大于40％的带宽和具有±60度(120度锥角)大范围内空间波束扫描能力且功率容量大于1GW/m2的反射阵列天线非常困难。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种介质埋藏型宽带高功率微波空间波束可扫反射阵列天线，该阵列天线单元不需要真空封装，能够直接在空气条件下工作。具有宽频带、大范围空间波束扫描和低剖面(轴向尺寸小)的特性，用以解决高功率微波反射阵天线带宽窄、波束扫描范围小以及真空封装困难等问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明由馈源天线和反射阵列天线两部分组成。反射阵列天线由M×N个天线单元按照方形阵列布局，以周期间隔P排列而成，每个天线单元结构完全相同，由介质埋藏单元和金属反射板组成。馈源天线采用常规多模圆锥喇叭天线或各类等化性良好(E面与H面方向图在-10dB波瓣宽度内差异小于1dB)的喇叭天线，通过与馈电波导连接后固定在空中，与反射阵列天线中心点距离为r0。从馈电波导的顶部输入高功率圆极化微波，并通过辐射天线将微波定向发射至反射阵列天线表面，以反射阵列天线中心点O建立笛卡尔坐标系，令馈源天线的相位中心位于坐标系上的位置为(x0，y0，z0)，且它的最大辐射方向指向反射阵列天线的中心坐标原点O，两点连线距离为r0，与z轴的夹角为θ0，反射波束与z轴的夹角为θb。馈源天线的最大辐射方向与y轴的夹角为
Figure BDA0003553752810000031
反射波束与y轴的夹角为
Figure BDA0003553752810000032
本发明中的天线单元由介质埋藏单元和金属反射板组成。介质埋藏单元由第一介质圆柱、金属单元、第二介质圆柱组成。第一介质圆柱采用固态介质材料制作，其半径为R2，高为h1，内部埋藏有金属单元且金属单元与第一介质圆柱同轴，金属单元因为有第一介质圆柱的包覆，使得本发明可以直接工作在空气条件下而不需要真空封装。金属单元的中心点A与第一介质圆柱的圆心沿z方向对齐，底边距离第一介质圆柱的底端为hs，用于调节金属单元与金属反射板之间的耦合量。第一介质圆柱的底部连接有第二介质圆柱，它与第一介质圆柱材料相同，在加工过程中一体成型，其半径为R4，高度为h3，第二介质圆柱穿过金属反射板，用于将介质埋藏单元固定在金属反射板上。
金属反射板为矩形体，长和宽均等于P，厚度为h2，中心点开有半径为R4的金属通孔，在装配过程中，第二介质圆柱从顶部垂直插入金属通孔中，使得第一介质圆柱的底面与金属反射板的顶部紧密贴合，共同组成天线单元。第二介质圆柱伸出金属反射板的长度为h3-h2，伸出部分用于与步进电机相连接，通过外部控制系统控制步进电机旋转从而驱动天线单元旋转特定角度，实现对入射电磁波的反射相位的定量调控。
进一步的，金属单元由四个部分组成：第一部分是宽度为w2的两段对称圆弧，它们的半径为R1，厚度为h5；第二部分是位于对称圆弧末端并与之相连的四个圆柱形匹配枝节，其半径为R3，厚度为h4；第三部分是处于金属单元中间的矩形匹配结构，它的长度为w1，宽度为w3，厚度等于对称圆弧的厚度h5；第四部分是连接矩形匹配结构和对称圆弧的金属连接线，其长度为L1，宽度等于w2。金属单元从俯视图看整体呈“王”字形，是本发明实现圆极化转换的关键，任意一束从z轴正方向往z轴负方向传播的圆极化入射电磁波，均可以分解为xoy平面内两束正交的线极化波(x方向的水平极化波和y方向的垂直极化波)。对称圆弧、矩形匹配结构、金属连接线共同产生金属单元在y方向垂直极化波的第一个谐振频点，末端的四个圆柱形匹配枝节产生第二个谐振频点，双谐振点的设计增加了金属单元对于入射电磁波的透射能力，使金属单元能够在超过40％的带宽内透过y方向的垂直极化波，反射x方向的水平极化波。
进一步的：为了提高功率容量，避免三结合点打火，需要将金属单元完全埋藏于介质当中，即金属单元的外表面与用于包裹的介质材料紧密贴合成一个整体，且二者的贴合面之间不存在气泡和任何间隙。金属单元埋藏于第一介质圆柱的加工工艺为：首先在模具中一体成型出金属单元，待其冷却定型后，在高温和高压环境中，将熔化至玻璃态的介质材料灌注到加热后的金属单元上，待金属单元完全浸没于熔融态介质后，再经过冷却固化使金属单元完全埋藏于介质材料中。最后将埋藏有金属单元的介质加工成本发明所述的反射阵列天线单元。
