CN115036683B - 一种以太阳能电池板单元为基础的反射阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种以太阳能电池板单元为基础的反射阵列天线，包括馈源喇叭天线、反射面和金属地表面，所述馈源喇叭天线的下方布置有反射面，所述反射面的下方布置有金属地表面；所述馈源喇叭天线由前端矩形波导和终端逐渐开口波导组成，电磁波由前端矩形波导传输至终端逐渐开口波导后得到辐射球面波特性；所述反射面由14*14排布的156个太阳能电池板单元构成；所述金属地表面设置在反射面下面H＝3毫米的位置处；其有益效果为：太阳能电池板提供了巨大的平面，馈源喇叭天线可以用作辐射孔径，将太阳能电池板与馈源喇叭天线进行一体化设计实现卫星通信系统的集成，在卫星多功能、小型化、低成本、低质量方面具有巨大的优势。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种以太阳能电池板单元为基础的反射阵列天线。
背景技术
近年来，太阳能电池技术发展迅速，使太阳能在通信系统中的应用越来越广泛，正在逐步取代蓄电池成为系统供电的替代方案。小型化、集成化的趋势也带动了微波天线与太阳能电池相结合的科学研究，以创建多功能紧凑型通信系统，其在产生电能输出的同时发射和接收电磁信号。
自20世纪90年代以来，太阳能天线的概念得到了发展。科学研究者们主要专注于设计低或中增益天线，如微带贴片、偶极子和槽天线，在太阳能电池上或者之间将太阳能电池板等效为地板结构。随着移动通信技术迅速发展，卫星通信业务已经深深融入我们的生活，要求卫星天线提供优良的辐射特性，如高增益、宽带和广角电子束扫描，以提高覆盖范围和数据速率。同时还要求具有外形低、重量轻、结构简单、成本低等优点，提升卫星的载荷能力，并扩展其在轨任务。独立设计的太阳能电池和天线系统将会相互争夺着卫星上极其有限的空间资源。如果将太阳能电池与天线进行集成一体化，那么采用集成结构的卫星将在表面覆盖范围、体积、质量、成本以及电性能方面具有广泛的优势。为了适应高速数据传输速率的需要，近年来小卫星的发展对高增益天线提出了更高的要求。反射阵列天线具有很高的增益，在过去的几十年里受到了相当多的关注，它结合了抛物型反射器和相控阵的优点，使反射器适用于各种先进的应用。由于小卫星的有效载荷空间和质量有限，天线与太阳能电池板的集成是理想的。太阳能电池板提供了巨大的平面，反射阵天线可以用作辐射孔径，将太阳能电池板与反射阵列天线进行一体化设计实现卫星通信系统的集成，在卫星多功能、小型化、低成本、低质量方面具有巨大的优势，在未来的卫星天线领域是一个必然的趋势。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题，提供一种以太阳能电池板单元为基础的反射阵列天线。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种以太阳能电池板单元为基础的反射阵列天线，其特征在于：包括馈源喇叭天线1、反射面2和金属地表面3，所述馈源喇叭天线1的下方布置有反射面2，所述反射面2的下方布置有金属地表面3。
所述馈源喇叭天线1由前端矩形波导101和终端逐渐开口波导102组成，电磁波由前端矩形波导101传输至终端逐渐开口波导102后得到辐射球面波特性。
所述反射面2由14*14排布的156个太阳能电池板单元构成。
所述金属地表面3设置在反射面2下面H＝3毫米的位置处。
所述馈源喇叭天线1的末端与反射面2的距离为F＝728毫米。
所述馈源喇叭天线1的工作中心频率为2.4千兆赫兹。
所述馈源喇叭天线1采用氯化聚乙烯(pec)材料。
