CN214672983U - 基于单层开槽贴片单元的宽带反射阵列天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于单层开槽贴片单元的宽带反射阵列天线，包括角锥喇叭天线和反射阵列。反射阵列包括若干个反射单元，每个反射单元包括金属贴片、介质基板和金属地板，金属贴片印制在介质基板的上表面，介质基板下方设置金属地板；金属贴片为带有倒L形槽的矩形结构；单元采用长宽比为2：1的矩形结构。本实用新型的反射单元相位可以实现320°的线性变化，实现了宽带特性，且与传统的采用方形网格单元的反射阵列天线相比，在同样口径面下可分布的单元数量翻倍，大幅提升了口径利用率，进而可实现更高的增益及口径效率。该反射阵列天线可以实现高增益带宽、高口径效率以及良好的辐射特性，且结构简单，易于工程实现，具有较高的应用价值。

Description

基于单层开槽贴片单元的宽带反射阵列天线

技术领域

本实用新型属于天线技术领域，特别涉及一种基于单层开槽贴片单元的宽带反射阵列天线。

背景技术

随着卫星通信，微波通信和航空航天技术的发展，高增益天线越来越受到重视。在高增益天线领域，反射阵天线结合了抛物面天线和微带阵列天线的优点。具体来说，具有以下优点：平面结构、易加工、高增益和低损耗。但是常规的反射阵天线具有增益带宽较窄的缺陷，限制了其在某些领域的应用。

为了克服反射阵天线增益带宽窄的缺点，有学者提出采用亚波长单元技术来拓宽反射阵天线的带宽，通过实验证明该方法是非常有效的。亚波长技术主要是指阵列单元之间的间隔远小于一个波长，由于微带反射单元周期较小，一定程度上限制了微带反射单元调相参数的变化范围，但这可使相位线性度得到改善进而拓展带宽。文献“A High-Efficiency Ku-Band Reflectarray Antenna Using Single-Layer MultiresonanceElements”提出了一种三重方环结构的单元实现宽带设计，但研究同时发现，在天线的工作频带范围内，随着频率的升高，口径效率随之减小，从而影响了天线的整体性能。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种能实现高增益带宽、高口径效率以及良好方向图的宽带反射阵天线。

实现本实用新型目的的技术解决方案为：一种基于单层开槽贴片单元的宽带反射阵列天线，包括作为馈源的角锥喇叭天线和反射阵列，反射阵列包括若干个反射单元，每个所述反射单元包括金属贴片、介质基板和金属地板，金属贴片印制在介质基板的上表面，介质基板下方设置金属地板；反射单元为P1:P2＝2:1的亚波长结构，其中，P1、P2分别为介质基板的长、宽；

所述金属贴片为带有倒L形槽的矩形金属贴片，所述倒L形槽包括第一矩形槽和第二矩形槽，第一矩形槽的长边沿矩形金属贴片的长边平行设置，且关于矩形金属贴片沿宽边方向的轴线对称；所述第一矩形槽的某一长边与其相邻的矩形金属贴片的第一长边之间的间距为w3，另一长边与其相邻的矩形金属贴片的第二长边之间的间距为w2，w2大于w3，第一矩形槽的长为L，宽为w1；所述第二矩形槽位于靠近第二长边的一侧且与第一矩形槽连通，其长边与矩形金属贴片的宽边平行，长度为w2，且在第二长边上形成缺口，第二矩形槽的宽度为w4；所述反射阵列中每个反射单元中第一矩形槽的长L相同或不相同。

进一步地，所述第一矩形槽的长度L可调，用于改变反射单元的反射相位。

本实用新型与现有技术相比，其显著优点为：1)单元采用长宽比为2:1的矩形结构，使得相同阵列口径内的单元数目翻倍，大幅提升了口径利用率，在频带内特别是高频段的增益及口径效率显著提高；2)通过调节反射单元中倒L形槽的长度L，实现反射相位的变化，且反射相位能在较宽的频率范围内保持相对一致；3)整个宽带反射阵列天线能实现高增益带宽和高口径效率，且辐射特性在工作频段内稳定性好。