为了叙述方便，这里统一介绍以上设计的结构参数所满足的条件：
1)本发明天线单元个数M×N与所需功率容量、馈源天线摆放位置及其性能、单元周期间隔P等有关。且考虑到周期边界效应，M和N的值为大于20的正整数时，仿真计算得到的单元性能与实际情况下的性能差距不大，因此本发明中取M＝N≥20。
反射阵列天线的口径面尺寸M×P应该满足：馈源天线相位中心到阵列中点O的连线与相位中心到阵列边缘的连线所成的夹角约等于馈源天线的-10dB锥削电平的张角，这与馈源天线的辐射性能和摆放位置以及反射阵列天线的口径大小有关。馈源天线辐射性能可以用高阶余弦函数近似表示其方向图函数：
Figure BDA0003553752810000041
其中θq为馈源天线-10dB锥削电平的张角，n为辐射系数，n的值越大，代表馈源喇叭的定向性越好，对于波束的集束能力越强，馈源天线的口径尺寸也相应更大，具备更高的功率容量。作为优选，本发明中馈源天线的辐射系数n＞7。
馈源天线的摆放位置与反射阵列天线口径大小的关系可以通过焦径比F来衡量(焦距与口径尺寸的比值)：
Figure BDA0003553752810000042
其中z0是馈源天线相位中心在z轴的坐标。过小的焦径比会产生较为明显的近场效应，导致反射阵列天线的辐射效率下降，作为优选，本发明中焦径比F＞1，因此馈源天线的摆放高度z0＞M×P。
2)天线单元周期间隔P决定了反射阵列天线远区辐射波束的扫描角度与产生栅瓣的关系，在方形均匀布阵条件下，为了抑制栅瓣的产生，P需要满足：
Figure BDA0003553752810000043
其中θm为反射波束的最大偏转角，λ为微波在自由空间中的波长。要实现±60度(120度锥角)的大范围波束扫描，所述天线单元的周期间隔P需满足P≤0.536λ。作为优选，要实现超过40％带宽内的大角度扫描性能，取周期间隔P的取值范围为0.3λ≤P≤0.4λ。
3)天线单元通过旋转实现相位调节，基于Pancharatnam-Berry(P-B)市目位原理，当单元相对于初始位置旋转η度后，在反转了圆极化旋向的同时，还会使反射波的相位产生2η的变化。其圆极化转换实现原理为：任意圆极化波均可分解为两束幅度相同且相位相差为π/2的正交线极化波，该圆极化波通过极化转换结构以后，若满足下式，则能够实现左旋(右旋)圆极化波到右旋(左旋)圆极化波的转换：
Figure BDA0003553752810000051
其中
Figure BDA0003553752810000052
和
Figure BDA0003553752810000053
分别为x和y方向上的线极化波的反射相位。本发明的天线单元能够实现对宽频带内的垂直极化波的透射和对水平极化波的反射，从而在较低的轴向尺寸内实现对反射波的圆极化转换。作为优选，第一介质圆柱半径R2的取值范围为0.4P≤R2≤0.5P，为了减小表面波的影响，其高度h1的取值范围为0.25λ≤h1≤0.3λ。考虑到阵列天线的重量和机械强度，金属反射板的厚度取3mm≤h2≤5mm。第二介质圆柱的长度h3取值范围相应的为5mm≤h3≤8mm，其半径R4需要与步进电机相匹配，通常为0.5mm≤R4≤1.5mm。考虑到加工工艺，金属单元的所有棱边的倒角Rb取值范围为0.2mm≤Rb≤1mm。在确定以上参数的基础上，通过电磁仿真软件CST Studio Suite，以周期边界为条件，设定天线单元入射波在大于40％频带范围内的反射系数小于-10dB，反射波的传输系数大于-0.5dB，可以获得天线单元的其他结构参数R1、R3、w1、w2、w3、L1、h4、h5、hs的精确值。并在此最佳结构参数下得到不同频率所对应的天线单元的反射相位与旋转角度所构成的相移曲线。
4)根据馈源天线相位中心所在坐标(x0，y0，z0)、入射波角度
Figure BDA0003553752810000054
和反射波角度
