CN208460991U - 一种基于风车结构的平面反射阵列天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于风车结构的平面反射阵列天线，由工作在X波段的馈源喇叭及表面具有不同尺寸的阵列单元呈周期排列构成的单层反射阵列组成；所述馈源喇叭通过支架安装于单层反射阵列一侧，所述单层反射阵列包括若干个由下而上依次层叠的金属背板、介质基板、贴片单元构成的反射阵列单元，所述贴片单元的上表面覆盖有提高线性度，扩大相位补偿范围的介质层。本实用新型相较于传统的阵列单元设计，解决了在介质基板厚度改变的同时，阵列单元的相位特性曲线的线性度与相位补偿的范围反向变化的问题，并且阵列单元的设计简单、造价低，经仿真计算后，本实用新型提出的基于风车形的平面反射阵列天线可正常工作。

Description

一种基于风车结构的平面反射阵列天线

技术领域

本实用新型涉及一种平面反射阵列天线，具体的说是一种由形似风车形阵列单元构成的具有单层结构，能够实现X波段内的波束集中的平面反射阵列天线，属于微波器件技术、射频系统前端技术领域。

背景技术

近些年，卫星通信、微波通信和航天技术的迅猛发展，对雷达系统提出了更高的要求，而用户之间的通信由天线发射到基站，再由基站传递给用户，因此移动通信必须有基站天线的配合才能完成。基站天线按天线辐射的方向图来分类为全向天线和定向天线，定向天线一般用于移动用户密度较高的区域，而在移动用户密度较低的区域就需要用到全向天线。天线是辐射和接收电磁波的传感器，是雷达系统中不可缺少的重要组成部分，传统扫描雷达的天线扫描方式是机械扫描方式，利用整个天线系统或某一部分的机械运动来使波束扫过一定的区域，获取信息。抛物面天线作为高增益天线当中的一员，己广泛应用到现代通信系统中，但在随着波的频率的增加，抛物面反射面天线的加工精度越来越难以满足，尤其到了毫米波波段。平面反射阵列天线具有重量轻、体积小、价格便宜易于制造特别是易于和其他物体共形、易与微带电路集成等优点，平面反射阵列天线相比传统抛物面天线和相阵天线也有很多优点，相对于有源微带阵列天线而言，无复杂的馈电或功分网络，损耗较小；平面反射阵天线是一个二维结构，可以进行共形设计；由于其基本结构同微带天线相似，因此剖面低、占用空间小、质量轻、加工简单且成本低；采用柔性板材设计还能实现折叠与展开，便于空间应用；可以实现较高的交叉极化性能；在实现工艺方面，采用光刻技术能有保证各个单元的物理尺寸，同时，由于整体可采用平面结构，相对于三维曲面而言整个天线的型面进度能够进一步得到提高。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种基于风车形的平面反射阵列天线，能够实现X波段内的波束，同时还能够提高阵列单元的相位特性曲线的线性度、扩大相位补偿的范围。

为了解决以上技术问题，本实用新型提供一种基于风车结构的平面反射阵列天线，由工作在X波段的馈源喇叭及表面具有不同尺寸的阵列单元呈周期排列构成的单层反射阵列组成；所述馈源喇叭通过支架安装于单层反射阵列一侧，所述单层反射阵列包括若干个由下而上依次层叠的金属背板、介质基板、贴片单元构成的反射阵列单元，所述贴片单元的上表面覆盖有提高线性度，扩大相位补偿范围的介质层。

本实用新型通过仿真计算可以得出反射阵列单元在不同位置的相位补偿图，进而得到尺寸分布图，由此做出的平面反射阵列在馈源的照射下，由于阵面上所组成的反射单元结构尺寸存在偏差，以此修正反射相位延迟，补偿空间相位差，在远场获得等相位面，实现同相相加，得到所需方向上的辐射波束。且本实用新型通过在反射阵列单元的上方加玻璃介质的方法，使得在不增加介质基板厚度的前提下阵列单元的相位特性曲线的线性度变好，且避免了因介质厚度的增加使相位补偿的范围缩小的问题，又因为玻璃介质的介电常数比一般的介质基板大，反而扩大了阵列单元的相位补偿范围。

本实用新型进一步限定技术方案为：所述贴片单元为金属贴片构成的中心对称结构，包括置于中央的中心正方形结构及其外围的风车形结构，所述风车形结构包括方形框及四个直角三角形结构按顺时针方向旋转90°连接组成，所述直角三角形的一直角边与方形框的外沿重合，另一直角边与正方形结构的中心线重合；沿贴片单元的四个边角对称设有四个尺寸相同的正方形结构，各正方形结构关于贴片单元的中心对称分布。

所述中心正方形结构的边长为所述风车形结构由菱形与五个正方形相减而得，菱形的外接圆半径为中间减去的正方形的边长是四周减去的正方形的边长是其起始坐标分别为贴片单元四个边角上的正方形结构的边长为其起始坐标分别为

