CN115051143B - 一种基于高增益平面发射阵天线***的扫描方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高增益平面发射阵天线***的设计方法,包括平面反射阵天线模块(12)、副反射面(9)、馈源(8)和电机***,平面反射阵天线模块(12)与电机***连接,电机***与副反射面(9)连接,馈源(8)安装在平面反射阵天线模块(12)的正中心,副反射面(9)位于馈源(8)正上方,平面反射阵天线模块(12)包括从上到下依次连接的天线层(5)、控制层(6)和电源层(7),馈源(8)发出电磁波给副反射面(9),电机***控制副反射面(9)的旋转,该***能够实现离轴角±α,旋转角360°的波束扫描,该***具有更低的剖面、更高的增益,占用空间小,且***高度集成化。
Description
母案申请:2020102094102一种副反射面旋转的低剖面可扫描平面反射阵天线***及扫描方法,申请日20200323。
技术领域
本发明涉及天线领域,特别是涉及一种高增益平面发射阵天线***的设计方法。
背景技术
随着人们需求的不断提高,对于远距离无线通信***的研究也是逐渐深入,而天线是整个通信***中重要的一个部件,需要具备高增益、低旁瓣、波束扫描等特性,从而实现良好的远距离信号发射与接收功能,抛物面天线和相控阵天线具备以上电性能,但是前者体积大、笨重是明显的缺点,后者的材料成本又是极高的。现在的卫星发射都追求“一箭多星”,要想实现这一目标,装载的卫星除了性能满足需求外,还需要具备小重量、小体积的物理特性。若采用抛物面天线作为卫星天线,由于抛物面的物理特性,必然会导致卫星整机尺寸无法小型化,且重量偏重,进而导致“一箭多星”发射的卫星数量偏少,大重量也会增加发射成本;而采用相控阵天线作为卫星天线,虽然体积能做到小型化和低剖面,但重量是其一大缺点,其次就是成本居高不下,整机结构复杂是另一大缺点,在设计阶段就要耗费大量的精力。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种平面反射阵天线***,能够实现天线扫描***的高度集成化、易加工、价格低廉、低剖面和三维扫描。
为解决上述技术问题,本发明采用的一个技术方案是:提供一种高增益平面发射阵天线***的设计方法。
其中,该***包括平面反射阵天线模块(12)、副反射面(9)、馈源(8)和电机***,所述平面反射阵天线模块(12)与所述电机***连接,所述电机***与所述副反射面(9)连接,所述馈源(8)安装在所述平面反射阵天线模块(12)的正中心,所述副反射面(9)位于所述馈源(8)正上方。
优选地,所述平面反射阵天线模块(12)包括从上到下依次连接的天线层(5)、控制层(6)和电源层(7),其中,所述控制层(6)与分别与所述馈源(8)和所述电机***连接;所述电源层(7)通过外接导线与所述控制层(6)连接。
优选地,所述T/R组件包括功率放大器、低噪声放大器和接收发射切换开关,所述功率放大器、低噪声放大器的两端分别连接一个所述接收发射切换开关,所述T/R组件的两端分别通过一个所述接收发射切换开关连接所述馈源(8)和信道。
平面反射阵天线模块(12)的控制层(6)控制馈源(8)发出电磁波给副反射面(9),同时控制层(6)控制电机***工作,电机***带动副反射面(9)旋转,副反射面(9)又将电磁波反射回平面反射阵天线,最终实现一定角度范围内的波束扫描。
优选地,所述天线层(5)包括平面反射阵面,所述平面反射阵面包括N×N个反射单元;所述控制层(6)包括控制电路和T/R组件,所述控制电路与所述T/R组件连接,所述T/R组件与所述馈源(8)连接,所述控制电路与所述电机***连接。其中,所述反射单元口径大小具体为10mm×10mm。
优选地,所述反射单元包括基板、辐射贴片和金属地,所述辐射贴片环形开口,所述辐射贴片贴在所述基板上且环形开口,所述金属地贴在所述基板下;所述反射单元口径大小具体为10mm×10mm。
优选地,所述馈源(8)到所述副反射面(9)之间的距离为f,所述f具体为32mm,所述馈源(8)具体为喇叭天线。
优选地,所述电机***包括电机A(11)和电机B(10),其中,所述电机A(11)通过转轴与所述电机B(10)连接,所述电机B(10)通过转轴与所述副反射面(9)连接。