Figure BDA0003553752810000055
以及阵列天线中位于第m行n列的天线单元的坐标(xmn，ymn，Zmn)，计算出第m行n列的天线单元所需要的反射相位
Figure BDA0003553752810000056
以及介质埋藏单元所需要旋转的角度
Figure BDA0003553752810000057
Figure BDA0003553752810000058
反射相位(由介质埋藏单元的旋转角度决定)可由以下公式计算，1≤m≤M，1≤n≤N：
Figure BDA0003553752810000059
其中k是工作频率为f(也即馈源天线的工作频率)的电磁波在真空中的波数，馈源天线的相位中心到反射阵列天线口径面中心的距离
Figure BDA00035537528100000510
馈源天线相位中心到第m行n列的天线单元的距离
Figure BDA00035537528100000511
θb和
Figure BDA00035537528100000512
分别为预期反射波束指向的俯仰角(反射波束与z轴正方向的夹角)和方位角(反射波束与y轴正方向的夹角)。
与现有技术相比，采用本发明可以达到以下技术效果：
1.本发明通过将金属单元埋藏于介质当中，与背景技术中的微带天线相比具有更高的功率容量(GW量级)和在高功率微波领域应用的可行性；与需要工作在真空环境中的双螺旋反射阵天线相比，不需要真空封装和相关配套设备，可以直接工作在空气条件下，具有更好的环境适应性和便携性。
2.本发明所提出的天线单元结构，具有宽频带范围内的极化选择特性，即对于垂直极化波的透射和水平极化波的反射。使得该天线单元可以在更低的剖面内实现对圆极化入射波的极化反转，且具有比背景技术中的双螺旋反射阵天线更宽的频带宽度(大于40％的相对带宽)。
3.本发明的天线单元之间具有更小的周期排列间隔(小于0.4λ，λ为中心频率所对应自由空间中波长)，组成的反射阵列天线能够实现±60度(120度锥角)范围内任意指向的空间波束扫描，其性能远优于背景技术中所述的双螺旋反射阵列天线。此外，得益于反射阵列天线灵活的口面相位分布设计，本发明在波束赋形和多波束方面同样具有良好应用前景。
附图说明
图1是本发明总体结构示意图。
图2是本发明侧视图图2(a)是图1在y方向的等轴剖视图；图2(b)是图1在z方向的俯视图。
图3是本发明天线单元结构示意图。图3(a)是天线单元的透视图；图3(b)天线单元的俯视图；图3(c)是天线单元的剖面图。
图4是本发明介质埋藏单元内部金属单元结构示意图。图4(a)是金属单元的俯视图；图4(b)是金属单元的侧视图。
图5是本发明实现圆极化转换和旋转移相的原理示意图。图5(a)是本发明实现圆极化转换的原理示意图；图5(b)是本发明实现旋转移相的原理示意图。
图6是本发明天线单元的反射相位随介质埋藏单元旋转角度变化的曲线图。
图7是本发明天线单元的入射圆极化波的反射系数随频率变化的曲线图。
图8是本发明天线单元的反射圆极化波的传输系数随频率变化的曲线图。
图9是本发明的一个实施例中反射波束为0度出射的单元旋转分布情况和三维方向图。图9(a)是本发明实施例表面的介质埋藏单元旋转分布情况；图9(b)是反射波束为0度出射时本发明实施例的三维方向图。
图10是图9所示实施例中反射波束为60度出射的单元旋转分布情况和三维方向图。图10(a)是该实施例表面的介质埋藏单元旋转分布情况；图10(b)是反射波束为60度出射时该实施例的三维方向图。
图11是图9所示实施例中反射波束为0度出射时的表面电场分布图
图12是图9所示实施例在主波束扫描过程中的二维方向图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步描述。