下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述。

附图说明

图1为一个实施例中基于单层开槽贴片单元的宽带反射阵列天线的结构示意图。

图2为一个实施例中基于单层开槽贴片单元的宽带反射阵列天线中反射单元的俯视图。

图3为一个实施例中基于单层开槽贴片单元的宽带反射阵列天线中反射单元的俯视图。

图4为一个实施例中基于单层开槽贴片单元的宽带反射阵列天线中反射单元的侧视图。

图5为一个实施例中反射单元在不同频率下的相移曲线图。

图6为一个实施例中在设计频率10GHz处宽带反射阵列天线的仿真和测试的E面方向图。

图7为一个实施例中在设计频率10GHz处宽带反射阵列天线的仿真和测试的H面方向图。

图8为一个实施例中在不同频率下测试的E面方向图。

图9为一个实施例中在不同频率下测试的H面方向图。

图10为一个实施例中反射阵天线随频率变化的增益以及口径效率曲线图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

在一个实施例中，结合图1至4，提供了一种基于单层开槽贴片单元的宽带反射阵列天线，包括作为馈源的角锥喇叭天线1和反射阵列，反射阵列包括若干个反射单元，每个所述反射单元包括金属贴片2、介质基板3和金属地板4，金属贴片2印制在介质基板3的上表面，介质基板3下方设置金属地板4；反射单元为P1:P2＝2:1的亚波长结构，其中，P1、P2分别为介质基板3的长、宽；

所述金属贴片2为带有倒L形槽的矩形金属贴片，所述倒L形槽包括第一矩形槽5-1和第二矩形槽5-2，第一矩形槽5-1的长边沿矩形金属贴片的长边平行设置，且关于矩形金属贴片沿宽边方向的轴线对称；所述第一矩形槽5-1的某一长边与其相邻的矩形金属贴片的第一长边5-3之间的间距为w3，另一长边与其相邻的矩形金属贴片的第二长边5-4之间的间距为w2，w2大于w3，第一矩形槽5-1的长为L，宽为w1；所述第二矩形槽5-2位于靠近第二长边5-4的一侧且与第一矩形槽5-1连通，其长边与矩形金属贴片的宽边平行，长度为w2，且在第二长边5-4上形成缺口，第二矩形槽5-2的宽度为w4；所述反射阵列中每个反射单元中第一矩形槽5-1的长L相同或不相同。

进一步地，在其中一个实施例中，所述第一矩形槽5-1的长度L可调，用于改变反射单元的反射相位。

进一步地，在其中一个实施例中，所述若干个反射单元均匀分布。

进一步地，在其中一个实施例中，所述反射阵列为m×n的矩形反射阵列。

作为一种具体示例，在其中一个实施例中，对本实用新型的基于单层开槽贴片单元的宽带反射阵列天线进行进一步验证说明。本实施例中天线包括角锥喇叭天线1和反射阵列，反射阵列的尺寸为207mm*207mm*3.175mm，包括23行46列共1058个反射单元，反射单元为9mm*4.5mm的亚波长结构。每个反射单元包括金属贴片2、介质基板3和金属地板4，金属贴片2印制在介质基板3的上表面，介质基板3下方设置金属地板4，其中介质基板3的介电常数ε＝2.2，厚度为H＝3.175mm。角锥喇叭天线1以方位角θ＝-25°,

对反射阵列进行偏馈照射，反射阵列将波束聚焦至方位角为θ＝25°,

的方向；以沿反射阵列表面的水平方向作为x轴，以垂直于反射阵列表面的方向作为z轴，θ为角锥喇叭天线1与z轴的夹角，

为角锥喇叭天线1与xoz面的夹角。

所述金属贴片2为带有倒L形槽的矩形金属贴片，所述倒L形槽包括第一矩形槽5-1和第二矩形槽5-2，第一矩形槽5-1的长边沿矩形金属贴片的长边平行设置，且关于矩形金属贴片沿宽边方向的轴线对称；所述第一矩形槽5-1的某一长边与其相邻的矩形金属贴片的第一长边5-3之间的间距为w3＝0.1mm，另一长边与其相邻的矩形金属贴片的第二长边5-4之间的间距为w2＝1mm，第一矩形槽5-1的长为L，宽为w1＝1mm；所述第二矩形槽5-2位于靠近第二长边5-4的一侧且与第一矩形槽5-1连通，其长边与矩形金属贴片的宽边平行，长度为w2，且在第二长边5-4上形成缺口，第二矩形槽5-2的宽度为w4＝0.2mm；所述反射阵列中每个反射单元中第一矩形槽5-1的长L相同或不相同。

