CN203250848U - 一种基于频率控制的电扫描平面反射阵列天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于频率控制的电扫描平面反射阵列天线，其目的在于解决现有相控阵天线的移相器成本过高的问题。该阵列天线包括通过固定波源照射可在连续改变频率时实现波束扫描的微带贴片阵列、矩形口径馈电喇叭以及支撑结构。所述贴片阵列的阵列单元包括两个开口圆环和一个I形偶极子，用于调节相位分布的参数为两个环的开口宽度和I形偶极子宽度。本实用新型的最大创新点在于克服了传统电扫描阵列需要复杂的馈电网络及昂贵的收发组件的缺点，通过控制频率的变化来实现阵列的波束扫描，大大降低了阵列天线的成本和复杂度。

Description

一种基于频率控制的电扫描平面反射阵列天线

技术领域

本发明属于无线通信技术和雷达技术领域，具体涉及一种可有效降低波束扫描阵列的成本和复杂度的基于频率控制的电扫描平面反射阵列天线，适用于短距离保密通信或雷达等波束扫描系统当中。 

背景技术

随着近代通信技术的飞速发展，具有波束聚焦功能的天线扮演着越来越重要的角色。传统的聚焦波束天线主要有抛物面反射器和阵列天线两种，对于抛物面天线，其机身笨重，体积庞大，而且特殊的曲面难于制造，在更高频段上，由于电磁波波长更短，对加工精度的要求更高，使得加工难度更为明显。另外，它也难于实现宽角度的电子波束扫描。微带相控阵列可实现宽角度的波束扫描，但对于大型阵列，它需要复杂的功分馈电网络和可控的相移器，因此功率的损耗大，效率较低，制造成本也大为提高。在一些应用领域，为了克服抛物面反射器和微带阵列天线所固有的缺点，平面反射阵列天线应运而生。微带反射阵列因综合了抛物面反射器和微带阵列的诸多优点而被广泛地发展和研究，并且在某些领域已经得到初步应用。 

为了实现平面反射阵列天线的波束扫描，国内外众多专家学者进行了广泛而深入的研究。在二十世纪七十年代中期，Phelan提出一种“螺旋相位”反射阵列的概念，在圆极化反射阵的四臂螺旋或者十字偶极子单元中引入开关二极管来电扫描其主波束到很大的角度，将圆极化辐射单元旋转不同角度，它传播 的电相位也随着旋转角度成比例地改变。通过开关二极管来激发不同的螺旋臂，不仅能调整相位使在远场得到同相位波束，而且可以在宽角度内实现波束扫描。然而，由于较厚的螺旋腔(四分之一波长)和具有较大体积的电子元件(二极管偏置电路)，螺旋相位反射阵依然庞大厚重，另外，因为螺旋天线固有的大尺寸特性，它的孔径效率仍然特别低。特别是在它工作频率的高频段，远大于半个自由空间波长的单元间距而导致的栅瓣极大地降低了天线效率。因此这种反射阵列天线形式在接下来的十年里也没有进一步研究。 

1978年Malagisi首先提出了微带反射阵的概念，使得平面反射阵列天线的重量和加工复杂度都大大降低，从此平面反射阵列天线进入高速发展时期。1995年，J.Huang等人提出采用微机电系统（MEMS）来调节辐射贴片的旋转角度以实现波束扫描，由于控制部件的复杂性较高，该方法尚且处于研究阶段，要投入实用还有一段距离。2006年，M.R.Chaharmir等人提出一种光控电扫描反射阵列，通过控制每个单元后面对应光源的强度来调节半导体中的电子流，间接改变了单元的反射相位。以上两种方法都对控制部件的加工要求较高，且采用的介质材料昂贵，不适宜大规模推广。 

随着半导体技术的发展，高性能变容二极管也被用于平面反射阵列天线阵列单元的相位调节，这使得阵列单元更加简单而且易于控制。2010年，L.Boccia等提出矩形阵列单元加载可变电容的方法实现波束扫描，并对阵列单元的相位特性和损耗进行了比较系统的分析。研究表明，采用矩形贴片加载单个可变电容的方法所实现的相位延迟范围约为330度左右，而理论上要实现波束扫描的相位延迟范围为360度，因此引入的相位误差会导致阵列增益下降和波束指向偏离。同时，由于变容二极管内阻所产生的损耗大约在3dB左右，也大大降低了阵列的增益。同年，Chang Liu等人提出了开口双矩形环加载多个可 变电容的方法，使得阵列单元相位延迟范围达到500度左右，并具有较平滑的相位-电压特性，但阵列单元中可变电容产生的损耗依然很大。 