具体地,按照需求选择合适的反射面口径大小(32×32个单元,面积为320mm×320mm)以及所需频率(15GHZ),同时还需要确定副反射面(9)口径大小d(40mm×40mm),副反射面的焦径比为1;确定副反射面(9)与馈源(8)的距离f=32mm,其中馈源(8)到副反射面(9)的距离与副反射面(9)口径大小比值取0.8;还需确定副反射面(9)旋转的最大角度,因为馈源(8)为喇叭天线,安装在反射面正中心,垂直xy平面射向z轴方向,其中馈源的-10dB波束带宽约为θ=56°,馈源(8)照射到副反射面(9)的口径大小为设副反射面(9)旋转角度为α,在xy面的等效口径大小为d3=d*cosα,为了避免发生漏波现象,需要d3>d2,所以这里副反射面(9)的最大旋转角度α取为20°,避免旋转角度过大导致喇叭天线发出的电磁波绕射严重,使得增益降低。
基于上述平面反射阵天线***的扫描方法,包括以下步骤:
S1.所述控制层(6)的T/R组件为所述馈源(8)提供发射和接收通道,所述馈源(8)对准副反射面(9)发射电磁波;
S2.所述控制层(6)的控制电路控制所述电机***,所述电机A(11)旋转360°,带动所述电机B(10)及所述副反射面(9)旋转360°;
S3.所述电机B(10)旋转角度±α,以所述副反射面(9)垂直于平面反射阵面为初始状态,旋转角度为±α,所述副反射面(9)将从馈源(8)发出的电磁波反射回平面反射阵面,够实现离轴角±α,旋转角360°的波束扫描。
具体地,所述从副反射面(9)反射回所述平面反射阵面的电磁波到达每个单元的距离不同,相位不同,需要计算各个单元的相位补偿。通过公式计算出单元天线需要补偿的空间相位差,通过将单元天线旋转不同角度从而实现不同空间相位差的补偿。
预设电机A(11)旋转的步进间距为0.1°,最大旋转角度为360°;预设电机B(10)旋转的步进间距为0.1°,最大旋转角度为±α。对于完整的天线***,只需开启馈源(8),通过电路控制两个电机的旋转,实现离轴角±α、旋转角360°的波束扫描。
本发明的有益效果是:(1)反射面天线不需要复杂的电路设计,整个天线阵面只需要单元天线以及基板组成,喇叭天线作为馈源,能有效的减小传输过程的损耗,保证稳定的功率输出;(2)***采用单个T/R组件实现其发射接收功能,不需要多个昂贵的T/R组件或复杂的馈电部分,结构相对更简单,能够有效地降低成本;(3)相比一般抛物面天线和平面反射阵天线而言,有更高的增益,波瓣宽度更窄,具有更强的方向性;(4)由于天线阵面是平面结构,利用副反射面进行一次反射,能有效地降低纵向尺寸,相比于一般的抛物面天线和平面反射阵天线具有更低的剖面,占用空间更小;(5)天线阵采用多层复合的FR-4制成,价格低廉,易于加工,高度集成化实现低剖面。
附图说明
图1是本发明天线***结构图;
图2是本发明平面反射阵阵面示意图;
图3是本发明平面反射阵天线单元;
图4是本发明馈源示意图;
图5是本发明T/R组件原理图;
图6是本发明电机***与副反射面连接示意图;
图7是本发明副反射面最大旋转角的计算示意图;
图8、9是本发明天线扫描原理示意图;
图10、11、12分别是天线扫描的正视图、俯视图和立体图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚,以下结合附图对本发明作进一步地阐述。
实施例1
在一示例性实施例中,如图1所示,一种高增益平面发射阵天线***的设计方法,***包括:包括平面反射阵天线模块(12)、副反射面(9)、馈源(8)和电机***,所述平面反射阵天线模块(12)与所述电机***连接,所述电机***与所述副反射面(9)连接,所述馈源(8)安装在所述平面反射阵天线模块(12)的正中心,所述副反射面(9)位于所述馈源(8)正上方。
平面反射阵天线模块(12)的控制层(6)控制馈源(8)发出电磁波给副反射面(9),同时控制层(6)控制电机***工作,电机***带动副反射面(9)旋转,副反射面(9)又将电磁波反射回平面反射阵天线,最终实现一定角度范围内的波束扫描。
进一步地,所述平面反射阵天线模块(12)包括从上到下依次连接的天线层(5)、控制层(6)和电源层(7),其中,所述控制层(6)与分别与所述馈源(8)和所述电机***连接;所述电源层(7)通过外接导线与所述控制层(6)连接。
