CN206727228U - 基于重叠反射单元的宽带单层极化分束平面反射阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于重叠反射单元的宽带单层极化分束平面反射阵列天线，包括馈源喇叭和平面反射阵列。平面反射阵列的反射单元由两组平行单极子正交叠放组成，分别用于补偿X方向线极化与Y方向线极化波的反射相位，该设计既表现宽带工作特性，又实现了对两种极化反射波束的独立调控，起到波束极化分离的效果。
Description
技术领域：
本实用新型涉及一种基于重叠反射单元的宽带单层极化分束平面反射阵列天线，其属于电子通信领域。
背景技术：
平面反射阵列(Flat Reflectarray)是一种将反射抛物面和阵列天线相结合的一种天线形式。通过设计阵列上每个单元的结构参数来修正反射相位，使其在远场某一方向获得等相位面，得到该方向上的辐射波束。相比传统的抛物面反射天线，该结构剖面低、占用空间小、质量轻、加工简单且成本低；能实现折叠与展开，便于空间应用。相比于阵列天线，平面反射阵列则省去了复杂的馈电、功分网络，使得能量传输效率更高，并降低了设计的难度。最重要的是，反射单元一旦确定，就可以应用到多种用途的平面阵列中，通过调控表面反射单元的结构尺寸，就可以得到适应不同频段、不同波束要求天线。
而平面反射阵列有着固有缺点：馈源到阵面各个反射单元的路程差是关于频率的函数，随着频率的变化，各个反射单元需要补偿的空间相位差也随之变化。而反射单元的尺寸是固定的，频率的偏差超出设计，必将造成增益下降、波束偏差等问题，使得传统的平面反射阵列存在固有的窄带工作特性，难以实现宽频、多频工作。多谐振单元结构是指反射单元中包含尺寸相近、形状相似的贴片，能够在不增加阵列剖面的前提下，有效拓展工作带宽。本实用新型使用的平行单极子结构获得了15.7％的工作带宽，反射单元的相位调控曲线在11.3-13.4GHz的范围内呈线性并覆盖了超过360°的变化范围。另外，本实用新型实现了在同一平面上对不同极化方式反射波的分离，并使得每种波束指向各自设计好的空间方向。分极化的波束复用拓展了信道容量，提高了天线的使用效率。
实用新型内容：
本实用新型提供一种基于重叠反射单元的宽带单层极化分束平面反射阵列天线，本实用新型结构很好的改善了平面反射阵列的工作带宽。同时，该实用新型实现了同一平面对不同极化方式反射波束的分离，并且每种极化方式的波束空间指向可以进行独立的设计。
本实用新型所采用的技术方案有：一种基于重叠反射单元的宽带单层极化分束平面反射阵列天线，由馈源喇叭以及平面反射阵列组成，所述平面反射阵列包括介质基板、接地金属背板以及将介质基板与接地金属背板隔开的空气层，介质基板表面排布有反射单元，每一个反射单元由两组正交叠放的平行单极子组成。
进一步地，反射单元中两组平行单极子在表面正交叠放，分别对X方向线极化、Y方向线极化波进行独立的相位调控，实现同一个平面反射阵列对两种正交的线极化波的复用。
进一步地，所述反射单元为单层金属贴片，所述介质基板使用ARLON 25N材料，厚度为0.508mm，所述空气层的厚度为3mm。
本实用新型具有如下有益效果：首先，本实用新型使用单层金属贴片就实现了双线极化的复用，两组平行单极子正交叠放于同一平面，降低剖面从而大大降低了加工难度。另外，正交平行单极子具有良好的极化隔离特性，每组平行单极子对应一种极化方式，可实现两种极化反射波束的独立调控，从而大大提升了平面反射阵列设计的灵活性。最后，具有多谐振特性的平行单极子配合空气层结构，保证了该平面反射阵列能实现稳定的宽带工作。
附图说明：
图1是本实用新型的系统结构示意图。
图2为反射单元结构图，(a)为俯视图，(b)为侧视图。
图3为平行单极子结构图，(a)为俯视图，(b)为侧视图。
图4为平行单极子在X方向线极化入射波下的相位补偿曲线，(a)为平行单极子沿y轴放置，(b)为沿x轴放置。
图5为正交平行单极子叠放组成反射单元的示意图。
图6为反射单元在X方向线极化与Y方向线极化的入射波下的相位补偿曲线，(a)X方向线极化，(b)为Y方向线极化。
图7为平面反射阵列结构图。
图8为平面反射阵列辐射方向图，(a)为结构摆放示意图，(b)为X方向线极化辐射方向图，(c)为Y方向线极化辐射方向图。
其中：
1-馈源喇叭，2-平面反射阵列，3-反射单元，4-平行单极子，5-介质基板，6-空气层，7-接地金属背板。
具体实施方式：
下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。
