CN114024149A - 一种用于实现多波束圆极化的反射阵列天线 - Google Patents

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CN114024149A CN202111600224.2A CN202111600224A CN114024149A CN 114024149 A CN114024149 A CN 114024149A CN 202111600224 A CN202111600224 A CN 202111600224A CN 114024149 A CN114024149 A CN 114024149A
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赵晓雯
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Abstract

本发明属于天线技术领域，具体地说，涉及一种用于实现多波束圆极化的反射阵列天线，该反射阵列天线包括：圆极化反射阵列和馈源；所述馈源为放置于圆极化反射阵列的焦平面上的喇叭馈源；该喇叭馈源位于圆极化反射阵列之上；所述圆极化反射阵列包括：多个在二维平面规则排列的反射型超单元；每个反射型超单元由若干种沿圆周分布的基本单元构成；同一种基本单元用于同一波束的合成，解决了传统单层多波束天线设计中谐振单元之间的互耦难以计算，从而阵列设计需要同时考虑多个变量的复杂作用导致阵列设计繁琐耗时的问题。

Description

一种用于实现多波束圆极化的反射阵列天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体地说，涉及一种用于实现多波束圆极化的反射阵列天线。
背景技术
反射阵列天线具有高增益、质量轻、易于加工、代价小等诸多优点，在卫星通信领域具有广泛的应用前景。随着可用频带资源日益紧张，但对通信速度的需求仍与日俱增，多波束圆极化反射阵列天线成为了高通量卫星的重要解决方案之一。多波束圆极化反射阵列天线具有多个可以独立调控的窄波束，同一口径内实现的多个波束的频率或极化不同从而相互独立，多波束反射阵列天线应用于通信卫星时，采用多点波束天线技术结合频率复用方案，通过空间隔离，可实现频率复用和极化复用，即照射在相邻区域的多波束频率或极化不同，照射在不相邻区域的波束，可以工作在同频率同极化，从而节约了卫星的带宽成本。
传统的多波束反射阵列天线可分为单层设计和多层设计两种；其中，多层设计的多波束反射阵列天线加工难度大、结构不稳定且存在遮挡问题，为解决遮挡问题引入的大排列间距又制约了工作频率。单层设计的多波束反射阵列天线通常采用多谐振的单元实现多个波束，即在一个基本单元内引入多个谐振结构，为了避免栅瓣，单元间距不能太大，而在有限的单元面积内多个谐振结构难免相互耦合，且耦合难以计算，增加了阵列设计的复杂程度。另有一种通过阵列综合方法实现同时多波束的反射阵列天线，即在同一频率同一极化下通过调整相位排布同时实现多个波束，由于多个波束频率、极化都相同，这种多波束反射阵无法应用于频率复用方案。
发明内容
为解决现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种用于实现多波束圆极化的反射阵列天线，特别是涉及一种分别在3个频带实现3个独立波束的圆极化反射阵列天线，解决现有单层多波束反射阵列天线设计采用的多谐振单元的耦合问题，实现多个波束的独立设计；每个超单元由3个顶点相对、按照正三角形晶格紧密排布的正六边形基本单元构成，每个基本单元可实现一个波束，相邻基本单元的工作频率不同、波束形成相互独立。本发明解决了传统单层多波束天线设计中谐振单元之间的互耦难以计算，从而阵列设计需要同时考虑多个变量的复杂作用导致阵列设计繁琐耗时的问题。