进一步的，所述介质层是长、宽都为12mm，厚度为0.5mm的长方体玻璃介质层，其介电常数为5.5，通过加玻璃介质层后，阵列单元的相位特性曲线的线性度变好、相位补偿的范围变大。

进一步的，所述介质基板为长、宽均为12mm，厚度为3mm的长方体，其材料采用FR4_epoxy，介电常数为4.4，损耗角正切值为0.02。所述介质基板的底部固定有金属背板，所述金属背板采用长宽尺寸与介质基板相同的铜质背板，该铜质背板的厚度忽略不计。

进一步的，所述单层反射阵列由24×24即576个经过计算得到的反射阵列单元组成，所述单层反射阵列是长和宽都为288mm，厚度为3.5mm的长方体。

进一步的，所述馈源喇叭的工作频段为X波段，其位于单层反射阵列一侧中心的正上方距反射阵列表面291.5mm处，与Z轴夹角为10°。

本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型通过仿真计算可以得出反射阵列单元在不同位置的相位补偿图，进而得到尺寸分布图，由此做出的平面反射阵列在馈源的照射下，由于阵面上所组成的反射单元结构尺寸存在偏差，以此修正反射相位延迟，补偿空间相位差，在远场获得等相位面，实现同相相加，得到所需方向上的辐射波束。且本实用新型通过在反射阵列单元的上方加玻璃介质的方法，使得在不增加介质基板厚度的前提下阵列单元的相位特性曲线的线性度变好，且避免了因介质厚度的增加使相位补偿的范围缩小的问题，又因为玻璃介质的介电常数比一般的介质基板大，反而扩大了阵列单元的相位补偿范围。

(2)本实用新型相较于传统的阵列单元设计，解决了在介质基板厚度改变的同时，阵列单元的相位特性曲线的线性度与相位补偿的范围反向变化的问题，并且阵列单元的设计简单、造价低，经仿真计算后，本实用新型提出的基于风车形的平面反射阵列天线可正常工作。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明。

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型中贴片单元的结构示意图。

图3为图2的立体图。

图4为本实用新型中阵列单元相位特性曲线图。

图5(a)为阵列在11.6GHz频率下，波束指向15°时，贴片单元所需激励的尺寸；

图5(b)为阵列在11.6GHz频率下，波束指向20°时，贴片单元所需激励的尺寸；

图5(c)为阵列在11.6GHz频率下，波束指向25°时，贴片单元所需激励的尺寸。

图6(a)为工作于11.6GHz频率下，最大波束在yoz平面内指向θ₁＝15°时的方向图；

图6(b)为工作于11.6GHz频率下，最大波束在yoz平面内指向θ₂＝20°时的方向图；

图6(c)为工作于11.6GHz频率下，最大波束在yoz平面内指向θ₃＝25°时的方向图。

附图标记解释：1—馈源喇叭，2—贴片单元，3—玻璃介质层，4-介质基板，5-铜质背板。

具体实施方式

本实施例提供的一种基基于风车形的平面反射阵列天线，结构如图1至图3所示，由工作在X波段的馈源喇叭以及表面具有不同尺寸的阵列单元呈周期排列构成的单层反射阵列组成。其中，馈源喇叭的工作频段为X波段，其位于单层反射阵列一侧中心的正上方距反射阵列表面291.5mm处，与Z轴夹角为10°。单层反射阵列包括若干个反射阵列单元，每个反射阵列单元的最上层为玻璃介质层，第二层为形似风车结构的贴片单元，第三层为介质基板，最底层为铜质背板。

每个阵列单元的最上层的玻璃介质层是长、宽都为12mm，厚度为0.5mm的长方体，介电常数为5.5，通过加玻璃介质层后，阵列单元的相位特性曲线的线性度变好、相位补偿的范围变大。

贴片单元为金属贴片构成的中心对称结构，包括置于中央的中心正方形结构及其外围的风车形结构。其中，风车形结构包括方形框及四个直角三角形结构按顺时针方向旋转90°连接组成，直角三角形的一条直角边与方形框的外沿重合，另一条直角边与正方形结构的中心线重合；沿贴片单元的四个边角对称设有四个尺寸相同的正方形结构，各正方形结构关于贴片单元的中心对称分布。

同时，中心正方形结构的边长为风车形结构由菱形与五个正方形相减而得，菱形的外接圆半径为中间减去的正方形的边长是四周减去的正方形的边长是其起始坐标分别为贴片单元四个边角上的正方形结构的边长为其起始坐标分别为

介质基板是长、宽都为12mm，厚度为3mm的长方体，其材料采用FR4_epoxy，介电常数为4.4，损耗角正切值为0.02。而在介质基板的底部为尺寸与其相同，厚度忽略不计的铜质背板，长和宽也为12mm。