进一步地,所述天线层(5)包括平面反射阵面,如图2所示,所述平面反射阵面包括N×N个反射单元,其中,所述反射单元口径大小具体为10mm×10mm。
进一步地,如图5所示,所述控制层(6)包括控制电路和T/R组件,所述控制电路与所述T/R组件连接,所述T/R组件与所述馈源(8)连接,所述控制电路与所述电机***连接,所述T/R组件包括功率放大器、低噪声放大器和接收发射切换开关,所述功率放大器、低噪声放大器的两端分别连接一个所述接收发射切换开关,所述T/R组件的两端分别通过一个所述接收发射切换开关连接所述馈源(8)和信道。
进一步地,信道给T/R组件发送射频信号,依次经过接收发射切换开关、功率放大器和接收发射切换开关输出给馈源,馈源反馈回来的信号依次经过接收发射切换开关、低噪声放大器和接收发射切换开关输出到信道。
进一步地,如图3所示,所述反射单元包括基板、辐射贴片和金属地,所述辐射贴片环形开口,所述辐射贴片贴在所述基板上且环形开口,所述金属地贴在所述基板下。所述馈源到所述副反射面之间的距离为f,所述馈源具体为喇叭天线。
进一步地,如图4所示,所述馈源(8)到所述副反射面(9)之间的距离为f,所述f具体为32mm,所述馈源(8)具体为喇叭天线。
进一步地,按照需求选择合适的反射面口径大小(32×32个单元,面积为320mm×320mm)以及所需频率(15GHZ),同时还需要确定副反射面(9)口径大小d(40mm×40mm),副反射面的焦径比为1;确定副反射面(9)与馈源(8)的距离f=32mm,其中馈源(8)到副反射面(9)的距离与副反射面(9)口径大小比值取0.8;还需确定副反射面(9)旋转的最大角度,因为馈源(8)为喇叭天线,安装在反射面正中心,垂直xy平面射向z轴方向,其中馈源的-10dB波束带宽约为θ=56°,馈源(8)照射到副反射面(9)的口径大小约为设副反射面(9)旋转角度为α,在xy面的等效口径大小为d3=d*cosα,为了避免发生漏波现象,需要d3>d2,所以这里副反射面(9)的最大旋转角度α取为20°,避免旋转角度过大导致喇叭天线发出的电磁波绕射严重,使得增益降低。
进一步地,单个电机只能实现一个面的360°旋转,这里需要实现三维扫描,则需要两个电机,如图5所示,所述电机***包括电机A(11)和电机B(10),其中,所述电机A(11)通过转轴与所述电机B(10)连接,所述电机B(10)通过转轴与所述副反射面(9)连接。
进一步地,电机A(11)旋转360°,带动电机B(10)及副反射面(9)旋转360°,同时电机B(10)以副反射面(9)垂直于平面反射阵为初始状态,旋转角度为±α,就能够实现离轴角±20°,旋转角360°的波束扫描。
进一步地,改变单元数量以及单元辐射贴片的尺寸,可以实现不同增益以及频率的需求,但是需要保持馈源(8)到副反射面(9)的距离与副反射面(9)口径大小比值应取小于0.8,这样可以尽可能的减少入射波绕射造成的损耗;可以根据需求改变组合阵的形状,但阵列形状需要保持关于中心对称。
实施例2
基于上述一种高增益平面发射阵天线***的扫描方法,包括以下步骤:
S1.所述控制层(6)的T/R组件为所述馈源(8)提供发射和接收通道,所述馈源(8)对准副反射面(9)发射电磁波;
S2.所述控制层(6)的控制电路控制所述电机***,所述电机A(11)旋转360°,带动所述电机B(10)及所述副反射面(9)旋转360°。
S3.所述电机B(10)旋转角度±α,以所述副反射面(9)垂直于平面反射阵面为初始状态,旋转角度为±α,所述副反射面(9)将从馈源(8)发出的电磁波反射回平面反射阵面,够实现离轴角±α,旋转角360°的波束扫描。
进一步地,所述从副反射面(9)反射回所述平面反射阵面的电磁波到达每个单元的距离不同,相位不同,需要计算各个单元的相位补偿。通过公式计算出单元天线需要补偿的空间相位差,通过将单元天线旋转不同角度从而实现不同空间相位差的补偿。
进一步地,如图8、9所示,图中标号1为馈源发出的入射波,标号2为副反射面的初始状态,标号3、4为反射波,这里设置最大旋转角度为±α(本例取α=20°),旋转副反射面能实现波束的扫描功能。