图1是本发明的总体结构示意图。如图1所示，本发明由馈源天线1和反射阵列天线组成。反射阵列天线由M×N个天线单元按照方形阵列布局，以周期间隔P排列而成，每个天线单元结构完全相同，由介质埋藏单元2和金属反射板3组成。馈源天线1采用常规多模圆锥喇叭天线或各类等化性良好(E面与H面方向图在-10dB波瓣宽度内差异小于1dB)的喇叭天线，如图2(a)所示，馈源天线1由馈电波导11和发射天线12组成，通过馈电波导11固定在空中，与反射阵列天线中心点距离为r0。从馈电波导11的顶部输入功率大于100MW的高功率圆极化微波，并通过发射天线12将微波定向发射至反射阵列天线表面。以反射阵列天线中心点O建立笛卡尔坐标系，令馈源天线1的相位中心位于坐标系上的位置为(x0，y0，z0)。图2(a)是图1在y方向的等轴剖视图，馈源天线1的最大辐射方向指向反射阵列天线的中心坐标原点O，距离为r0，与z轴的夹角为θ0，反射波束与z轴的夹角为θb。图2(b)是图1在z方向的俯视图，馈源天线1的最大辐射方向与y轴的夹角为
Figure BDA0003553752810000071
反射波束与y轴的夹角为
Figure BDA0003553752810000072
图3(a)是本发明天线单元的透视图，它由介质埋藏单元2和金属反射板3组成。介质埋藏单元2由第一介质圆柱22、金属单元21、第二介质圆柱23组成。第一介质圆柱22采用固态介质材料制作，固态介质材料要求相对介电常数大于3.8，击穿阈值≥5MV/m，正切损耗为小于等于10-3量级。结合图3(b)的俯视图和图3(c)的剖视图可以看到，第一介质圆柱22半径为R2，高为h1，内部埋藏有金属单元21且金属单元21与第一介质圆柱22同轴，金属单元21因为有第一介质圆柱22的包覆，使得本发明可以直接工作在空气条件下而不需要真空封装。如图3(b)所示，金属单元21的中心点A与第一介质圆柱22的圆心沿z方向对齐。如图3(c)所示，金属单元21的底边距离第一介质圆柱22的底端为hs，用于调节金属单元21与反射板3之间的耦合量。第一介质圆柱22的底部连接有第二介质圆柱23，它与第一介质圆柱22材料相同，在加工过程中一体成型，其半径为R4，高度为h3，第二介质圆柱23穿过金属反射板3，用于将介质埋藏单元2固定在金属反射板3上。如图3(c)所示，金属反射板3为矩形体，长和宽均等于P，厚度为h2，中心点开有半径为R4的金属通孔31，在装配过程中，第二介质圆柱23从顶部垂直插入金属通孔31中，使得第一介质圆柱22的底面与金属反射板3的顶部紧密贴合，组成如图3(a)所示的天线单元。第二介质圆柱23伸出金属反射板3的长度为h3-h2，伸出部分用于与步进电机相连接，通过外部控制系统控制步进电机旋转从而驱动天线单元旋转特定角度，实现对入射电磁波的反射相位的定量调控。
图4是金属单元21的结构示意图。图4(a)是金属单元21的俯视图，图4(b)是金属单元21的侧视图。金属单元21由四个部分组成：第一部分是宽度为w2的两段对称圆弧211，它们的半径为R1，厚度为h5；第二部分是位于对称圆弧211末端并与之相连的四个圆柱形匹配枝节212，其半径为R3，厚度为h4；第三部分是处于金属单元中间的矩形匹配结构213，它的长度为w1，宽度为w3，厚度等于对称圆弧211的厚度h5；第四部分是连接矩形匹配结构213和对称圆弧211的金属连接线214，其长度为L1，宽度等于w2。金属单元21从俯视图看整体呈“王”字形，是本发明实现圆极化转换的关键，任意一束从z轴正方向往z轴负方向传播的圆极化入射电磁波，均可以分解为xoy平面内两束正交的线极化波(x方向的水平极化波和y方向的垂直极化波)。对称圆弧211、矩形匹配结构213、金属连接线214共同产生金属单元21在y方向垂直极化波的第一个谐振频点，而末端的四个圆柱形匹配枝节212产生第二个谐振频点，双谐振点的设计增加了金属单元21对于入射电磁波的透射能力，使金属单元21能够在超过40％的带宽内透过y方向的垂直极化波，反射x方向的水平极化波。
图5是本发明天线单元实现所述圆极化转换和旋转移相功能的原理图。图5(a)是天线单元实现圆极化转换的原理示意图，如图5(a)所示，受益于介质埋藏单元2内部的金属单元21的调控，y方向上的垂直极化波可以先穿过金属单元21然后再被金属底板3反射；而x方向上的水平极化波则直接在金属单元21顶部(z方向的上表面)被反射。两个极化方向上的反射相位满足公式(4)中的圆极化波极化转换的条件，从而实现了宽带范围内的圆极化入射波的转换。图5(b)是介质埋藏单元2实现旋转移相的原理示意图，基于Pancharatnam-Berry(P-B)相位原理，介质埋藏单元2绕圆心逆时针相对y轴正方向旋转η度后，反射波相位相应发生约2η度的变化。
