CN218648115U - 毫米波全金属高增益折叠反射阵天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种毫米波全金属高增益折叠反射阵天线，所述天线包括极化栅，所述极化栅是由金属制成的单层结构，用于选通特定的线极化波；反射阵列，位于所述极化栅的下侧，所述反射阵列为多个金属反射移相单元构成的阵列；金属馈源，位于所述反射阵列的中间，用于为所述折叠反射阵天线馈电；其中，极化栅对馈源发射的电磁波进行反射后到达反射阵列阵面，经过每个金属反射移相单元对电磁波的出射相位及极化方向进行调控，透过极化栅后实现高增益波束。所述天线具有低剖面、低损耗、高稳定性、低成本、高效率以及电性能优良等优点。

Description

毫米波全金属高增益折叠反射阵天线

技术领域

本实用新型涉及毫米波天线技术领域，尤其涉及一种毫米波全金属高增益折叠反射阵天线。

背景技术

当前，高增益天线在毫米波通信领域受到广泛关注。传统高增益天线主要包括抛物面天线和相控阵列天线。抛物面天线具有高效率和低损耗等优点，但是在毫米波频段，由于天线元件尺寸较小，而抛物面天线的曲面对加工精度要求较高，这使得抛物面天线在毫米波通信中加工难度大幅上升。相控阵列天线具有高灵活性和稳定性等有点，但是其馈电网络较复杂，在毫米波频段较难集成。

在近几十年，反射阵列天线被提出，其在结合抛物面天线及相控阵列天线的优点的同时展示出其它优势，比如低成本、高效率以及简单的馈电网络等。随后，具有低剖面和低交叉极化优点的折叠反射阵天线被提出，相交于传统的反射阵列天线，其集成度更高，占用的空间更小，因此在毫米波通信中具有一定的优势。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是如何提供一种低剖面、低损耗、高稳定性、低成本、高效率以及电性能优良的毫米波全金属高增益折叠反射阵天线。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种毫米波全金属高增益折叠反射阵天线，其特征在于：包括极化栅，所述极化栅是由金属制成的单层结构，用于选通特定的线极化波；反射阵列，位于所述极化栅的下侧，所述反射阵列为多个金属反射移相单元构成的阵列；金属馈源，位于所述反射阵列的中间，用于为所述折叠反射阵天线馈电；

所述极化栅包括由多个平行金属条构成的单层金属结构，所述极化栅通过一种线极化波，并反射与之极化方向垂直的线极化波，所述极化栅在透/反射两种功能下，在中心频率实现99.5％的透射率，99.1％的反射率；

所述金属反射移相单元为具有高隔离度的垂直双线极化单元，能够同时调整两个正交线极化波的相位；所述金属反射移相单元包括两个开有梯形槽的正交的反射移相板，通过调整两个反射移相板上的梯形槽的高度实现调整两个正交线极化波的反射相位，反射移相单元的反射相位按照以下公式设置：

其中，

为第m行、第n列的反射移相单元的反射相位，k为真空中的相位常数，r_fmn为馈源到反射移相单元的距离，

为主波束方向，

为反射阵列面中心到单元的方向矢量，

为常数；

其中，极化栅对馈源发射的电磁波进行反射后到达反射阵列阵面，经过每个金属反射移相单元对电磁波的出射相位及极化方向进行调控，透过极化栅后实现高增益波束。

优选的，所述极化栅与所述反射阵之间的距离为F/2，F/2＝8.85mm。

进一步的技术方案在于：所述极化栅的整体为正方形，其长度和宽度均为13.6mm，所述金属条与正方形极化栅的对角线平行，每一条金属条的宽度为0.1mm，每两条相邻的金属条之间间隔为0.22mm。

进一步的技术方案在于：所述金属反射移相单元包括第一反射移相板和第二反射移相板，所述第一反射移相板的上部上形成有第一梯形槽，所述第一反射移相板的下部形成有第一卡接槽，所述第二反射移相板的上部形成有第二梯形槽，所述第二反射移相板插入到所述第一卡接槽内，且第一反射移相板与第二反射移相板正交设置，所述第一反射移相板与第二反射移相板的下表面在同一个平面上，且所述第一反射移相板与第二反射移相板的高度相同都为h。

