CN115332816A - 基于全金属极化扭转反射单元的反射阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于全金属极化扭转反射单元的反射阵列天线，该天线中反射阵列包括若干个全金属极化扭转反射单元；每个反射单元均包括由上至下依次设置的带有缝隙的金属板、空气层和金属地板；缝隙是在“L”形缝隙结构的基础上扩展形成。本发明包含两种不同尺寸且反射相位相差90°的全金属极化扭转反射单元，同时通过镜像，得到具有0°，90°，180°和270°反射相位的四种状态的反射单元，从而实现2bit的相位量化。这四种状态的反射单元构成的反射阵列天线是一种新型的全金属结构，使得反射阵列天线即便处于恶劣的空间环境之中，也能够完全消除与电介质基板相关的损耗，在降低成本的同时，可以实现良好的增益带宽和口径效率。

Description

基于全金属极化扭转反射单元的反射阵列天线
技术领域
本发明属于反射阵列天线技术领域，特别是一种基于全金属极化扭转反射单元的反射阵列天线。
背景技术
对于大多数雷达和远距离通信系统，高增益天线不可或缺。其中，反射阵列天线由于其重量轻、体积小和易于加工制造等优点而获得广泛应用。然而，传统的反射阵天线大多基于电介质基板，当处于恶劣的空间环境中，电介质基板所带来的损耗是不可忽略的，这就导致了天线性能的下降，同时电介质基板的存在也加大了反射阵列天线的成本。因此，为了解决上述问题，全金属反射阵列天线会是更好的解决方案。近年来，国内外学者提出了几种具有全金属结构的反射单元，例如论文“Design of a Ku-band reflectarray antennaconsisting of only metallic surfaces”中设计了一种没有使用电介质基板的全金属单元，论文“A Low-Cost Metal-Only Reflectarray Using Modified Slot-Type PhoenixElement With 360-Phase Coverage”中设计了一种“凤凰槽型”的全金属反射单元，论文“Steerable Spiral Slot Reflectarray at 66GHz Using Micromachined MovableSilicon Slab”中设计了一种全金属的圆极化单元等等。
另外，极化扭转也是一种非常重要的技术，用来改变电磁波的极化特性。国内外学者也提出了相应的极化扭转单元来设计反射阵列天线，例如论文“A Wideband Single-Layer Reflectarray Exploiting a Polarization Rotating Unit Cell”中设计了一种新型的基于极化扭转单元的宽带反射阵列天线，论文“A wideband 1-bit ReflectiveMetasurface Based on Linear Polarizer”中设计了一种基于超表面的极化扭转单元，论文“Broadband Folded Reflectarray Antenna Using Single-Layer Cross-Polarization Conversion Subwavelength Elements”中设计了一种基于亚波长极化扭转单元的宽带折叠反射阵列天线等。然而，这些结构的设计仍然是依赖于电介质基板的，会带来相应的损耗及成本问题。同时注意到目前国内外对利用全金属极化扭转单元来设计反射阵列的工作还鲜有报道。因此，设计并研究一种基于全金属极化扭转单元的反射阵列天线具有一定的新意及现实意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于全金属极化扭转单元的反射阵列天线。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于全金属极化扭转反射单元的反射阵列天线，包括馈电喇叭和反射阵列，馈电喇叭位于反射阵列的斜上方，所述反射阵列包括若干个均匀排列的全金属极化扭转反射单元；每个全金属极化扭转反射单元均包括由上至下依次设置的带有缝隙的金属板、空气层和金属地板；金属板上的缝隙是在“L”形缝隙结构的基础上扩展形成，具体地：在“L”形缝隙的直角拐角处内侧增加形状为等腰直角三角形且直角边为一定长度的切角，同时，从“L”形缝隙的两个末端分别沿垂直于“L”臂的方向延伸出两个相同且具有一定长度的新缝隙，该新缝隙的宽度和“L”形缝隙宽度W保持一致，“L”形缝隙的长度为L，切角的直角边长度为S，新缝隙的长度为D。
进一步地，所述新缝隙的长度D可调，用于实现反射单元的反射相位变化。
进一步地，新缝隙的长度D的取值为[0mm,5mm]。
进一步地，所述反射阵列包括0°，90°，180°和270°反射相位的四种不同状态的全金属极化扭转反射单元，并按照2bit布阵技术进行布阵排列；其中，0°反射相位对应的反射单元(3)，其新缝隙的长度D＝0mm；90°反射相位对应的全金属极化扭转反射单元，其新缝隙的长度D＝3.1mm；180°反射相位对应的全金属极化扭转反射单元为0°反射相位对应的全金属极化扭转反射单元水平镜像而成，270°反射相位对应的全金属极化扭转反射单元为90°反射相位对应的反射单元水平镜像而成。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1)本发明中提出的全金属极化扭转反射单元，不使用任何的电介质基板，在降低成本的同时，避免了电介质基板在恶劣空间环境下带来的损耗。
