CN213071365U - 一种宽带全息反射阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种宽带全息反射阵列天线，由方型反射阵列单元构成的具有三层介质结构，能够实现X波段内的波束集中平面反射。基于全息理论的反射阵列天线，通过对天线的阻抗反射单元进行尺寸调节来实现对反射波指向的调控。相较于传统的阵列，使用了新型反射阵列天线原理，同时使用三层介质单元改善了平面反射阵列天线的工作带宽，三层结构能够实现X波段的波束的集中平面反射，可以在不增加介质基板的厚度前提下拓展全息反射阵列天线的带宽，整个阵列天线具有大带宽、波束窄以及增益高等优点，通过调节金属单元结构尺寸和周期，可以改变反射阵列天线的工作频段、增益、带宽和增益。
Description
技术领域
本实用新型属于阵列天线技术领域，具体涉及一种宽带全息反射阵列天线。
背景技术
在星载通信领域，天线向着高通量的方向发展，由于通信距离远，通信环境更加复杂，因此通常情况下需要使用高增益天线，平面反射阵列天线是新一代的高增益天线，将反射面天线和相控阵天线的优势结合，提高了传统反射面的紧凑度，节省了系统空间，由馈源和一组微带阵列单元构成，在馈源照射下，微带反射阵单元通过其预先设计好的反射阵列单元可以在制定方向上形成笔形波束，从而形成高增益。采用的微带贴片的形式相对于纯金属抛物面也降低了天线系统的重量，反射阵列天线利用空间中的馈源喇叭进行馈电，避免了相控阵中复杂的馈电网络，且口径上的每个单元都可以独立的调节相位响应，极大地丰富了天线系统的设计参数，为后续的设计多频，多波束，电控扫描等复杂性能提供了可能，但是微带反射阵列天线谐振时的Q值过高，产生的窄带宽特性限制了其实际的应用，不能实现X波段内的波束集中平面反射。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提供了一种宽带全息反射阵列天线，由方型反射阵列单元构成的具有三层介质结构，能够实现X波段内的波束集中平面反射。
为实现上述目的，本实用新型技术方案如下：
本实用新型的一种宽带全息反射阵列天线，包括工作在X波段的馈源喇叭以及反射阵列，所述馈源喇叭通过支架安装在反射阵列的一侧，其中，反射阵列包括若干个反射阵列单元，每种反射阵列单元的最上层为方型结构的贴片单元，第二层为介质基板，最下层为铜质背板，所述介质基板包括三层中间介质基板，三层中间介质基板层叠布置，由上到下的第一层中间介质基板介电常数范围为2到3，第二层中间介质基板介电常数范围为3到4，第三层中间介质基板介电常数范围为4到6。
其中，三层中间介质基板的介电常数依次为2.6、3.66和4.5。
其中，所述中间介质基板为长、宽都是8mm，厚度为2.4mm的长方体。
其中，所述铜质背板的长和宽为8mm。
其中，所述反射阵列包括30个反射阵列单元。
其中，所述反射阵列单元载体为240mm，厚度为2.4mm的圆柱体。
其中，所述馈源喇叭位于反射阵列一侧中心的正上方距反射阵列表面160mm处，出射波与z轴的夹角为30°。
其中，X波段取10GHz。
有益效果：
本实用新型的宽带全息反射阵列天线，基于全息理论的反射阵列天线，通过对天线的阻抗反射单元进行尺寸调节来实现对反射波指向的调控。相较于传统的阵列，使用了新型反射阵列天线原理，同时使用三层介质单元改善了平面反射阵列天线的工作带宽，三层结构能够实现X波段的波束的集中平面反射，可以在不增加介质基板的厚度前提下拓展全息反射阵列天线的带宽，整个阵列天线具有大带宽、波束窄以及增益高等优点，通过调节金属单元结构尺寸和周期，可以改变反射阵列天线的工作频段、增益、带宽和增益。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
图2为本实用新型中单层贴片单元的结构示意图。
图3为本实用新型中三层贴片单元的结构示意图。
图4为本实用新型中阵列单元的阻抗特性曲线。