单层反射阵列由24×24即576个经过计算得到的反射阵列单元组成，单层反射阵列是长和宽都为288mm，厚度为3.5mm的长方体。

本实施例的整体结构由激励源喇叭、单层反射阵列组成，通过仿真计算可以得出反射阵列单元在不同位置的相位补偿图，进而得到尺寸分布图，由此做出的平面反射阵列在馈源的照射下，由于阵面上所组成的反射单元结构尺寸存在偏差，以此修正反射相位延迟，补偿空间相位差，在远场获得等相位面，实现同相相加，得到所需方向上的辐射波束。通过在反射阵列单元的上方加玻璃介质的方法，使得在不增加介质基板厚度的前提下阵列单元的相位特性曲线的线性度变好，且避免了因介质厚度的增加使相位补偿的范围缩小的问题，又因为玻璃介质的介电常数比一般的介质基板大，反而扩大了阵列单元的相位补偿范围。如图4所示， A是未加玻璃前的阵列单元的相位特性曲线，B为加玻璃后的阵列单元的相位特性曲线。从图中明显可以看出，加玻璃后阵列单元的相位特性曲线的线性度变好，且相位补偿范围增大。

一种基于风车形的平面反射阵列天线，反射阵列单元经过相位补偿和特性位移曲线的计算，可以得出每一贴片单元所需的尺寸，其中图5(a)为波束指向15°时金属贴片的大小，图 5(b)为波束指向20°时金属贴片的大小，图5(c)为波束指向25°时金属贴片的大小，从而得到所需频率下不同反射波束角度的反射阵列，在馈源喇叭的照射下，可以得到同一频段、不同波束指向的反射阵列。

构建三个工作于11.6GHz不同波束角度的反射阵列，在第一种工作状态下，所设计的最大波束在yoz平面内指向θ₁＝15°，如图6(a)所示，仿真结果最大波束θ₁＝15°，可以看出在该角度下波束的指向性比较好，能量比较集中；同样，第二种工作状态下，所设计的最大波束在 yoz平面内指向θ₂＝20°，如图6(b)所示，仿真结果最大波束θ₂＝20°；第三种工作状态下，所设计的最大波束在yoz平面内指向θ₃＝25°如图6(c)所示，仿真结果最大波束θ₃＝25°。

本实用新型相较于传统的阵列单元设计，解决了在介质基板厚度改变的同时，阵列单元的相位特性曲线的线性度与相位补偿的范围反向变化的问题，并且阵列单元的设计简单、造价低，经仿真计算后，本实用新型提出的基于风车形的平面反射阵列天线可正常工作。

除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于风车结构的平面反射阵列天线，其特征在于：由工作在X波段的馈源喇叭及表面具有不同尺寸的阵列单元呈周期排列构成的单层反射阵列组成；所述馈源喇叭通过支架安装于单层反射阵列一侧，所述单层反射阵列包括若干个由下而上依次层叠的金属背板、介质基板、贴片单元构成的反射阵列单元，所述贴片单元的上表面覆盖有提高线性度，扩大相位补偿范围的介质层。

2.根据权利要求1所述的基于风车结构的平面反射阵列天线，其特征在于：所述贴片单元为金属贴片构成的中心对称结构，包括置于中央的中心正方形结构及其外围的风车形结构，所述风车形结构包括方形框及四个直角三角形结构按顺时针方向旋转90°连接组成，所述直角三角形的一直角边与方形框的外沿重合，另一直角边与正方形结构的中心线重合；沿贴片单元的四个边角对称设有四个尺寸相同的正方形结构，各正方形结构关于贴片单元的中心对称分布。

3.根据权利要求2所述的基于风车结构的平面反射阵列天线，其特征在于：所述中心正方形结构的边长为所述风车形结构由菱形与五个正方形相减而得，菱形的外接圆半径为中间减去的正方形的边长是四周减去的正方形的边长是其起始坐标分别为贴片单元四个边角上的正方形结构的边长为其起始坐标分别为。

4.根据权利要求1所述的基于风车结构的平面反射阵列天线，其特征在于：所述介质层是长、宽都为12mm，厚度为0.5mm的长方体玻璃介质层，其介电常数为5.5。

5.根据权利要求1所述的基于风车结构的平面反射阵列天线，其特征在于：所述介质基板是长、宽都为12mm，厚度为3mm的长方体，其材料是FR4_epoxy，介电常数为4.4，损耗角正切值为0.02；其底部固定有大小相同，厚度忽略不计的铜质背板。

6.根据权利要求1所述的基于风车结构的平面反射阵列天线，其特征在于：所述单层反射阵列由24×24即576个经过计算得到的反射阵列单元组成，所述单层反射阵列是长和宽都为288mm，厚度为3.5mm的长方体。

7.根据权利要求1所述的基于风车结构的平面反射阵列天线，其特征在于：所述馈源喇叭的工作频段为X波段，其位于单层反射阵列一侧中心的正上方距反射阵列表面291.5mm处，与Z轴夹角为10°。