本发明提供了一种用于实现多波束圆极化的反射阵列天线，该反射阵列天线包括：圆极化反射阵列和馈源；所述馈源为放置于圆极化反射阵列的焦平面上的喇叭馈源；该喇叭馈源位于圆极化反射阵列之上；
所述圆极化反射阵列包括：多个在二维平面规则排列的反射型超单元；每个反射型超单元由若干种沿圆周分布的基本单元构成；同一种基本单元用于同一波束的合成。
作为上述技术方案的改进之一，所述反射型超单元包括：三种正六边形的基本单元，其具体包括：第一基本单元、第二基本单元和第三基本单元；
每个反射型超单元内，第一基本单元、第二基本单元和第三基本单元呈顶点相对、沿圆周以120°间隔排列；
整个圆极化反射阵列内，所有反射型超单元按照正三角形晶格紧密排布，使得基本单元呈现蜂窝网格式布局；每种基本单元根据阵列不同位置所需的补偿相位进行不同角度的旋转。
作为上述技术方案的改进之一，所述第一基本单元、第二基本单元和第三基本单元中，每种基本单元均具有反射相位，并对其进行计算：
Figure BDA0003431459520000021
其中，(xi,yi)为阵列中第i个基本单元的位置坐标；k0为该基本单元在其中心工作频率的真空传播常数；di为馈源相位中心与第i个基本单元的距离；(θb,φb)为期望的波束指向，θb为期望的极角，φb为期望的方位角；
Figure BDA0003431459520000022
为第i个基本单元所具有的反射相位；
假设第一基本单元的旋转角度φ1、第二基本单元的旋转角度φ2，第三基本单元的旋转角度φ3，通过调节各自基本单元的旋转角度，调节具有各自的工作频段的基本单元的反射相位；
其中，计算第一基本单元的旋转角度φ1；
Figure BDA0003431459520000023
其中，
Figure BDA0003431459520000031
为第一基本单元所需要的反射相位；
Figure BDA0003431459520000032
为该第一基本单元不旋转时在当前入射角度下所具有的初始反射相位；n为任意整数，对于左旋圆极化取正号、右旋圆极化取负号；
计算第二基本单元的旋转角度φ2；
Figure BDA0003431459520000033
其中，
Figure BDA0003431459520000034
为第二基本单元所需要的反射相位；
Figure BDA0003431459520000035
为该第二基本单元不旋转时在当前入射角度下所具有的初始反射相位；n为任意整数，对于左旋圆极化取正号、右旋圆极化取负号；
计算第三基本单元的旋转角度φ3；
Figure BDA0003431459520000036
其中，
Figure BDA0003431459520000037
为第三基本单元所需要的反射相位；
Figure BDA0003431459520000038
为该第三基本单元不旋转时在当前入射角度下所具有的初始反射相位；n为任意整数，对于左旋圆极化取正号、右旋圆极化取负号；
利用上述公式(1)-(4)，对阵列中所有的基本单元根据其所处位置和工作频率，计算对应的旋转角度。
作为上述技术方案的改进之一，所述第一基本单元、第二基本单元和第三基本单元具有相同的结构；
该结构包括从下向上堆叠设置的金属地板、介质基片和金属贴片；
介质基片的下表面与金属地板的上表面相连接；金属贴片的下表面与介质基片的上表面相连接。
作为上述技术方案的改进之一，所述金属贴片包括中心贴片和两根贴片枝节；所述中心贴片是环形贴片；所述两根贴片枝节旋转对称、分别加载在中心贴片的对侧。
作为上述技术方案的改进之一，所述环形贴片是正六边形环形贴片，所述贴片枝节包含2-4段。
作为上述技术方案的改进之一，所述第一基本单元、第二基本单元和第三基本单元均为L为4-4.2mm的正六边形，所述第一基本单元、第二基本单元和第三基本单元的中心贴片的外边长均为LOUT为2.5-2.7mm。
