CN112636005B - 一种全集成宽角度扫描的圆极化折叠反射阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种全集成宽角度扫描的圆极化折叠反射阵列天线，包括极化栅阵列，其特征在于：设置主反射器和极化转换器，极化栅阵列安装在主反射器上方，极化转换器安装在极化栅阵列上方；所述主反射器中在单层的介质板上集成设置多个基片集成背腔缝隙天线和多个具有移相功能的移相贴片单元，所述极化转换器通过在三层介质板中分别印制回折线形状的金属条带形成，其中第一层与第三层的回折线具有相同的尺寸。本发明提供的多波束折叠反射阵列天线具有波束覆盖角度大，整体剖面低，圆极化辐射的特点，能够应用于5G通讯，雷达成像，以及目标探测等领域。

Description

一种全集成宽角度扫描的圆极化折叠反射阵列天线
技术领域
本发明涉及反射阵列天线，特别是涉及一种全集成宽角度扫描的圆极化折叠反射阵列天线。
背景技术
由于具有更宽的频谱带宽以及更窄的波束，毫米波频段在军事雷达，遥感探测以及卫星通讯等领域展现出了巨大的应用潜力。同时，毫米波频段商用已经在5G移动通讯中受到了广泛关注。与传统的微波通信相比，毫米波通信具有更大的传输损耗。微带反射阵列天线，作为一种新型高增益天线，能够很好的克服这一问题。折叠反射阵列天线作为一种新型反射阵列天线是由Menzel和Pilz在1998年提出的。通过引入反射板和极化栅阵列进行波束汇聚以及极化转换，折叠反射阵列天线能够有效的降低天线的整体剖面同时消除馈源遮挡。近年来，折叠反射阵列天线已经取得了极大的进展，被广泛应用在双模式通信，波束赋型，以及宽带天线等领域。
然而，实现宽角度的波束扫描是折叠反射列天线领域的一大挑战。目前已经提出了许多具有波束扫描功能的折叠反射阵列天线，可以归纳为：机械式波束扫描，多波束扫描，以及电控波束扫描。对于机械式波束扫描，扫描角度小，同时需要额外的机械控制结构；对于多波束扫描，往往需要多个阵列天线来覆盖一个宽的扫描范围；对于电控波束扫描，需要设计复杂且造价高昂的控制电路，同时具有较高的损耗。低剖面易于集成的馈源天线是折叠反射阵列天线领域的另一大挑战。传统的折叠反射阵列天线往往需要采用喇叭天线进行馈电，但是喇叭天线是一种体积庞大，高剖面的三维天线，难以与有源电路进行集成。目前已经有学者提出采用微带阵列天线作为馈源天线进行馈电，然而目前所提出的微带馈源天线需要多层的介质基板，这极大的增加了制造成本，同时微带天线之间存在强烈的互耦，无法实现多个馈源在单个介质版中的集成设计。同时，对于传统的折叠反射阵列天线，由于引入了单极化的极化栅阵列，从而导致其辐射的波束只可能是线极化的电磁波。因此，圆极化辐射是折叠反射阵列天线领域的另一大待解决的问题。
基于以上背景，提出一种全集成宽角度扫描的圆极化折叠反射阵列天线，是本领域急需解决的重大难题。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提出了一种全集成宽角度扫描的圆极化折叠反射阵列天线，用于解决现有的折叠反射阵列天线难以实现宽角度覆盖、整体剖面高、极化形式单一的问题。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种全集成宽角度扫描的圆极化折叠反射阵列天线，包括极化栅阵列，设置主反射器和极化转换器，极化栅阵列安装在主反射器上方，极化转换器安装在极化栅阵列上方；所述主反射器中在单层的介质板上集成设置多个基片集成背腔缝隙天线和多个具有移相功能的移相贴片单元，所述极化转换器通过在三层介质板中分别印制回折线形状的金属条带形成，其中第一层与第三层的回折线具有相同的尺寸。
而且，设置支撑柱，极化栅阵列通过支撑柱固定在主反射器上方，极化转换器通过支撑柱固定在极化栅阵列上方。
而且，所述基片集成背腔缝隙天线，包括通过在介质板的上层金属面印制金属框和方形金属贴片，在金属框与方形金属贴片之间的缝隙中灌注多个金属化过孔，形成基片集成波导结构，介质板底层的同轴探针对方形金属贴片进行馈电传输TEM波，通过基片集成波导转化为TE10波，通过金属框和方形金属贴片之间的缝隙向外辐射。
