CN115313063A - 一种反射式面天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种反射式面天线,包括反射面、反射阵、馈源和副反射面;所述反射面为底部剖平的圆弧形天线,反射面底部剖平,并在剖平处设有反射阵,反射阵的中心,即反射面的中心开口处设有馈源,馈源的正上方设置副反射面;所述馈源用于辐射电磁波能量,通过副反射面将电磁波能量反射至反射面和反射阵上,反射阵上的反射阵单元进行相位补偿后,实现反射面、反射阵同时工作以达到高增益目的。本发明结合了反射面天线和反射阵天线二者的优点,实现了现有反射式面天线的小型化,极大降低了反射式面天线的剖面高度。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域,尤其涉及一种反射式面天线。
背景技术
天线是微波点对点中继通信***,卫星通信***等的关键部件。天线***的小型化是天线设计领域的热点和难点之一,尤其是在天线小型化的情况下不损失天线性能。传统反射面天线是由反射面和馈源组成,反射阵天线则是由反射阵和馈源组成,两者区别主要是反射面天线的反射面是类抛物面、双曲面状曲面,反射阵天线的反射阵则是平板状。目前这两种天线形式剖面高度都比较高,其应成于通信***中时会将通信***的整体剖面增加。高的剖面使用这类天线通信***将无法在某些场景应用。
发明内容
技术目的:针对现有技术中反射面天线剖面较高的缺陷,本发明公开了一种反射式面天线,结合了反射面天线和反射阵天线,实现了现有反射式面天线的小型化,极大降低了反射式面天线的剖面高度。
技术方案:为实现上述技术目的,本发明采用以下技术方案。
一种反射式面天线,其特征在于:包括反射面、反射阵、馈源和副反射面;所述反射面为底部剖平的圆弧形天线,反射面底部剖平,并在剖平处设有反射阵;反射阵的中心,即反射面的中心开口处设有馈源,馈源的正上方设置副反射面;所述馈源用于辐射电磁波能量,通过副反射面将电磁波能量反射至反射面和反射阵上,反射阵上的反射阵单元进行相位补偿后,实现反射面、反射阵同时工作。
优选地,所述反射阵包括若干反射阵单元,反射阵单元采用正方形的双层贴片结构。
优选地,所述反射阵单元包括上层贴片、下层贴片和介质,所述反射底板上设有介质,所述介质为底部镂空的一层台阶式框架,介质的顶端设有上层贴片,介质的底部镂空处、与反射底板相对处设有下层贴片。
优选地,所述介质的上层形状为棱台,下层为底部镂空的立方体,介质的底面尺寸与反射阵单元的尺寸相同,介质的上层棱台用于承托上层贴片,棱台上表面尺寸与上层贴片尺寸相同,棱台下表面的尺寸大于或等于上层贴片尺寸。
优选地,所述上层贴片、下层贴片均为正方形,且均采用金属材料,所述介质采用非金属材料;所述反射面、上层贴片、下层贴片和反射底板采用金属材料或者表面金属化的非金属材料。
优选地,反射阵单元的相位补偿值计算公式为:
Φn=Φ0-π-k0 * Rn +2mπ+Wn
其中,Φn为第n个反射阵单元的相位补偿值,Φ0为反射面边缘的反射相位信息;k0为空气中电磁波波数,Rn为馈源相心和第n个反射阵单元中心的距离,为定值;m为整数;Wn为第n个反射阵单元上添加的噪声相位。
优选地,所述Rn的计算公式为:
Rn=(ρn2+Hn2)0.5
其中,ρn为第n个反射阵单元中心和反射面中心距离,Hn为馈源相心和反射阵的距离。
优选地,根据反射阵单元的相位补偿值计算反射阵单元中下层贴片的周长,其计算过程为:
L= f(Φ)
