CN114914696B - 一种反射阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种反射阵天线，包括：馈源，用于对反射面提供入射电磁波；反射面，用于对入射电磁波进行相位调制，使得反射阵波束指向同一方向；所述反射面由以一定周期结构排布的多个具有移相功能的反射单元组成。所述反射阵天线以反射阵波束所在平面的法线为旋转轴旋转反射面，进行反射阵波束由0～θ的无栅瓣扫描。本发明提出的反射阵天线相较于现有方案反射单元间距选取范围更大，反射单元间距可大于
Figure DDA0003669525900000011
且扫描无栅瓣产生，克服了技术人员普遍认为的反射单元间距必须小于等于
Figure DDA0003669525900000012
的技术偏见。

Description

一种反射阵天线
技术领域
本发明涉及天线领域，特别涉及一种反射阵天线。
背景技术
反射阵天线由于结合了抛物面天线和阵列天线的优点，在雷达和通讯领域得到广泛的发展和应用。反射阵天线包含馈源与反射面，反射面由多个反射单元组成，电磁波从馈源出射后，沿着不同的传输路径达到每个反射单元，传输路径长度的差异将导致每个反射单元所接收的入射场发生不同的空间相位延迟，通过合理设计每一个反射单元使其能对入射场进行适当的相位补偿，最终在特定的平面形成等相面，从而产生高增益、窄波束辐射。
在雷达对目标的搜索和跟踪、对移动目标的通信中，波束扫描反射阵天线可增加系统灵活性，提高系统使用效率，从而得到广泛应用。现有的实现波束扫描的技术均要求反射单元间距满足如下公式要求，否则将会出现栅瓣，恶化天线性能。
Figure BDA0003669525880000011
式中d为反射单元间距，λ为工作频率电磁波波长，θ为最大波束扫描角度。
对于这一普遍认知，John Huang在名称为《Reflectarray Antennas》的著作中有详细论述(4.1.5节)。M.I.Abbasi等在"Millimeter Wave Beam Steering ReflectarrayAntenna Based on Mechanical Rotation of Array,"IEEE Access,vol.7,pp.145685-145691,2019.中报道了一种通过旋转反射面实现波束扫描的反射阵天线，但其反射单元间距仍然遵循上述公式，选取为0.5倍工作频率电磁波波长。
此反射单元间距的要求大大限制了反射阵天线的应用。一方面，这使得反射单元数量增加，大大提高了成本。一方面，这极大的限制了宽带扫描反射阵及多频扫描反射阵的发展：对宽带扫描反射阵或多频扫描反射阵，为了满足全工作频段内扫描无栅瓣，上述公式中λ需选取最高工作频率的电磁波波长(即全工作频段内最小电磁波波长)，这对于工作频段的低频而言进一步缩小了反射单元间距的电尺寸，导致反射单元摆放不下、反射单元移相范围不够、反射单元间相互耦合严重等问题，最终导致反射阵天线带宽特性恶化。
发明内容
针对现有扫描反射阵的反射单元间距须小于等于
Figure BDA0003669525880000021
的缺陷，提供一种反射阵天线，其反射单元间距可大于
Figure BDA0003669525880000022
且扫描无栅瓣产生，克服了技术人员普遍认为的扫描反射单元间距必须小于等于
Figure BDA0003669525880000023
的技术偏见。
本发明采用的技术方案如下：一种反射阵天线，包括：
馈源，用于对反射面提供入射电磁波；
反射面，用于对入射电磁波进行相位调制，使得初始反射阵波束指向同一角度；所述反射面由多个具有移相功能的反射单元组成；
所述反射阵天线，通过以反射阵波束所在平面的法线为旋转轴旋转反射面，进行反射阵波束由0～θ的无栅瓣扫描；
其中，反射面中相邻两反射单元的间距满足:
Figure BDA0003669525880000024
式中，λ为工作频率电磁波波长，θ为最大波束扫描角度，θm为初始反射阵波束指向角度，θ与θm在同一个平面内，且
Figure BDA0003669525880000031
进一步的，所述反射面中多个反射单元以一定周期结构排布。
进一步的，所述反射面至少包括两个反射单元，每个反射单元均具备相位补偿功能。
进一步的，每个反射单元的相位补偿范围均大于等于360度。
进一步的，所述馈源具有定向性方向图及稳定的相位中心，馈源最大辐射方向指向反射面正中心。
进一步的，所述反射面为平面结构。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：本发明提出的反射阵天线，其反射单元间距小于
Figure BDA0003669525880000032
且扫描无栅瓣产生，由于
Figure BDA0003669525880000033
因此相较于现有的反射阵天线，反射单元间距选取范围更大，反射单元间距可大于
Figure BDA0003669525880000034
且扫描无栅瓣产生，克服了技术人员普遍认为的反射单元间距必须小于等于
Figure BDA0003669525880000035
的技术偏见。
附图说明
图1为本发明提出的反射阵天线示意图。
图2为本发明一实施例中的反射单元排布示意图。
图3为本发明一实施例中的反射单元补偿相位示意图。
图4为本发明一实施例中的反射单元初始波束指向示意图。
图5为本发明一实施例中的波束扫描10°示意图。
图6为本发明一实施例中的波束扫描20°示意图。