所述前端矩形波导101的长度a＝95.3毫米，宽度b＝42.3毫米，高度为l＝20毫米；所述终端逐渐开口波导102的长度为a1＝190.5毫米，宽度为b1＝148.2毫米，过渡段高度为h＝317.2毫米，以达到良好的阻抗匹配。
所述太阳能电池板从电磁特性上分析由两层材料构成，所述太阳能电池板的上层材料为银(silver)的前电极层201，所述太阳能电池板的下层材料为硅(silicon)与三氧化二铝的PN结层202，以实现良好的光电转化效率。
所述太阳能电池板的上层结构中，相邻银线之间的间距为w＝1毫米，银线本身的宽度为l1＝0.02毫米，银线本身的厚度为w1＝0.03毫米；所述太阳能电池板的下层结构中，硅的厚度为w2＝0.2毫米，三氧化二铝的厚度w3＝0.02毫米。
所述太阳能电池板有两种尺寸，第一种为宽度与长度均为l2＝60毫米，第二种为宽度与长度均为l3＝51毫米，不同的尺寸对于入射波提供不同的反射相位。
本发明具有以下有益效果：太阳能电池板提供了巨大的平面，馈源喇叭天线可以用作辐射孔径，将太阳能电池板与馈源喇叭天线进行一体化设计实现卫星通信系统的集成，在卫星多功能、小型化、低成本、低质量方面具有巨大的优势。
附图说明
图1为本发明中反射阵列天线结构图(0度出射)；
图2本发明中反射阵列天线的侧视图；
图3本发明中反射面的俯视图；
图4为本发明中馈源喇叭天线的尺寸标注图；
图5为本发明中太阳能电池板的尺寸标注图；
图6为本发明中反射阵列天线原理图；
图7为本发明中喇叭天线的反射系数图；
图8为本发明中喇叭天线的主极化方向图；
图9为本发明中不同极化波入射单元图；
图10为本发明中不同极化波入射单元透射系数与反射系数图；
图11为本发明中喇叭天线辐射阵面相位图；
图12(a)为本发明中喇叭天线0度出射阵面补偿实际相位图；
图12(b)为本发明中喇叭天线0度出射阵面补偿1-Bit相位图；
图13为本发明中喇叭天线在2.4GHz时的1-Bit相位分布图；
图14为本发明中TE极化波入射单元反射相位随尺寸的变化图；
图15为本发明中TE极化波不同入射角度下单元反射相位随尺寸变化图；
图16为本发明中太阳能板反射相位随频率的变化图；
图17为本发明中喇叭天线不同出射角的主极化方向图；
图18为本发明中喇叭天线0度出射增益随频率变化曲线图。
图中所示：馈源喇叭天线1、反射面2、金属地表面3、前端矩形波导101、终端逐渐开口波导102、前电极层201、PN结层202。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种以太阳能电池板单元为基础的反射阵列天线，如图1所示，包括馈源喇叭天线1、反射面2和金属地表面3，所述馈源喇叭天线1的下方布置有反射面2，所述反射面2的下方布置有金属地表面3。所述馈源喇叭天线1由前端矩形波导101和终端逐渐开口波导102组成，电磁波由前端矩形波导101传输至终端逐渐开口波导102后得到辐射球面波特性。
如图3所示，所述反射面2由14*14排布的156个太阳能电池板单元构成。所述太阳能电池板有两种尺寸，第一种为宽度与长度均为l2＝60毫米，第二种为宽度与长度均为l3＝51毫米，不同的尺寸对于入射波提供不同的反射相位。
如图5所示，所述金属地表面3设置在反射面2下面H＝3毫米的位置处。
如图2所示，所述馈源喇叭天线1的末端与反射面2的距离为F＝728毫米。所述馈源喇叭天线1的工作中心频率为2.4千兆赫兹。所述馈源喇叭天线1采用氯化聚乙烯(pec)材料。
如图4所示，所述前端矩形波导101的长度a＝95.3毫米，宽度b＝42.3毫米，高度为l＝20毫米；所述终端逐渐开口波导102的长度为a1＝190.5毫米，宽度为b1＝148.2毫米，过渡段高度为h＝317.2毫米，以达到良好的阻抗匹配。