图5为本实用新型中口径上的阵列阻抗分布。
图6为本实用新型工作在12.5GHz时的单层和三层全息反射阵列增益曲线对比。
图7为本实用新型工作在12.5GHz时的三层全息反射阵列方向图。
附图表标记解释为：1-馈源喇叭，2-反射阵列单元，3-介质基板。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本实用新型进行详细描述。
本实用新型提供了一种宽带的全息反射阵天线，结构如图l所示，由工作在X波段的馈源喇叭以及反射阵列构成；所述馈源喇叭通过支架安装在反射阵列的一侧，其中，反射阵列包括若干个反射阵列单元，每种反射阵列单元的最上层为方型结构的贴片单元，第二层为介质基板，最下层为铜质背板。
现有技术的单层反射阵列单元如图2所示，介质基板为单层介质基板。在全息单元中，随着频率的增加，单元对应的表面阻抗也随之增加。通过改变全息单元的介质属性，从上到下介电常数逐渐变小，可以使得表面阻抗随频率增大的增加率下降，从而可以在更大的带宽上保持恒定的增益。本实用新型的反射阵列单元如图3所示，介质基板包括三层中间介质基板，三层中间介质基板层叠布置，由上到下的第一层中间介质基板介电常数范围为2到3，第二层中间介质基板介电常数范围为3到4，第三层中间介质基板介电常数范围为4到6，三层中间介质基板的介电常数由上而下逐渐变小，三层中间介质基板可以扩大单元带宽。
全息反射阵列的主要设计思想是结合光学全息原理对表面阻抗进行调制，其核心问题是表面阻抗值得计算提取。将单元模型在HFSS本征模求解其中求解阻抗表面频率，从而进一步计算得到表面阻抗。从而就完成了阻抗值与贴片形状大小之间的映射，在上述技术方案中，当确定了中心频点处的反射阻抗曲线和各个单元所需的全息阻抗之后，根据所需阻抗值在反射阻抗曲线上对应出阵元尺寸的大小。通过仿真计算可以得到反射阵单元在不同位置的表面阻抗值，进而得到尺寸分布图。在设计全息反射阵列天线的过程中，理想的馈源入射波和反射波被假设为来自远区相对于反射阵列全息口径的两个碰撞平面波。在以反射波为参考波的全息天线等平面结构中，反射波为表面波，口径上的干涉图案可以通过调制表面阻抗量来表征，即表面波的切向电场与切向磁场的比值。在全息反射阵列天线中，干涉图可以用输入阻抗量来恰当地描述，即反射面附近的空间波的切向电场与切向磁场的比值，因此所述贴片单元大小根据全息理论进行计算，口径上的阻抗分布为正弦分布。
以反射阵列单元所在面中心为原点，反射阵列单元所在面为XY面，其垂直方向为Z轴建立XYZ坐标系，对于位于XY平面上的全息反射阵列单元的输入阻抗量为：
Zinput(x,y)＝j[X+M cos k0(x sinθcosφ+y sinθsinφ-r)]
其中，(x，y)是反射阵列单元的中心坐标，X为为任意平均阻抗；M为调制深度；k0是真空中的传播常数；λ表示波长；θ为三层反射阵列辐射波出射角；φ为三层反射阵列辐射波的方位角；
为每个反射阵列单元到空馈喇叭的距离，其中(xf,yf,H)为空馈喇叭天线的位置。
本实施例中，X波段可以取10GHz。所述介质基板为长、宽都是8mm，厚度为2.4mm的长方体，三层介质基板的介电常数从贴片到地板分别为4.5、3.66和2.6，介质基板的底部是尺寸大小相同，厚度忽略不计的铜质背板，长和宽也为8mm。
进一步的，所述三层反射阵列的口径为圆形，直径上有30个经过计算得到的反射阵列单元组成，所述三层反射阵列是半径为240mm，厚度为2.4mm的圆柱体。
进一步的，所述馈源喇叭位于三层反射阵列一侧中心的正上方距反射阵表面160mm处，出射波与z轴的夹角为30°。
将单层全息反射阵列天线的增益与三层全息反射阵列天线进行了比较。单层全息反射阵列天线的介质基板介电常数为3.66，在10GHz的时产生30°出射的波束。三层全息反射阵列天线是在单层全息反射阵列天线使用的衬底两侧各添加一个介电层。为了保证表面波的有效耦合，基片的介电常数从底部(靠近地平面)增加到顶部(靠近金属贴片)，介电常数越来越大。为了便于分析，假设三层全息反射阵列天线中的介质基板总厚度相同。全息反射阵列天线的增益随频率的变化分别如图6所示。
