CN219833032U - 一种低剖面全金属反射阵列天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低剖面全金属反射阵列天线，包括反射阵列、馈电喇叭；反射阵列包括若干个反射单元；每个反射单元均包括金属贴片、介质基板和金属地板，金属贴片印制在介质基板的上表面，介质基板下方设置金属地板；金属贴片为圆环结构，且圆环相对一侧存在一对扇形缝隙，扇形缝隙靠近圆环中心的边缘与圆环内边缘之间预留一定宽度，扇形缝隙远离圆环中心的边缘与圆环外边缘之间预留一定宽度；两个扇形缝隙靠近圆环内边缘一侧的相对某一端均存在缝隙。本实用新型每个反射单元圆环的尺寸不变、且其相位可以实现线性变化，由反射单元构成的反射阵列天线可以实现高增益带宽和口径效率，与其他反射阵列天线相比性能上有显著的提高。

Description

一种低剖面全金属反射阵列天线

技术领域

本实用新型属于天线技术领域，特别是一种新型低剖面全金属反射阵列天线。

背景技术

在卫星通信中为了应对通信距离远、空间环境相对复杂等问题，通常需要将天线辐射汇集在一个较为狭窄的空间，即需要天线有足够高的增益和方向性，传统的高增益天线主要有抛物面天线、平面微带阵列天线和透镜天线。然而，它们存在固有缺点如曲面结构复杂笨重、设计使用不太灵活，为了克服传统天线的缺点，平面反射阵天线应运而生。

反射阵天线兼顾了传统天线的优点，采用空间馈电的结构避免了复杂的馈电网络，并且可以保证天线的辐射效率。但是平面反射阵天线也有自身缺点，例如相比于反射面天线其带宽有限、功率容量小、口径效率低，相对于微带阵列天线，虽然可以省去复杂的馈电网络，但是其剖面较高。传统的反射阵列天线是将金属贴片打印在低损耗的介质基板上，例如，于慧婷等人在实用新型专利“基于单层内嵌式开槽圆环单元的宽带反射阵列天线”中提出的反射单元结构就是由金属贴片、介质基板和金属地板组成。当反射阵的口径相当大时，可能会使阵列天线的设计非常昂贵。此外，当电介质材料处在恶劣的空间环境中时，会直接导致天线性能的下降。这些缺点严重限制了平面反射阵天线在实际工程中的应用，而全金属反射阵天线的单元完全由金属材料构成，与微带单元相比这种单元结构完全不受介质损耗的影响，可以提高反射阵天线的增益和效率，且无需考虑介质层结构，能有效地降低加工成本，同时全金属结构能够适用于各种恶劣的环境。因此宽带、高效率、低剖面、低成本的全金属平面反射阵天线有着重要的研究意义。

近年来，国内外学者针对全金属结构的反射阵列天线做了许多研究。2010-2011年，Y. H. Cho等人在“Metallic-Rectangular-Grooves Based 2D Reflectarray AntennaExcited by an Open-Ended Parallel-Plate Waveguide”和“High Gain Metal-OnlyReflectarray Antenna Composed of Multiple Rectangular Grooves”中提出一种矩形槽单元并分别设计出二维和三维的全金属反射阵天线，但该设计是由一定厚度的金属块雕刻而成，体积较大且复杂笨重。2014年，安文星等人在“A Metal-Only ReflectarrayAntenna Using Slot-Type Elements”中提出了一种新型的平面全金属单元，单元尺寸为0.5λ，这种单元没有使用传统反射阵列天线中的介质基板，但实际加工测量时使用的是2mm的泡沫板模拟空气层将上层金属板和下层金属地板隔开，同时反射阵列天线实测得到的增益为32.5 dBi，1-dB增益带宽达到了8.3%。2016年，清华大学的邓如渊等人在“A Low-Cost Metal-Only Reflectarray Using Modified Slot-Type Phoenix Element With360° Phase Coverage”中提出了一种基于“凤凰槽型”的全金属反射单元的反射阵列天线，反射单元尺寸为0.5λ，空气层厚度为4 mm，所提出的单元获得了360°的相位覆盖，有效地解决了全金属反射阵列单元常见的相位范围限制，实测得到的1-dB增益带宽达到12.8%，口径效率为53.8%。2020年，Kendrick Q. Henderson等人在“Circular-Polarized Metal-OnlyReflectarray with Multi-Slot Elements”中提出了一种基于圆极化反射单元的全金属反射阵列天线，所提出的单元是一种多槽结构，单元尺寸为0.5λ，空气层厚度为4 mm，能够实现360°的相位范围，最终实测的增益为31.4 dBi，1-dB增益带宽为6.8%。2022年，陈毅峰等人在“On the Use of Metal-Only Polarization Rotation Elements forReflectarray Designs”中提出了一种基于极化扭转单元的全金属反射阵列天线，反射单元的尺寸为0.47λ，空气层的厚度为7 mm，实测得到的1-dB增益带宽为19%，3-dB增益带宽为38%，最大口径效率为34%。

