CN105140655B - 一种基于相位延迟线型反射单元的反射阵天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于相位延迟线型反射单元的反射阵天线，包括角锥喇叭馈源和反射面阵列，其中反射面阵列是由若干个相位延迟线反射单元通过镜面对称的方式周期排列而成的。所述的相位延迟线反射单元结构是由两个开缝圆环嵌套外加两个位置相对的相位延迟线组成的。本发明大大提高了反射面阵列天线的增益带宽，实现了超宽带天线，同时交叉极化得到了有效的抑制。而且本发明的反射阵天线使用单层介质基板结构，使得反射面阵列结构简单，易加工，成本低，质量轻。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种微带反射阵天线，尤其是一种基于相位延迟线型反射单元的反射阵天线。
背景技术
近年来微带反射阵天线技术由于其突出的优势在雷达和通讯领域得到广泛的应用。然而反射阵天线也有一些不足的地方，最重要的就是它的带宽相对比较低。引起反射阵天线带宽低的原因有两个：微带天线单元本身的窄带特性和馈源与反射单元之间路径的电长度不是常数。对于中等尺寸口径的反射阵天线来说，第一个原因是最主要的。
为了克服反射阵天线频带窄的不足，前人提出了很多种方法。其中使用具有大范围的线性相位响应特性的反射单元能提高反射阵天线的带宽。现有许多方法可以实现大范围线性相位响应特性，如相位延迟线型反射单元、加厚介质基板和多层结构型反射单元。从结构加工方面上考虑，相位延迟线型反射单元有一定的优势。现有技术虽然提出了一些相位延迟线型反射单元能在一定程度上提高反射阵天线的带宽(请参见参考文献H.Hasani,M.Kamyab,and A.Mirkamali,“Low cross-polarization reflectarray antenna,”IEEETrans.Antennas Propag.,vol.59,no.5,pp.1752–1756,May 2011以及参考文献R.Shamsaee and Z.Atlasbaf,“Design and implementation of a broadband singlelayer circularly polarized reflectarray antenna,”IEEE Antennas WirelessPropag.Lett.,vol.11,pp.973–976,2012)，但是相比较其他提高反射阵天线带宽的方法没有明显优势。现有的相位延迟线型反射单元采用的谐振结构有圆贴片或者圆环结构，不能进一步地提高反射阵的增益带宽，同时还存在交叉极化分量较大的缺点，使得相位延迟线单元型微带反射阵天线还存在一定的局限性。
发明内容
本发明的目的在于，为克服现有技术的缺陷，从而提供一种新型的基于相位延迟线型反射单元型的微带反射阵天线，能够实现更宽的增益带宽，同时还能抑制反射阵天线的交叉极化分量。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于相位延迟线型反射单元型的反射阵天线，所述反射阵天线包括：馈源角锥喇叭和反射面阵列；
所述反射面阵列包括：若干相位延迟线型反射单元，且各个相位延迟线型反射单元以镜面对称的方式周期布置于基板上表面；
所述相位延迟线型反射单元包括微带贴片和底板，该相位延迟线型反射单元的微带贴片进一步包含：嵌套放置的内圆环和外圆环，及两条相位延迟线；其中，内圆环和外圆环上分别设置两个缝隙，内圆环的两个缝隙的连线为内圆环的一条直径，且外圆环的两个缝隙的连线为外圆环的一条直径；
所述的两条相位延迟线分别通过位于外圆环上的连接点与外圆环连接，且两个连接点的连线为外圆环的一条直径，两个连接点连线得到的直径平行于极化方向。
可选的，上述底板包括如下三层结构：介质基板、泡沫层和接地板；其中，所述微带贴片采用镜面对称的方式布放于所述介质基板的上表面，且所述介质基板的下表面与所述泡沫层的上表面接触，所述泡沫层的下表面与所述接地板相接触。
上述位于内圆环上的两个缝隙的连线形成的直径为第一直径，位于外圆环上的两个缝隙连线形成的直径为第二直径；所述第一直径和第二直径垂直。
上述第一直径平行于极化方向，同时第二直径垂直于极化方向。
上述两条相位延迟线的长度相同，且通过改变两条相位延迟线的长度进而补偿路径引起的相位差。