作为上述技术方案的改进之一，所述第一基本单元的中心贴片的内边长LIN1为2.35-2.5mm。第一基本单元的贴片枝节共有4段，具体包括：第一段、第二段、第三段和第四段；第一段长度L11＝0.5mm，第二段长度L212.4-2.6mm，第三段长度L313-3.2mm，第四段长度L411.3-1.5mm；贴片枝节的宽度w10.13-0.16mm。
作为上述技术方案的改进之一，所述第二基本单元的中心贴片的内边长LIN21.95-2mm。第二基本单元的贴片枝节共有3段，具体包括：第一段、第二段和第三段；第一段长度L12＝0.5mm，第二段长度L222.4-2.6mm，第三段长度L32＝2.8mm；贴片枝节的宽度w2＝0.2mm。
作为上述技术方案的改进之一，所述第三基本单元的中心贴片的内边长LIN31.45-1.46mm。第三基本单元的贴片枝节共有3段，具体包括：第一段、第二段和第三段；第一段长度L13＝0.5mm，第二段长度L232.4-2.6mm，第三段长度L33＝2.2mm；贴片枝节的宽度w3＝0.2mm。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1、每个超单元内，分别用于实现3个波束的3个基本单元之间的互耦可以忽略，因此3个基本单元独立设计，进而实现3个波束独立设计，频率自由选择，波束指向独立调控；
2、在所有工作频带内，同极化反射幅度均大于1dB，交叉极化反射幅度均小于-10dB，且相位曲线线性度佳。
附图说明
图1为本发明中反射型超单元的相位调控方式示意图；
图2a为本发明中反射型超单元的顶视图；
图2b是图2a中的A-A向截面图；
图3为本发明实施例1提供的一个反射型超单元在周期边界条件下的同极化反射幅度；
图4a为本发明实施例1提供的一个反射型超单元在周期边界条件下，基本单元#1的贴片旋转分别在对应频段引起的同极化反射相位的变化；
图4b为本发明实施例1提供的一个反射型超单元在周期边界条件下，基本单元#2的贴片旋转分别在对应频段引起的同极化反射相位的变化；
图4c为本发明实施例1提供的一个反射型超单元在周期边界条件下，基本单元#3的贴片旋转分别在对应频段引起的同极化反射相位的变化；
图5为本发明实施例2提供的一个多反射型超单元在周期边界条件下的同极化反射幅度；
图6a为本发明实施例2提供的一个反射型超单元在周期边界条件下，基本单元#1的贴片旋转分别在对应频段引起的同极化反射相位的变化；
图6b为本发明实施例2提供的一个反射型超单元在周期边界条件下，基本单元#2的贴片旋转分别在对应频段引起的同极化反射相位的变化；
图6c为本发明实施例2提供的一个反射型超单元在周期边界条件下，基本单元#3的贴片旋转分别在对应频段引起的同极化反射相位的变化；
图7a为本发明实现多波束反射阵列天线的示意图；
图7b为利用本发明实施例1的超单元合成反射阵列天线时，基本单元的相位分布图；
图7c为利用本发明实施例1的超单元合成的反射阵列天线的顶视图；
图8a为利用本发明实施例1的超单元合成的反射阵列天线的第1个波束的方向图；
图8b为利用本发明实施例1的超单元合成的反射阵列天线的第2个波束的方向图；
图8c为利用本发明实施例1的超单元合成的反射阵列天线的第3个波束的方向图。
附图标记：
1、第一基本单元 2、第二基本单元
3、第三基本单元 4、金属地板
5、介质基片 6、金属贴片
61、中心贴片 62、贴片枝节
具体实施方式
现结合附图和实例对本发明作进一步的描述。
本发明主要提供了一种用于实现多波束圆极化的反射阵列，具体涉及一种可用于实现多个独立波束的反射阵列超单元，即该多波束反射阵列天线的基本结构是一种反射型超单元：该超单元由3个基本单元构成；3个正六边形的基本单元顶点相对、沿圆周以120°间隔排列；整个阵列内，所有超单元按照正三角形晶格紧密排布，使得基本单元的布局呈现出蜂窝式的网格。采用这种排布是因为，在不产生栅瓣的前提下，正三角形晶格相比矩形晶格允许了更大的单元间距，且正六边形相比正方形具近似圆形，采用正六边形的基本单元更利于贴片的旋转；3个基本单元的谐振频率不同，共同构成了1个多谐振的反射型超单元；3个基本单元的反射相位独立调控，从而可以独立设计反射阵列天线的3个独立波束。