实施例：
高功率微波馈源频率为5.5～8.5GHz(中心频率7GHz，相对带宽42.86％)范围内的本发明一个实施例如下：
在该频带范围内，中心频率7GHz对应自由空间中的波长λ＝42.86mm。本实施例中金属反射板3的周期间隔P应满足12.86mm≤P≤17.14mm，金属反射板3的厚度h2满足3mm≤h2≤5mm，金属通孔31的半径R4满足0.5mm≤R4≤1.5mm。为了便于加工，本实施例选取它们的值分别为P＝14mm，h2＝4mm，R4＝1mm。
第一介质圆柱22采用环氧树脂制成，相对介电常数为4。在P＝14mm的条件下，第一介质圆柱22的半径R2满足5.6mm≤R2≤7mm，高度h1满足10.7mm≤h1≤12.86mm。第二介质圆柱23的长度h3满足5mm≤h3≤8mm，本实施例取h1＝12mm和h3＝6mm。
在确定以上参数的基础上，通过电磁仿真软件CST Studio Suite，以周期边界为条件，设定天线单元的入射波在5.5～8.5GHz范围内的反射系数小于-10dB，反射波的传输系数大于-0.5dB，仿真优化得到天线单元的其他结构参数的最优值为：第一介质圆柱22的半径R2＝6mm，金属单元21底部距离第一介质圆柱22底部hs＝2mm；金属单元21中对称圆弧211的半径R1＝5mm，宽度w2＝1.2mm，厚度h5＝4mm；圆柱形匹配枝节212的半径R3＝1.5mm，厚度h4＝8mm；矩形匹配结构213的长度w1＝4mm，宽度w3＝2mm；金属连接线214的长度L1＝2.7mm。
根据上述参数所设计的天线单元通过CST Studio Suite计算得到的反射相位随旋转角度的变化关系如图6所示，其中横坐标为介质埋藏单元2相对参考位置的旋转角度，纵坐标为天线单元的反射相位。可以看到，在6～9GHz范围内的四个频点，天线单元的反射相位随着介质埋藏单元2旋转角度的增大而增加，在旋转角度从0度到180度变化的过程中，不同频点的反射相位相对于初始相位的变化量均增加了约360度，且相移曲线基本为直线型。此外，不同频点下的相移曲线彼此平行，证明了该天线单元具有宽带和线性相位调控的能力，能够满足宽带反射阵列天线设计中连续相位分布的需求。
在上述条件下，得到不同旋转角度时本实施例的天线单元的反射系数随频率的变化关系如图7所示。图7中，横坐标为圆极化入射波的频率，纵坐标为天线单元的反射系数。由于该介质埋藏单元2具有对称特性，因此只计算了0度到90度之间的反射特性曲线，其结果表明介质埋藏单元2在旋转过程中能够始终保持在5～8.5GHz范围内入射波的反射系数小于-15dB。
与此同时可以得到本实施例在上述条件下天线单元的反射波的传输系数与频率的关系如图8。图8中，横坐标为圆极化入射波的频率，纵坐标为天线单元的反射波的传输系数。其传输系数在5～8.5GHz范围内始终优于-0.4dB，其中的损耗主要是环氧树脂造成的介质损耗。考虑到馈源天线1发射的电磁波斜入射该反射阵列天线表面，介质埋藏单元2实际在5.5～8.5GHz范围内的圆极化转换表现较好，根据相对带宽的计算公式
Figure BDA0003553752810000101
Figure BDA0003553752810000102
得到其相对带宽达到42.8％。
馈源天线1采用多模圆锥喇叭天线，其辐射因子n＝7.8。对于反射阵列天线，天线单元的个数需满足M＝N＞20，本实施例取M＝N＝21，则有441个天线单元按照周期间隔P＝14mm排列而成。构成的反射阵列天线在xoy平面内的尺寸大小为294mm×294mm，以馈源天线1的初始入射角为
Figure BDA0003553752810000103
根据公式(2)，以焦径比F＞1为标准，综合选取馈源天线1的相位中心坐标为(0mm，-109.2mm，300mm)。取反射波扫描角度为
Figure BDA0003553752810000104