综上所述，目前国内外对于平面全金属反射阵列天线的研究还相对较少，且大多反射单元的空气层厚度较大导致剖面较高或天线性能还有待进一步改善。因此，低剖面全金属反射阵列天线具有非常重要的研究意义及应用价值。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有的全金属反射阵列剖面较高且性能有待提升的问题，提供一种结构简单且平面化的低剖面全金属反射阵列天线。

实现本实用新型目的的技术解决方案为：一种低剖面全金属反射阵列天线，该天线包括馈电喇叭和反射阵列，所述馈电喇叭位于反射阵列的斜上方，所述反射阵列包括若干个反射单元，每个反射单元均包括从上至下依次设置、且通过厚度为h的空气层隔开的上层金属板和下层金属地板；所述上层金属板为圆环结构，该结构具体为：基于一个外半径为r₂、内半径为r₁的圆环，其上对称开设一对圆心角为θ、宽度为w₂且以圆环的中心为圆心向y轴正负方向延展的扇形槽，所述扇形槽靠近圆环中心的边缘与圆环内边缘的距离为w₁，所述扇形槽远离圆环中心的边缘与圆环外边缘的距离为w₃，两个扇形槽的同一端朝圆心方向开设一个宽度为w的矩形狭缝；

所述反射单元之间通过长度为b的金属贴片连接，且金属贴片位于扇形槽对应位置的外侧；所述若干个反射单元均匀分布，形成方形阵列，且所述方形阵列上半部分的所有反射单元和下半部分的所有反射单元呈镜像分布。

进一步地，所述扇形槽的圆心角θ可调，用于实现反射单元的相位变化。

进一步地，所述θ的调节范围为5° ~ 175°。

进一步地，所述上层金属板和下层金属地板之间空气层的厚度h为2 mm。

进一步地，相邻所述反射单元之间的间距为P = 4/15λ，其中λ为设计频率对应的自由空间波长。

进一步地，所述r₁=2.4 mm，r₂=3.7 mm，w₁=0.4 mm，w₂=0.5 mm，w₃=0.4 mm，w=0.3mm，b=5 mm。

进一步地，所述上层金属板和下层金属地板的厚度均为0.4mm。

进一步地，所述馈电喇叭位于反射阵列斜上方，与垂直方向夹角为25°，与反射阵列之间的垂直距离为150 mm。

本实用新型与现有技术相比，其显著优点为：

1）本实用新型与现有的类似反射单元结构相比，不依赖于介质基板，降低了成本，受恶劣环境影响较小，损耗较小。

2）本实用新型提出的全金属反射阵列由两层金属板组成，且上层金属板与下层金属地板的距离仅为2 mm，剖面高度较低。

3）本实用新型提出的低剖面全金属反射阵列天线，与现有的同类型研究相比，带宽和口径效率均有显著的提高，综合性能较为优越。

下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述。

附图说明

图1(a)为一个实施例中低剖面全金属反射阵列天线的馈电喇叭与阵列的整体示意图，图1(b)为阵列的局部俯视示意图。

图2为一个实施例中低剖面全金属反射阵列天线反射单元的三维示意图。

图3为一个实施例中低剖面全金属反射阵列天线的反射单元俯视图。

图4为一个实施例中低剖面全金属反射阵列天线的反射单元在不同的电磁波入射角度下的反射相位曲线图。

图5为一个实施例中低剖面全金属反射阵列天线的反射单元在不同频率下的反射相位曲线图。

图6(a)为一个实施例中低剖面全金属反射阵列天线在10GHz时仿真的归一化辐射E面方向图，图6(b)为归一化辐射H面方向图。

图7(a)为一个实施例中低剖面全金属反射阵列天线在不同频率下仿真的归一化辐射E面方向图，图7(b)为归一化辐射H面方向图。

图8(a)为低剖面全金属反射阵列天线仿真的增益及口径效率曲线图，图8(b)为对比文件“基于单层内嵌式开槽圆环单元的宽带反射阵列天线”仿真和测量的增益及口径效率曲线图。