而且，设置七个基片集成背腔缝隙天线，各个基片集成背腔缝隙天线2的距离Df＝12.7mm。
而且，主反射器中单层的介质板采用罗杰斯5880介质板。
而且，极化转换器为回折线型圆极化转换器，通过在三层介质板上分别印制回折线结构形成，其中第一层和第三层回折线宽度w1＝0.2mm，中间层回折线宽度w2＝0.46mm，三层回折线结构等间距排列。
而且，所述三层介质板均采用FR-4介质板。
本发明提供的多波束折叠反射阵列天线具有波束覆盖角度大，整体剖面低，圆极化辐射的特点，能够应用于5G通讯，雷达成像，以及目标探测等领域。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1)本发明公开的这种新型折叠反射阵列天线能够在一个宽角度范围同时辐射多个高增益的圆极化波束，能够应用在军事雷达，信息对抗，以及卫星通信等领域中；
2)本发明公开的这种新型折叠反射阵列天线将多个基片集成背腔缝隙天线以及金属移相贴片单元集成在单层介质板上，能够有效降低折叠反射阵列天线的剖面，简化反射阵列天线的设计复杂度，减小折叠反射阵列天线的加工成本；
3)本发明公开的这种新型折叠反射阵列天线克服了传统的折叠反射阵列天线只能辐射单一线极化的缺点，能够实现圆极化辐射，极大的拓展了其应用范围；
4)本发明公开的这种新型折叠反射阵列天线采用同轴探针式馈电，无需任何转换结构，使其能够方便的与有源电路进行连接。
附图说明
图1为本发明实施例中全集成宽角度扫描的圆极化折叠反射阵列天线的结构示意图；
图2为本发明实施例中主反射器的结构示意图；
图3为本发明实施例中基片集成背腔缝隙天线的结构示意图；
图4为本发明实施例中基片集成背腔缝隙天线的反射系数仿真结果；
图5为本发明实施例中基片集成背腔缝隙天线的方向图仿真结果；
图6为本发明实施例中极化转换器的结构示意图；
图7为本发明实施例中极化转换器的透射系数在不同角度平面波照射下的仿真结果；
图8为本发明实施例中极化转换器的透射相位差在不同角度平面波照射下的仿真结果；
图9为本发明实施例中多波束圆极化折叠反射阵列天线各个端口反射系数仿真结果；
图10为本发明实施例中全集成宽角度扫描的圆极化折叠反射阵列天线各个端口互耦系数仿真结果；
图11为本发明实施例中全集成宽角度扫描的圆极化折叠反射阵列天线在-27°时的增益方向图以及轴比方向图的仿真结果；
图12为本发明实施例中全集成宽角度扫描的圆极化折叠反射阵列天线在-18°时的增益方向图以及轴比方向图的仿真结果；
图13为本发明实施例中全集成宽角度扫描的圆极化折叠反射阵列天线在-9°时的增益方向图以及轴比方向图的仿真结果；
图14为本发明实施例中全集成宽角度扫描的圆极化折叠反射阵列天线在0°时的增益方向图以及轴比方向图的仿真结果；
图15为本发明实施例中全集成宽角度扫描的圆极化折叠反射阵列天线在9°时的增益方向图以及轴比方向图的仿真结果；
图16为本发明实施例中全集成宽角度扫描的圆极化折叠反射阵列天线在18°时的增益方向图以及轴比方向图的仿真结果；
图17为本发明实施例中全集成宽角度扫描的圆极化折叠反射阵列天线在27°时的增益方向图以及轴比方向图的仿真结果；
图18为本发明实施例中全集成宽角度扫描的圆极化折叠反射阵列天线的端口示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式公开了一种全集成宽角度扫描的圆极化折叠反射阵列天线，如图1所示，包括主反射器1，若干基片集成背腔缝隙天线2，极化栅阵列3，极化转换器4，支撑柱5，移相贴片单元6。支撑柱5优选采用特氟龙之类塑料结构，移相贴片单元6采用金属材质，具体实施时可根据折叠反射阵列天线的辐射性能要求选用。
极化栅阵列3安装在主反射器1上方，极化转换器4安装在极化栅阵列3上方。优选地，可以设置四个支撑柱5，极化栅阵列3通过支撑柱5固定在主反射器1上方，极化转换器4也通过支撑柱5固定在极化栅阵列3上方。