其中θb为-60度到60度范围内的任意波束指向，处于第m行n列的天线单元的坐标为
Figure BDA0003553752810000105
以7GHz为例，由公式(5)可以计算得到反射阵口面上第m行第n列的天线单元所需要实现的补偿相位
Figure BDA0003553752810000106
和需要旋转的角度
Figure BDA0003553752810000107
图9(a)为本发明中实现预期反射波束指向为
Figure BDA0003553752810000108
时，反射阵列天线表面在z方向的俯视图，可以看到处于不同位置的介质埋藏单元2具有不同的旋转分布角度，图9(b)为此情况下反射波束的三维辐射方向图，可以看到此时的反射波束垂直于反射阵列天线表面，沿着z轴正方向的主波束为实心波束且对称性良好。
图10(a)为预期波束指向为
Figure BDA0003553752810000109
时，反射阵列天线表面在z方向的俯视图，可以看到此时介质埋藏单元2的旋转分布情况与图9(a)不同，表征不同的预期波束指向下反射阵列天线表面具有不同的口面相位分布。图10(b)为此情况下反射波束的三维辐射方向图，此时反射波束的最大辐射方向偏离z轴的夹角约为60度，与图9(b)作为比较，说明了本实施例具备空间波束扫描的能力。图9和图10反映出本发明能够高效实现空间波束的定向扫描，且在大范围波束扫描的同时能够将方向图副瓣抑制在较低水平。
图11为本发明在实现预期波束指向为
Figure BDA00035537528100001010
时的反射阵列天线表面电场分布情况，在CST Studio Suite中以0.5W的输入功率下，口径面上的电场分布均匀，最大场强为379V/m，以介质材料5MV/m的击穿阈值计算，可以得到反射阵列的功率容量为1GW/m2。能够满足高功率微波应用需求。
图12为本发明在7GHz时，不同的口面相位分布情况下所实现的反射波束在俯仰角平面的空间波束扫描方向图。图12中，横坐标为反射波束的俯仰角，与图2(a)中的θb保持一致，纵坐标为本发明的增益，图中实线、虚线和点线分别表示波束扫描角为0度、45度和60度时的辐射方向图。波束扫描角为0度时，主波束增益为25.1dB，第一副瓣出现在-13.7度，对应副瓣电平为-21.1dB；波束扫描角为45度时，主波束增益为24dB，第一副瓣出现在20.8度，对应副瓣电平为-19.7dB；波束扫描角为60度时，主波束增益下降到22.2dB，第一副瓣出现在35.1度，对应副瓣电平为-16.5dB。在波束扫描过程中，主波束的增益衰减小于3dB，副瓣电平始终控制在-16.5dB以下，符合高性能反射阵列天线的要求。
本发明在频带范围内的其它频点同样可以达到图9至图12所示的实施效果。同时，对于与本发明频率跨度较大的频段，采用本发明中所提出结构的缩比模型，均可以实现对宽带高功率微波反射波的大范围空间波束扫描。
由上述结果可知，相较于传统反射阵列天线和高功率微波反射阵列天线，本发明具有较低的天线剖面(<0.3λ)、较宽的工作带宽(>40％)、更高的功率容量(≥1GW/m2)、更大的波束扫描范围(120度锥角)，且通过介质埋藏形式能够直接工作在空气环境中，具备更好的环境适应能力。该介质埋藏型宽带高功率微波空间波束可扫反射阵列天线结构紧凑、加工工艺简单，在工程上容易实现。以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，特别是对所提出的介质埋藏工艺和金属单元结构的核心设计思想与结构设计还可以做出各种变化及变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。

Claims (15)

