CN117039412A - 一种使用阿基米德和正弦波混合曲线的宽带反射阵列天线 - Google Patents
一种使用阿基米德和正弦波混合曲线的宽带反射阵列天线 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种使用阿基米德和正弦波混合曲线的宽带反射阵列天线，涉及微带反射阵列天线技术领域。包括天线辐射馈源和和双层平面阵列，天线辐射馈源采用对数周期偶极子天线，天线辐射馈源包括馈源介质基板、馈源正/反面振子、馈源正/反面馈线；馈源介质基板的底部连接有SMA接头；双层平面阵列包括顶层介质基板与接地板，两者形状大小相同，均为正方形板，顶层介质基板的顶面上印刷了N×N个反射单元，N×N个反射单元为不同长度的使用阿基米德和正弦波混合曲线的反射单元，反射单元形状为传统的四臂阿基米德螺旋线体上叠加了正弦波。本发明可以使微带反射阵列天线趋于小型化，有效增加了反射阵列天线的阻抗带宽和增益带宽。
Description
技术领域
本发明涉及微带反射阵列天线技术领域，具体为一种使用阿基米德和正弦波混合曲线的宽带反射阵列天线。
背景技术
天线作为通信***中必不可少的组成部分，它的作用是通过发射和接收电磁波来实现双方的通信。不同的通信***对天线的性能有不同的需求，在卫星通信、雷达、远距离通信***等领域中，对高增益天线的需求与日俱增。
微带反射阵列天线由反射阵列和空间馈源两部分组成，反射阵列由大量辐射单元周期性排布而成，介质基板下覆盖有金属接地板，空间馈源一般采用喇叭。反射阵列上不同位置的单元有不同的相位延迟，通过调整各个单元的特征参数，比如贴片尺寸、介质基板材料及厚度，就能实现对入射波的相位补偿，使得反射波在辐射口上形成等相位面，进而沿着天线设计的指定方向辐射出定向波束。反射阵列的优点主要有以下几个，（1）体积小、重量轻、结构简单、加工成本低、易于加工；（2）没有复杂的馈电网络，损耗小，效率较高；（3）可以实现低剖面和共形；（4）可以实现多波束、波束扫描、波束赋形等等。但是反射阵列天线也存在着带宽窄、辐射效率低于抛物面天线的缺点，其中带宽窄是它的主要缺点，所以如何增加反射阵列天线的带宽一直是学者们研究的主要方向。最近几年有许多研究人员在这个领域进行了研究，目前主流的研究都是基于单元进行改进设计的。为了实现宽带性能，通常采用的方法是采用多层结构，加载相位延迟线，采用多谐振结构等。2003年，J. A. Encina教授等人在论文“Broadband design of three-layer printed reflectarrays.”提出了一款三层单元结构的微带反射阵列天线。尽管这种结构极大地拓展了带宽，但是也具有其固有的缺点，主要是各层结构的对齐问题，这一缺陷在高频处更为严重。此外，多层结构增大了天线的介质损耗以及制造成本，且更加笨重。2016年，Tayyab Shabbir等人在论文“Asingle layer reflectarray with octagonal-ring delay line for X-bandapplications.”提出了一个加载八角延迟线的截断圆形贴片，通过改变延迟线的长度获得了600°以上的相移范围。同年，中国科学院大学的张云华，韩春晖等人在论文“宽带微带反射阵列天线研究”提出了一款加载了相位延迟线的新型X波段宽带单层单元，单元反射相位范围超过了600º。这两款天线虽然都具有良好的宽带特性，但由于加载了相位延迟线的原因，导致单元尺寸较大，阵列空间利用率较低，不利于设备集成。因此采用多谐振结构改进反射阵列天线的反射单元具有重要的意义。
发明内容
本发明为了解决现有的研究中，微带反射阵列天线带宽较窄的问题，提供了一种使用阿基米德和正弦波混合曲线的宽带反射阵列天线。