实施例中，主反射器1中设置的多个基片集成背腔缝隙天线2与多个具有移相功能的移相贴片单元6集成在单层的介质板9上表面，介质板9的下表面设置金属底板以反射电磁波，多个基片集成背腔缝隙天线2优选为等间距设置。所述的移相贴片单元6一般为具有长方形结构的金属贴片。
所述的极化栅阵列3是由多个形状相同，间距相同的金属条带8组成，优选通过在单层介质板上印制尺寸相同间隔一致的长方形金属条带形成。
所述的极化转换器4通过在三层介质板中分别印制回折线形状的金属条带来形成，其中第一层与第三层的回折线具有相同的尺寸。
每一个基片集成的背腔缝隙天线控制一个辐射波束，可以通过选择不同的基片集成背腔天线进行馈电来实现多个不同辐射方向的波束进行切换。
本发明可以通过改变金属贴片的尺寸来调节相位，不需要复杂的控制电路。实施例的基片集成背腔缝隙天线2优选设置方案的原理解释如下，
设有M×N个移相贴片单元6等间距设置在介质板9上，对于一个波束扫描反射阵列天线，口径面上各个金属移相贴片单元所需要的相位
Figure BDA0002845187640000041
可以通过下式计算：
Figure BDA0002845187640000042
其中k0表示真空中的波数，i用于标识第i个设计的波束，(xmn,ymn)表示第m行第n列移相贴片单元的中心坐标，θ(i)表示第i个波束的俯仰角，
Figure BDA0002845187640000043
表示第i个波束的方位角，Δφ(i)表示第i个设计波束的参考相位，
Figure BDA0002845187640000044
表示馈源相位中心到第m行第n列移相贴片单元之间的距离，m＝1,2,…M，n＝1,2,…N。为了简化设计，一种对称的三波束优化方案被采用。三个设计的波束方向分别为
Figure BDA0002845187640000051
同时，第一个波束和第三个波束具有相同的参考相位Δφ(1)＝Δφ(3)。因此，需要的相位补偿可以简化为
Figure BDA0002845187640000052
对于设计的波束，每个移相贴片单元的整体相位误差可以表示为
Figure BDA0002845187640000053
其中
Figure BDA0002845187640000054
为第m行第n列移相贴片单元实现的相位，L为移相贴片单元的尺寸，根据天线阵列理论，权重因子
Figure BDA0002845187640000055
可以表示为
Figure BDA0002845187640000056
其中
Figure BDA0002845187640000057
和
Figure BDA0002845187640000058
分别是馈源天线和移相贴片单元的辐射方向图，其中qf为馈源天线方向图因子，qe为移相贴片单元方向图因子，θf为馈源天线方向图的观察角，θe为移相贴片单元方向图的观察角。又由于馈源偏置因子BDF可以表示为
Figure BDA0002845187640000059
其中θ为设计的波束指向角，α表示馈源天线的偏移角。由式(1)可知，对于第i个波束所需要的相位分布可以由空间距离
Figure BDA00028451876400000510
和参考相位Δφ(i)计算出来。而空间距离
Figure BDA00028451876400000511
是关于馈源偏置因子BDF(i)的函数，其函数关系可以表示为
Figure BDA00028451876400000512
其中F为焦距，在本实施例中F＝99mm。因此，一种关于最小权重相位误差的目标函数被建立，可以表示为
Figure BDA00028451876400000513
在本实施例中，通过粒子群算法对式(7)进行寻优，设计一种能够覆盖±27°的全集成宽角度扫描的圆极化折叠反射阵列天线，最终优化得到的馈源偏置因子和参考相位为BDF(1)＝BDF(3)＝0.94，BDF(2)＝1，Δφ(1)＝Δφ(3)＝306°，Δφ(2)＝6°，根据式(1)计算出各个金属移相贴片单元的尺寸，七个基片集成背腔缝隙天线2与多个移相贴片单元6集成设计在主反射器1中，根据式(6)计算出各个基片集成背腔缝隙天线2的距离Df＝12.7mm,来构建不同的波前相位，从而形成不同指向的波束，最终构造的主反射器如图2所示。不失一般性的是，集成在主反射器中的基片集成背腔缝隙天线不局限于七个，可以通过增多基片集成背腔缝隙天线的个数来增大波束覆盖范围，可以通过调节基片集成背腔缝隙天线的间距来调节波束的指向。