1.一种介质埋藏型宽带高功率微波空间波束可扫反射阵列天线，其特征在于介质埋藏型宽带高功率微波空间波束可扫反射阵列天线由馈源天线(1)和反射阵列天线组成；反射阵列天线由M×N个天线单元按照方形阵列布局，M为阵列的行数，N为阵列的列数，以周期间隔P排列而成，天线单元由介质埋藏单元(2)和金属反射板(3)组成；馈源天线(1)由馈电波导(11)和发射天线(12)组成，通过馈电波导(11)固定在空中；从馈电波导(11)的顶部输入圆极化微波，并通过发射天线(12)将微波定向发射至反射阵列天线表面；以反射阵列天线中心点O建立笛卡尔坐标系，令馈源天线(1)的相位中心位于坐标系上的位置为(x0,y0,z0)；馈源天线(1)的最大辐射方向指向反射阵列天线的中心坐标原点O，与反射阵列天线中心点距离为r0，与z轴的夹角为θ0，反射波束与z轴的夹角为θb；馈源天线(1)的最大辐射方向与y轴的夹角为
Figure FDA0003553752800000011
反射波束与y轴的夹角为
Figure FDA0003553752800000012
天线单元由介质埋藏单元(2)和金属反射板(3)组成，共同实现对宽频带内的圆极化入射波到圆极化反射波的极化转换，通过介质埋藏单元(2)的旋转实现对圆极化反射波的相位调节；介质埋藏单元(2)由第一介质圆柱(22)、金属单元(21)、第二介质圆柱(23)组成；第一介质圆柱(22)采用固态介质材料制作；第一介质圆柱(22)半径为R2，高为h1，内部埋藏有金属单元(21)且金属单元(21)与第一介质圆柱(22)同轴；金属单元(21)的中心点A与第一介质圆柱(22)的圆心沿z方向对齐；金属单元(21)的底边距离第一介质圆柱(22)的底端为hs，用于调节金属单元(21)与金属反射板(3)之间的耦合量；第一介质圆柱(22)的底部连接有第二介质圆柱(23)，第二介质圆柱(23)与第一介质圆柱(22)材料相同，半径为R4，高度为h3，第二介质圆柱(23)穿过金属反射板(3)，将介质埋藏单元(2)固定在金属反射板(3)上；
金属反射板(3)为矩形体，长和宽均等于P，厚度为h2，中心点开有半径为R4的金属通孔(31)，第二介质圆柱(23)从顶部垂直插入金属通孔(31)中，使得第一介质圆柱(22)的底面与金属反射板(3)的顶部紧密贴合，组成天线单元；第二介质圆柱(23)伸出金属反射板(3)的长度为h3-h2，伸出部分用于与步进电机相连接，通过外部控制系统控制步进电机旋转从而驱动天线单元旋转，实现对入射电磁波的反射相位的调控；
金属单元(21)由四个部分组成：第一部分是宽度为w2的两段对称圆弧(211)，它们的半径为R1，厚度为h5；第二部分是位于对称圆弧(211)末端并与之相连的四个圆柱形匹配枝节(212)，其半径为R3，厚度为h4；第三部分是处于金属单元中间的矩形匹配结构(213)，它的长度为w1，宽度为w3，厚度等于对称圆弧(211)的厚度h5；第四部分是连接矩形匹配结构(213)和对称圆弧(211)的金属连接线(214)，其长度为L1，宽度等于w2；金属单元(21)从俯视图看整体呈“王”字形，功能是实现圆极化转换；对称圆弧(211)、矩形匹配结构(213)、金属连接线(214)共同产生金属单元(21)在y方向垂直极化波的第一个谐振频点，末端的四个圆柱形匹配枝节(212)产生第二个谐振频点，双谐振点增加了金属单元(21)对于入射电磁波的透射能力，使金属单元(21)在超过40％的带宽内透过y方向的垂直极化波，反射x方向的水平极化波。
2.如权利要求1所述的介质埋藏型宽带高功率微波空间波束可扫反射阵列天线，其特征在于所述馈源天线(1)采用多模圆锥喇叭天线或E面与H面方向图在-10dB波瓣宽度内差异小于1dB的喇叭天线。
3.如权利要求1所述的介质埋藏型宽带高功率微波空间波束可扫反射阵列天线，其特征在于所述从馈电波导(11)的顶部输入的圆极化微波功率大于100MW。
4.如权利要求1所述的介质埋藏型宽带高功率微波空间波束可扫反射阵列天线，其特征在于所述第一介质圆柱(22)采用的固态介质材料要求相对介电常数大于3.8，击穿阈值≥5MV/m，正切损耗为小于等于10-3量级。
5.如权利要求1所述的介质埋藏型宽带高功率微波空间波束可扫反射阵列天线，其特征在于所述第二介质圆柱(23)与第一介质圆柱(22)一体成型。
6.如权利要求1所述的介质埋藏型宽带高功率微波空间波束可扫反射阵列天线，其特征在于所述反射阵列天线中天线单元的行数M和列数N满足M＝N≥20。