如图5所示，所述太阳能电池板从电磁特性上分析由两层材料构成，所述太阳能电池板的上层材料为银(silver)的前电极层201，所述太阳能电池板的下层材料为硅(silicon)与三氧化二铝的PN结层202，以实现良好的光电转化效率。
所述太阳能电池板的上层结构中，相邻银线之间的间距为w＝1毫米，银线本身的宽度为l1＝0.02毫米，银线本身的厚度为w1＝0.03毫米；所述太阳能电池板的下层结构中，硅的厚度为w2＝0.2毫米，三氧化二铝的厚度w3＝0.02毫米。
如图6所示，为反射阵列天线原理图，反射阵天线由一个馈电源和一个具有全反射和相位补偿特性的反射阵列组成；反射阵天线将喇叭天线辐射的球面波通过阵面补偿形成高增益的定向波束。
如图7和图8所示，反射阵天线的孔径效率通由焦径比F/D确定，喇叭天线的辐射波束通常以cosq(θ)为特征。本发明应用的喇叭天线的极化方式为线极化。图7为本发明中使用的喇叭天线的反射系数图，图8为本发明中使用的喇叭天线的主极化方向图，喇叭天线的主瓣宽度为正负60度。根据喇叭天线的主瓣覆盖角度范围确定反射阵焦径比选择F/D＝0.8，可以达到最高的能量集束效率。
为实现波束赋形功能，反射阵列天线的定向波束偏移，则需要在反射阵列上施加相位梯度。为实现主波束偏移的补偿相位，将反射阵列每个单元等效为一个辐射元件，利用相控阵波束扫描技术进行反射阵相位补偿。假设主波束指向参考公式(1)、(2),计算相邻金属单元在x与y方向上的渐进相位。βx与βy分别是x与y方向上的渐进相位。k为自由空间的波数，dx与dy分别是x与y方向的空间距离。
本发明涉及的太阳能电池板模型仅考虑它的材质引发的电磁特性，不考虑其上的光能转化为电能引发的电流特性。
如图9和图10所示，为太阳能电池板的电磁特性分析，选择单元间距为中心频率2.4千兆赫兹的半波长长度65毫米，TE、TM波代表不同的电磁波入射方向。HFSS仿真环境为周期结构边界与Floquet端口，上图结果表明，无论对于TE还是TM波，太阳能电池板在工作频段内均具有全反射特性。
在工作频段内太阳能板的电磁特性类似于氯化聚乙烯(pec)材料，可以通过改变太阳能电池板本身的大小实现对于电磁波反射相位的控制。由于每块太阳能电池板的光电转换获得的能量与电池板的尺寸成正比，总体的能量通过合路器收集。所以不同尺寸的太阳能板合路收集会导致能量的损失，为了尽可能减少这种损失，本发明设计的反射阵是1-Bit无源太阳能板反射阵列天线，用两种尺寸的太阳能电池板单元实现将球面波转化为高增益定向波束的作用。
如图11和图12所示，图11表征喇叭天线辐射到反射阵面上的能量分布，图12(a)表征0度出射每个太阳能电池板单元所需的补偿相位；(黑色代表π，灰色代表0)；太阳能电池板单元提供1-Bit反射相位(0和π)，近似反射相位使单元适用于反射阵天线设计。是仿真的每个单位像素的期望相位，/>是太阳能电池板单元相应的单位像素的实际补偿相位。如图12(b)所示，参考公式(3)，建立0度出射1-Bit反射阵列的相位分布。根据1-Bit相位分布采用合适尺寸的太阳能电池板，构建14*14反射阵列天线。
图13为不同出射角度时的阵面1-Bit相位排布，经过计算喇叭天线辐射球面波到达阵面的距离与将球面波转换为不同方向的定向波束所需要的等相位面的距离相加结合。通过补偿不同的角度所需要的相位构建出其所需要的相位排布。在2.4GHz时的如图13所示，1-Bit相位分布(a)-55度(b)-30度(c)30度(d)55度。