采用本发明提供的圆极化反射阵列，并使用1个宽带喇叭作为馈源，就可以同时实现3个不同指向的圆极化波束。这3个以频率区分的点波束可以应用于3色频率复用方案，实现空间频率复用。
具体来说，如图7a所示，本发明的一种用于实现多波束圆极化的反射阵列天线由圆极化反射阵列和馈源两部分组成：
所述馈源为放置于极化反射阵列的焦平面上的喇叭馈源；该喇叭馈源位于圆极化反射阵列之上。
所述圆极化反射阵列包括：多个在二维平面规则排列的反射型超单元；每个反射型超单元由若干种沿圆周分布的基本单元构成；同一种基本单元用于同一波束的合成。
例如，一个反射型超单元包括三种正六边形的基本单元：第一基本单元1、第二基本单元2和第三基本单元3；每个超单元内，第一基本单元1、第二基本单元2和第三基本单元3顶点相对、沿圆周以120°间隔排列；整个阵列内，所有超单元按照正三角形晶格紧密排布，使得基本单元呈现蜂窝网格式布局；每个基本单元根据阵列不同位置所需的补偿相位进行不同角度的旋转。
其中，3个基本单元工作在3个不同的频带——即各自基本单元的工作频带没有交集，在某一工作频带的反射相位由唯一的基本单元控制。对于由反射型超单元组成的圆极化反射阵列，该阵列中的每个基本单元根据阵列不同位置所需的补偿相位进行不同角度的旋转，这样的1个反射阵列天线可以实现3个波束，3个波束由频率区分。
基本单元的反射相位值和金属贴片的旋转角度有关。所述基本单元的工作频率由金属贴片的尺寸控制，所述基本单元的反射相位值由金属贴片的旋转角度控制。
所述第一基本单元1、第二基本单元2和第三基本单元3中，每个基本单元具有反射相位，并对其进行计算：
Figure BDA0003431459520000071
其中，(xi,yi)为阵列中第i个基本单元的位置坐标；k0为该基本单元在其中心工作频率的真空传播常数；di为馈源相位中心与第i个基本单元的距离；(θb,φb)为球坐标系下的期望波束指向，θb为期望的极角，φb为期望的方位角；
Figure BDA0003431459520000072
为第i个基本单元所具有的反射相位。
如图1、2a和2b所示，通过旋转每个基本单元，改变对应的反射相位；假设第一基本单元1的旋转角度φ1、第二基本单元2的旋转角度φ2、第三基本单元3的旋转角度φ3，如图1所示。通过调节各自基本单元的旋转角度，调节具有各自的工作频段的基本单元的反射相位；
进一步地，计算第一基本单元1的旋转角度φ1；
Figure BDA0003431459520000073
其中，
Figure BDA0003431459520000074
为第一基本单元1所需要的反射相位；
Figure BDA0003431459520000075
为该第一基本单元不旋转时在当前入射角度下所具有的初始反射相位；n为任意整数，对于左旋圆极化取正号、右旋圆极化取负号；
计算第二基本单元2的旋转角度φ2；
Figure BDA0003431459520000076
其中，
Figure BDA0003431459520000077
为第二基本单元2所需要的反射相位；
Figure BDA0003431459520000078
为该第二基本单元2不旋转时在当前入射角度下所具有的初始反射相位；n为任意整数，对于左旋圆极化取正号、右旋圆极化取负号；
计算第三基本单元3的旋转角度φ3；
Figure BDA0003431459520000079
其中，
Figure BDA00034314595200000710