7.如权利要求1所述的介质埋藏型宽带高功率微波空间波束可扫反射阵列天线，其特征在于所述馈源天线(1)的辐射性能用高阶余弦函数表示其方向图函数：
Figure FDA0003553752800000021
其中θq为馈源天线(1)的-10dB锥削电平张角，n为馈源天线(1)的辐射系数，n>7；所述馈源天线(1)的摆放位置与反射阵列天线口径大小的关系满足焦径比
Figure FDA0003553752800000022
z0是馈源天线相位中心在z轴的坐标。
8.如权利要求7所述的介质埋藏型宽带高功率微波空间波束可扫反射阵列天线，其特征在于所述焦径比F>1，所述z0>M×P。
9.如权利要求1所述的介质埋藏型宽带高功率微波空间波束可扫反射阵列天线，其特征在于所述天线单元周期间隔P满足：
Figure FDA0003553752800000031
其中θm为反射波束的最大偏转角，λ为微波在自由空间中的波长。
10.如权利要求9所述的介质埋藏型宽带高功率微波空间波束可扫反射阵列天线，其特征在于所述天线单元的周期间隔P满足P≤0.536λ。
11.如权利要求10所述的介质埋藏型宽带高功率微波空间波束可扫反射阵列天线，其特征在于所述周期间隔P的取值范围为0.3λ≤P≤0.4λ。
12.如权利要求1所述的介质埋藏型宽带高功率微波空间波束可扫反射阵列天线，其特征在于所述第一介质圆柱(22)半径R2的取值范围为0.4P≤R2≤0.5P，高度h1满足0.25λ≤h1≤0.3λ；金属反射板(3)的厚度取3mm≤h2≤5mm；第二介质圆柱(23)的长度h3满足5mm≤h3≤8mm，半径R4满足与步进电机相匹配；金属单元(21)的所有棱边的倒角Rb满足0.2mm≤Rb≤1mm；在确定R2、h1、h2、h3、R4、Rb的基础上，通过电磁仿真软件CST Studio Suite，以周期边界为条件，设定天线单元入射波在大于40％频带范围内的反射系数小于-10dB，反射波的传输系数大于-0.5dB，获得天线单元的R1、R3、w1、w2、w3、L1、h4、h5、hs的精确值；并在此结构参数下得到不同频率所对应的天线单元的反射相位与旋转角度所构成的相移曲线。
13.如权利要求12所述的介质埋藏型宽带高功率微波空间波束可扫反射阵列天线，其特征在于所述R4满足0.5mm≤R4≤1.5mm。
14.如权利要求1所述的介质埋藏型宽带高功率微波空间波束可扫反射阵列天线，其特征在于所述第m行第n列的天线单元所需要的反射相位
Figure FDA0003553752800000032
由公式(5)计算，介质埋藏单元所需要旋转的角度
Figure FDA0003553752800000033
Figure FDA0003553752800000034
其中k是工作频率为f的电磁波在真空中的波数，馈源天线(1)的相位中心到反射阵列天线口径面中心的距离
Figure FDA0003553752800000035
馈源天线(1)的相位中心到第m行n列的天线单元的距离
Figure FDA0003553752800000036
θb为预期反射波束指向的俯仰角即反射波束与z轴正方向的夹角和方位角，
Figure FDA0003553752800000037
为预期反射波束指向的方位角即反射波束与y轴正方向的夹角，(x0,y0,z0)为馈源天线(1)相位中心所在坐标，
Figure FDA0003553752800000038
为馈源天线(1)的最大辐射方向照射向反射阵列天线口径面中心的入射波角度，
Figure FDA0003553752800000039
为经过天线单元的相位调制之后反射阵列天线形成的反射波的出射角度，(xmn,ymn,zmn)为反射阵列天线中位于第m行n列的天线单元的坐标，1≤m≤M，1≤n≤N。
15.如权利要求1所述的介质埋藏型宽带高功率微波空间波束可扫反射阵列天线，其特征在于所述金属单元(21)的外表面与用于包裹的第一介质圆柱(22)的介质材料紧密贴合成一个整体，且二者的贴合面之间不存在气泡和间隙。
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