一种具有低交叉极化的宽带反射单元及其阵列天线

技术领域

本发明涉及微波与天线技术领域，特别是一种具有低交叉极化的宽带反射单元及其阵列天线。

背景技术

远距离无线通信大多需要高增益天线，常见的高增益天线有抛物面天线和相控阵天线。抛物面天线结构简单，应用领域较广，但是体积较为庞大，重量大，只能通过伺服系统进行波束扫描，扫描速度和范围有限。相控阵天线为平面结构，通过对每个单元进行电子控制，实现波束的灵活调控和快速响应，但也存在馈电网络复杂，功耗大，加工成本高等问题。随着通信技术的不断发展，低成本、高性能的天线系统显得尤为重要，尤其是针对卫星编队通信。反射阵列天线兼具抛物面天线和相控阵天线的优点，在结构上与抛物面天线相同，采用空间馈电的形式，整体架构相对简单，在功能上与相控阵天线类似，对每个单元进行相位控制，实现反射波束的赋形。而整体采用印刷电路板工艺加工，具有平面结构、剖面低、成本低、易集成等多种优势，同时极高的设计灵活度可以进行多种功能设计，具有广阔的应用前景。

传统的反射阵列天线通常带宽相对较窄，主要是单元带宽窄造成的，因此设计宽带反射单元是扩展单元带宽的主要技术手段。常见的宽带单元有多谐振结构、多层结构、相位延迟线结构等，其中相位延迟线结构通过改变延迟线的长度实现单元反射相位的变化，设计难度较低，且单元性能相对稳定。常见的相位延迟线单元结构为，单元中心的辐射结构以及在周围与其相连的延迟线，辐射结构采用多谐振结构设计，有利于提高单元带宽。但是，由于相位延迟线的存在，单元大小很难实现亚波长设计(1/3波长)，这对天线的小型化设计以及扩展带宽带来诸多问题。同时传统的相位延迟线单元组阵时，相邻单元需要进行镜像，以抵消交叉极化方向上的电流累积，实现低交叉极化的目的，这种方式对多功能设计带来较大的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种具有低交叉极化的宽带反射单元及其阵列天线，该具有低交叉极化的宽带反射单元及其阵列天线通过将辐射贴片放置在上层，相位延迟线放置在下层，从而实现单元边长不大于X频段中心频率波长的三分之一，实现单元的小型化设计。将金属隔板放置在相位延迟线与辐射贴片之间，仅可以降低二者之间的耦合，又可以实现低交叉极化的设计。辐射贴片采用平行金属条带设计，通过增加谐振数量，进一步优化单元的反射相位，实现宽带化设计。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种具有低交叉极化的宽带反射单元，包括从上到下依次布设的辐射贴片、介质基板一、金属隔板、介质基板二、相位延迟线、空气层以及金属地。

宽带反射单元为方形结构，边长不大于工作频段中心频率波长的三分之一。

介质基板一具有相互垂直的两条对称轴，分别为x轴和y轴。

辐射贴片包括大矩形条带和平行对称布设在大矩形条带两侧的小矩形条带。

大矩形条带的长边对称轴位于y轴上；大矩形条带的长度大于小矩形条带的长度，大矩形条带的宽度大于小矩形条带的宽度。

相位延迟线包括两条中心对称的圆弧形金属条带；每条圆弧形金属条带均沿逆时针变化；每条圆弧形金属条带的起始端均通过一根竖直布设的金属化通孔与大矩形条带的短边中心相连接。

每条圆弧形金属条带的圆心角均为θ1，通过θ1的变化，能调整宽带反射单元在工作频段的反射相位。

金属隔板上设置有供金属化通孔穿过的穿孔，穿孔与金属化通孔之间具有间隙。

工作频段为X频段，X频段的中心频率为10GHz。

宽带反射单元的边长为10mm。

介质基板一的厚度为2mm，相对介电常数为2.2；介质基板二的厚度为0.5mm，相对介电常数为3.55；空气层的厚度为1mm。

大矩形条带的长度为8.5mm，宽度为2mm；小矩形条带长度为7.8mm，宽度为1.6mm；大矩形条带与小矩形条带之间的缝隙宽度为0.5mm。

每条圆弧形条带的径向宽度均为0.5mm，半径均为4.1mm。

一种具有低交叉极化的阵列天线，包括馈源和反射阵列面。

反射阵列面采用宽带反射单元呈n*n的陈列排布形成；其中，n为正整数；

馈源对反射阵列面进行正向馈电，极化方向为y方向。

n＝15；反射阵列面的边长为150mm，馈源的相位中心到反射面中心的距离F＝111mm。

本发明具有如下有益效果：

1.本发明通过将相位延迟线放置在辐射贴片下方，减小宽带反射单元的大小，实现小型化设计，进一步有利于降低阵列口径面的相位离散程度，减小相位补偿误差。在此基础上，采用三个矩形条带的辐射结构，可以在亚波长单元中实现电磁波的谐振响应，提高单元辐射能力，这是由于谐振数量的增加会使辐射结构的谐振频点向尺寸减小方向发生偏移，以此可以解决单个贴片在亚波长尺寸单元中无法谐振的问题(由于空间有限，贴片结构达不到谐振尺寸)，实现反射单元小型化设计。