为第三基本单元3所需要的反射相位；
Figure BDA00034314595200000711
为该第三基本单元3不旋转时在当前入射角度下所具有的初始反射相位；n为任意整数，对于左旋圆极化取正号、右旋圆极化取负号；
利用公式(1)-(4)，对阵列中所有的基本单元根据其所处位置和工作频率，计算对应的旋转角度，即可确定整个反射阵列的排布。这种反射阵列适用左旋圆极化或右旋圆极化馈源。
优选地，本发明采用这样一种超单元结构：
如图1、2a和2b所示，第一基本单元1、第二基本单元2和第三基本单元3具有相同的结构；
该结构包括从下向上堆叠设置的金属地板4、介质基片5和金属贴片6；
介质基片5的下表面与金属地板4的上表面相连接；金属贴片6的下表面与介质基片4的上表面相连接。
所述金属贴片6包括中心贴片61和两根贴片枝节62；所述中心贴片61是环形贴片；所述两根贴片枝节62旋转对称、分别加载在中心贴片61的对侧。
优选地，所述环形贴片是正六边形环形贴片，所述环形贴片的外尺寸在3个基本单元内保持一致，所述贴片枝节包含2-4段。
多边形环形贴片相比相同外轮廓的实心贴片增加了谐振点从而拓展了带宽；正六边形环形贴片可以更好地与三个正六边形的基本单元共形，且相比四边形，六边形的过渡更近似圆形，有利于圆极化相位的平滑过渡；在所有实施例中，3个基本单元的3个中心贴片采用的正六边形环的外尺寸相同，仅通过各自贴片枝节的长度和正六边形环的内尺寸来调节各自的工作频带。
相同的外尺寸使得相邻基本单元的金属贴片的间距保持一致，这意味着，随着基本单元的旋转关系的变化，相邻金属贴片之间的耦合程度改变很小，从而在局部周期近似下进行的周期单元仿真能够更好地近似非周期的阵列的实际情况。
如图2a和2b所示，是本发明中反射型超单元的结构示意图，金属贴片的尺寸用来控制工作频率，相邻3个基本单元的工作频率不同——金属贴片的尺寸不同，而同一工作频率的基本单元的金属贴片尺寸相同——仅由旋转角度的变化来获得所需相位分布。
实施例1.
提供了一种反射型超单元，第一基本单元1、第二基本单元2和第三基本单元3分别工作在15.43～16.19GHz、17.35～17.99GHz和19.2～19.84GHz。
本发明提供了一种用于实现多波束圆极化的反射阵列天线，该反射阵列天线包括：圆极化反射阵列和馈源；该馈源为放置于圆极化反射阵列的焦平面上的喇叭馈源；该喇叭馈源位于圆极化反射阵列之上。
其中，所述圆极化反射阵列包括：多个按照正三角形晶格紧密排布的反射型超单元；每个反射型超单元由若干种沿圆周分布的基本单元构成；同一种基本单元用于同一波束的合成。
所述反射型超单元包括：三种正六边形的基本单元，其具体包括：第一基本单元1、第二基本单元2和第三基本单元3，即实施例1的图4a、4b、4c中的基本单元#1、基本单元#2、基本单元#3；
3个基本单元共有的参数：介质基片5的相对介电常数εr＝2.2，损耗正切tanδ＝0.0009，厚度t＝0.787mm；每个六边形基本单元的边长L＝4mm；中心贴片61(六边形环)的外边长LOUT＝2.5mm。
第一基本单元1：中心贴片61(六边形环)的内边长LIN1＝2.35mm；贴片枝节62共有4段，第一段长度L11＝0.5mm，第二段长度L21＝2.4mm，第三段长度L31＝3mm，第四段长度L41＝1.3mm；贴片枝节的宽度w1＝0.13mm；
第二基本单元2：中心贴片61(六边形环)的内边长LIN2＝1.95mm；贴片枝节62共有3段，第一段长度L12＝0.5mm，第二段长度L22＝2.4mm，第三段长度L32＝2.8mm；贴片枝节的宽度w2＝0.2mm；
第三基本单元3：中心贴片(六边形环)的内边长LIN3＝1.45mm；贴片枝节62共有3段，第一段长度L13＝0.5mm，第二段长度L23＝2.4mm，第三段长度L33＝2.2mm；贴片枝节的宽度w3＝0.2mm。
实施例2.