本发明是通过如下技术方案来实现的：一种使用阿基米德和正弦波混合曲线的宽带反射阵列天线，包括天线辐射馈源和双层平面阵列，其特征在于：所述天线辐射馈源采用对数周期偶极子天线，所述天线辐射馈源包括馈源介质基板，所述馈源介质基板的正面设有固定的馈源正面振子与馈源正面馈线，所述馈源正面振子分布于馈源正面馈线的两侧；所述馈源介质基板的反面设有固定的馈源反面振子与馈源反面馈线，所述馈源反面振子分布于馈源反面馈线的两侧；所述馈源反面振子的形状与馈源正面振子以馈源正面馈线为轴翻转180º后的形状相同；所述馈源介质基板的底部固定连接有为馈源正面馈线与馈源反面馈线馈电的SMA接头；所述双层平面阵列包括顶层介质基板与接地板，所述顶层介质基板与接地板形状大小相同，均为正方形板，所述顶层介质基板与接地板之间的距离为腔体高度，所述顶层介质基板与接地板之间通过边缘处的绝缘部件连接，所述接地板的下表面印刷有一整块金属面作为接地层；所述顶层介质基板的顶面上印刷了N×N个反射单元，作为反射阵列，N×N个反射单元为不同长度的使用阿基米德和正弦波混合曲线的反射单元，且N×N个使用阿基米德和正弦波混合曲线的反射单元的排列方式为整齐等距排列，相邻反射单元之间的距离通过顶层介质基板的边长除以N来确定；通过计算反射阵列每个反射单元相位补偿量来确定螺旋线的起始相位；所述使用阿基米德和正弦波混合曲线的反射单元的形状为传统的四臂阿基米德螺旋线体上叠加了正弦波。
本发明所设计的一种使用阿基米德和正弦波混合曲线的宽带反射阵列天线，包括天线辐射馈源和和双层平面阵列，天线辐射馈源采用对数周期偶极子天线，这是一种超宽带天线，可以提供更宽的带宽和更高的增益；天线辐射馈源包括馈源介质基板，馈源介质基板的正面设有固定的馈源正面振子与馈源正面馈线，馈源正面振子分布于馈源正面馈线的两侧；馈源介质基板的反面设有固定的馈源反面振子与馈源反面馈线，馈源反面振子分布于馈源反面馈线的两侧，馈源反面振子的形状与馈源正面振子以馈源正面馈线为轴翻转180º后的形状相同，意为馈源反面振子与馈源正面振子在馈源介质基板上叠加后的形状形成了一个完全对称的天线结构，由于对数周期偶极子天线是一种现有的结构，所以只简单解释一下，馈源正面振子和馈源反面振子为相邻振子分布于各自对应馈线的两侧，而且从底端到顶端或从顶端到底端的振子长度呈等差数列；馈源介质基板的底部固定连接有SMA接头，SMA接头给馈源正面馈线与馈源反面馈线馈电，为反射阵列提供激励。双层平面阵列包括顶层介质基板与接地板，顶层介质基板与接地板形状大小相同，均为正方形板，顶层介质基板与接地板之间的距离为腔体高度，该腔体高度根据实际需求确定。顶层介质基板与接地板之间通过边缘处的绝缘部件连接，以使两者连接为一个整体，接地板的下表面印刷有一整块金属面作为接地层；顶层介质基板的顶面上印刷了N×N个反射单元，N×N个反射单元为不同长度的使用阿基米德和正弦波混合曲线的反射单元，且N×N个使用阿基米德和正弦波混合曲线的反射单元的排列方式为整齐等距排列，相邻反射单元之间的距离通过顶层介质基板的边长除以N来确定；通过计算反射阵列每个位置的相位补偿量来确定螺旋线的起始相位，而且采用正馈方式对其进行馈电，而最大的改进是反射单元的形状改变，使用阿基米德和正弦波混合曲线的反射单元形状为传统的四臂阿基米德螺旋线体上叠加了正弦波，这个改变能够使相移曲线的覆盖范围变大且变化更加平滑。
本发明具体工作过程为：宽带反射阵列天线处于辐射模式时，天线辐射馈源向顶层介质基板发射电磁波，并沿着不同路径到达不同位置的反射单元，由于天线辐射馈源到各反射单元的路径长度不一，就形成了一定的波程差，出现了相位延迟；通过调整各个反射单元螺旋线的起始角度，得到了不同的反射相位，就能够实现对入射波的相位补偿，使得反射波在辐射口径上形成等相位面，进而沿着宽带反射阵列天线设计中指定的方向辐射出赋形波束。