2.本发明采用平行矩形条带的辐射结构，采用增加单元谐振的方式，实现反射单元的宽带设计。本发明中通过增加金属的矩形条带，反射单元的能量集中分布在缝隙处，理论上条带数量越多，谐振数量也会越多，但综合考虑单元的横向尺寸、设计难度以及单元相位响应需求等，当矩形贴片数量为3个，对应谐振点为2个时，即可满足相移范围大于或等于360度的要求。另外，由于贴片尺寸和谐振频率成反比，两侧的小矩形条带相对于中间的大矩形条带尺寸较小，会在更大频段上发生谐振，以实现反射单元的宽带化设计。

3.本发明在相位延迟线与辐射贴片之间放置金属隔板，不仅有助于减小二者的耦合，减小损耗，还有利于避免相位延迟线同方向的电流累积造成的交叉极化过高的问题，从而实现宽带反射单元的低交叉极化。传统相移延迟线组阵，相邻单元需要进行镜像，主要是因为延迟线上会有电流分布，当不进行镜像放置时，电流会在交叉极化方向产生叠加，影像交叉极化性能；而采用镜像放置，相邻单元在交叉极化方向上的电流会相互抵消，降低交叉极化。本发明将延迟线放置在金属隔板下方，通过物理隔离的方式，隔绝延迟线上在交叉极化方向上电流叠加对单元辐射的影响，以此来降低交叉极化。

4.本发明提出的相位延迟线空间放置方式以及加载金属隔板实现物理隔离方法，为相位延迟线结构的反射单元及阵列天线的小型化与低交叉极化设计，提供了新的解决方法与研究思路。

附图说明

图1为本发明具有低交叉极化的宽带反射单元的正视图。

图2为本发明具有低交叉极化的宽带反射单元的侧视图。

图3为本发明具有低交叉极化的宽带反射单元的三维结构示意图。

图4为本发明具有低交叉极化的宽带反射单元的纵切面电场分布图。

图5为本发明具有低交叉极化的宽带反射单元的表面电流分布图。

图6为本发明具有低交叉极化的宽带反射单元不同频率的反射相位曲线。

图7为本发明具有低交叉极化的宽带反射单元不同频率的反射幅度曲线。

图8为本发明具有低交叉极化的宽带反射单元不同入射角的反射相位曲线。

图9为本发明具有低交叉极化宽带反射阵列的口径面相位分布。

图10为本发明具有低交叉极化宽带反射阵列天线结构示意图。

图11为本发明具有低交叉极化宽带反射阵列的远场辐射方向图。

图12为本发明具有低交叉极化宽带反射阵列的远场交叉极化辐射方向图。

图13为本发明具有低交叉极化宽带反射阵列的增益与口径效率。

其中有：

1.辐射贴片；1-1.大矩形条带；1-2.小矩形条带；

2.介质基板一；3.金属隔板；4.介质基板二；5.相位延迟线；6.空气层；7.金属地；8.金属化通孔；9.反射阵列面；10.馈源。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

如图1至图3所示，一种具有低交叉极化的宽带反射单元，包括从上到下依次布设的辐射贴片1、介质基板一2、金属隔板3、介质基板二4、相位延迟线5、空气层6以及金属地7。

宽带反射单元(以下也简称为单元)为方形结构，边长不大于工作频段中心频率波长的三分之一。本发明中，由于辐射贴片位于上层，相位延迟线位于下层，从而能够有效减小单元尺寸，实现亚波长(中心频率波长的1/3)设计。