其中,L为反射阵单元下层贴片的尺寸,f(Φ)为拟合的非线性相位尺寸曲线,Φ为反射阵单元的相位补偿值,所述非线性相位尺寸曲线是对反射阵进行仿真设计,通过仿真控制反射阵的相位频响曲线接近于金属空气界面,得到反射阵单元的相位尺寸曲线,即相位补偿值与下层贴片边长曲线,根据每个反射阵单元所需的补偿相位值确定该单元内下层贴片的边长大小。
优选地,所述反射阵单元按照矩形栅格分布或三角形栅格分布在馈源周围。
优选地,所述反射阵照射角范围为[0,a],反射面照射角为a至反射面边缘,其中45°≤a≤60°,即在反射面底部上,位于馈源顶点向反射面方向的射线与竖直方向45°-60°范围内剖平,设有反射阵。
有益效果:本发明结合了反射面天线和反射阵天线,实现了现有反射式面天线的小型化,极大降低了反射式面天线的剖面高度。
附图说明
图1为本发明的总结构剖面示意图;
图2为本发明的反射阵单元结构立体图;
图3为本发明的反射阵单元结构剖视图;
图4为本发明的反射面天线立体图;
图5为本发明一个实施例的天线S11仿真曲线图;
图6为本发明一个实施例的天线仿真增益曲线图;
图7为本发明一个实施例的天线仿真11. 5Ghz通信时的E面方向图;
图8为本发明一个实施例的天线仿真11.5Ghz通信时的H面方向图;
图9为本发明一个实施例的天线仿真12.5Ghz通信时的E面方向图;
图10为本发明一个实施例的天线仿真12.5Ghz通信时的H面方向图;
图11为本发明一个实施例的天线仿真13.625Ghz通信时的E面方向图;
图12为本发明一个实施例的天线仿真13.625Ghz通信时的H面方向图;
图13为本发明一个实施例的反射阵单元矩形栅格分布示意图;
图14为本发明一个实施例的反射阵单元三角栅格分布示意图;
图15为本发明的反射面天线中上层贴片示意图;
图16为本发明一个实施例的反射阵单元相位值与下层贴片边长关系示意图;
其中,1为反射面,2为反射阵, 221为上层贴片,222为下层贴片,223为介质,224为反射底板;3为馈源,4为副反射面。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的一种反射式面天线做进一步的说明和解释。本发明中利用反射面在大入射角情况下良好的相位特性和反射阵单元只能在小角度斜入射才能良好工作的特点,设计得到本发明的低剖面的反射式面天线。
如附图1和附图4所示,一种反射式面天线,包括反射面1、反射阵2、馈源3和副反射面4;所述反射面1为底部剖平的圆弧形天线,反射面1底部剖平,并在剖平处设有反射阵2,反射阵2的中心,即反射面1的中心开口处设有馈源3,馈源3的正上方设置副反射面4;所述馈源3用于辐射电磁波能量,通过副反射面4将电磁波能量反射至反射面1和反射阵2上,反射阵上的反射阵单元进行相位补偿后,实现反射面1、反射阵2同时工作,即实现反射面1、反射阵2同时工作;通过反射面1和反射阵2对经由副反射面反射的能量进行相位补偿以达成高增益、高效率的特性。反射面1为金属或者表面金属化的非金属。本发明结合了反射面天线和反射阵天线二者的优点,实现了现有反射式面天线的小型化,极大降低了反射式面天线的剖面高度。
本发明相对于传统反射面天线具有低剖面高度,相对于反射阵天线具有较宽的带宽。本发明的反射式面天线在11.625GHz-13.625GHz频率范围内口径效率可以达到60%以上,反射式面天线60%以上口径效率带宽在15.84%以上,远远高于反射阵天线。
如附图2和附图3所示,反射阵包括若干反射阵单元,反射阵单元采用正方形的双层贴片结构,并将附着在镂空介质上面,通过这种设计使反射阵单元的相位频响曲线更接近于金属空气界面,以此提高天线的整体带宽。