与上述具有代表性的相关论文相比，本发明采用一种新颖的无源反射阵元和频率控制的方式实现波束扫描，不需要复杂的控制部件和馈电结构，天线结构和普通的非扫描反射阵列相同，因此成本更低，损耗更小。我们设计了一个阵元数为10×10的偏馈反射阵列用于验证阵列单元的性能和设计方法的有效性，仿真结果显示，在11G到15GHz的频率范围内，可在E面上实现30度连续波束扫描，扫描角度为20度到50度，增益为16-21dBi。 

发明内容

本发明鉴于上述技术背景，目的在于对现有的电扫描平面反射阵列天线控制部件复杂，成本高，损耗大等问题加以解决，提出了一种基于频率控制的电扫描平面反射阵列天线。该设计适用于无线通信系统和雷达系统，其基本结构包括一个馈电喇叭、微带贴片阵列和支撑结构。阵列单元的设计是该工作的核心内容，它直接影响到整个天线的性能。阵列单元由两个开口同心圆环和一个I形偶极子构成，总共有三个谐振尺寸，用于调节相位延迟曲线的斜率和相位延迟量的参数为两个环的开口宽度和I形偶极子宽度，而两个环的内外径大小和I形偶极子的长度为固定值。改变谐振尺寸的大小可使三个谐振频率在较大范围内变化，这样可以使反射相位延迟曲线在一定范围内实现所需要的斜率和大小。值得注意的是，相位曲线的最大斜率直接影响到可实现微带贴片阵列的尺寸大小。为使反射相位曲线具有良好的线性特征，本设计中采用了厚度较大且介电常数为2.2的介质。 

本发明的最大创新在于，通过适当选择每个阵列单元的三个尺寸自由度的 参数，使得在扫描频段内满足所需要的相位延迟，组阵之后在特定频率下可以在预期方向上实现同相叠加，以此达到波速扫描的目的。 

本发明的特点是，通过改变两个开口圆环的开口宽度和I形偶极子的宽度来控制三个谐振频率的大小，从而改变反射相位曲线的斜率和大小。对于所述微带贴片阵列，在靠近馈源的近端，采用相位延迟曲线具有最大斜率的阵列单元，随着阵列单元位置与馈电喇叭距离的增加，采用相位延迟量更大但相位曲线斜率更小的阵列单元。 

本发明实施方式是采用馈电喇叭进行馈电，根据馈电喇叭的相心位置、馈电喇叭与微带贴片阵列的相对位置以及设定的波束指向确定各阵列单元在扫描频段上的所需相位延迟，然后再由此确定每个阵列单元的三个尺寸参数。实施之前必须利用电磁仿真软件对阵列单元的几个可变参数进行参数扫描，得到不同的尺寸参数的数值组合在扫描频段内各观察频点的反射相位延迟值。 

附图说明

图1为本发明——一种基于频率控制的电扫描平面反射阵列天线 

图2为本发明中一种基于频率控制的电扫描平面反射阵列天线的总体示例图 

图3为本发明中所采用的阵列单元 

图4为本发明中阵列单元的典型相位曲线 

图5为本发明中微带贴片阵列的中部两列阵列单元所需相位曲线 

图6为本发明中一种基于频率控制的电扫描平面反射阵列天线的仿真E面辐射方向图 

具体实施方式

图1和图2示例性的描述了一种基于频率控制的电扫描平面反射阵列天线。依图1所示，基于频率控制的电扫描平面反射阵列天线10主要包括一个馈电喇叭12和一个阵列单元数为10×10单元的微带贴片阵列11，对实际应用中的平面反射阵列天线，阵列单元数量可达数千。由于图1所展示的为仿真模型，为了节约计算机内存，必要的金属支撑结构未被包含在图中。具体的实物中还应包括用于调节馈电喇叭201与微带贴片阵列202距离的导轨204，以及固定微带贴片阵列202的塑料框架和T形金属支撑架205，用于调节微带贴片阵列202与馈电喇叭201的相对高度，总体示例图如图2所示。为了确保由馈电喇叭201辐射到微带贴片阵列202表面上的电磁波为球面波，馈电喇叭201与微带贴片阵列202的距离不能太小，同时又要使得馈电喇叭201辐射的能量尽可能多的覆盖在微带贴片阵列202表面，所以通过折衷选取馈电喇叭201口径面与微带贴片阵列202的距离为d=255mm。为了减小馈电喇叭201对辐射方向图的影响，采用偏馈形式对微带贴片阵列202进行馈电，馈电喇叭201相心位置低于微带贴片阵列202下边缘50mm，同时辐射波束指向左上方，最小仰角为20度，最大仰角为50度。馈电喇叭201辐射方向对准微带贴片阵列202的中心，仰角为17度。 

