CN116581555A - 一种高增益宽角度电扫描异形反射面天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高增益宽角度电扫描异形反射面天线，属于天线技术领域。该天线包括相控阵馈源、异形反射面和天线支架；相控阵馈源放置在异形反射面的焦点处，用于将馈入的射频功率以电磁波的形式向异形反射面辐射，在口径上产生预设的场分布；异形反射面由七个相同的抛物面反射面依次沿着圆弧呈圆周分布连接组成，每个抛物面反射面的口径面均为长方形，且连接处为长方形的长边；所述圆弧的圆心在焦点F处，半径等于焦距f。本发明天线能够实现快速电控波束扫描，增大了天线的波束扫描的范围，最大扫描范围达到±60°；在保证宽角度扫描且不增加天线的口径大小的前提下，提高了天线的增益。

Description

一种高增益宽角度电扫描异形反射面天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种使用相控阵馈电的高增益宽角度电扫描异形反射面天线。
背景技术
随着雷达、卫星通信、射电天文等技术的飞速发展，对高增益、宽角度扫描天线的需求日益增加。多波束天线技术可以有效地扩大天线的覆盖范围，传统的多波束天线有相控阵天线、反射面天线和介质透镜天线。反射面天线只能依靠机械转动，扫描速度较慢。大口径的相控阵天线由于成千上万的元件会增加设计的复杂性和成本。因此，相控阵馈电的反射面天线结合了反射面天线的高增益、低成本和相控阵天线波束扫描灵活等优点，可以形成多个连续覆盖、性能优良的波束，有效地扩大反射面天线的覆盖范围。
根据反射面的类型，相控阵馈电的反射面天线包括单反射面天线、双反射面天线和抛物柱面天线；然而，这些天线的扫描角度非常小。另一种宽角度扫描的相控阵馈电的反射面天线是抛物环面天线，抛物线环面是通过绕垂直于抛物线轴的轴旋转抛物线生成的，自身的圆弧特性容易在一个平面内实现宽角扫描；然而，抛物环面在扫描平面内是球反射面，它的聚焦效果比较弱，这导致抛物环面天线的增益较低。
综上所述，设计一种高增益、宽角度扫描的相控阵馈电的反射面天线具有巨大的挑战和研究意义。
发明内容
本发明的目的，就是针对使用相控阵馈电的传统抛物环面天线的效率低，增益小的问题，提出了一种使用相控阵馈电的高增益宽角度电扫描异形反射面天线，在保证扫描角度足够大的前提下，提高天线的增益。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种高增益宽角度电扫描异形反射面天线，其特征在于，包括相控阵馈源(1)、异形反射面(2)和天线支架(3)。
其中，所述相控阵馈源(1)放置在异形反射面(2)的焦点F处，用于将馈入的射频功率以电磁波的形式向异形反射面(2)辐射，在口径上产生预设的场分布。
所述异形反射面(2)，由七个相同的抛物面反射面(21)依次沿着圆弧呈圆周分布连接组成，每个抛物面反射面(21)的口径面均为长方形，且连接处为长方形的长边；所述圆弧的圆心在焦点F处，半径等于焦距f。
所述天线支架(3)用于固定相控阵馈源(1)和异形反射面(2)的相对位置。
进一步地，所述抛物面反射面(21)的焦距f为40λ，λ为工作频率对应的波长。
进一步地，所述抛物面反射面(21)口径面的长边的焦径比f/D1的取值范围为1.8～2.2，短边的焦径比f/D2的取值范围为2.6～3.0，D1表示长方形口径面的长边，D2表示长方形口径面的短边。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)本发明的一种高增益宽角度电扫描异形反射面天线，与传统的反射面天线相比，克服了依赖机械转动才能实现波束扫描的缺点，能实现快速电控波束扫描。
2)本发明的一种高增益宽角度电扫描异形反射面天线，与大口径相控阵天线相比，减少了大量的天线元件和T/R组件，解决了天线设计加工的成本。