进一步的，所述使用阿基米德和正弦波混合曲线的反射单元的形状通过以下方法确定：在传统的单臂阿基米德螺旋线上叠加正弦波，再将此螺旋线复制旋转为四臂螺旋线，此螺旋线的参数方程为：
其中，参数α为螺线起点到极坐标原点之间的距离，即起始半径，参数β为螺旋线半径r随角度θ的变化率，控制着相邻两条曲线之间的距离，A为所叠加正弦波的幅度，B为所叠加正弦波的周期，另外设定w为螺旋线的线宽。
进一步的，确定反射单元螺旋线的起始相位的方法如下：所有反射单元在中心频率10GHz下所需的反射相位通过以下公式计算：
以反射面的中心作为坐标原点，其中，k 0表示自由空间中的传播常数，d i 表示馈电源的相位中心与反射阵列平面上的第i个晶胞的中心之间的距离，x i 和y i 是第i个单元的坐标；（θ 0 ,φ 0）是设计的主光束辐射的方位角和俯仰角，此处为（0°,0°）。
进一步的，所述馈源介质基板采用FR-4材料；所述顶层介质基板与接地板采用聚四氟乙烯材料。
与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种使用阿基米德和正弦波混合曲线的宽带反射阵列天线，采用的反射单元相比传统的单元，排布更加紧凑，更加节省空间，相移曲线覆盖范围更大，因此，使用阿基米德和正弦波混合曲线的反射单元可以使微带反射阵列天线趋于小型化；采用了对数周期偶极子天线作为天线的馈源。对数周期偶极子天线作为一款超宽带天线，相比于传统的贴片天线，带宽拓宽了100%以上；这有效增加了反射阵列天线的阻抗带宽和增益带宽。
附图说明
图1为一种使用阿基米德和正弦波混合曲线的宽带反射阵列天线的侧视图。
图2为顶层介质基板反射部分的上表面结构示意图。
图3为天线辐射馈源正表面的结构正视图。
图4为天线辐射馈源反表面的结构后视图。
图5为反射单元的结构示意图。
图6为天线仿真的|S11|曲线图。
图7为天线仿真的增益曲线图。
图8为天线在频率为10GHz时天线仿真的辐射方向图。
图中标记如下：1-顶层介质基板，2-接地板，3-馈源介质基板，4-馈源正面振子，5-馈源正面馈线，6-馈源背面振子，7-馈源背面馈线，8-SMA接头，9-腔体高度，10-反射单元，11-接地层，12-绝缘螺柱。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
一种使用阿基米德和正弦波混合曲线的宽带反射阵列天线，包括天线辐射馈源和和双层平面阵列，如图1、图3和图4所示：所述天线辐射馈源采用对数周期偶极子天线，所述天线辐射馈源包括馈源介质基板3，所述馈源介质基板3的正面设有固定的馈源正面振子4与馈源正面馈线5，所述馈源正面振子4分布于馈源正面馈线5的两侧；所述馈源介质基板3的反面设有固定的馈源反面振子6与馈源反面馈线7，所述馈源反面振子6分布于馈源反面馈线7的两侧；所述馈源反面振子6的形状与馈源正面振子4以馈源正面馈线5为轴翻转180º后的形状相同；所述馈源介质基板3的底部固定连接有为馈源正面馈线5与馈源反面馈线7馈电的SMA接头8；所述双层平面阵列包括顶层介质基板1与接地板2，所述顶层介质基板1与接地板2形状大小相同，均为正方形板，所述顶层介质基板1与接地板2之间的距离为腔体高度9，所述顶层介质基板1与接地板2之间通过边缘处的绝缘部件连接，所述接地板2的下表面印刷有一整块金属面作为接地层11；所述顶层介质基板1的顶面上印刷了N×N个反射单元10，作为反射阵列，N×N个反射单元10为不同长度的使用阿基米德和正弦波混合曲线的反射单元，且N×N个使用阿基米德和正弦波混合曲线的反射单元的排列方式为整齐等距排列，相邻反射单元10之间的距离通过顶层介质基板1的边长除以N来确定；通过计算反射阵列每个反射单元10相位补偿量来确定螺旋线的起始相位；所述使用阿基米德和正弦波混合曲线的反射单元的形状为传统的四臂阿基米德螺旋线体上叠加了正弦波，如图5所示。
