CN111817017B - 一种基于阵列化微小位移控制的反射面天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微波天线领域，具体为一种基于阵列化微小位移控制的反射面天线，用以解决现有反射面天线笨重及不灵活等问题。本发明反射面天线由反射面1与馈源2构成，其中，反射面由若干个呈阵列排布的阵列单元构成，所述阵列单元由金属单元与微型步进电机构成；每个阵列单元通过精密微型步进电机的微小运动调整辐射和接收波的相位，控制波束的形状，实现增益和波束宽度的调节以及单波束和多波束扫描；且步进电机的步进在μm量级，故本发明阵列所能提供的相位步进远小于数字移相器；由于波的相位具有周期性，因此阵列单元之间的相对位移在一个波长以内，从而保证了本发明天线具有低剖面。

Description

一种基于阵列化微小位移控制的反射面天线
技术领域
本发明属于微波天线领域，具体为一种基于阵列化微小位移控制的反射面天线。
背景技术
反射面天线是口径天线的主要形式之一，利用聚焦原理，将辐射球面波的馈源置于焦点，然后通过电磁波在反射面上的反射来形成口径处的平面波前。反射面天线通常由馈源和反射面组成，馈源可以是振子、喇叭、缝隙等弱方向性天线，反射面可以是旋转抛物面、切割抛物面、柱形抛物面、球面、平面等。
由于反射面天线结构简单、易于设计且性能优越，因而在分米波段到毫米波段获得广泛的应用，包括卫星通信、远程通信、跟踪雷达、气象雷达和射电天文望远镜等。反射面天线的工作频率越高，反射面口径尺寸越大、剖面越高，且天线的造价随口径的增大而急剧上升；反射面天线要实现波束扫描，一般是通过反射面天线的整体转动实现的，即所谓的机械扫描；但是由于天线的尺寸和重量较大，使得机械扫描的效率不高，从而影响雷达的数据率；对于已设计好的反射面天线其增益、波束宽度通常也是确定不变的，对于多波束反射面天线通常采用的是以多个馈源组成的馈源阵列来取代单个馈源的设计，限制了波束的数目和视场。
发明内容
本发明的目的在于针对现有反射面天线笨重及不灵活等问题，本发明提供一种基于阵列化微小位移控制的反射面天线；该反射面天线剖面低、增益和波束宽度可变，同时能够实现多波束扫描，即采用微小的位移控制波束的相位，实现价格高昂、难度系数较大的有源相控阵的多功能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于阵列化微小位移控制的反射面天线，由反射面1与馈源2构成；其特征在于，所述反射面1由若干个呈阵列排布的阵列单元构成，所述阵列单元由金属单元10与微型步进电机11构成，所述微型步进电机11连接于金属单元10的中心位置、用以实现金属单元10沿微型步进电机11运动方向的位置调节。
进一步的，所述阵列单元之间的间距d：
Figure GDA0002675476020000021
阵列单元的金属单元10尺寸为
Figure GDA0002675476020000022
进一步的，由于到达发射面波的相位以2π为周期，故阵列单元之间的相对位移在一个波长以内，即所述微型步进电机11的运动距离在一个工作波长以内。
进一步的，所述馈源2为角锥喇叭、圆锥喇叭、波纹喇叭或喇叭阵列，根据实际应用需求来确定；所述反射面呈矩形或圆形，根据实际应用需求来确定；所述金属单元10可以采用正方形、圆形或正六边形，根据实际应用需求来确定。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的一种基于阵列化微小位移控制的反射面天线，其中，反射面由若干个呈阵列排布的阵列单元构成，每个阵列单元通过精密微型步进电机的微小运动调整辐射和接收波的相位，控制波束的形状，实现增益和波束宽度的调节以及单波束和多波束扫描；且步进电机的步进在μm量级，故本发明阵列所能提供的相位步进远小于数字移相器；由于波的相位具有周期性，因此阵列单元之间的相对位移在一个波长以内，从而保证了本发明天线具有低剖面。
附图说明
图1为本发明提供的基于阵列化微小位移控制的反射面天线的结构示意图；其中，1为反射面，2为馈源，10为金属单元。
图2为本发明基于阵列化微小位移控制的反射面天线的阵列单元结构示意图；其中，11为步进电机。
图3a和图3b为本发明实施例提供的两种不同形态的反射面的剖面图。
图4为本发明实施例提供的基于阵列化微小位移控制的反射面天线的E面远场方向图一。
图5为本发明实施例提供的基于阵列化微小位移控制的反射面天线的E面远场方向图二。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，意在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于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以其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种基于阵列化微小位移控制的反射面天线，其结构如图1所示，由反射面1与馈源2构成；其中，馈源2可以采用角锥喇叭、圆锥喇叭、波纹喇叭或喇叭阵列等，根据实际应用需求来确定；反射面1由若干个呈阵列排布的阵列单元构成，阵列单元的数量由反射面的口径及阵列单元的尺寸决定，所述反射面呈矩形或圆形、根据实际应用需求来确定。相较于普通的反射面天线，单元阵列10的剖面高度在一个波长以内，大大减小了传统反射面的剖面高度，尤其是大口径的反射面天线。