2)本发明提出的全金属极化扭转反射单元结构，可以改变电磁波的极化特性，能够较好地实现对入射波的90°极化扭转。
3)本发明中提出的全金属极化扭转反射单元，可以通过镜像操作来获得具有0°，90°，180°和270°反射相位的四种状态的单元，结合2bit布阵技术，设计出了一种基于全金属极化扭转反射单元的反射阵列天线，可以实现良好的增益带宽和口径效率。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明基于全金属极化扭转反射单元的反射阵列天线示意图，其中图(a)为反射阵列天线的三维示意图，图(b)为反射阵列的局部俯视图。
图2为本发明基于全金属极化扭转反射单元的反射阵列天线的反射单元的俯视图。
图3为本发明基于全金属极化扭转反射单元的反射阵列天线的反射单元的侧视图。
图4为本发明基于全金属极化扭转反射单元的反射阵列天线的反射单元在设计的8-12GHz频率范围内四种状态单元最终的反射幅度曲线图。
图5为本发明基于全金属极化扭转反射单元的反射阵列天线的反射单元在设计的8-12GHz频率范围内四种状态单元最终的反射相位曲线图。
图6为本发明基于全金属极化扭转反射单元的反射阵列天线在10GHz时的仿真和测量的E面辐射方向图。
图7为本发明基于全金属极化扭转反射单元的反射阵列天线在10GHz时的仿真和测量的H面辐射方向图。
图8为本发明基于全金属极化扭转反射单元的反射阵列天线在不同频率下测量的E面辐射方向图。
图9为本发明基于全金属极化扭转反射单元的反射阵列天线在不同频率下测量的H面辐射方向图。
图10为本发明基于全金属极化扭转反射单元的反射阵列天线测量的增益及口径效率曲线图。
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。
在一个实施例中，结合图1至图3，提供了一种基于全金属极化扭转反射单元的反射阵列天线，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，所述反射阵列2包括若干个均匀排列的全金属极化扭转反射单元3；每个全金属极化扭转反射单元3均包括由上至下依次设置的带有缝隙的金属板4、空气层5和金属地板6；金属板4上的缝隙是在“L”形缝隙结构的基础上扩展形成，具体地：在“L”形缝隙的直角拐角处内侧增加形状为等腰直角三角形且直角边为一定长度的切角，同时，从“L”形缝隙的两个末端分别沿垂直于“L”臂的方向延伸出两个相同且具有一定长度的新缝隙，该新缝隙的宽度和“L”形缝隙宽度W保持一致，“L”形缝隙的长度为L，切角的直角边长度为S，新缝隙的长度为D。
进一步地，在其中一个实施例中，所述新缝隙的长度D可调，用于实现全金属极化扭转反射单元3的反射相位变化。
进一步地，在其中一个实施例中，新缝隙的长度D的取值为[0mm,5mm]。
进一步地，在其中一个实施例中，所述反射阵列2包括0°，90°，180°和270°反射相位的四种不同状态的全金属极化扭转反射单元3，并按照2bit布阵技术进行布阵排列；其中，0°反射相位对应的反射单元，其新缝隙的长度D＝0mm；90°反射相位对应的全金属极化扭转反射单元，其新缝隙的长度D＝3.1mm；180°反射相位对应的全金属极化扭转反射单元为0°反射相位对应的全金属极化扭转反射单元水平镜像而成，270°反射相位对应的全金属极化扭转反射单元为90°反射相位对应的反射单元水平镜像而成。
具体地，结合图4和图5，将两种尺寸的单元分别镜像，得到四种状态的反射单元，分别定义为单元1状态1(Bit 00)，单元2状态1(Bit 01)，单元1状态2(Bit 10)和单元2状态2(Bit 11)。镜像之后，初始单元和镜像单元的反射幅度曲线完全重合，而反射相位则相差180°，即单元1状态1(Bit 00)和单元1状态2(Bit 10)的反射相位相差180°，单元2状态1(Bit 01)和单元2状态2(Bit 11)的反射相位则相差180°。同时，单元1状态1(Bit 00)和单元2状态1(Bit 01)的反射相位相差90°。于是可以得到具有0°，90°，180°和270°反射相位的四种状态的反射单元，从而实现2bit相位量化。在9.0-10.8GHz的频率范围内，这四种状态的单元反射幅度均在-1dB以上，能实现较好的极化扭转。
进一步地，在其中一个实施例中，所述反射单元3之间的间距P＝0.47λ，其中λ为用户设计频率对应的自由空间波长。
这里示例性地，假设用户设计的目标频率为10GHz，则全金属极化扭转反射单元3之间的间距P＝14mm。
作为一种具体示例，在其中一个实施例中，对本发明进行进一步验证说明。
