CN114759359B - 一种新型单层宽带圆极化反射阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于单层正交放置内嵌式开槽矩形单元结构的宽带圆极化反射阵列天线，该圆极化天线采用线极化喇叭馈电；反射阵列包括若干个反射单元；每个反射单元均包括金属贴片、介质基板和金属地板，金属贴片印制在介质基板的上表面，介质基板下表面接金属地板；金属贴片为一对正交放置且刻有L形槽的矩形结构，L形槽与矩形贴片的边缘预留一定宽度。本发明每个反射单元矩形贴片的尺寸不变，通过改变L形槽的长度实现相位变化和圆极化，由此反射单元构成的圆极化反射阵列天线可以实现高增益带宽和轴比带宽，性能优于其他圆极化反射阵列天线。

Description

一种新型单层宽带圆极化反射阵列天线
技术领域
本发明属于反射阵列天线领域，特别是一种新型单层宽带圆极化反射阵列天线。
背景技术
不同的通信系统对天线的性能有不同的需求，随着卫星通信、雷达等技术日益发展，对高增益天线的需求也逐渐增长。平面反射阵列天线由于其体积小、重量轻等优点，降低了加工的难度和成本，同时采用空间馈电，无需复杂的馈电网络，降低了天线的损耗，提高整体辐射效率。然而，反射阵列天线自提出以来便一直受到带宽窄的限制。另外，圆极化天线由于其稳定性强，抗干扰能力高，在卫星通信、深空探测等领域应用广泛。因此，宽带圆极化平面反射阵列天线具有重要的研究价值。目前实现圆极化反射阵列天线主要有两种方式，第一种是使用圆极化馈源喇叭并通过旋转反射单元来实现圆极化；第二种是使用线极化馈源喇叭并通过调整反射单元两个正交分量上的相位差来实现圆极化。基于第二种方式，论文“A dual-layer T-shaped element for broadband circularly polarizedreflectarray with linearly polarized feed”中设计了一种双层T形的圆极化反射单元，但由于其双层结构，增大了加工的复杂度。论文“A subwavelength element forbroadband circularly polarized reflectarrays”中设计了一种单层亚波长圆极化反射单元。此外，论文“Circularly polarized high efficiency wideband reflectarrayusing rectangle-shaped patch element”中设计了一种单层矩形贴片圆极化反射单元等。
然而，对于上述提及的反射单元，除了结构复杂和带宽较窄之外，依然存在一个问题，即相邻单元有可能存在尺寸突变问题，从而导致相位突变，这会影响反射阵列天线的性能。为了解决这个问题，国内外学者也提出了相应的单元设计方法，论文“A broadbandreflectarray antenna using single-layer rectangular patches embedded withinverted L-shaped slots”中设计了一种开倒L形槽的矩形单元结构，论文“On the useof half-cut elements for single-layer wideband reflectarrays”在上述论文的基础上提出了切半单元，以上两种设计都有效地规避了相邻单元尺寸突变的问题。然而，上述论文中的结构只能实现单一线极化，无法实现圆极化，满足不了现有的应用需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种相邻单元之间不出现尺寸突变，同时增益带宽和轴比带宽都较高的单层圆极化反射阵列天线。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种新型单层宽带圆极化反射阵列天线，包括线极化馈电喇叭和反射阵列，馈电喇叭位于反射阵列的斜上方，且相对于反射阵列旋转45°以实现线极化-圆极化的转换；
所述反射阵列包括若干个反射单元；每个反射单元均包括金属贴片、介质基板和金属地板，金属贴片印制在介质基板的上表面，介质基板下表面接金属地板；金属贴片为一对正交放置的内嵌开槽矩形贴片结构，矩形贴片外部尺寸相同，其长为a，宽为b，在一侧长边上开L形槽，平行于矩形贴片短边的槽口的宽度为w3，平行于长边的槽口宽度为w1，L形槽两侧沿矩形贴片长边的金属长度分别为Lx、Ly，L形槽靠近其开口一侧的金属片宽度为w2。
进一步地，所述L形槽的长度Lx、Ly可调，用于实现反射单元的相位变化以及圆极化。