进一步的技术方案在于：所述第二梯形槽的深度d₂大于所述第一梯形槽的深度d₁，当所述第一反射移相板与第二反射移相板连接到一起时，所述第二梯形槽的侧壁与所述第一反射移相板之间保持有一段距离。

进一步的技术方案在于：所述第一梯形槽的宽度以及第二梯形槽的宽度从上到下逐渐减小，使得所述第一反射移相板与第二反射移相板的上侧各形成两个尖端。

优选的，所述第一反射移相板与第二反射移相板的厚度h_s＝0.1mm。

优选的，所述第二梯形槽的上底边长r_l＝0.18mm，下底边长r_u＝0.18mm

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述天线采用的金属反射移相单元的两个线极化方向上的反射系数幅度均大于-0.01dB，具有结构简单、稳定性高以及能量反射效率高等优势；所采用的材料为金属，在降低损耗的同时能够有效降低成本，利于批量生产和大规模应用；金属馈源具有多种形式，根据不同的应用场景及需求选择合适的馈源，灵活性较高。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是本实用新型实施例所述天线采用矩形波导作为馈源时的立体结构图；

图2a是本实用新型实施例所述天线中金属反射移相单元的立体结构示意图；

图2b是本实用新型实施例所述天线中金属反射移相单元的主视结构示意图；

图2c是本实用新型实施例所述天线中金属反射移相单元的侧视结构示意图；

图3是本实用新型实施例所述天线中反射阵列的阵面图；

图4是本实用新型实施例所述天线的矩形波导的仿真反射系数幅度图；

图5是本实用新型实施例所述天线的矩形波导的仿真增益幅度图；

图6是本实用新型实施例所述天线的金属反射移相单元在不同频率时的仿真反射系数幅度随两个梯形槽高度的变化曲线；

图7是本实用新型实施例所述天线在不同频率时的金属反射移相单元的仿真反射系数相位随两个梯形槽高度的变化曲线；

图8是本实用新型实施例所述天线在220GHz时的反射阵列的实际相位分布图；

图9a是本实用新型实施例所述天线在200时的归一化仿真远场方向图；

图9b是本实用新型实施例所述天线在210时的归一化仿真远场方向图；

图9c是本实用新型实施例所述天线在220时的归一化仿真远场方向图；

图9d是本实用新型实施例所述天线在230时的归一化仿真远场方向图，

图9e是本实用新型实施例所述天线在240时的归一化仿真远场方向图，

图9f是本实用新型实施例所述天线在250时的归一化仿真远场方向图；

图10是本实用新型实施例所述天线的仿真增益和仿真口径效率随频率变化曲线；

其中：1、极化栅；11、金属条；2、反射阵列；21、金属反射移相单元；211、第一反射移相板；212、第二反射移相板；3、馈源；

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

请参照图1-图3，本实用新型实例公开了一种毫米波全金属高增益折叠反射阵天线，包括极化栅1，所述极化栅1是由金属制成的单层结构，用于选通特定的线极化波；反射阵列2，所述反射阵列2是由多个金属反射移相单元21组成的方形阵列；馈源3，位于所述反射阵列2的中间，用于为所述折叠反射阵天线馈电；其中，极化栅1对馈源3发射的电磁波进行反射后到达反射阵列阵面，经过每个金属反射移相单元21对电磁波的出射相位及极化方向进行调控透过极化栅后可以实现高增益波束。

所述极化栅1是由一系列平行金属条构成的单层结构，所述极化栅1通过一种线极化波，并反射与之极化方向垂直的线极化波，所述极化栅在透/反射两种功能下，在中心频率实现99.5％的透射率，99.1％的反射率。所述反射阵列2是由多个金属反射移相单元21组成的阵列，金属反射调相单元21是指具有高隔离度的垂直双线极化单元，能够同时调整两个正交线极化波的相位。所述金属反射移相单元21由两个开有梯形槽的正交长方体构成，通过调整两个梯形槽的高度实现调整两个正交线极化波的反射相位，反射移相单元的反射相位按照以下公式设置：