本实施例中，基于全金属极化扭转单元的反射阵列天线，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：馈电喇叭1与竖直方向的夹角为15°，与反射阵列2的竖直距离为148mm。本实施例中，全金属极化扭转反射单元3之间的间距P＝14mm，反射阵列2口径面尺寸为210mm×210mm，包括225个反射单元3；每个全金属极化扭转反射单元3均包括金属板4和金属地板6，金属板4和金属地板6之间由厚度H＝7.0mm的空气层5隔开。金属板4上的缝隙在“L”形缝隙结构的基础上扩展形成，即在“L”形缝隙的直角处增加形状为等腰直角三角形且直角边为长度S＝5.0mm的切角，同时，从“L”形缝隙的两个末端分别沿法线方向延伸出两个相同且长度为D的新缝隙，延伸出的新缝隙宽度和“L”形缝隙宽度保持一致为W＝2.0mm，“L”形缝隙结构的长度为L＝12.7mm，全金属极化扭转反射单元3的相位变化通过改变所延伸的新缝隙长度D来实现，D的最终取值为D＝0.0mm/3.1mm，两种尺寸对应的反射单元相位相差90°。
由图6和图7可知，基于全金属极化扭转单元的反射阵列天线在10GHz时，E面和H面的仿真和测量的辐射方向图基本重合。E面的主瓣方向在15°，与设计吻合。E面的测量副瓣电平和交叉极化分别为-17.4dB和-17.8dB，H面的测量副瓣电平和交叉极化分别为-12.7dB和-16.9dB。
由图8和图9可知，基于全金属极化扭转单元的反射阵列天线在不同频率下的E面和H面的测量辐射方向图均较为稳定。
由图10可知，基于全金属极化扭转单元的反射阵列天线的测量结果得出，在10GHz的增益为22.8dBi，最大口径效率为33.7％。同时，该反射阵列天线可以实现19.4％的1-dB增益带宽。
综上，本发明基于全金属极化扭转单元，每个单元的初始“L”形缝隙和切角的尺寸是不变的，仅通过改变延伸出的新缝隙长度D，来寻找相位相差90°的两种尺寸的反射单元，再通过镜像使得镜像前后的两个单元反射相位相差180°，同时反射幅度曲线完全重合。最终得到具有0°，90°，180°和270°反射相位的四种状态的单元，从而实现2bit相位量化，并在较宽的频率范围均能实现对入射波的90°极化扭转。基于这种全金属极化扭转反射单元结构，设计出的反射阵列天线无需使用电介质基板，使得反射阵列天线即便处于恶劣的空间环境之中，也能够避免与电介质基板相关的损耗，在降低成本的同时，可以实现良好的增益带宽和口径效率。
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 (9)

1.一种基于全金属极化扭转反射单元的反射阵列天线，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，其特征在于，所述反射阵列(2)包括若干个均匀排列的全金属极化扭转反射单元(3)；每个全金属极化扭转反射单元(3)均包括由上至下依次设置的带有缝隙的金属板(4)、空气层(5)和金属地板(6)；金属板(4)上的缝隙是在“L”形缝隙结构的基础上扩展形成，具体地：在“L”形缝隙的直角拐角处内侧增加形状为等腰直角三角形且直角边为一定长度的切角，同时，从“L”形缝隙的两个末端分别沿垂直于“L”臂的方向延伸出两个相同且具有一定长度的新缝隙，该新缝隙的宽度和“L”形缝隙宽度W保持一致，“L”形缝隙的长度为L，切角的直角边长度为S，新缝隙的长度为D。
2.根据权利要求1所述的基于全金属极化扭转反射单元的反射阵列天线，其特征在于，所述新缝隙的长度D可调，用于实现全金属极化扭转反射单元(3)的反射相位变化。
3.根据权利要求1所述的基于全金属极化扭转反射单元的反射阵列天线，其特征在于，新缝隙的长度D的取值为[0mm,5mm]。
4.根据权利要求3所述的基于全金属极化扭转反射单元的反射阵列天线，其特征在于，所述反射阵列(2)包括0°，90°，180°和270°反射相位的四种不同状态的全金属极化扭转反射单元(3)，并按照2bit布阵技术进行布阵排列；其中，0°反射相位对应的反射单元(3)，其新缝隙的长度D＝0mm；90°反射相位对应的全金属极化扭转反射单元(3)，其新缝隙的长度D＝3.1mm；180°反射相位对应的全金属极化扭转反射单元(3)为0°反射相位对应的全金属极化扭转反射单元(3)水平镜像而成，270°反射相位对应的全金属极化扭转反射单元(3)为90°反射相位对应的反射单元(3)水平镜像而成。
5.根据权利要求1所述的基于全金属极化扭转反射单元的反射阵列天线，其特征在于，所述全金属极化扭转反射单元(3)之间的间距P＝0.47λ，其中λ为用户设计频率对应的自由空间波长。
6.根据权利要求1所述的基于全金属极化扭转反射单元的反射阵列天线，其特征在于，所述全金属极化扭转反射单元(3)之间的间距P＝14mm，即0.47λ，其中λ为10GHz对应的自由空间波长。
7.根据权利要求1所述的基于全金属极化扭转反射单元的反射阵列天线，其特征在于，所述L＝12.7mm，W＝2.0mm，S＝5.0mm。
8.根据权利要求1所述的基于全金属极化扭转反射单元的反射阵列天线，其特征在于，所述空气层(5)的厚度H为7.0mm。
9.根据权利要求7所述的基于全金属极化扭转反射单元的反射阵列天线，其特征在于，所述馈电喇叭(1)位于反射阵列(2)的斜上方，具体位置为：馈电喇叭(1)与竖直方向的夹角为15°，与反射阵列(2)的竖直距离为148mm。
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