如图1所示，主反射器1与极化栅阵列3之间采用支撑柱5进行支撑，使得主反射板1与极化栅阵列3之间的距离为焦距的一半，极化转换器4通过支撑柱5固定在极化栅阵列3上方。其中极化栅阵列3是由多个形状相同，间距相同的金属条带7组成。
每个基片集成背腔缝隙天线2的结构，如图3所示，通过在介质板9的上层金属面印制金属框10和方形金属贴片11，在金属框10与方形金属贴片11之间构成的缝隙中灌注多个金属化过孔12，形成基片集成波导结构，介质板9底层的同轴探针13对方形金属贴片11进行馈电来传输TEM波(横电磁波)，通过基片集成波导转化为TE10波(横电波的10模式)，从而通过金属框10和方形金属贴片11之间的缝隙向外辐射。
优选地，金属框10为设置在介质板9外边缘的金属方环，方形金属贴片11设置在介质板9中间位置，在金属框10与方形金属贴片11之间构成的缝隙中，在介质板9的上层金属面与下层金属面之间均匀分布设置金属化过孔12。
具体实施时，介质板9优选采用单层罗杰斯5880介质板。
基片集成背腔缝隙天线的反射系数以及26.5GHz处的方向图如图4和图5所示。由图4可知，天线的反射系数在26.5GHz处能够低于-10dB，由图5可知天线的E面与H面方向图在-60°到60°范围内展现出良好的对称性，最大增益达到7.2dBi。其中，E面是指电场与波束指向所构成的面，H面是指磁场与波束指向所构成的面。
极化转化器4为回折线型圆极化转换器，如图6所示，通过在三层FR-4介质板上分别印制回折线结构8来形成，其中优选设置第一层和第三层的尺寸相同，为回折线宽度w1＝0.2mm的回折线结构，中间层的尺寸稍大，为回折线宽度w2＝0.46mm的回折线结构，以保证极化转换器4能够在一个宽的角度范围实现线极化到圆极化的转换，三层回折线结构等间距排列。极化转换器4对于TE波以及TM波入射时透射系数的比值和透射相位差，如图7和图8所示。由图7可知，对于不同的入射角度，透射系数的比值在22GHz到30GHz范围内均大于0.9，由图8可知，透射相位差在26.5GHz处能够维持在90°到100°之间。
参见图18，圆极化折叠反射阵列天线设置有端口1至端口7，分别对应7个天线的同轴探针13。图9所示的是该种全集成宽角度扫描的圆极化折叠反射阵列天线的端口1到端口7的反射系数，图10所示的是该种全集成宽角度扫描的圆极化折叠反射阵列天线的端口1与端口7之间的互耦系数，图11至图17所示的是该种全集成宽角度扫描的圆极化折叠反射阵列天线在不同扫描角度下的归一化方向图以及轴比方向图。
本文中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种全集成宽角度扫描的圆极化折叠反射阵列天线，包括极化栅阵列，其特征在于：设置主反射器和极化转换器，极化栅阵列安装在主反射器上方，极化转换器安装在极化栅阵列上方；所述主反射器中在单层的介质板上集成设置多个基片集成背腔缝隙天线和多个具有移相功能的移相贴片单元，所述极化转换器通过在三层介质板中分别印制回折线形状的金属条带形成，其中第一层与第三层的回折线具有相同的尺寸；
设有M×N个移相贴片单元等间距设置在介质板上，对于一个波束扫描反射阵列天线，口径面上各个金属移相贴片单元所需要的相位
Figure FDA0003397331650000011
通过下式计算：
Figure FDA0003397331650000012
其中，k0表示真空中的波数，i用于标识第i个设计的波束，(xmn,ymn)表示第m行第n列移相贴片单元的中心坐标，θ(i)表示第i个波束的俯仰角，
Figure FDA0003397331650000013
表示第i个波束的方位角，Δφ(i)表示第i个设计波束的参考相位，
Figure FDA0003397331650000014
表示馈源相位中心到第m行第n列移相贴片单元之间的距离，m＝1,2,…M，n＝1,2,…N；
三个设计的波束方向分别为