其中，

为第m行、第n列的反射移相单元的反射相位，k为真空中的相位常数，r_fmn为馈源到反射移相单元的距离，

为主波束方向，

为反射阵列面中心到单元的方向矢量，

为常数。

进一步的，如图2a-2c所示，所述金属反射移相单元21包括第一反射移相板211和第二反射移相板212，所述第一反射移相板211的上部上形成有第一梯形槽，所述第一反射移相板211的下部形成有第一卡接槽，所述第二反射移相板212的上部形成有第二梯形槽，所述第二反射移相板212插入到所述第一卡接槽内，且第一反射移相板211与第二反射移相板212正交设置，所述第一反射移相板211与第二反射移相板212的下表面在同一个平面上。

所述第二梯形槽的深度d₂大于所述第一梯形槽的深度d₁，当所述第一反射移相板211与第二反射移相板212连接到一起时，所述第二梯形槽的侧壁与所述第一反射移相板211之间保持有一段距离。所述第一梯形槽的宽度以及第二梯形槽的宽度从上到下逐渐减小，使得所述第一反射移相板211与第二反射移相板212的上侧各形成两个尖端。

所述金属反射调相单元21在两个正交线极化波方向上的反射系数幅度均高于-0.01dB，反射系数相位可以在0°到360°范围内连续调节并保持180°恒定相位差，反射系数相位随梯形槽高度的变化呈直线，能够提供大于540°的变化范围。所述反射移相单元中的开槽形状包括但不局限于梯形或长方形。所述金属馈源为单线极化波天线，包括但不局限于矩形波导或角锥喇叭。所述毫米波全金属高增益折叠反射阵天线在220GHz时实现增益为27.8dBi，口径效率为48.4％，3dB增益带宽为29.5％。

本实用新型实施例中，极化栅1的长度和宽度均为13.6mm，每一条金属条11的宽度为0.1mm，每两条相邻的金属条11之间间隔为0.22mm。反射阵列2的边长D＝13.6mm，金属反射移相单元21的周期p＝0.4mm，高度h＝1.2mm，两个正交长方体的厚度h_s＝0.1mm，第二梯形槽的上底边长r_l＝0.18mm，下底边长r_u＝0.18mm，高度d₁和d₂以0.05mm为加工工艺，在阵列面上的分布分别由y方向极化波和x方向极化波反射系数相位与d₁和d₂的对应关系确定。矩形波导3的长度为2.2mm，宽度为1.8mm，长度为2mm。反射阵列2到极化栅1的距离F/2＝8.85mm。

如图4给出了矩形波导在工作频段内的仿真反射系数幅度，可以看出在工作频段内透射极化转换超表面单元的反射系数幅度均小于-10dB。

如图5给出了矩形波导在工作频段内的仿真增益幅度，可以看出矩形波导的仿真增益为14.1dBi，在E面上的3dB波瓣宽度为32.9°。

如图6给出了金属反射移相单元21在不同频率时的仿真反射系数幅度随两个梯形槽高度的变化曲线，可以看出两个仿真反射系数幅度随两个梯形槽高度的变化曲线均大于-0.01dB。

如图7给出了金属反射移相单元21在不同频率时的仿真反射系数相位随两个梯形槽高度的变化曲线，可以看出当两个梯形槽的高度d₁和d₂在0mm到1mm范围内时，仿真反射系数相位提供了540°的反射相位变化。

如图8给出了反射阵列2在220GHz时阵面的实际相位分布图，根据两个梯形槽的高度与反射相位的对应关系即可得到两个梯形槽的高度分布。

如图9a-9f给出了毫米波全金属高增益折叠反射阵天线在200～250GHz时的归一化仿真远场方向图，可以看出在频段内远场方向图具有一定的稳定性，交叉极化电平均在-25dB以下。