本实施例采用了以下优选方案：所述顶层介质基板1与接地板2之间通过四角上的绝缘螺柱12连接；所述顶层介质基板1的口径为132mm×132mm，相应的所述反射单元10的数量为11×11，如图2所示；所述馈源介质基板3采用FR-4材料，相对介电常数为4.4，厚度为0.5mm；所述顶层介质基板1与接地板2采用聚四氟乙烯材料，相对介电常数为2.55，厚度为1mm，腔体高度9的高度为1.5mm；馈电的SMA接头8距离顶层介质基板1的高度为71mm，天线辐射馈源的相位中心在SMA接头以上2mm，天线辐射馈源的高度为74mm。
本实施例中，使用阿基米德和正弦波混合曲线的反射单元形状通过以下方法确定：在传统的单臂阿基米德螺旋线上叠加正弦波，再将此螺旋线复制旋转为四臂螺旋线，此螺旋线的参数方程为：
其中，参数α为螺线起点到极坐标原点之间的距离，即起始半径，参数β为螺旋线半径r随角度θ的变化率，控制着相邻两条曲线之间的距离，A为所叠加正弦波的幅度，B为所叠加正弦波的周期，设定w为螺旋线的线宽，本实施例中，α=1，β=0.4，A=0.3，B=20，w=0.2mm。
本实施例中，确定反射单元螺旋线的起始相位的方法如下：所有反射单元在中心频率10GHz下所需的反射相位通过以下公式计算：
以反射面的中心作为坐标原点，其中，k 0表示自由空间中的传播常数，d i 表示馈电源的相位中心与反射阵列平面上的第i个晶胞的中心之间的距离，x i 和y i 是第i个单元的坐标；（θ 0 ,φ 0）是设计的主光束辐射的方位角和俯仰角，本实施例中为（0°,0°）。
本发明具体工作过程为：宽带反射阵列天线处于辐射模式时，天线辐射馈源向顶层介质基板发射电磁波，并沿着不同路径到达不同位置的反射单元，由于天线辐射馈源到各反射单元的路径长度不一，就形成了一定的波程差，出现了相位延迟；通过调整各个反射单元螺旋线的起始角度，得到了不同的反射相位，就能够实现对入射波的相位补偿，使得反射波在辐射口径上形成等相位面，进而沿着宽带反射阵列天线设计中指定的方向辐射出赋形波束。
图1与图2中的坐标系可以体现出视图方向。
利用CST微波工作室对上述实施例进行仿真，测量了天线在8-12GHz范围内的|S11|、增益以及方向图。
图6是本实施例中天线在8-12GHz仿真的|S11|曲线，由图可知，天线的-10dB阻抗带宽为32.3%（8.76-11.99GHz），在天线设计的中心频率10GHz处，|S11|达到了-23.2dB，实现了良好的阻抗匹配。
图7是本实施例中天线在8-12GHz仿真的增益变化图，可以观察到天线在10GHz处的增益为20.4dBi，最大增益为20.6dBi，天线的3-dB增益带宽为36.3%（8-11.63GHz），且在8-12GHz范围内，天线增益均大于16dBi。
图8是本实施例中天线在10GHz处的方向图，天线具有良好的定向辐射特性，旁瓣水平优于-13.5dB。
本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种使用阿基米德和正弦波混合曲线的宽带反射阵列天线，包括天线辐射馈源和双层平面阵列，其特征在于：所述天线辐射馈源采用对数周期偶极子天线，所述天线辐射馈源包括馈源介质基板（3），所述馈源介质基板（3）的正面设有固定的馈源正面振子（4）与馈源正面馈线（5），所述馈源正面振子（4）分布于馈源正面馈线（5）的两侧；所述馈源介质基板（3）的反面设有固定的馈源反面振子（6）与馈源反面馈线（7），所述馈源反面振子（6）分布于馈源反面馈线（7）的两侧；所述馈源反面振子（6）的形状与馈源正面振子（4）以馈源正面馈线（5）为轴翻转180º后的形状相同；所述馈源介质基板（3）的底部固定连接有为馈源正面馈线（5）与馈源反面馈线（7）馈电的SMA接头（8）；