反射阵单元包括上层贴片221、下层贴片222、介质223和反射底板224,所述反射底板224上设有介质223,若干反射阵单元的反射底板224是一个整体,互相连通;所述介质223为底部镂空的一层台阶式框架,介质223的顶端设有上层贴片221,介质223的底部镂空处、与反射底板224相对处设有下层贴片222,上层贴片221与下层贴片222的轴线重合。上层贴片221、下层贴片222均采用金属材料,如铜、铝等金属材料,所述介质223采用非金属材料,如陶瓷、塑料等非金属材料,塑料材料可以采用ABS、PTFE、POM等,所述反射底板224采用金属材料或者表面金属化的非金属材料。每个反射阵单元结构相同但反射阵单元上的上层贴片221、下层贴片222的尺寸不同,介质223尺寸可以相同也可以不同。
所述反射阵单元排布形式可以为矩形栅格分布或三角形栅格分布等,其中,矩形栅格分布示意图如附图13所示,三角栅格分布示意图如附图14所示,附图13和附图14中的圆点均代表反射阵单元的中心点。
本发明中,所述介质223为底部镂空的一层台阶式框架,其中介质223的上层形状为棱台,下层为底部镂空的立方体,反射阵单元的尺寸相同,为预设值,介质223的底面尺寸与反射阵单元的尺寸相同,介质223的上层棱台用于承托上层贴片221,棱台上表面尺寸与上层贴片221尺寸相同,棱台下表面的尺寸大于或等于上层贴片221尺寸,即可以设计为与上层贴片221尺寸,也可以设计大于上层贴片221尺寸,即介质223尺寸可以相同也可以不同。如附图15所示,本发明中的介质为镂空介质,除了体现在底部镂空的立方体上,还体现在上层棱台结构上,使得反射阵单元与反射阵单元之间除了反射底板224一体连通外,所有上层贴片221之间也均为空气介质,附图15中看到的每个正方形均为上层贴片221,从附图15中可以很明显看出每个反射阵单元的上层贴片尺寸不同,且上层贴片221之间是间隔的,即为空气介质,便于反射阵单元的相位频响曲线更接近于金属空气界面的相位频响曲线,以此提高天线的整体带宽。
由于反射阵单元采用正方形设计,即上层贴片221、下层贴片222和反射底板224都是正方形设计;两个极化由于相同位置的反射阵单元补偿相位一致,使得调整一个反射阵单元尺寸能够同时对两个极化电磁波能量的相位进行补偿,使得该反射阵单元具有双极化能力。
所述反射面1的圆弧形天线,本发明根据ρ2 = 4*f*z来设计反射面母线,将反射面绕轴线旋转360°即可形成反射面。其中,ρ为母线横向坐标位置,f为焦距,z为母线轴向坐标位置。
所述反射面1底部剖平处设有反射阵2,即在反射面天线馈源照射角45°到60°位置处削掉反射面底部以配合反射阵。所述反射阵照射角范围为[0,a],反射面1照射角为a至反射面边缘,其中45°≤a≤60°,即在反射面1底部上,位于馈源2顶点向反射面1方向的射线与竖直方向45°-60°范围内剖平,设有反射阵2。
反射阵单元的个数由反射式面天线的口径、反射阵照射角范围以及反射阵单元的尺寸确定,反射阵单元的尺寸预设为半个波长,在本发明的一个实施例中,当反射阵单元按照矩形栅格分布时,反射阵单元的尺寸预设为11mm*11mm,当反射阵单元按照三角栅格分布时,反射阵单元的尺寸预设为11mm*9.53mm,本发明中,反射阵单元之间均匀邻接,本发明中预设上层贴片221的周长为下层贴片222边长的0.72倍,介质223的尺寸跟随上层贴片尺寸变化。