上述内圆环和外圆环的谐振频率不同，通过控制内圆环和外圆环的尺寸进而使内圆环和外圆环耦合至设定的工作频率；通过控制内圆环和外圆环上缝隙的开缝的尺寸进而优化相位延迟线型反射单元的谐振频率处的频率响应特性。
可选的，当选定天线中心工作频率为10GHz，且相位延迟型反射单元的周期为0.5倍波长时：所述内圆环和外圆环的缝隙的开缝大小均为0.6毫米；且内圆环外径为1.8毫米，宽度为0.88毫米；外圆环的外径为4毫米，宽度为0.8毫米。
上述的两条相位延迟线分别于外圆环通过两个连接点连接，且两个连接点位于外圆环直径的两端，该直径沿X轴方向(即平行于极化方向)。上述技术方案中，所述的内圆环上两个缝隙连线形成的直径为第一直径，外圆环上两个缝隙连线形成的直径为第二直径，其中，第一直径和第二直径垂直。第一直径沿X轴方向(平行于极化方向)，同时第二直径沿Y轴方向(垂直于极化方向)。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明能够实现超宽带微带反射面阵列天线，并且能有效抑制交叉极化分量。
附图说明
图1-a和1-b为本发明的基于相位延迟线单元型微带反射阵天线的示意图，其中图1-b是图1-a中的任意一个相位延迟反射单元的局部放大图；
图2-a和2-b为本发明的相位延迟线单元型微带反射阵天线中一个微带反射单元的结构示意图，其中图2-b是图2-a的侧视图；
图3为微带反射单元的反射相位随相位延迟线长度变化情况图；
图4为本发明的相位延迟线单元型微带反射阵天线的设计原理图；
图5为天线在10GHz和11GHz处E面的主极化和交叉极化方向图；
图6为天线在10GHz和11GHz处H面的主极化和交叉极化方向图；
图7为天线最大增益随频率变化情况图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细介绍。
为了更好的理解本发明的技术方案，以下结合附图对本发明的实施方式作进一步描述。
本发明设计了一个相位延迟线型反射单元结构来提高微带反射阵天线的带宽，实现超宽带天线。
实施例
如图1-a和1-b所示，本发明的相位延迟线单元型微带反射阵天线有9×9个微带反射单元结构组成，它们是通过镜面对称的方式进行排列的。这种排列方式能够有效地降低反射面阵列天线的交叉极化分量，原理是相邻的反射单元通过将相位延迟线上交叉极化方向的线电流部分抵消的方法来降低天线的交叉极化分量。
反射阵天线设计过程分为两步，第一步为反射单元设计，第二步为反射面阵列设计。
第一步，反射单元设计。选定天线中心工作频率为10GHz，如图2-a和2-b所示，反射单元的周期为0.5倍波长，即15毫米。贴片单元由谐振结构和相位延迟线组成，其中谐振结构由两个大小不同的开缝圆环嵌套而成，内部的圆环开缝位置在X轴方向上，外部圆环开缝位置在Y轴方向上。谐振结构尺寸设计如下：内外环开缝大小为0.6毫米，内环外径为1.8毫米，宽度为0.88毫米，外环外径为4毫米，宽度为0.8毫米，并且谐振结构尺寸保持不变。反射单元通过改变相位延迟线的长度来控制反射相位，从而补偿路径差引起的相位差。相位延迟线的长度用相位延迟线转过的角度θ表示。微带贴片放置于单层介质基板上，介质基板下表面与接地板之间设有泡沫层作支撑，其中，介质基板为FR4环氧玻璃纤维板，相对介电常数为4.4，厚度为1.5毫米，泡沫层相对介电常数约为1，厚度为2毫米。
通过改变相位延迟线得到的相位曲线如图3所示。相位延迟线长度θ在变化范围5～180°时，反射单元的反射相位的范围超过550°。频率从9GHz到12GHz的相位曲线基本平行，尤其是θ在60～180°范围时，四个频率的相位曲线平行度很好并且线性度也很好。这个结果表明，新型的相位延迟线型微带反射单元的带宽比较好，与现有的一些相位延迟线型反射单元结构的性能相比有明显优势。
第二步，反射面阵列设计。设计原理如图4所示，馈源喇叭位于反射阵面的正上方86毫米处，属于正馈。反射阵列天线的波束角度设计为0°，即垂直于反射阵面指向喇叭馈源的方向。反射阵面的每个反射单元需要补偿的相位根据下面的公式计算。
上式中k0表示真空中传播常数，di表示第i个单元到馈源的距离，(xi，yi)表示第i个单元的位置坐标，表示设计的天线波束方向。根据如图3中的曲线图得到每个反射单元的结构尺寸，然后在全波仿真软件CST Microwave Studio中，对设计的反射面阵列天线进行建模(如图1)和电磁仿真，来验证本发明设计的反射阵天线的性能。