进一步地,如图10、11、12所示,由于馈源发射出的电磁波为球面波,经过副反射面的反射,到达反射阵面也为球面波,因而到达每个阵元的距离不同,导致相位也不同,所以需要计算出各个阵元需要补偿的相位值:其中β为反射波与Z轴的夹角,图8中ε表示反射波在xy平面投影与x轴的夹角,m和n分为单元所在的行和列,k0是波在自由空间的传播常数,xm,ym分别表示副反射面到天线单元的距离。补偿后的反射面在空间相位分布相当于图10正视图中的等效反射面。
进一步地,通过公式计算出单元天线需要补偿的空间相位差,可以将单元天线旋转不同角度从而实现不同空间相位差的补偿。
预设电机A(11)旋转的步进间距为0.1°,最大旋转角度为360°;预设电机B(10)旋转的步进间距为0.1°,最大旋转角度为±α。对于完整的天线***,只需开启馈源(8),通过电路控制两个电机的旋转,实现离轴角±α、旋转角360°的波束扫描。以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (3)
1.一种基于高增益平面发射阵天线***的扫描方法,其特征在于:天线***包括平面反射阵天线模块(12)、副反射面(9)、馈源(8)和电机***,所述平面反射阵天线模块(12)与所述电机***连接,所述电机***与所述副反射面(9)连接,所述馈源(8)安装在所述平面反射阵天线模块(12)的正中心,所述副反射面(9)位于所述馈源(8)正上方;其中,所述平面反射阵天线模块(12)包括从上到下依次连接的天线层(5)、控制层(6)和电源层(7);所述天线层(5)包括平面反射阵面,所述平面反射阵面包括N×N个反射单元,所述控制层(6)包括控制电路和T/R组件,所述控制电路与所述T/R组件连接,所述T/R组件与所述馈源(8)连接,所述控制电路与所述电机***连接;
所述馈源(8)到所述副反射面(9)之间的距离为f,所述馈源(8)具体为喇叭天线,所述副反射面(9)的口径大小d具体为40mm×40mm,馈源(8)到副反射面(9)的距离与副反射面(9)口径大小比值不大于0.8,减少入射波绕射造成的损耗;
所述电机***包括电机A(11)和电机B(10),其中,所述电机A(11)通过转轴与所述电机B(10)连接,所述电机B(10)通过转轴与所述副反射面(9)连接;
所述天线***在进行扫描时,包括以下步骤:
S1. 所述控制层(6)的T/R组件为所述馈源(8)提供发射和接收通道,所述馈源(8)对准副反射面(9)发射电磁波;
S2. 所述控制层(6)的控制电路控制所述电机***,所述电机A(11)旋转360°,能够带动所述电机B(10)及所述副反射面(9)旋转360°;
S3.以所述副反射面(9)垂直于平面反射阵面为初始状态,所述电机B(10)旋转角度±α,所述副反射面(9)将从馈源(8)发出的电磁波反射回平面反射阵面,能够实现离轴角±α,旋转角360°的波束扫描;
从副反射面(9)反射回所述平面反射阵面的电磁波到达每个反射单元的距离不同,相位不同,需要计算各个反射单元的相位补偿;
所述电机A(11)旋转的步进间距为0.1°,最大旋转角度为360°;预设电机B(10)旋转的步进间距为0.1°;
通过将反射单元旋转不同角度从而实现不同反射单元相位补偿;
所述副反射面(9)的焦径比为1,副反射面(9)与馈源(8)的距离f=32mm,副反射面(9)的旋转角度α最大取为20°,避免旋转角度过大导致喇叭天线发出的电磁波绕射严重,使得增益降低。
2.根据权利要求1所述的一种基于高增益平面发射阵天线***的扫描方法,其特征在于:所述电源层(7)通过外接导线与所述控制层(6)连接;所述T/R组件包括功率放大器、低噪声放大器和接收发射切换开关,所述功率放大器、低噪声放大器的两端分别连接一个所述接收发射切换开关,所述T/R组件的两端分别通过一个所述接收发射切换开关连接所述馈源(8)和信道。
3.根据权利要求2所述的一种基于高增益平面发射阵天线***的扫描方法,其特征在于:所述反射单元包括基板、辐射贴片和金属地,所述辐射贴片贴在所述基板上,所述辐射贴片为环形贴片,所述辐射贴片上开设有两个对称的开口,所述金属地贴在所述基板下;所述反射单元口径大小具体为10mm×10mm。
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