进一步地，所述若干个反射单元均匀分布。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明中提出的单层正交放置内嵌式开槽矩形圆极化反射单元结构简单，矩形贴片外部尺寸不变，通过改变矩形内L形槽的长度实现相位变化，因此可确保周期单元之间基本相同的耦合，避免了相邻单元之间的尺寸突变对天线性能带来的影响；2)本发明提出的单层正交放置内嵌式开槽矩形圆极化反射单元，可以实现相位的线性变化，变化范围接近360°，单元带宽较宽；3)本发明中提出的基于单层正交放置内嵌式开槽矩形单元结构的宽带圆极化反射阵列天线，可以实现高增益带宽和轴比带宽，性能优于其他圆极化反射阵列天线。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明新型单层宽带圆极化反射阵列天线的示意图。
图2为本发明新型单层宽带圆极化反射阵列天线的反射单元的俯视图。
图3为本发明新型单层宽带圆极化反射阵列天线的反射单元的侧视图。
图4为本发明新型单层宽带圆极化反射阵列天线的反射单元在改变与矩形贴片长边平行的槽缝宽度w1时的反射相位曲线图。
图5为本发明新型单层宽带圆极化反射阵列天线的反射单元在改变与矩形贴片短边平行的槽缝宽度w3时的反射相位曲线图。
图6为本发明新型单层宽带圆极化反射阵列天线的反射单元在不同的电磁波入射角度下的反射相位曲线图。
图7为本发明新型单层宽带圆极化反射阵列天线的反射单元在改变水平方向放置的矩形贴片内的槽缝长度Lx时，垂直方向电磁波入射下的反射相位曲线图。
图8为本发明新型单层宽带圆极化反射阵列天线的反射单元在不同的频率下的反射相位曲线图。
图9为本发明新型单层宽带圆极化反射阵列天线在10GHz处仿真和测量的辐射方向图，其中图(a)为E面，图(b)为H面。
图10为本发明新型单层宽带圆极化反射阵列天线不同频率下的测量辐射方向图，其中图(a)为E面，图(b)为H面。
图11为本发明新型单层宽带圆极化反射阵列天线仿真和测量的增益及轴比曲线图。
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。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
结合图1至图3，本发明基于单层正交放置内嵌式开槽矩形单元结构的宽带圆极化反射阵列天线，包括馈电喇叭1和反射阵列2，所述馈电喇叭1位于距离反射阵列2垂直高度148mm，与垂直方向夹角为25°的位置，且相对于反射阵列2旋转45°；
反射阵列2包括若干个反射单元3；每个反射单元3均包括金属贴片4、介质基板5和金属地板6，金属贴片4为一对正交放置的内嵌开槽矩形结构，矩形贴片外部尺寸相同，其长为a，宽为b，在一侧长边上开L形槽，平行于矩形贴片短边的槽口的宽度为w3，平行于长边的槽口宽度为w1，L形槽两侧沿矩形贴片长边的金属长度分别为Lx、Ly，且Ly与Lx长度不同，L形槽靠近其开口一侧的金属片宽度为w2。
进一步地，L形槽的长度可调，用于实现反射单元3的相位变化以及圆极化，Lx、Ly变化范围为0.1mm-7.2mm。
进一步地，上述若干个反射单元3均匀分布。
进一步地，反射单元3的单元边长为9mm，即单元间距P＝0.3λ，为亚波长结构，其中λ为用户设计频率10GHz对应的自由空间波长。
下面阐述反射单元参数、入射角度和频率对单元反射相位的影响以及正交方向之间的相互作用。
结合图4，不改变其他参数，随着平行于矩形贴片长边的槽口宽度w1的增大，反射相位曲线的线性度变好，相位范围略微减小，最终选得w1为0.5mm。
结合图5，不改变其他参数，随着平行于矩形贴片短边的槽口的宽度w3的增大，反射相位曲线线性度稳定，但是相位范围有明显的减小，最终选得w3为0.2mm。
结合图6，改变入射波的入射角度，相位曲线在40°以内的变化很小。
结合图7，改变反射单元在水平方向放置的矩形贴片内的槽缝长度Lx，垂直方向电磁波入射下的反射相位曲线几乎重合，因此表明水平方向和垂直方向之间的相互作用可以忽略不计，满足圆极化反射阵天线的设计要求。
结合图8，反射单元在不同的频率下的反射相位相对稳定且接近，从而证明此单元具有宽带特性。
综上所述，进一步优选地，w1＝0.5mm，w2＝0.4mm，w3＝0.2mm，a＝7.6mm，b＝1mm。
进一步优选地，介质基板5的介电常数εr为2.2，厚度h为3.175mm，损耗角正切tanδ为0.0007。
进一步优选地，馈电喇叭1位于反射阵列2的斜上方，具体位置为：所述馈电喇叭1位于距离反射阵列2垂直高度148mm，与垂直方向夹角为25°的位置，且相对于反射阵列2旋转45°。
下面结合实施例对本发明做进一步详细的说明。
实施例