所述反射阵上设有反射阵单元;本发明通过调整反射阵单元的尺寸,也就是下层贴片222的周长来补偿反射电磁波的相位信息。传统反射阵中设计中各反射阵单元只有相对相位信息,其反射阵单元相位补偿只需进行相对相位补偿即可。不同于传统反射阵设计,本发明需考虑反射面相位信息和反射阵单元相位信息来综合设计。首先计算反射面边缘的反射相位信息Φ0,以此来确定反射阵边缘的反射补偿相位。因为反射底板的反射电磁波相位有一个π的相位延迟,则反射阵单元边缘补偿后的相位信息应为Φ0-π。反射阵单元的相位补偿值为:
Φn=Φ0-π-k0 * Rn +2mπ+Wn(1)
其中,Φn为第n个反射阵单元的相位补偿值,Φ0为反射面边缘的反射相位信息,为定值;k0为空气中电磁波波数,Rn为馈源相心和第n个反射阵单元中心的距离,为定值,馈源相心根据馈源型号、应用频段计算获取;m为整数,需使Φn落入相位尺寸曲线的值域范围之中;Wn为反射阵单元上添加的噪声相位信息,此噪声信息应根据带宽、效率等情况综合予以选取并优化,Wn在一些实施例中采用白噪声,或采用确定的相位分布。本发明的实施例中选取均值为0.03,方差为0.006的噪声。
其中,Rn根据以下公式计算:
Rn=(ρn2+Hn2)0.5(2)
其中,ρn为第n个反射阵单元中心和反射面中心距离,Hn为馈源相心和反射阵的距离;反射阵单元的个数由反射式面天线的口径、反射阵照射角范围以及反射阵单元的尺寸确定,反射阵单元的尺寸预设为半个波长,根据确定的反射阵单元个数及其分别方式,从而计算求取ρn。
根据反射阵单元的相位补偿值计算反射阵单元中下层贴片的周长,其计算过程为:
L= f(Φ)(3)
其中,L为反射阵单元的下层贴片的尺寸,f(Φ)为拟合的非线性相位尺寸曲线,Φ为反射阵单元的相位补偿值,所述非线性相位尺寸曲线是对反射阵进行仿真设计,先仿真计算或者实验提取反射阵单元尺寸下层贴片的L和反射阵单元的相位补偿值Φ的对应离散数据,通过仿真拟合反射阵单元的相位频响曲线接近于金属空气界面,得到反射阵单元的相位尺寸曲线,即相位补偿值与下层贴片边长曲线,如附图16所示,根据每个反射阵单元所需的相位补偿值确定该单元内下层贴片的边长大小,即根据公式(3)提取数值后得到每个反射阵单元贴片的边长,即下层贴片的边长。
实施例:
本实施例公开了一种反射式面天线,本实施例中简称天线,天线口径为640mm,其仿真参数设置为:反射阵单元采用三角栅格分布,每个反射阵单元的尺寸为11mm×9.53mm,单元介质的介电常数为2.7,频率设置为10.5 GHz-14.75GHz。天线S11在10.7 Ghz -12.75Ghz低于-10dB, 在11.25 Ghz -12.8Ghz低于-15dB性能良好。从附图6中可以看出,天线11. 5 Ghz -13.5Ghz增益均超出35.5dBi;从附图7中可以看出,天线11.5Ghz时E面方向图副瓣低于-12.9dB;从附图8中可以看出,天线11.5Ghz时H面方向图副瓣低于-14dB;从附图9中可以看出,天线12.5Ghz时E面方向图副瓣低于-18.6dB;从附图10中可以看出,天线12.5Ghz时H面方向图副瓣低于-16dB;从附图11中可以看出,天线13.625Ghz时E面方向图副瓣低于-13.9dB;从附图12中可以看出,天线13.625Ghz时H面方向图副瓣低于-14dB;天线在具有高效率低副瓣特性,天线60%以上效率带宽为15.84%以上。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种反射式面天线,其特征在于:包括反射面(1)、反射阵(2)、馈源(3)和副反射面(4);所述反射面(1)为底部剖平的圆弧形天线,反射面(1)底部剖平,并在剖平处设有反射阵(2);反射阵(2)的中心,即反射面(1)的中心开口处设有馈源(3),馈源(3)的正上方设置副反射面(4);所述馈源(3)用于辐射电磁波能量,通过副反射面(4)将电磁波能量反射至反射面(1)和反射阵(2)上,反射阵上的反射阵单元进行相位补偿后,实现反射面(1)、反射阵(2)同时工作。