3)本发明的一种高增益宽角度电扫描异形反射面天线，与传统的相控阵馈电的单反射面天线、双反射面天线以及抛物柱面天线相比，增大了天线的波束扫描的范围，最大扫描范围达到±60°。
4)本发明的一种高增益宽角度电扫描异形反射面天线，与传统的使用相控阵馈电的传统抛物环面天线相比，在保证宽角度扫描且不增加天线的口径大小的前提下，提高了天线的增益；在0°的增益由27.16dBi提高到32.48dBi，在±60°由23.57dBi提高到29.48dBi，平均提高了5.60dB。
附图说明
图1是本发明所述的一种高增益宽角度电扫描异形反射面天线的结构示意图；
图2是本发明所述的传统的宽角度电扫描抛物环面天线的结构示意图；
图3是本发明所述的异形反射面与传统抛物环面对比示意图；
图4是本发明所述的相控阵馈源示意图；
图5是本发明所述的相控阵馈源的有源S参数曲线仿真结果图；
图6是本发明所述的相控阵馈源在10GHz时波束指向0°时的辐射方向图仿真结果图；
图7是本发明所述的一种高增益宽角度电扫描异形反射面天线在10GHz时波束指向0°时的辐射方向图仿真结果图；
图8是本发明所述的一种高增益宽角度电扫描异形反射面天线在10GHz时波束指向为-60°时的辐射方向图仿真结果图；
图9是本发明所述的一种高增益宽角度电扫描异形反射面天线与使用相控阵馈电的传统抛物环面天线在10GHz时的波束扫描仿真结果对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合具体实施例和附图，对本发明的技术方案作进一步的详细说明：
如图2所示，传统的抛物环面反射面(4)在扫描平面内是球面反射面，它的聚焦效果比较弱，这导致抛物环面天线的效率减小，增益较低，不适合作为高增益波束扫描天线。
本发明提出了将抛物环面反射面(4)进行离散设计的方案，使用七个抛物面反射面(21)组成的异形反射面(2)代替传统的抛物环面反射面(4)，且本发明提出的异形反射面(2)与传统的抛物环面反射面(4)具有相同的口径大小。
如图1所示是本实施例所述的一种高增益宽角度电扫描异形反射面天线的结构示意图，包括相控阵馈源(1)、异形反射面(2)和天线支架(3)。
其中，所述相控阵馈源(1)放置在异形反射面(2)的焦点处，用于将馈入的射频功率以电磁波的形式向异形反射面(2)辐射，在口径上产生预设的场分布。
所述异形反射面(2)，由七个相同的抛物面反射面(21)依次沿着圆弧呈圆周分布连接组成，该圆弧的圆心在焦点F处，半径等于焦距f，每个抛物面反射面(21)的口径面均为长方形。每个抛物面反射面(21)的焦距f均为40λ(λ为10GHz时的波长)，每个抛物面反射面(21)的长方形口径面的长边的焦径比f/D1＝2.00，短边的焦径比f/D2＝2.86，D1表示长方形口径面的长边，D2表示长方形口径面的短边。
所述天线支架(3)用于固定相控阵馈源(1)和异形反射面(2)的相对位置。
如图3所示是本发明所述的异形反射面与传统抛物环面对比示意图，用于充分对比本发明提出的异形反射面(2)与传统的抛物环面反射面(4)的不同点。在yoz截面内对比中心位置处的两种反射面的截面图。传统的抛物环面反射面(4)在yoz的截面是以圆心为(0,0,40λ)，半径为40λ(λ为10GHz时的波长)，圆心角为20°的圆弧；而组成本实施例所述的异形反射面(2)的抛物面反射面(21)在yoz截面是焦点在F(0,0,40λ)处的抛物线，其中抛物线的左端点A1、右端点A2与焦点F组成的角度为20°。
下面给出二者在yoz平面内满足的方程。
传统的抛物环面反射面(4)在yoz截面的方程为：
式中：λ为10GHz时的波长；y为横坐标；z(y)为纵坐标。
本实施例抛物面反射面(21)在yoz截面满足的方程为：
式中：λ为10GHz时的波长；y为横坐标；z(y)为纵坐标。