本发明设计的是1-Bit无源太阳能板反射阵列天线，选择单元间距为中心频率2.4千兆赫兹的半波长长度65毫米，整个阵面的大小为910毫米*910毫米。焦径比选择为0.8，即喇叭天线终端距离阵面为728毫米。图14表征在中心频率反射相位随太阳能板尺寸变化的能力，取第一种太阳能电池板尺寸51毫米*51毫米，反射相位为27度；取第二种太阳能电池板尺寸60毫米*60毫米，反射相位为-154度。两种尺寸的反射相位差为181度约等于π，第一种尺寸代表0反射相位，第二种尺寸代表π反射相位，可以实现1-Bit反射阵列天线的功能。图15表征了不同入射角下反射相位的变化很小，说明太阳能电池板单元的性能稳定。图16表征了所选尺寸的反射相位随频率变化的曲线，说明了反射相位差为180度的频段范围很小，所以提出的反射阵列天线本身带有窄带特性。
如图17和图18所示，图17为按照不同出射角度的阵面相位排布后，经仿真得到的主极化方向图，以太阳能电池板为单元可以实现反射阵功能。仿真测试了0度、正负30度、正负55度情况下的方向图，预设出射角度方向的增益均在18dBi左右，图18为0度出射时定向增益随频率变化的曲线。由此观之，证明本发明提出的以太阳能电池板为单元的1-Bit无源反射阵列天线性能良好。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种以太阳能电池板单元为基础的反射阵列天线，其特征在于：包括馈源喇叭天线(1).反射面(2)和金属地表面(3)，所述馈源喇叭天线(1)的下方布置有反射面(2)，所述反射面(2)的下方布置有金属地表面(3)；
基于下式3得到太阳能电池板单元相应的单位像素的实际补偿相位：
在式3中，是太阳能电池板单元相应的单位像素的实际补偿相位，/>是仿真的每个单位像素的期望相位；
根据建立0度出射1-Bit反射阵列的相位分布，根据1-Bit反射阵列的相位分布将述反射面(2)构建为14*14排布的156个太阳能电池板；所述太阳能电池板有两种尺寸，不同的尺寸对于入射波提供不同的反射相位，第一种尺寸代表0反射相位，第二种尺寸代表π反射相位；所述太阳能电池板从电磁特性上分析由两层材料构成，所述太阳能电池板的上层材料为银(silver)的前电极层(201)，所述太阳能电池板的下层材料为硅(silicon)与三氧化二铝的PN结层(202)，以实现良好的光电转化效率。
2.根据权利要求1所述的一种以太阳能电池板单元为基础的反射阵列天线，其特征在于：所述馈源喇叭天线(1)由前端矩形波导(101)和终端逐渐开口波导(102)组成，电磁波由前端矩形波导(101)传输至终端逐渐开口波导(102)后得到辐射球面波特性。
3.根据权利要求1所述的一种以太阳能电池板单元为基础的反射阵列天线，其特征在于：所述金属地表面(3)设置在反射面(2)下面H＝3毫米的位置处。
4.根据权利要求1所述的一种以太阳能电池板单元为基础的反射阵列天线，其特征在于：所述馈源喇叭天线(1)的末端与反射面(2)的距离为F＝728毫米。
5.根据权利要求2所述的一种以太阳能电池板单元为基础的反射阵列天线，其特征在于：所述前端矩形波导(101)的长度a＝95.3毫米，宽度b＝42.3毫米，高度为l＝20毫米；所述终端逐渐开口波导(102)的长度为a1＝190.5毫米，宽度为b1＝148.2毫米，过度段高度为h＝317.2毫米，以达到良好的阻抗匹配。
6.根据权利要求1所述的一种以太阳能电池板单元为基础的反射阵列天线，其特征在于：所述太阳能电池板的上层结构中，相邻银线之间的间距为w＝1毫米，银线本身的宽度为l1＝0.02毫米，银线本身的厚度为w1＝0.03毫米；所述太阳能电池板的下层结构中，硅的厚度为w2＝0.2毫米，三氧化二铝的厚度w3＝0.02毫米。
7.根据权利要求1所述的一种以太阳能电池板单元为基础的反射阵列天线，其特征在于：所述太阳能电池板有两种尺寸，第一种为宽度与长度均为l2＝60毫米，第二种为宽度与长度均为l3＝51毫米，不同的尺寸对于入射波提供不同的反射相位。
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