如图10给出了毫米波全金属高增益折叠反射阵天线的仿真增益和仿真口径效率随频率变化曲线，可以看出220GHz时的仿真增益为27.8dBi，口径效率为48.4％，3dB增益带宽为29.5％。

由上可知，本实用新型具有高增益、高效率、低剖面以及低成本等特点。

Claims (8)

1.一种毫米波全金属高增益折叠反射阵天线，其特征在于：包括极化栅(1)，所述极化栅(1)是由金属制成的单层结构，用于选通特定的线极化波；反射阵列(2)，位于所述极化栅(1)的下侧，所述反射阵列(2)包括多个金属反射移相单元(21)，若干个所述金属反射移相单元(21)构成阵列；馈源(3)，位于所述反射阵列(2)的中间，用于为所述折叠反射阵天线馈电；

所述极化栅(1)包括由多个平行金属条(11)构成的单层金属结构，所述极化栅(1)通过一种线极化波，并反射与之极化方向垂直的线极化波，所述极化栅(1)在透/反射两种功能下，在中心频率实现99.5％的透射率，99.1％的反射率；

所述金属反射移相单元为具有高隔离度的垂直双线极化单元，能够同时调整两个正交线极化波的相位；所述金属反射移相单元包括两个开有梯形槽的正交的反射移相板，通过调整两个反射移相板上的梯形槽的高度实现调整两个正交线极化波的反射相位，反射移相单元的反射相位按照以下公式设置：

其中，

为第m行、第n列的反射移相单元的反射相位，k为真空中的相位常数，r_fmn为馈源到反射移相单元的距离，

为主波束方向，

为反射阵列面中心到单元的方向矢量，

为常数；

其中，极化栅(1)对馈源(3)发射的电磁波进行反射后到达反射阵列(2)阵面，经过每个金属反射移相单元(21)对电磁波的出射相位及极化方向进行调控，透过极化栅(1)后实现高增益波束。

2.如权利要求1所述的毫米波全金属高增益折叠反射阵天线，其特征在于：所述极化栅(1)与所述反射阵列(2)之间的距离为F/2，F/2＝8.85mm。

3.如权利要求1所述的毫米波全金属高增益折叠反射阵天线，其特征在于：所述极化栅(1)的整体为正方形，其长度和宽度均为13.6mm，所述金属条(11)与正方形的极化栅(1)的对角线平行，每一条金属条(11)的宽度为0.1mm，每两条相邻的金属条(11)之间间隔为0.22mm。

4.如权利要求1所述的毫米波全金属高增益折叠反射阵天线，其特征在于：所述金属反射移相单元(21)包括第一反射移相板(211)和第二反射移相板(212)，所述第一反射移相板(211)的上部上形成有第一梯形槽，所述第一反射移相板(211)的下部形成有第一卡接槽，所述第二反射移相板(212)的上部形成有第二梯形槽，所述第二反射移相板(212)插入到所述第一卡接槽内，且第一反射移相板(211)与第二反射移相板(212)正交设置，所述第一反射移相板(211)与第二反射移相板(212)的下表面在同一个平面上，且所述第一反射移相板(211)与第二反射移相板(212)的高度相同都为h。

5.如权利要求4所述的毫米波全金属高增益折叠反射阵天线，其特征在于：所述第二梯形槽的深度d₂大于所述第一梯形槽的深度d₁，当所述第一反射移相板(211)与第二反射移相板(212)连接到一起时，所述第二梯形槽的侧壁与所述第一反射移相板(211)之间保持有一段距离。

6.如权利要求4所述的毫米波全金属高增益折叠反射阵天线，其特征在于：所述第一梯形槽的宽度以及第二梯形槽的宽度从上到下逐渐减小，使得所述第一反射移相板(211)与第二反射移相板(212)的上侧各形成两个尖端。

7.如权利要求4所述的毫米波全金属高增益折叠反射阵天线，其特征在于：所述第一反射移相板与第二反射移相板的厚度h_s＝0.1mm。

8.如权利要求4所述的毫米波全金属高增益折叠反射阵天线，其特征在于：所述第二梯形槽的上底边长r_l＝0.18mm，下底边长r_u＝0.18mm。

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