实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……），则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在一个实施例中，提出了一种低剖面全金属反射阵列天线，该天线由线极化角锥喇叭和反射阵列组成；反射阵列包括若干个反射单元，每个反射单元由两层金属板组成，金属板之间由空气层隔开；上层金属板上的反射单元为内部挖槽且带有左右金属连接条的圆环结构，通过改变圆环内部扇形槽的大小来实现相位的变化，下层金属板为地板。

具体地，结合图1(a)、图1(b)、图2和图3，所述天线包括馈电喇叭1和反射阵列2，所述馈电喇叭1位于反射阵列的斜上方；反射阵列2包括若干个反射单元3，每个反射单元3均包括上层金属板4，下层金属地板5，金属板之间由空气层隔开，厚度为h；上层金属板4为圆环结构，该结构具体为：基于一个外半径为r₂、内半径为r₁的圆环，挖出一对长度为θ、宽度为w₂且以圆环的中心为圆心向y轴正负方向延展的扇形槽，该扇形槽靠近圆环中心的边缘与圆环内边缘的距离为w₁，远离圆环中心的边缘与圆环外边缘的距离为w₃，同时在两个扇形槽的同一端朝圆心方向开设一个宽度为w的矩形狭缝，单元之间通过长度为b的金属贴片连接。

进一步地，在其中一个实施例中，所述扇形槽的长度θ可调，用于实现反射单元3的相位变化。

进一步地，在其中一个实施例中，所述θ的调节范围为5° ~ 175°。

进一步地，在其中一个实施例中，所述若干个反射单元3均匀分布，成方形阵列。

进一步地，在其中一个实施例中，所述方形阵列上半部分的所有反射单元和下半部分的所有反射单元呈镜像分布。

进一步地，在其中一个实施例中，相邻所述反射单元3之间的间距P = 4/15λ，其中λ为中心频率对应的自由空间波长。

示例性地，假设用户设计的目标频率为10 GHz，则反射单元3之间的间距P = 8mm。

下面阐述反射单元参数、入射角度和频率对单元反射相位的影响。

结合图4，入射波角度从0°变化到40°，不同反射相位曲线之间的变化很小。

结合图5，反射单元在不同的频率下的反射相位曲线相对线性且重合度较高，从而证明此单元可实现宽带特性。

综上所述，进一步优选地，最终确定r₁=2.4 mm，r₂=3.7 mm，w₁=0.4 mm，w₂=0.5 mm，w₃=0.4 mm，w=0.3 mm，b=5 mm。

进一步优选地，上层金属板和下层金属地板之间的空气层厚度为2 mm。

进一步优选地，馈电喇叭1位于反射阵列2斜上方，与垂直方向夹角25°，与反射阵列2之间的垂直距离150 mm。

本实用新型与传统的基于介质基板的反射阵列相比，加工成本大幅减小，且受恶劣环境的影响小、结构更加简单；与其他全金属反射阵列相比，剖面更低，口径效率更高，综合性能更加优越。

作为一种具体示例，在其中一个实施例中，对本实用新型进行进一步详细说明。

本实施例提出的低剖面全金属反射阵列天线，包括馈电喇叭1和反射阵列2，馈电喇叭1位于反射阵列2的斜上方，具体位置为：所述馈电喇叭1位于距离反射阵列2垂直高度150 mm，与垂直方向夹角25°处。本实施例中，反射阵列2口径面尺寸为216 mm×216 mm，包括729个反射单元3；每个反射单元3均包括上层金属板4和下层金属地板5，其中金属板的厚度均为0.4 mm。反射单元3的尺寸为8 mm×8 mm；上层金属板4为圆环结构，该圆环外半径为r₂=3.7 mm、内半径为r₁=2.4 mm，圆环内部有一对长度为θ、宽度为w₂=0.5 mm且以圆环的中心为圆心向y轴正负方向延展的扇形槽，该扇形槽靠近圆环中心的边缘与圆环内边缘的距离为w₁=0.4 mm，远离圆环中心的边缘与圆环外边缘的距离为w₃=0.4 mm，同时又在两个扇形槽的同一端朝圆心方向开设一个宽度为w=0.3 mm的矩形狭缝，单元之间通过长度为b=5 mm的金属贴片连接。反射单元3的相位变化通过改变扇形槽的长度θ来实现，θ的变化范围是5°~ 175°。