提供了一种反射型超单元，第一基本单元1、第二基本单元2和第三基本单元3分别工作在14.34～15.05GHz、16.44～17.03GHz和18.16～18.79GHz。
本发明提供了一种用于实现多波束圆极化反射阵列天线，该反射阵列天线包括：圆极化反射阵列和馈源；该馈源为放置于极化反射阵列的焦平面上的喇叭馈源；该喇叭馈源位于圆极化反射阵列之上。
其中，所述圆极化反射阵列包括：多个按照正三角形晶格紧密排布的反射型超单元；每个反射型超单元由若干种沿圆周分布的基本单元构成；同一种基本单元用于同一波束的合成。
所述反射型超单元包括：三种正六边形的基本单元，其具体包括：第一基本单元1、第二基本单元2和第三基本单元3，实施例2的图6a、6b、6c中的基本单元#1、基本单元#2、基本单元#3；
3个基本单元共有的参数：介质基片5的相对介电常数εr＝2.2，损耗正切tanδ＝0.0009，厚度t＝0.787mm；每个六边形基本单元的边长L＝4.2mm；中心贴片(六边形环)的外边长LOUT＝2.7mm；
第一基本单元1：中心贴片(六边形环)的内边长LIN1＝2.5mm；贴片枝节共有4段，第一段长度L11＝0.5mm，第二段长度L21＝2.6mm，第三段长度L31＝3.2mm，第四段长度L41＝1.5mm；贴片枝节的宽度w1＝0.16mm；
第二基本单元2：中心贴片(六边形环)的内边长LIN2＝2mm；贴片枝节共有3段，第一段长度L12＝0.5mm，第二段长度L22＝2.6mm，第三段长度L32＝2.8mm；贴片枝节的宽度w2＝0.2mm；
第三基本单元3：中心贴片(六边形环)的内边长LIN3＝1.46mm；贴片枝节共有2段，第一段长度L13＝0.5mm，第二段长度L23＝2.6mm，第三段长度L33＝2.2mm；贴片枝节的宽度w3＝0.2mm。
实施例1和实施例2分别公布了具有不同尺寸的两个超单元，每一个超单元都可以用来实现一个三波束圆极化反射阵列天线，两个超单元分别实现的两个反射阵列天线工作频率没有交集。
如图3和图5所示，以-1dB(|SCo-pol.|≥89.1％)为标准，实施例1的3个工作频带分别是15.43～16.19GHz、17.35～17.99GHz和19.2～19.84GHz，分属于实施例1超单元的3个基本单元；实施例2的3个工作频带分别是14.34～15.05GHz、16.44～17.03GHz和18.16～18.79GHz，分属于实施例2超单元的3个基本单元。总计6个工作频带没有交集，由各个基本单元独立调控，因此，采用本发明的反射型超单元结构，通过独立设计3个基本单元的金属贴片，可以实现独立的3个波束，采用本发明的这种超单元结构不需要考虑耦合的问题，降低了多波束设计的复杂度。实施例2相对于实施例1对比证明了本发明的反射型超单元可以自由选择工作频率。
本发明的实施例提供了两个分别工作在Ku波段不同频率的反射型超单元，来证明本发明的反射阵天线并不局限于一种固定频率。这两个实施例的结合可以提供三色频率复用方案所需的收发共6个波束，即需要两个反射阵来覆盖三色频率复用方案。
如图4a-4c和图6a-6c所示，分别给出了实施例1和实施例2的相位曲线，可见在工作频带内同极化的反射相位呈线性变化，因此本发明的反射型超单元可用于合成多波束反射阵列天线。
图7a-7c和图8a-8c以实施例1的超单元给出了合成反射阵列的一个例子，采用如下参数：馈源位置(-241.15mm,0mm,900mm)，第一个波束指向θb1＝15°、φb1＝-5°；第二个波束指向θb2＝10°、φb2＝5°；第三个波束指向θb3＝20°、φb3＝5°，右旋圆极化。图7a是该反射阵列天线的工作示意图，图7b是根据公式(1)计算得到的阵列口面所需的反射相位分布图，再用公式(2)-公式(4)，计算对应的旋转角度，得到一个直径400mm的圆口径反射阵列图7c。采用1个宽带圆锥喇叭作为馈源，对该反射阵列进行全波仿真，仿真结果显示，该反射阵列在3个工作频段分别实现了3个独立波束，如图8a-8c所示，图中白色星号标记了峰值增益在u-v平面的位置，并给出了该位置增益大小和对应俯仰角及方位角，白线是相对峰值增益下降10dB的等高线。