图4所示是本实施例的相控阵馈源示意图，相控阵馈源(1)包括一块单层Rogers_5880高频板(11)、其背面的地板及其正面的八个谐振式矩形微带串馈贴片天线(12)；相邻谐振式矩形微带串馈贴片天线(12)之间的中心距为0.5λ。
谐振式矩形微带串馈贴片天线(12)包括一段用于馈电的微带线(15)和九个微带矩形辐射贴片(13)，以及用于连接微带矩形辐射贴片(13)的八段串馈微带传输线(14)。九个微带矩形辐射贴片(13)的宽度变化服从道尔夫-切比雪夫分布，宽度从下至上依次为W1＝4.15mm，W2＝5.59mm，W3＝7.63mm，W4＝9.25mm，W5＝9.85mm，W6＝9.25mm，W7＝7.63mm，W8＝5.59mm，W9＝4.15mm；长度均为LP＝9.90mm。用于馈电的微带线(15)和串馈微带传输线(14)的宽度均为LW＝0.94mm，长度均为L1＝10.89mm。
为了减小相控阵馈源(1)的副瓣电平，相控阵馈源(1)的八个谐振式矩形微带串馈贴片天线(12)的馈电功率服从道尔夫-切比雪夫分布，从左至右的输入功率依次为0.14W，0.34W，0.71W，1.00W，1.00W，0.71W，0.34W和0.14W。馈电相位满足：
式中：θ为波束指向方向与相控阵馈源(1)的法向的夹角；d＝0.5λ为谐振式矩形微带串馈贴片天线(12)之间的中心距；n为谐振式矩形微带串馈贴片天线(12)的编号，从左至右依次编号为1,2,3,4,5,6,7,8。
图5所示是实施例所述的相控阵馈源的有源S参数曲线仿真结果图，该相控阵馈源(1)在10GHz处实现了良好的阻抗匹配和端口隔离度，10dB阻抗带宽为1％。
图6所示是本实施例所述的相控阵馈源在10GHz时波束指向0°时的辐射方向图仿真结果图，此时相控阵馈源(1)的八个谐振式矩形微带串馈贴片天线(12)的馈电相位均为0°。
图7所示是本发明所述的一种高增益宽角度电扫描异形反射面天线与使用相控阵馈电的传统抛物环面天线在10GHz时的波束扫描仿真结果对比图。由图7可知，本实施例的一种高增益宽角度电扫描异形反射面天线，与传统的使用相控阵馈电的传统抛物环面天线相比，在保证宽角度扫描且不增加天线的口径大小的前提下，本发明所提出的天线提高了天线的增益；在0°的增益由27.16dBi提高到32.48dBi，在±60°由23.57dBi提高到29.48dBi，平均提高了5.60dB；在±60°的波束扫描范围增益波动小于3dB。
本发明天线效率的提高使得无线系统的效率得到了提高，仿真结果证实了本发明所述的天线在未来无线系统中的潜在应用。

Claims (3)

1.一种高增益宽角度电扫描异形反射面天线，其特征在于，包括相控阵馈源(1)、异形反射面(2)和天线支架(3)；
其中，所述相控阵馈源(1)放置在异形反射面(2)的焦点F处，用于将馈入的射频功率以电磁波的形式向异形反射面(2)辐射，在口径上产生预设的场分布；
所述异形反射面(2)，由七个相同的抛物面反射面(21)依次沿着圆弧呈圆周分布连接组成，每个抛物面反射面(21)的口径面均为长方形，且连接处为长方形的长边；所述圆弧的圆心在焦点F处，半径等于焦距f；
所述天线支架(3)用于固定相控阵馈源(1)和异形反射面(2)的相对位置。
2.如权利要求1所述的一种高增益宽角度电扫描异形反射面天线，其特征在于，所述抛物面反射面(21)的焦距f为40λ，λ为工作频率对应的波长。
3.如权利要求1或2所述的一种高增益宽角度电扫描异形反射面天线，其特征在于，所述抛物面反射面(21)口径面的长边的焦径比f/D1的取值范围为1.8～2.2，短边的焦径比f/D2的取值范围为2.6～3.0，D1表示长方形口径面的长边，D2表示长方形口径面的短边。
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