反射单元相位变化通过改变L来实现，本实施例中针对频率9GHz、10GHz、11GHz、12GHz、13GHz，将L从0.2mm变化至5.8mm，获得每个频率对应的反射单元相移曲线图如图5所示，由图5可知，反射单元相应的相位响应随着频率变化保持较好的线性度，并且相位范围大于320°，具有良好的宽带性能。

由图6和图7可知，宽带反射阵列天线在设计频率10GHz时，天线的波束指向θ＝25°,

仿真和测试结果相吻合。

由图8和图9可知，在各个频率处，天线波束的指向和形状均较稳定。

由图10可知，天线1-dB相对增益带宽为39.7％，在设计频率10GHz的口径效率为59.7％。

综上，本实用新型提出的基于单层开槽贴片单元的宽带反射阵列天线，单元采用长宽比为2：1的矩形结构，与传统的采用方形网格单元的反射阵列天线相比，在同样口径面下可分布的单元数量翻倍，从而大幅提升了口径利用率，在频带范围内特别是高频段显著提高了增益及口径效率。该反射阵列天线可以实现高增益带宽、高口径效率以及良好的辐射特性，且结构简单，易于工程实现，具有较高的应用价值。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种基于单层开槽贴片单元的宽带反射阵列天线，其特征在于，包括作为馈源的角锥喇叭天线(1)和反射阵列，反射阵列包括若干个反射单元，每个所述反射单元包括金属贴片(2)、介质基板(3)和金属地板(4)，金属贴片(2)印制在介质基板(3)的上表面，介质基板(3)下方设置金属地板(4)；反射单元为P1:P2＝2:1的亚波长结构，其中，P1、P2分别为介质基板(3)的长、宽；

所述金属贴片(2)为带有倒L形槽的矩形金属贴片，所述倒L形槽包括第一矩形槽(5-1)和第二矩形槽(5-2)，第一矩形槽(5-1)的长边沿矩形金属贴片的长边平行设置，且关于矩形金属贴片沿宽边方向的轴线对称；所述第一矩形槽(5-1)的某一长边与其相邻的矩形金属贴片的第一长边(5-3)之间的间距为w3，另一长边与其相邻的矩形金属贴片的第二长边(5-4)之间的间距为w2，w2大于w3，第一矩形槽(5-1)的长为L，宽为w1；所述第二矩形槽(5-2)位于靠近第二长边(5-4)的一侧且与第一矩形槽(5-1)连通，其长边与矩形金属贴片的宽边平行，长度为w2，且在第二长边(5-4)上形成缺口，第二矩形槽(5-2)的宽度为w4；所述反射阵列中每个反射单元中第一矩形槽(5-1)的长L相同或不相同。

2.根据权利要求1所述的基于单层开槽贴片单元的宽带反射阵列天线，其特征在于，所述第一矩形槽(5-1)的长度L可调，用于改变反射单元的反射相位。

3.根据权利要求1所述的基于单层开槽贴片单元的宽带反射阵列天线，其特征在于，所述若干个反射单元均匀分布。

4.根据权利要求1所述的基于单层开槽贴片单元的宽带反射阵列天线，其特征在于，所述反射阵列为m×n的矩形反射阵列。

5.根据权利要求1所述的基于单层开槽贴片单元的宽带反射阵列天线，其特征在于，所述角锥喇叭天线(1)以方位角θ＝-25°,

对反射阵列进行偏馈照射，反射阵列将波束聚焦至方位角为θ＝25°,

的方向；以沿反射阵列表面的水平方向作为x轴，以垂直于反射阵列表面的方向作为z轴，θ为角锥喇叭天线(1)与z轴的夹角，

为角锥喇叭天线(1)与xoz面的夹角。

6.根据权利要求1所述的基于单层开槽贴片单元的宽带反射阵列天线，其特征在于，所述介质基板(3)的介电常数ε＝2.2。

7.根据权利要求1所述的基于单层开槽贴片单元的宽带反射阵列天线，其特征在于，所述w3＝0.1mm，w1＝1mm，w4＝0.2mm，w2＝1mm。

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