如图1所示，该实用新型基于重叠反射单元的宽带单层极化分束平面反射阵列天线的整体结构由馈源喇叭1以及平面反射阵列2组成。馈源喇叭提供激励；平面反射阵列表面的反射单元3由两组平行单极子4正交叠放组成，每组平行单极子分别沿x轴与y轴方向排列。每组平行单极子可对其排列方向上的线极化波进行反射相位调节，而对正交方向上的线极化波起不到相位调节作用。将两组平行单极子正交叠放，从而得到完整的反射单元，可以实现对X方向线极化与Y方向线极化反射波相位的独立调控。平面反射阵列上的反射单元通过变化尺寸来进行相位调节，补偿馈源喇叭照射平面反射阵列的空间相位差，使得整个平面反射阵列在某一个远场方向获得等相位面，实现同相相加，由此得到所该方向上的辐射波束。在双线极化或圆极化入射时，平面反射阵列中y轴向与x轴向的平行单极子排布经过独立设计，实现在同一平面反射阵列表面上将X方向线极化与Y方向线极化反射波束分离，波束各自指向设计好的方向。反射单元中每组平行单极子都采用了多谐振结构的设计，加之反射单元3的介质基板5与接地金属背板7之间用空气层6隔开，形成了跨越360°的平滑相位补偿曲线，使得在宽频带内反射波束保持稳定的方向性和增益。
图2所示为反射单元结构图。介质基板5使用ARLON 25N材料，厚度为0.508mm。介质基板5与接地金属背板7之间用3mm的空气层6隔开。空气层6保证相位调节曲线跨越360°。介质基板5表面的金属贴片结构为两组正交叠放平行单极子4。
图3所示为反射单元中的一组沿y轴放置的平行单极子。反射单元的尺寸为边长ax＝ay＝16.5mm的正方形区域。三根平行单极子等距排列，间距为5.5mm，平行单极子宽度w＝1mm。中央的平行单极子长度为l1，两边的平行单极子长度为l2，并保持l2＝0.7l1。入射波为X方向线极化时，该平行单极子的相位补偿曲线如图4(a)所示。由图中可见，在11.3GHz至13.4GHz之间，随着中央的平行单极子l1长度在6-10mm间变化，各个频点上的相位补偿曲线大致呈线性变化，且变化范围大于360°。
而同样在X方向线极化入射波下，沿x轴放置的平行单极子的相位补偿曲线如图4(b)所示。各个频点的反射相位不随中央的平行单极子长度l1的变化而变化。将两组正交的平行单极子叠放形成反射单元，如图5所示。完整的反射单元的相位调节曲线如图6所示，图6(a)为X方向线极化的情况，图6(b)为Y方向线极化的情况。两种情况下，中央的平行单极子长度均在5-10mm间变化，11.3GHz-13.4GHz之间各个频点都得到了平滑的近线性相位补偿曲线，且相位变化范围均超过360°。
利用该结构良好的极化隔离性，可以设计构成平面反射阵列实现对X方向与Y方向线极化反射波束的度独立调控，用同一平面反射阵列生成两束不同极化方式、不同空间指向的反射波束。如图8(a)所示，平面反射阵列放置于x-y平面内，坐标原点位于平面反射阵列中心，馈源喇叭置于z轴。本专利中，设置的反射波束均位于y-z平面内，X方向线极化反射波束的方位角为(θ1＝15°，φ1＝0°)，Y方向线极化反射波束的方位角为(θ2＝-15°，φ2＝0°)，由此设计的平面反射阵列如图7所示。
图8(b)所示为X方向线极化反射波束的方向图，在图8(a)所示的y-z平面内，11.3GHz-13.1GHz的反射波束方向图最大增益均位于设计的(θ1＝15°，φ1＝0°)方向，12.2GHz时波束增益达到最大的28.12dB，13.1GHz时出现了增益大于10dB的副瓣。图8(c)所示为y-z平面内的Y方向线极化反射波束方向图，同样在11.3GHz-13.1GHz内，最大增益方向均在(θ2＝-15°，φ2＝0°)，12.2GHz时最大增益为27.98dB。
本实用新型所描述的反射单元具有很强的设计灵活性，两种极化方式的反射波束空间指向可以自由设计。本专利只描述了一个具体的设计，其他的各种波束设计均在本专利所要求的保护权利内。
Claims (3)
1.一种基于重叠反射单元的宽带单层极化分束平面反射阵列天线，其特征在于：由馈源喇叭(1)以及平面反射阵列(2)组成，所述平面反射阵列(2)包括介质基板(5)、接地金属背板(7)以及将介质基板(5)与接地金属背板(7)隔开的空气层(6)，介质基板(5)表面排布有反射单元(3)，每一个反射单元(3)由两组正交叠放的平行单极子(4)组成。
2.如权利要求1所述的基于重叠反射单元的宽带单层极化分束平面反射阵列天线，其特征在于：反射单元(3)中两组平行单极子(4)在表面正交叠放，分别对X方向线极化、Y方向线极化波进行独立的相位调控，实现同一个平面反射阵列(2)对两种正交的线极化波的复用。
3.如权利要求1所述的基于重叠反射单元的宽带单层极化分束平面反射阵列天线，其特征在于：所述反射单元(3)为单层金属贴片，所述介质基板(5)使用ARLON 25N材料，厚度为0.508mm，所述空气层(6)的厚度为3mm。
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| CN110459868A (zh) * | 2019-08-14 | 2019-11-15 | 北京理工大学 | 一种回字型嵌套折线型结构的超表面反射阵天线单元 |
| CN111146572A (zh) * | 2019-12-20 | 2020-05-12 | 中国电波传播研究所（中国电子科技集团公司第二十二研究所） | 一种折合式圆极化反射阵天线 |
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2017
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