所述双层平面阵列包括顶层介质基板（1）与接地板（2），所述顶层介质基板（1）与接地板（2）形状大小相同，均为正方形板，所述顶层介质基板（1）与接地板（2）之间的距离为腔体高度（9），所述顶层介质基板（1）与接地板（2）之间通过边缘处的绝缘部件连接，所述接地板（2）的下表面印刷有一整块金属面作为接地层（11）；所述顶层介质基板（1）的顶面上印刷了N×N个反射单元（10），作为反射阵列，N×N个反射单元（10）为不同长度的使用阿基米德和正弦波混合曲线的反射单元，且N×N个使用阿基米德和正弦波混合曲线的反射单元的排列方式为整齐等距排列，相邻反射单元（10）之间的距离通过顶层介质基板（1）的边长除以N来确定；通过计算反射阵列每个反射单元（10）相位补偿量来确定螺旋线的起始相位；所述使用阿基米德和正弦波混合曲线的反射单元的形状为传统的四臂阿基米德螺旋线体上叠加了正弦波。
2.根据权利要求1所述的一种使用阿基米德和正弦波混合曲线的宽带反射阵列天线，其特征在于：所述顶层介质基板（1）与接地板（2）之间通过四角上的绝缘螺柱（12）连接。
3.根据权利要求1所述的一种使用阿基米德和正弦波混合曲线的宽带反射阵列天线，其特征在于：所述顶层介质基板（1）的口径为132mm×132mm，相应的所述反射单元（10）的数量为11×11。
4.根据权利要求1所述的一种使用阿基米德和正弦波混合曲线的宽带反射阵列天线，其特征在于：所述使用阿基米德和正弦波混合曲线的反射单元的形状通过以下方法确定：在传统的单臂阿基米德螺旋线上叠加正弦波，再将此螺旋线复制旋转为四臂螺旋线，此螺旋线的参数方程为：
；
其中，参数α为螺线起点到极坐标原点之间的距离，即起始半径，参数β为螺旋线半径r随角度θ的变化率，控制着相邻两条曲线之间的距离，A为所叠加正弦波的幅度，B为所叠加正弦波的周期，另外设定w为螺旋线的线宽。
5.根据权利要求4所述的一种使用阿基米德和正弦波混合曲线的宽带反射阵列天线，其特征在于：α=1，β=0.4，A=0.3，B=20，w=0.2mm。
6.根据权利要求1所述的一种使用阿基米德和正弦波混合曲线的宽带反射阵列天线，其特征在于：确定反射单元（10）螺旋线的起始相位的方法如下：所有反射单元在中心频率10GHz下所需的反射相位通过以下公式计算：
；
以反射面的中心作为坐标原点，其中，k 0表示自由空间中的传播常数，d i 表示馈电源的相位中心与反射阵列平面上的第i个晶胞的中心之间的距离，x i 和y i 是第i个单元的坐标；（θ 0 ,φ 0）是设计的主光束辐射的方位角和俯仰角，此处为（0°,0°）。
7.根据权利要求1所述的一种使用阿基米德和正弦波混合曲线的宽带反射阵列天线，其特征在于：所述馈源介质基板（3）采用FR-4材料，相对介电常数为4.4，厚度为0.5mm。
8.根据权利要求1所述的一种使用阿基米德和正弦波混合曲线的宽带反射阵列天线，其特征在于：所述顶层介质基板（1）与接地板（2）采用聚四氟乙烯材料，相对介电常数为2.55，厚度为1mm，腔体高度（9）的高度为1.5mm。
9.根据权利要求1所述的一种使用阿基米德和正弦波混合曲线的宽带反射阵列天线，其特征在于：所述反射单元（10）为金属贴片。
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| CN117293560A (zh) * | 2023-11-24 | 2023-12-26 | 陕西海积信息科技有限公司 | 超宽带双极化透镜天线 |
| CN117293560B (zh) * | 2023-11-24 | 2024-03-15 | 陕西海积信息科技有限公司 | 超宽带双极化透镜天线 |
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