本实施例中，工作频段选择为X频段9-11GHz，其中心频率为10GHz。

宽带反射单元的边长不超过X频段10GHz对应波长的三分之一，优选为p＝10mm。

介质基板一具有相互垂直的两条对称轴，分别为x轴和y轴。本实施例中，介质基板一的厚度h

辐射贴片印刷在介质基板一顶面，包括大矩形条带1-1和平行对称布设在大矩形条带两侧的小矩形条带1-2。

大矩形条带的长边对称轴位于y轴上；大矩形条带的长度大于小矩形条带的长度，大矩形条带的宽度大于小矩形条带的宽度。

本实施例中，大矩形条带的长度l

三条平行的金属的矩形条带有利于实现单元的宽带和小型化设计，其中通过在大矩形条带两侧增加小矩形条带来实现反射单元的亚波长设计；通过优化二者的结构尺寸，实现在较宽频段范围内保持稳定的反射响应；缝隙g的宽度用于提高反射曲线的线性程度，进一步实现反射单元的宽带性能。

相位延迟线印刷在介质基板二底面，优选嵌设在空气层内。

本实施例中，介质基板二的厚度h

相位延迟线包括两条中心对称的圆弧形金属条带；每条圆弧形金属条带均沿逆时针变化，用来提供X频段单元所需要的反射相位。

本实施例中，每条圆弧形条带的径向宽度w

每条圆弧形金属条带的起始端均通过一根竖直布设的金属化通孔8与大矩形条带的短边中心相连接。金属隔板上设置有供金属化通孔穿过的穿孔，穿孔与金属化通孔之间具有间隙。

本实施例中，两根金属化通孔的半径优选为0.15mm，长度优选为2.5mm；金属隔板上穿孔的半径优选为0.3mm。

每条圆弧形金属条带的圆心角均为θ1，通过θ1的变化，能调整宽带反射单元在工作频段的反射相位。

图4显示了本发明具有低交叉极化的宽带反射单元的纵切面电场分布图，上方为未加载金属隔板，下方为加载金属隔板，从能量分布可以看出，金属隔板对电场有明显的隔离作用，这有助于减小相位延迟线和辐射贴片之间的耦合，同时相位延迟线在交叉极化方向上的电流积累，不会对单元辐射产生影响，进一步降低交叉极化电平。

图5显示了本发明具有低交叉极化的宽带反射单元的表面电流分布图，表面电流集中分布在矩形条带之间的两条缝隙处，多谐振结构使得单元带宽提升。

图6和图7显示了本发明具有低交叉极化的宽带反射单元不同频率的反射相位曲线和反射幅度曲线。在9-11GHz范围内，单元的反射相位变化可达360°，同时不同频率之间的曲线的平行度较好，在上述频带内反射性能相对稳定，因此具有较好的宽带特性。反射幅度均大于-0.5dB，损耗较小，具有较好的反射性能。

图8显示了本发明具有低交叉极化的宽带反射单元不同入射角的反射相位曲线。不同入射角的反射相位曲线变化相对较小，有利于减小阵列周围单元的补偿误差，提高阵列的辐射性能。

图10显示了本发明一种具有低交叉极化的宽带反射单元的阵列天线，包括馈源10和反射阵列面9。其中，馈源10优选为X频段馈源喇叭。

本实例中，反射单元呈n*n的陈列排布形成；其中，n为正整数，优选为15。

上述宽带反射阵列天线采用X频段馈源喇叭对反射阵列面进行正向馈电，极化方向为y方向；反射面的边长优选为D＝150mm，馈源的相位中心到反射面中心的距离优选为F＝111mm。

图9为本发明具有低交叉极化宽带反射阵列的口径面相位分布。馈源喇叭产生的表面波经过反射阵列面后以平面波的形式反射出去，波形的转换需要通过阵列单元的相位补偿实现，阵列中每个单元所需的补偿相位为：

θ(x

其中，(x

k

R

(θ

通过公式(1)计算超表面阵列不同位置的宽带单元所需要的补偿相位，本实例中，馈源喇叭沿-Z方向进行正向馈电，反射波束指向+Z方向，因此反射面上的相位呈现从阵列中心向四周递增的变化趋势。根据单元的相位以及反射相位曲线，确定阵列中每个单元的物理尺寸，进行组阵。

图11显示了本发明具有低交叉极化宽带反射阵列的远场辐射方向图。E面和H面均具有宽度较窄主波束，且形状相同。E面和H面的旁瓣电平分别低于-17.2dB和-18.7dB，具有较好的辐射性能。

图12显示了本发明具有低交叉极化宽带反射阵列的远场交叉极化辐射方向图。图中显示，E面和H面的交叉极化电平均低于-40dB，验证了本发明的宽带反射单元及其阵列天线具有低交叉极化特性。

图13显示了本发明具有低交叉极化宽带反射阵列的增益与口径效率。在整个频带范围内最大增益为22dBi，对应的口径效率为55.7％，2-dB增益带宽约为22.9％，实现了较好的宽带特性。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。