图3为本专利中采用的阵列单元305，为保证反射相位曲线的线性，此处采用了较厚的介质材料301，厚度为3mm（0.13个中心频率波长），背部覆铜。阵列单元305大小为10mm（0.43个中心频率波长），以确保波束扫描的过程中不出现栅瓣。阵列单元305由三部分构成，两个开口同心圆环302、303和一个I形偶极子304，可形成三个谐振频点，理论上最大可实现1080度相位延 迟。阵列单元305总共有八个尺寸参数，其中五个取最优值后保持固定，外圆环302的外径为3.7mm，外圆环302内径为3.3mm，圆环302与303之间的缝隙为0.2mm，内环303宽度为0.4mm，I形偶极子304中间部分长度为3mm。另外三个可变尺寸：内外圆环的开口宽度W₁，W₂和I形偶极子宽度M可调，W₁的调节范围为0.5mm到3mm，步长为0.25mm，W₂的调节范围为0.5mm到4.5mm，步长为0.5mm，M的调节范围为0.6mm到3.6mm，步长为0.02mm。通过调节三个可调参数，可在一定范围内改变三个谐振频率的大小，从而改变阵列单元305的反射相位曲线的大小和斜率。 

图4为微带贴片阵列11中阵列单元的两条典型反射相位曲线，当三个可变参数的变化范围确定之后，理论上来说选择不同的参数组合，所得到的具有负斜率的反射相位曲线介于这两条曲线之间。 

接下来是描述的该方案的具体实施细节 

确定馈电喇叭12和微带贴片阵列11的相对位置之后，结合扫描角度，可以确定微带贴片阵列11中每个阵列单元(101,102…)在各个频点上所需要补偿的相位值，这就要合理选择每个阵列单元(101,102…)的三个参数的值。在设计微带贴片阵列11之前，要通过参数扫描得到不同的参数组合下扫描频段内各观察频点相位值。在本发明中，W₁，W₂，M的扫描范围如前文所示，扫描频点为在11到15GHz范围内以0.5GHz为步长共取9个频点，最后共得到9×11×9×151个相位值。将这些仿真数值保存在文档中，根据计算出的每个阵列单元(101,102…)在各个频点所需的相位，即可确定该阵列单元的三个尺寸参数数值。 

图5为本发明中微带贴片阵列11中第五或第六列阵列单元的所需相位延迟曲线，这簇曲线反映了微带贴片阵列11中不同位置的阵列单元所需的相位 曲线的变化趋势，斜率最大的为微带贴片阵列11下边缘的阵列单元所需的相位曲线，斜率最小的为微带贴片阵列11上边缘的阵列单元所需的相位曲线。由于阵列单元的相位延迟曲线的斜率是小于零的，所以针对一种特定的阵列单元结构，它所能组建的微带贴片阵列的大小是有限制的，针对本发明中所采用的阵列单元，根据上述的馈电位置，所能组建的最大阵列单元行数大概为12行。为了能组建更大尺寸的微带贴片阵列，可以采用具有更多谐振尺寸的阵列单元，最下边缘的阵列单元的相位曲线可以具有更大的斜率。 

图6为本发明中基于频率控制的电扫描平面反射阵列天线的扫描方向图，扫描角度为20度到50度，对应的频率为15G到11GHz，在整个工作频段内的增益范围为16-21dB。在扫描频段内增益下降较大的原因主要有两点：一是缘于波束扫描阵列的固有性质，即增益随着扫描角度的增大而降低。二是因为微带贴片阵列11的电尺寸大小在工作频段内的高频时约为低频的1.5倍，由此而造成在高频段增益更大。 

以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，自然也可以据以上所述对实施方案做一系列的变更。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。 

Claims (3)

1.一种基于频率控制的电扫描平面反射阵列天线，包括馈电喇叭(201)、背部为金属覆层的微带贴片阵列(202)以及支撑结构(203、204、205)，其特征在于：该反射阵列天线采用了通过固定馈源照射可在连续改变频率时实现波束扫描的微带贴片阵列(202)。 

2.根据权利要求1所述的一种基于频率控制的电扫描平面反射阵列天线，其特征是：馈电喇叭(201)的上边沿在高度上低于微带贴片阵列(202)的下边沿，波束扫描区域为馈电喇叭(201)上方一定角度范围内，对于所述微带贴片阵列(202)，在靠近馈电喇叭(201)的近端，采用相位延迟曲线具有最大斜率的阵列单元，随着阵列单元位置与馈点喇叭(201)距离的增加，采用相位延迟量更大但相位曲线斜率更小的阵列单元。 

3.根据权利要求2所述的一种基于频率控制的电扫描平面反射阵列天线，其特征是：所述阵列单元(101、102...)包括两个开口圆环(302、303)和一个I形偶极子(304)，用于调节相位延迟曲线的斜率和相位延迟量的参数为两个环(302、303)的开口宽度和I形偶极子(304)宽度，而两个环(302、303)的内外径大小和I形偶极子(304)的长度为固定值。 

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