更为具体的讲，上述阵列单元的结构如图2所示，由金属单元10与精密微型步进电机11构成，所述精密微型步进电机11连接于金属单元10的中心，用以实现金属单元10沿精密微型步进电机11中心轴的轴向运动；所述金属单元10可以采用正方形、圆形、正六边形等，具体形状根据应用需求来确定，其尺寸为
Figure GDA0002675476020000031
阵列单元之间的轴向距离通过精密微型步进电机11调节，由于波相位的周期性特点，故精密微型步进电机11的调节范围在一个波长以内，从而实现以微小的位移控制到达反射面波的相位。
相较于以传统的旋转抛物面作为反射面的天线，本发明中反射面1在初始状态下，阵列单元均在同一平面内、如图1所示的xy平面内(z＝0)，以旋转抛物面中心位置的相位作为参考相位、对应于阵列中心单元(坐标原点)的相位，依次计算各阵列单元与该参考相位之间的相位差；由旋转抛物面的对称性，只需计算z轴轴线上各单元之间的相位差即可，而旋转抛物面在xz平面上是一条抛物线，其抛物线方程为(抛物线中心位于坐标原点，阵列面的初始位置位于xy平面)：
x2＝4fz
其中，f为抛物面到其焦点的距离(由设计目标确定)，x、z为抛物线在坐标轴上的位置；
设到达阵列单元的波集中在每个单元的中心位置，计算初始状态下各阵列单元的中心位置与位于同一个x坐标下的抛物线上z坐标，由上式知：
Figure GDA0002675476020000032
该式所得的z即中心位于不同x处的各阵列单元与中心位置处阵列单元的轴向距离，由于波的周期性特点，阵列单元在z轴轴向的移动距离计算为
Figure GDA0002675476020000033
的余数，标记为Δz；
即以阵列中心单元为坐标原点，任一阵列单元与中心单元距离(阵元中心之间的距离)作为变量(本实施例中即为x值)，带入上式计算得该阵列单元的移动距离(Δz)，则形成整个反射面。
另外，需要说明的是，本发明中精密微型步进电机的步进在μm量级，相较于相控阵天线中使用的六位数字移相器(相位步进为5.625°)，本发明中阵列的相位步进由下式计算：
Figure GDA0002675476020000041
式中，λ为辐射或接收波的波长、单位为mm，因此本发明天线阵列所提供的相位步进由辐射或接收波的波长决定，若辐射或接收波为毫米波，相位步进为0.036°～0.36°；此相位步进是现有数字移相器远远达不到的。
本实施例中：
所提供的基于阵列化微小位移控制的反射面天线的的反射面呈圆形、口径为600mm，阵列单元(金属单元10)为正方形、单元尺寸为
Figure GDA0002675476020000042
单元与单元之间以
Figure GDA0002675476020000043
为间距周期性排列构成反射面；
保持馈源2的位置不变，对以上所得的数据进行优化后，通过控制精密微型步进电机11的调节，形成如图3a中1-1所示的反射面，经仿真得到的E面远场方向图如图4中state1所示；将图3a所示的反射面经过两次调节，分别仿真得到图4中state2和state3所示的E面远场方向图；如图4所示，在35GHz时，各次的增益及波束宽度分别为：43.9dBi，0.5°、34.1dBi，3.1°、30.4dBi，5.4°，由此可见，通过阵列单元的微小位移改变了天线远场方向图波束的增益和宽度；
通过控制精密微型步进电机11的调节，形成如图3b中1-2所示的反射面，仿真后的E面远场方向图如图5中的state1所示；再将图3b所示的反射面经过两次调节，分别仿真得到图5中state2和state3所示的E面远场方向图；如图5所示，在35GHz时，state1～3的主瓣方向分别为：2°、6°、13°，由此通过阵列单元的微小位移改变了天线远场方向图的主瓣方向。
同有源相控阵的波束合成相同，通过控制各单元波束的相位来控制合成波束的指向，实现多波束扫描；本发明提供的一种基于阵列化微小位移控制的反射面天线，通过调整天线阵列单元的位置，控制到达反射面波的相位，从而控制波束的合成，在单元阵列足够多的情况下能够实现多波束扫描。综上，本发明提供的一种基于阵列化微小位移控制的反射面天线通过精密步进电机的微小运动调整辐射和接收波的相位，控制波束的形状，实现了增益和波束宽度的调节，单波束扫描，在单元阵列足够多的情况下也能够实现多波束的扫描。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (6)