以上是对本发明的反射阵天线的一个实施例的描述。在其他实施例中，所述的反射阵天线并不限于该实施例描述的内容。
在上述实施例中，反射阵天线包括81个反射单元。在其他实施例中，反射阵天线中的相位延迟线型反射单元数根据具体情况而定，天线的数目应保证反射阵天线口径不超过15倍波长。
在上述实施例中，反射阵天线的工作频率不限于本实施例中所述的频率，在其他实施例中可根据具体应用来调整工作频率。
所述相位延迟线型反射单元的周期尺寸不限于本实施例中所述的尺寸，在其他实施例中，单元周期尺寸与工作频率有关，频率越高，尺寸越小，但是要保证电尺寸在0.4～0.7倍波长之间。
在上述实施例中，所述的相位延迟线型反射单元中谐振结构的尺寸，两个圆环的外径、圆环宽度和圆环开缝宽度并不限于本实施例中所述的尺寸，在其他实施例中，它们的尺寸可根据具体应用的场景进行调整，但是要保证两个圆环的嵌套关系和开缝的相对位置不变，并且谐振结构的谐振频率要与反射阵天线的工作频率保持一致。
在上述实施例中，所述的相位延迟线型反射单元的介质基板和泡沫层的厚度并不限于本实施例中所述的厚度尺寸，在其他实施例中，它们的厚度可以根据具体情况进行调整。
在对本发明的反射阵天线经过全波仿真可以证明，本发明的基于相位延迟线型反射单元的微带反射阵天线能够提高反射阵天线的带宽，实现超宽带天线，并且能有效抑制反射阵天线的交叉极化。
附图5、6、7给出了基于相位延迟线型反射单元的反射阵天线的仿真结果。如图5、6所示，10GHz和11GHz的E面和H面的辐射方向图展示了很好的一致性。在中心频率10GHz处，最大增益为20.1dB，交叉极化分量小于-35dB。
从仿真结果看，在中心频率附近的带宽范围内反射阵天线辐射方向图一致性好，并且交叉极化得到有效的抑制。
如图7所示，本发明设计的基于相位延迟线型反射单元微带反射阵天线的工作频带覆盖了9～14GHz，其中，1-dB增益带宽约为20％(9.74～11.7GHz)，3-dB增益带宽约为38.5％(9.45～13.3GHz)，展现出了很好的超宽带性能(附图5、6给出了10GHz和11GHz两个频点的辐射方向图)。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种基于相位延迟线型反射单元的反射阵天线，其特征在于，所述反射阵天线包括：馈源角锥喇叭和反射面阵列；
所述反射面阵列包括：若干相位延迟线型反射单元，所述若干相位延迟线型反射单元周期布置于基板上表面，且相邻两个所述相位延迟线型反射单元以镜面对称的方式布置；
所述相位延迟线型反射单元包括微带贴片和底板，该相位延迟线型反射单元的微带贴片进一步包含：嵌套放置的内圆环和外圆环，及两条相位延迟线；其中，内圆环和外圆环上分别设置两个缝隙，内圆环的两个缝隙连线平行于极化方向，外圆环的两个缝隙连线垂直于极化方向，内圆环的两个缝隙的连线为内圆环的一条直径，且外圆环的两个缝隙的连线为外圆环的一条直径；
所述的两条相位延迟线分别通过位于外圆环上的连接点与外圆环连接，且两个连接点的连线为外圆环的一条直径，两个连接点连线得到的直径平行于极化方向。
2.根据权利要求1所述的基于相位延迟线型反射单元的反射阵天线，其特征在于，所述底板包括如下三层结构：介质基板、泡沫层和接地板；
其中，所述微带贴片采用镜面对称的方式布放于所述介质基板的上表面，且所述介质基板的下表面与所述泡沫层的上表面接触，所述泡沫层的下表面与所述接地板相接触。
3.根据权利要求1所述的基于相位延迟线型反射单元的反射阵天线，其特征在于，所述两条相位延迟线的长度相同，且通过改变两条相位延迟线的长度进而补偿路径引起的相位差。
4.根据权利要求1所述的基于相位延迟线型反射单元的反射阵天线，其特征在于，内圆环和外圆环的谐振频率不同，通过控制内圆环和外圆环的尺寸进而使内圆环和外圆环耦合至设定的工作频率；
通过控制内圆环和外圆环上缝隙的开缝的尺寸进而优化相位延迟线型反射单元的谐振频率处的频率响应特性。
5.根据权利要求4所述的基于相位延迟线型反射单元的反射阵天线，其特征在于，当选定天线中心工作频率为10GHz，且相位延迟线型反射单元的周期为0.5倍波长时：
所述内圆环和外圆环的缝隙的开缝大小均为0.6毫米。
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Granted publication date: 20180323 |