2.根据权利要求1所述的一种反射式面天线,其特征在于:所述反射阵包括若干反射阵单元,反射阵单元采用正方形的双层贴片结构。
3.根据权利要求2所述的一种反射式面天线,其特征在于:所述反射阵单元包括上层贴片(221)、下层贴片(222)、介质(223)和反射底板(224),所述反射底板(224)上设有介质(223),所述介质(223)为底部镂空的一层台阶式框架,介质(223)的顶端设有上层贴片(221),介质(223)的底部镂空处、与反射底板(224)相对处设有下层贴片(222)。
4.根据权利要求3所述的一种反射式面天线,其特征在于:所述介质(223)的上层形状为棱台,下层为底部镂空的立方体,介质(223)的底面尺寸与反射阵单元的尺寸相同,介质(223)的上层棱台用于承托上层贴片(221),棱台上表面尺寸与上层贴片(221)尺寸相同,棱台下表面的尺寸大于或等于上层贴片(221)尺寸。
5.根据权利要求3所述的一种反射式面天线,其特征在于:所述上层贴片(221)、下层贴片(222)均为正方形,且均采用金属材料,所述介质(223)采用非金属材料;所述反射面(1)、反射阵上层贴片(221)、反射阵下层贴片(222)和反射底板(224)采用金属材料或者表面金属化的非金属材料。
6.根据权利要求1所述的一种反射式面天线,其特征在于:反射阵单元的相位补偿值计算公式为:
Φn=Φ0-π-k0 * Rn +2mπ+Wn
其中,Φn为第n个反射阵单元的相位补偿值,Φ0为反射面(1)边缘的反射相位信息;k0为空气中电磁波波数,Rn为馈源相心和第n个反射阵单元中心的距离,为定值;m为整数;Wn为第n个反射阵单元上添加的噪声相位。
7.根据权利要求6所述的一种反射式面天线,其特征在于:所述Rn的计算公式为:
Rn=(ρn2+Hn2)0.5
其中,ρn为第n个反射阵单元中心和反射面中心距离,Hn为馈源相心和反射阵的距离。
8.根据权利要求6所述的一种反射式面天线,其特征在于:根据反射阵单元的相位补偿值计算反射阵单元中下层贴片的周长,其计算过程为:
L= f(Φ)
其中,L为反射阵单元下层贴片的尺寸,f(Φ)为拟合的非线性相位尺寸曲线,Φ为反射阵单元的相位补偿值,所述非线性相位尺寸曲线是对反射阵进行仿真设计,通过仿真控制反射阵的相位频响曲线接近于金属空气界面,得到反射阵单元的相位尺寸曲线,即相位补偿值与下层贴片边长曲线,根据每个反射阵单元所需的补偿相位值确定该单元内下层贴片的边长大小。
9.根据权利要求2所述的一种反射式面天线,其特征在于:所述反射阵单元按照矩形栅格分布或三角形栅格分布均匀设置在馈源(3)周围。
10.根据权利要求1所述的一种反射式面天线,其特征在于:所述反射阵照射角范围为[0,a],反射面(1)照射角为a至反射面边缘,其中45°≤a≤60°,即在反射面(1)底部上,位于馈源(3)顶点向反射面(1)方向的射线与竖直方向45°-60°范围内剖平,设有反射阵(2)。
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