由于在计算基本单元的相位分布时对馈源采用了球面波近似，未考虑喇叭的幅度场变化、超单元的幅度方向图以及超单元之间的耦合作用，中心频率相较超单元仿真时有所偏移，其中图8a的频率为16GHz，图8b为17.4GHz，图8c为19.4GHz；波束指向也与设计有所偏离，其中图8a的峰值增益29.45dBi在θb＝16°、φb＝-10°方向，图8b的峰值增益29.35dBi在θb＝10°，φb＝-2°方向，图8c的峰值增益31.84dBi在θb＝20°，φb＝2°方向，主要表现为方位角φb的偏离。虽然本专利的目的是提出一种基于超单元的多波束反射阵列，但如果采用设计更佳的馈源喇叭，比如用波纹喇叭而不是圆锥喇叭，可以预见能够获得更理想的波束方向图。
实施三色频率复用方案(3-color Frequency Reuse Scheme)需要收发共6个波束，6个波束通过波束扫描来覆盖整个照射范围，本发明的实施例1和实施例2总计6个波束的工作频率各不相同，因此实施例1和实施例2分别可用来实现三色频率复用方案的3个波束。也就是说，采用本发明的反射型超单元结构，只需要2个反射阵列天线就可以满足三色频率复用方案的收/发需求，实现频率复用。
以上所述仅是本发明的反射型超单元的一种典型应用，本发明的反射型超单元的应用并不局限于此。由于本发明的反射阵列天线超单元的3个基本单元的工作频带可以独立调整，因此，一种设计是，3个基本单元的工作频带不连续，以保障多波束反射阵列天线的3个独立波束之间更好的隔离，本发明实施例1和实施例2正是为此目的设计的，这种多波束反射阵列天线不仅可用于解决卫星通信的频率复用问题，也可用于连续波雷达对目标测速和测距；另一种设计是，3个基本单元的工作频带连续，从而组成1个连续的宽频带，可用于实现宽带的反射阵列天线。
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 (10)

1.一种用于实现多波束圆极化的反射阵列天线，其特征在于，该反射阵列天线包括：圆极化反射阵列和馈源；所述馈源为放置于圆极化反射阵列的焦平面上的喇叭馈源；该喇叭馈源位于圆极化反射阵列之上；
所述圆极化反射阵列包括：多个在二维平面规则排列的反射型超单元；每个反射型超单元由若干种沿圆周分布的基本单元构成；同一种基本单元用于同一波束的合成。
2.根据权利要求1所述的用于实现多波束圆极化的反射阵列天线，其特征在于，所述反射型超单元包括：三种正六边形的基本单元，其具体包括：第一基本单元(1)、第二基本单元(2)和第三基本单元(3)；
每个反射型超单元内，第一基本单元(1)、第二基本单元(2)和第三基本单元(3)呈顶点相对、沿圆周以120°间隔排列；
整个圆极化反射阵列内，所有反射型超单元按照正三角形晶格紧密排布，使得基本单元呈现蜂窝网格式布局；每种基本单元根据阵列不同位置所需的补偿相位进行不同角度的旋转。
3.根据权利要求2所述的用于实现多波束圆极化的反射阵列天线，其特征在于，所述第一基本单元(1)、第二基本单元(2)和第三基本单元(3)中，每种基本单元均具有反射相位，并对其进行计算：
Figure FDA0003431459510000015
其中，(xi,yi)为阵列中第i个基本单元的位置坐标；k0为该基本单元在其中心工作频率的真空传播常数；di为馈源相位中心与第i个基本单元的距离；(θb,φb)为期望的波束指向，θb为期望的极角，φb为期望的方位角；
Figure FDA0003431459510000011
为第i个基本单元所具有的反射相位；
假设第一基本单元(1)的旋转角度φ1、第二基本单元(2)的旋转角度φ2，第三基本单元(3)的旋转角度φ3，通过调节各自基本单元的旋转角度，调节具有各自的工作频段的基本单元的反射相位；
其中，计算第一基本单元(1)的旋转角度φ1；
Figure FDA0003431459510000012
其中，