1.一种基于阵列化微小位移控制的反射面天线，由反射面1与馈源2构成；其特征在于，所述反射面1由若干个呈阵列排布的阵列单元构成，所述阵列单元由金属单元10与微型步进电机11构成，所述微型步进电机11连接于金属单元10的中心位置、用以实现金属单元10沿微型步进电机11运动方向的位置调节；
所述微型步进电机的运动方向为反射面与馈源的垂直距离方向；以位于阵列中心的阵列单元为参考，计算任一阵列单元的位置调节量为Δz：Δz为
Figure FDA0003119018810000011
的余数，其中，λ为工作波长，
Figure FDA0003119018810000012
f为预设旋转抛物面到其焦点的距离、x为该阵列单元与中心阵列单元的距离。
2.按权利要求1所述基于阵列化微小位移控制的反射面天线，其特征在于，所述阵列单元之间的间距d：
Figure FDA0003119018810000013
阵列单元的金属单元10尺寸为
Figure FDA0003119018810000014
3.按权利要求1所述基于阵列化微小位移控制的反射面天线，其特征在于，所述微型步进电机11的运动距离在一个工作波长以内。
4.按权利要求1所述基于阵列化微小位移控制的反射面天线，其特征在于，所述馈源2为角锥喇叭、圆锥喇叭、波纹喇叭或喇叭阵列。
5.按权利要求1所述基于阵列化微小位移控制的反射面天线，其特征在于，所述反射面呈矩形或圆形。
6.按权利要求1所述基于阵列化微小位移控制的反射面天线，其特征在于，所述金属单元采用正方形、圆形或正六边形。
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112307588B (zh) * 2020-11-10 2024-02-06 西安工程大学 一种非均匀抛物线阵列天线设计方法
CN113328251A (zh) * 2021-05-31 2021-08-31 贵州大学 一种高度可调节的可重构反射阵天线结构及设计方法
CN113534716B (zh) * 2021-07-21 2023-07-04 山西大同大学 一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制***及方法
CN115483540A (zh) * 2022-09-06 2022-12-16 中国工程物理研究院应用电子学研究所 一种Ka波段高功率波束扫描极化扭转平面天线

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6081235A (en) * 1998-04-30 2000-06-27 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration High resolution scanning reflectarray antenna
US6081234A (en) * 1997-07-11 2000-06-27 California Institute Of Technology Beam scanning reflectarray antenna with circular polarization
CN104319488A (zh) * 2014-11-03 2015-01-28 中国工程物理研究院应用电子学研究所 一种左右旋圆极化可重构高功率微波相控阵天线
CN108711679A (zh) * 2018-04-13 2018-10-26 南京邮电大学 一种可调谐液体平面反射阵列天线
CN109888512A (zh) * 2019-04-16 2019-06-14 中国人民解放军国防科技大学 高功率微波一维波束可扫直线阵列天线
CN109994822A (zh) * 2019-04-16 2019-07-09 中国人民解放军国防科技大学 高功率微波空间波束可扫平面阵列天线

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110571531B (zh) * 2019-09-27 2021-07-30 中国电子科技集团公司第三十八研究所 一种基于抛物柱面反射阵的多波束相控阵天线

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6081234A (en) * 1997-07-11 2000-06-27 California Institute Of Technology Beam scanning reflectarray antenna with circular polarization
US6081235A (en) * 1998-04-30 2000-06-27 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration High resolution scanning reflectarray antenna
CN104319488A (zh) * 2014-11-03 2015-01-28 中国工程物理研究院应用电子学研究所 一种左右旋圆极化可重构高功率微波相控阵天线
CN108711679A (zh) * 2018-04-13 2018-10-26 南京邮电大学 一种可调谐液体平面反射阵列天线
CN109888512A (zh) * 2019-04-16 2019-06-14 中国人民解放军国防科技大学 高功率微波一维波束可扫直线阵列天线
CN109994822A (zh) * 2019-04-16 2019-07-09 中国人民解放军国防科技大学 高功率微波空间波束可扫平面阵列天线

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A Ka-Band Microstrip Reflectarray with Elements Having Variable Rotation Angles;John Huang 等;《IEEE Transactions on Antennas and Propagation》;19980531;第46卷(第5期);第650-655页 *

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