本实施例基于单层正交放置内嵌式s开槽矩形单元的宽带圆极化反射阵列天线，包括馈电喇叭1和反射阵列2，馈电喇叭1位于反射阵列2的斜上方，具体位置为：所述馈电喇叭1位于距离反射阵列2垂直高度148mm，与垂直方向夹角为25°的位置，且相对于反射阵列2旋转45°。本实施例中，反射阵列2口径面尺寸为207mm×207mm，包括529个反射单元3；每个反射单元3均包括金属贴片4、介质基板5和金属地板6，金属贴片4印制在介质基板5的上表面，介质基板5下表面接金属地板6。其中，介质基板5的介电常数εr为2.2，厚度h为3.175mm，损耗角正切tanδ为0.0007。反射单元3的尺寸为9mm×9mm；金属贴片4为一对正交放置的内嵌开槽矩形结构，矩形贴片外部尺寸相同，其长为a，宽为b，在一侧长边上开L形槽，平行于矩形贴片短边的槽口的宽度为w3，平行于长边的槽口宽度为w1，L形槽两侧沿矩形贴片长边的金属长度分别为Lx、Ly，且Ly与Lx长度不同，靠近开槽一侧的缝隙边缘与邻近的矩形贴片边缘之间的宽度为w2，且另一边缘与矩形贴片的边缘预留一定的宽度。反射单元3相位变化通过改变L形槽的长度来实现，Lx、Ly变化范围为0.1mm-7.2mm。
由图9可知，宽带圆极化反射阵列天线在设计频率10GHz时为右旋圆极化，且E面主波束出现在25°，与预期吻合。E面和H面的仿真和测量的辐射方向图重合度较高。E面和H面的的副瓣电平分别低于-16dB和-17dB，两个面的交叉极化均低于-19.4dB。
由图10可知，宽带圆极化反射阵列天线在不同频率下E面和H面的测量的辐射方向图都相对稳定。E面的主瓣方向都按照设计预期保持在25°附近，H面也相同。然而随着频率增高，副瓣电平和交叉极化都会有轻微的上升。
由图11可知，由宽带圆极化反射阵列天线的测量得出，最大增益为24.4dBi，1-dB增益带宽为28.8％。同时，最大口径效率为46.4％，3-dB轴比带宽为35％。
综上，本发明提出的基于单层正交放置内嵌式开槽矩形的圆极化反射单元结构，每个单元矩形的外部尺寸不变，通过改变矩形贴片内部L形槽的长度和旋转线极化馈源喇叭来实现圆极化，相位变化范围接近360°，这样的设计可以避免相邻单元之间的尺寸突变，确保周期单元间基本相同的耦合。基于该圆极化反射单元结构，设计出的圆极化反射阵列天线可以实现高增益带宽和轴比带宽，性能优于其他圆极化平面反射阵列天线。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种新型单层宽带圆极化反射阵列天线，其特征在于，包括线极化馈电喇叭(1)和反射阵列(2)，馈电喇叭(1)位于反射阵列(2)的斜上方，且相对于反射阵列(2)旋转45°以实现线极化-圆极化的转换；
所述反射阵列(2)包括若干个反射单元(3)；每个反射单元(3)均包括金属贴片(4)、介质基板(5)和金属地板(6)，金属贴片(4)印制在介质基板(5)的上表面，介质基板(5)下表面接金属地板(6)；金属贴片(4)为一对正交放置的内嵌开槽矩形贴片结构，两个矩形贴片分别靠近介质基板(5)的相邻两个边缘，矩形贴片外部尺寸相同，其长为a，宽为b，所述内嵌开槽为在矩形贴片一侧长边上开的L形槽，所述矩形贴片的长边分别临近所述介质基板(5)的相邻两个边缘，且平行于矩形贴片短边的槽口的宽度为w3，平行于所述矩形贴片的长边的槽口宽度为w1，L形槽两侧沿矩形贴片长边的金属片长度分别为Lx、Ly，L形槽靠近其开口一侧的金属片宽度为w2。
2.根据权利要求1所述的新型单层宽带圆极化反射阵列天线，其特征在于，所述L形槽的长度Lx、Ly可调，用于实现反射单元(3)的相位变化以及圆极化。
3.根据权利要求1或2所述的新型单层宽带圆极化反射阵列天线，其特征在于，所述若干个反射单元(3)均匀分布。
4.根据权利要求1或3所述的新型单层宽带圆极化反射阵列天线，其特征在于，所述若干个反射单元(3)组成n×n的方形阵列。
5.根据权利要求1所述的新型单层宽带圆极化反射阵列天线，其特征在于，所述反射单元(3)的尺寸为9mm×9mm，即单元间距P＝0.3λ的亚波长结构，其中λ为设计频率10GHz对应的自由空间波长。
6.根据权利要求1所述的新型单层宽带圆极化反射阵列天线，其特征在于，所述w1＝0.5mm，w2＝0.4mm，w3＝0.2mm，a＝7.6mm，b＝1mm。
7.根据权利要求1所述的新型单层宽带圆极化反射阵列天线，其特征在于，所述介质基板(5)的介电常数εr为2.2，厚度h为3.175mm，损耗角正切tanδ为0.0007。
8.根据权利要求1所述的新型单层宽带圆极化反射阵列天线，其特征在于，所述馈电喇叭(1)位于距离反射阵列(2)垂直高度148mm，与垂直方向夹角为25°的位置。
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