Figure FDA0003397331650000015
(θ(2)＝0°,
Figure FDA0003397331650000016
)，(θ(3)＝θ(1),
Figure FDA0003397331650000017
)，同时，第一个波束和第三个波束具有相同的参考相位Δφ(1)＝Δφ(3)，需要的相位补偿简化为
Figure FDA0003397331650000018
对于设计的波束，每个移相贴片单元的整体相位误差表示为
Figure FDA0003397331650000019
其中，
Figure FDA00033973316500000110
为第m行第n列移相贴片单元实现的相位，L为移相贴片单元的尺寸，根据天线阵列理论，权重因子
Figure FDA00033973316500000111
表示为
Figure FDA00033973316500000112
其中，
Figure FDA0003397331650000021
和
Figure FDA0003397331650000022
分别是馈源天线和移相贴片单元的辐射方向图，其中qf为馈源天线方向图因子，qe为移相贴片单元方向图因子，θf为馈源天线方向图的观察角，θe为移相贴片单元方向图的观察角；
馈源偏置因子BDF表示为
Figure FDA0003397331650000023
其中，θ为设计的波束指向角，α表示馈源天线的偏移角；
对于第i个波束所需要的相位分布能够由空间距离
Figure FDA0003397331650000024
和参考相位Δφ(i)计算出来，而空间距离
Figure FDA0003397331650000025
是关于馈源偏置因子BDF(i)的函数，函数关系表示为
Figure FDA0003397331650000026
其中，F为焦距；
建立关于最小权重相位误差的目标函数，表示为
Figure FDA0003397331650000027
通过粒子群算法对上式进行寻优，设置全集成宽角度扫描的圆极化折叠反射阵列天线，根据式(1)计算出各个金属移相贴片单元的尺寸，多个基片集成背腔缝隙天线与多个移相贴片单元集成设计在主反射器中，根据式(6)计算出各个基片集成背腔缝隙天线的距离Df,来构建不同的波前相位，从而形成不同指向的波束。
2.根据权利要求1所述全集成宽角度扫描的圆极化折叠反射阵列天线，其特征在于：设置支撑柱，极化栅阵列通过支撑柱固定在主反射器上方，极化转换器通过支撑柱固定在极化栅阵列上方。
3.根据权利要求1所述全集成宽角度扫描的圆极化折叠反射阵列天线，其特征在于：所述基片集成背腔缝隙天线，包括通过在介质板的上层金属面印制金属框和方形金属贴片，在金属框与方形金属贴片之间的缝隙中灌注多个金属化过孔，形成基片集成波导结构，介质板底层的同轴探针对方形金属贴片进行馈电传输TEM波，通过基片集成波导转化为TE10波，通过金属框和方形金属贴片之间的缝隙向外辐射。
4.根据权利要求3所述全集成宽角度扫描的圆极化折叠反射阵列天线，其特征在于：设置七个基片集成背腔缝隙天线，各个基片集成背腔缝隙天线（2）的距离Df＝12.7mm。
5.根据权利要求1或2或3或4所述全集成宽角度扫描的圆极化折叠反射阵列天线，其特征在于：主反射器中单层的介质板采用罗杰斯5880介质板。
6.根据权利要求1或2或3或4所述全集成宽角度扫描的圆极化折叠反射阵列天线，其特征在于：极化转换器为回折线型圆极化转换器，通过在三层介质板上分别印制回折线结构形成，其中第一层和第三层回折线宽度w1＝0.2mm，中间层回折线宽度w2＝0.46mm，三层回折线结构等间距排列。
7.根据权利要求6所述全集成宽角度扫描的圆极化折叠反射阵列天线，其特征在于：所述三层介质板均采用FR-4介质板。
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折叠式反射阵列天线关键技术研究;张翀;《博士学位论文电子期刊》;20180815;全文 *

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