Figure FDA0003431459510000013
为第一基本单元(1)所需要的反射相位；
Figure FDA0003431459510000014
为该第一基本单元(1)不旋转时在当前入射角度下所具有的初始反射相位；n为任意整数，对于左旋圆极化取正号、右旋圆极化取负号；
计算第二基本单元(2)的旋转角度φ2；
Figure FDA0003431459510000021
其中，
Figure FDA0003431459510000022
为第二基本单元(2)所需要的反射相位；
Figure FDA0003431459510000023
为该第二基本单元(2)不旋转时在当前入射角度下所具有的初始反射相位；n为任意整数，对于左旋圆极化取正号、右旋圆极化取负号；
计算第三基本单元(3)的旋转角度φ3；
Figure FDA0003431459510000024
其中，
Figure FDA0003431459510000025
为第三基本单元(3)所需要的反射相位；
Figure FDA0003431459510000026
为该第三基本单元(3)不旋转时在当前入射角度下所具有的初始反射相位；n为任意整数，对于左旋圆极化取正号、右旋圆极化取负号；
利用上述公式(1)-(4)，对阵列中所有的基本单元根据其所处位置和工作频率，计算对应的旋转角度。
4.根据权利要求3所述的用于实现多波束圆极化的反射阵列天线，其特征在于，所述第一基本单元(1)、第二基本单元(2)和第三基本单元(3)具有相同的结构；
该结构包括从下向上堆叠设置的金属地板(4)、介质基片(5)和金属贴片(6)；
介质基片(5)的下表面与金属地板(4)的上表面相连接；金属贴片(6)的下表面与介质基片(5)的上表面相连接。
5.根据权利要求4所述的用于实现多波束圆极化的反射阵列天线，其特征在于，所述金属贴片(6)包括中心贴片(61)和两根贴片枝节(62)；所述中心贴片(61)是环形贴片；所述两根贴片枝节(62)旋转对称、分别加载在中心贴片(61)的对侧。
6.根据权利要求5所述的用于实现多波束圆极化的反射阵列天线，其特征在于，所述环形贴片是正六边形环形贴片，所述贴片枝节(62)包含2-4段。
7.根据权利要求6所述的用于实现多波束圆极化的反射阵列天线，其特征在于，所述第一基本单元(1)、第二基本单元(2)和第三基本单元(3)均为L为4-4.2mm的正六边形，所述第一基本单元(1)、第二基本单元(2)和第三基本单元(3)的中心贴片的外边长均为LOUT为2.5-2.7mm。
8.根据权利要求7所述的用于实现多波束圆极化的反射阵列天线，其特征在于，所述第一基本单元(1)的中心贴片(61)的内边长LIN1为2.35-2.5mm。第一基本单元(1)的贴片枝节(62)共有4段，具体包括：第一段、第二段、第三段和第四段；第一段长度L11＝0.5mm，第二段长度L212.4-2.6mm，第三段长度L313-3.2mm，第四段长度L411.3-1.5mm；贴片枝节(62)的宽度w10.13-0.16mm。
9.根据权利要求7所述的用于实现多波束圆极化的反射阵列天线，其特征在于，所述第二基本单元(2)的中心贴片(61)的内边长LIN21.95-2mm。第二基本单元(2)的贴片枝节(62)共有3段，具体包括：第一段、第二段和第三段；第一段长度L12＝0.5mm，第二段长度L222.4-2.6mm，第三段长度L32＝2.8mm；贴片枝节(62)的宽度w2＝0.2mm。
10.根据权利要求7所述的用于实现多波束圆极化的反射阵列天线，其特征在于，所述第三基本单元(3)的中心贴片(61)的内边长LIN31.45-1.46mm。第三基本单元(3)的贴片枝节(62)共有3段，具体包括：第一段、第二段和第三段；第一段长度L13＝0.5mm，第二段长度L232.4-2.6mm，第三段长度L33＝2.2mm；贴片枝节(62)的宽度w3＝0.2mm。
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