图7为本发明一实施例中的波束扫描30°示意图。
图8为移动馈源实现波束扫描的反射阵天线相同反射单元间距时波束扫描30°示意图。
附图说明：101-馈源，102-反射面，103-反射单元，104-反射阵波束。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，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模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
为了克服现有的反射单元间距必须小于或等于
Figure BDA0003669525880000041
的问题，以便于减少反射单元数量降低成本，本实施例提出了一种反射阵天线，如图1所示，包括：
馈源101，用于对反射面提供入射电磁波，本实施例的馈源采用角锥喇叭天线实现，馈源偏馈角为θ0；
反射面102，用于对入射电磁波进行相位调制；所述反射面102由以一定周期结构排布的多个具有移相功能的反射单元103组成；所述反射面为平面结构；
所述反射阵天线，通过以反射阵波束所在平面的法线为旋转轴旋转反射面，进行反射阵波束由0～θ的无栅瓣扫描。
本实施例中的反射阵位于XOY面，反射单元103的相位补偿，使初始反射阵波束104指向θm方向；
其中，反射面102中相邻两反射单元103的间距满足:
Figure BDA0003669525880000051
式中，λ为工作频率电磁波波长，θ为最大波束扫描角度，θm为初始反射阵波束指向角度，θ与θm在同一个φ平面内，且
Figure BDA0003669525880000052
本实施例提出的反射阵天线中的反射面中的相邻反射单元的间距不仅可以小于等于
Figure BDA0003669525880000053
还能够将间距设置在
Figure BDA0003669525880000054
λ与
Figure BDA0003669525880000055
λ之间，即
Figure BDA0003669525880000056
以增加反射单元的间距，减少反射单元的数量从而降低制作成本。
需要说明的是，本实施例提出的反射阵至少包括两个反射单元，每个反射单元均具备相位补偿功能，且每个反射单元的相位补偿范围均大于等于360度。
为了进一步的说明本实施例提出的反射阵天线，以最大波束扫描角度θ为30°，反射面配相时初始波束指向θm为0°，波束扫描平面为YOZ平面为例，坐标示意参考图1；
馈源采用角锥喇叭天线，馈源最大辐射方向指向反射面正中心，偏馈角θ0为0°；馈源距离反射面为30倍工作频率电磁波波长。反射面为正方形，边长为20倍工作频率电磁波波长，由26×26个反射单元呈矩形布阵而成，见图2。
此时反射单元间距d＝0.75λ，小于
Figure BDA0003669525880000057
大于
Figure BDA0003669525880000058
该反射阵天线的反射单元补偿相位示意图见图3，此初始补偿相位实现最大波束指向角为0°，见图4。
以反射面中点为旋转点，绕x轴旋转反射面使其最大波束指向10°，如图5所示，可见，在扫描角为10°情况下未出现栅瓣。
以反射面中点为旋转点，绕x轴旋转反射面使其最大波束指向20°，如图6所示，可见，在扫描角为20°情况下未出现栅瓣。
以反射面中点为旋转点，绕x轴旋转反射面使其最大波束指向30°，如图7所示，可见，在扫描角为30°情况下未出现栅瓣。
图8给出不同于本发明涉及的反射阵天线，利用移动馈源实现波束扫描的反射阵天线，采用相同反射单元间距，波束扫描角为30°时扫描方向图，可见栅瓣较为明显。
对比可见，本发明涉及的反射阵天线，反射单元间距选取范围变大，能够实现间距大于
Figure BDA0003669525880000061
的无栅瓣扫描。
需要说明的是，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义；实施例中的附图用以对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种反射阵天线，其特征在于，包括：
馈源，用于对反射面提供入射电磁波；
反射面，用于对入射电磁波进行相位调制，使得初始反射阵波束指向同一角度；所述反射面由多个具有移相功能的反射单元组成；
所述反射阵天线，通过以反射阵波束所在平面的法线为旋转轴旋转反射面，进行反射阵波束由0～θ的无栅瓣扫描；
其中，反射面中相邻两反射单元的间距满足:
Figure FDA0003669525870000011
式中，λ为工作频率电磁波波长，θ为最大波束扫描角度，θm为初始反射阵波束指向角度，θ与θm在同一个平面内，且
Figure FDA0003669525870000012
2.根据权利要求1所述的反射阵天线，其特征在于，所述反射面中多个反射单元呈一定周期结构排布。
3.根据权利要求1所述的反射阵天线，其特征在于，所述反射面至少包括两个反射单元，每个反射单元均具备相位补偿功能。
4.根据权利要求1或2所述的反射阵天线，其特征在于，每个反射单元的相位补偿范围均大于等于360度。
5.根据权利要求1所述的反射阵天线，其特征在于，所述馈源具有定向性方向图及稳定的相位中心，且馈源最大辐射方向指向反射面正中心。
6.根据权利要求1所述的反射阵天线，其特征在于，所述反射面为平面结构。
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