由图6(a)和图6(b)可知，低剖面全金属反射阵列天线在10 GHz时，E面的主瓣方向在25°，与预期吻合。E面的副瓣电平和交叉极化分别低于-16 dB和-42 dB，H面的副瓣电平和交叉极化分别低于-18 dB和-25 dB。

由图7(a)和图7(b)可知，低剖面全金属反射阵列天线在不同频率下E面和H面仿真的方向图都比较稳定。E面的主瓣方向按照预期保持在25°附近，在10-12 GHz副瓣和交叉极化比较稳定，9 GHz副瓣电平和交叉极化均略有上升；H面的交叉极化都比较稳定，副瓣电平在9 GHz有明显上升。

由图8（a）可知，由低剖面全金属反射阵列天线的仿真结果得出，在10 GHz时的仿真增益为25.3 dBi，对应的口径效率为56.8%，最大口径效率在11.3 GHz取得，其值为63%。同时，该反射阵列天线可实现14.8%的1-dB增益带宽。与图8（b）“基于单层内嵌式开槽圆环单元的宽带反射阵列天线”的结果相比，本实用新型不需要介质基板且口径效率性能相当甚至稍优。

综上，本实用新型全金属反射单元采用仅2 mm的空气层，每个单元的尺寸不变，通过改变圆环内部扇形槽的长度来实现线性的相位变化，这样可以避免结构突变带来的影响。基于该反射单元结构，设计出的低剖面全金属反射阵列天线可以实现高增益带宽和口径效率，与其他同类型全金属反射阵列天线相比性能显著提高。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，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)

1.一种低剖面全金属反射阵列天线，该天线包括馈电喇叭（1）和反射阵列（2），所述馈电喇叭（1）位于反射阵列（2）的斜上方，所述反射阵列（2）包括若干个反射单元（3），其特征在于，每个反射单元（3）均包括从上至下依次设置、且通过厚度为h的空气层隔开的上层金属板（4）和下层金属地板（5）；所述上层金属板（4）为圆环结构，该结构具体为：基于一个外半径为r₂、内半径为r₁的圆环，其上对称开设一对圆心角为θ、宽度为w₂且以圆环的中心为圆心向y轴正负方向延展的扇形槽，所述扇形槽靠近圆环中心的边缘与圆环内边缘的距离为w₁，所述扇形槽远离圆环中心的边缘与圆环外边缘的距离为w₃，两个扇形槽的同一端朝圆心方向开设一个宽度为w的矩形狭缝；

所述反射单元（3）之间通过长度为b的金属贴片连接，且金属贴片位于扇形槽对应位置的外侧；所述若干个反射单元（3）均匀分布，形成方形阵列，且所述方形阵列上半部分的所有反射单元（3）和下半部分的所有反射单元（3）呈镜像分布。

2.根据权利要求1所述的低剖面全金属反射阵列天线，其特征在于，所述扇形槽的圆心角θ可调，用于实现反射单元（3）的相位变化。

3.根据权利要求2所述的低剖面全金属反射阵列天线，其特征在于，所述θ的调节范围为5° ~ 175°。

4.根据权利要求1所述的低剖面全金属反射阵列天线，其特征在于，所述上层金属板（4）和下层金属地板（5）之间空气层的厚度h为2 mm。

5.根据权利要求1所述的低剖面全金属反射阵列天线，其特征在于，相邻所述反射单元（3）之间的间距为P= 4/15λ，其中λ为设计频率对应的自由空间波长。

6.根据权利要求1所述的低剖面全金属反射阵列天线，其特征在于，所述r₁=2.4 mm，r₂=3.7 mm，w₁=0.4 mm，w₂=0.5 mm，w₃=0.4 mm，w=0.3 mm，b=5 mm。

7.根据权利要求1所述的低剖面全金属反射阵列天线，其特征在于，所述上层金属板（4）和下层金属地板（5）的厚度均为0.4 mm。

8.根据权利要求1所述的低剖面全金属反射阵列天线，其特征在于，所述馈电喇叭（1）位于反射阵列（2）斜上方，与垂直方向夹角为25°，与反射阵列（2）之间的垂直距离为150mm。