按照本实用新型的方法，将单元模型在HFSS本征模求解其中求解阻抗表面频率，从而进一步计算提取的表面阻抗如图4所示，当贴片单元边长从2.2mm变化到6.2mm，表面阻抗从179jΩ变化345jΩ，在此设置单元的X值为262，M值为83。由此就确定了中心频率处的反射阻抗曲线，越大的金属贴片对应越大的表面阻抗值。
设计馈源喇叭位于反射阵列一侧中心的正上方距反射阵列表面160mm处，与Z轴夹角为0°。设计全息反射阻抗口径为圆形，设定出射波束为30°，故整个圆形口径上最终所需的阻抗表面如图5所示。根据所需的阻抗大小在反射阻抗曲线上对应出阵元尺寸的大小，由计算出来的所需阻抗值(纵坐标)一一对应出横坐标的值，横坐标的值就是单元的尺寸。
图6为工作在10GHz处的微带反射阵列的方向图，最大波束指向为30°，增益为20dBi。图7为单层介质和三层介质的全息反射阵列天线的增益随频率的变化曲线。与单层的全息反射阵列天线相比，三层全息反射阵列天线介质反射阵天线将3-dB增益带宽从24.8％拓展到了34.4％。
综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种宽带全息反射阵列天线，包括工作在X波段的馈源喇叭以及反射阵列，所述馈源喇叭通过支架安装在反射阵列的一侧，其中，反射阵列包括若干个反射阵列单元，每种反射阵列单元的最上层为方型结构的贴片单元，第二层为介质基板，最下层为铜质背板，其特征在于，所述介质基板包括三层中间介质基板，三层中间介质基板层叠布置，由上到下的第一层中间介质基板介电常数范围为2到3，第二层中间介质基板介电常数范围为3到4，第三层中间介质基板介电常数范围为4到6。
2.如权利要求1所述的宽带全息反射阵列天线，其特征在于，三层中间介质基板的介电常数依次为2.6、3.66和4.5。
3.如权利要求1所述的宽带全息反射阵列天线，其特征在于，所述中间介质基板为长、宽都是8mm，厚度为2.4mm的长方体。
4.如权利要求1所述的宽带全息反射阵列天线，其特征在于，所述铜质背板的长和宽为8mm。
5.如权利要求1所述的宽带全息反射阵列天线，其特征在于，所述反射阵列包括30个反射阵列单元。
6.如权利要求1所述的宽带全息反射阵列天线，其特征在于，所述反射阵列单元载体为240mm，厚度为2.4mm的圆柱体。
7.如权利要求1所述的宽带全息反射阵列天线，其特征在于，所述馈源喇叭位于反射阵列一侧中心的正上方距反射阵列表面160mm处，出射波与z轴的夹角为30°。
8.如权利要求1所述的宽带全息反射阵列天线，其特征在于，X波段取10GHz。
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| CN202021733407.2U CN213071365U (zh) | 2020-08-19 | 2020-08-19 | 一种宽带全息反射阵列天线 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114976644A (zh) * | 2022-06-27 | 2022-08-30 | 华南理工大学 | 一种异构调相单元、调相方法及异构反射阵列天线 |
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2020
- 2020-08-19 CN CN202021733407.2U patent/CN213071365U/zh not_active Expired - Fee Related
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