一种低剖面全金属圆极化反射阵列天线

技术领域

本发明属于反射阵列天线技术领域，尤其涉及一种低剖面全金属圆极化反射阵列天线。

背景技术

反射阵列天线具有简单的馈电结构和丰富的电磁波调控功能，因此相较于传统的天线阵列，在近年来一直是天线设计领域的研究热点。圆极化天线在解决极化失配、抑制雨雾干扰和消除法拉第效应等问题方面具备优异的性能。因而圆极化天线广泛地使用在卫星通信和雷达领域。

圆极化反射阵列天线一方面继承了反射阵列天线的优点，一方面较传统的圆极化阵列天线在带宽性能上有一定的优势。实现圆极化反射阵列的方法一般有两种：采用圆极化的馈源通过旋转天线单元实现相位调整；采用线极化的馈源，调整单元实现正交辐射方向的相位差90度从而实现圆极化。第一种方式较第二种更加简单和直接，并且第一种方案设计具有更宽的带宽。

目前研究的圆极化反射阵列一般具有平面结构，全金属圆极化反射阵列研究并不多。全金属圆极化阵列较平面结构有更好的效率。并在一些特殊场景例如共形天线领域和高功率应用下，全金属结构的阵列较采用介质板的平面天线具有更好的结构强度和耐功率特性。因此全金属圆极化反射阵列研究具有一定的研究和实用意义。

发明内容

本发明目的在于提供一种低剖面全金属圆极化反射阵列天线,使其具备结构简单，设计周期短，低成本和宽带工作等优势。

为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：

一种低剖面全金属圆极化反射阵列天线，包括一个用于馈电的圆极化喇叭天线，用于固定圆极化喇叭天线和圆极化反射阵天线的支架和圆极化反射阵天线；圆极化反射阵列天线由M×N的反射天线单元组成；圆极化喇叭天线和圆极化反射阵列天线通过螺钉固定在支架上；

所述天线单元包括：工字形辐射结构、T形接地线和围绕在四周的金属块；工字形辐射结构由两段圆环和矩形连接而成；T形接地线用于连接工字形辐射结构和金属地板；工字形辐射结构和T形接地线组成天线单元的主体结构；围绕四周的金属块优化了天线单元在大角度电磁波入射时的反射性能；通过对天线主体单元的旋转，实现360°的反射相位。

进一步的，圆极化反射阵天线的焦径比设置为0.5附近。

进一步的，根据所需辐射方向计算出阵列单元所需的补偿相位，

相位补偿公式为：

φ

式中φ

根据反射单元提供的相位和旋转角度的对应曲线得出每一个单元需要旋转的相位。

进一步的，圆极化喇叭天线和反射阵列天线材料为铝，支架可以采用树脂或塑料。

对圆极化喇叭天线进行激励，查看圆极化反射阵的驻波，轴比和方向图。

本发明提供的全金属低剖面圆极化天线的性能指标如下：

频带：9.6GHz～11.6GHz；极化方式：圆极化；辐射方向：边射；电压驻波比：小于1.8；天线增益：13.4dBi～14.7dBi；轴比：小于3dB；标称阻抗：50Ω。

本发明的一种低剖面全金属圆极化反射阵列天线，具有以下优点：

本发明具备结构简单，低剖面的特点，可用于卫星通信和雷达领域。相较于介质基板实现的反射阵列，在共形和高功率场景下具备一定的优势。天线单元可以通过旋转覆盖360度的相位，便于反射阵列的设计。仿真结果表明本发明的天线可以在9.6GHz到11.6GHz内满足驻波小于1.8，轴比小于3dB。在带内天线增益为13.4dBi到14.7dBi。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的天线单元结构示意图。

图3为本发明的天线单元在10GHz的相位和旋转角度的仿真图。

图4为本发明的天线驻波仿真图。

图5为本发明的天线增益仿真图。

图6为本发明的天线轴比仿真图。

图7为本发明的天线在9.6GHz的仿真增益方向图。

图8为本发明的天线在10GHz的仿真增益方向图。

图9为本发明的天线在10.5GHz的仿真增益方向图。

图10为本发明的天线在11GHz的仿真增益方向图。

图11为本发明的天线在11.6GHz的仿真增益方向图；

图中标记说明：1、圆极化喇叭天线；2、支架；3、圆极化反射阵列天线；4、T形接地线；5、工字形辐射结构；6～17、金属块。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种低剖面全金属圆极化反射阵列天线做进一步详细的描述。

图1为发明的结构示意图。具体地，模型包括：馈源圆极化喇叭天线1，固定天线的支架2、圆极化反射阵列天线3。圆极化喇叭天线1和圆极化反射阵列天线3通过螺钉固定在支架2上。为了达到低剖面的要求，反射阵列的焦径比为0.5附近。圆极化喇叭天线1和圆极化反射阵列天线3的材料为铝，支架的材料为树脂。

图2为发明的天线单元结构示意图。具体地，单元模型包括：T形接地线4，工字形辐射结构5，围绕辐射结构排布的金属块6到17。T形接地线4用于连接工字形辐射结构5和地板。工字形辐射结构由两段圆环和矩形连接而成。T形接地线4和工字形辐射结构5共同组成单元天线的主体结构。金属块6到17可以增强天线单元对大角度入射电磁波的反射能力。金属块6到9排布在单元天线的边缘，金属块10到17对称的排布在天线单元主体结构的四周。可以通过旋转天线单元的主体结构即改变旋转角改变单元的反射相位。图3显示了仿真的旋转角度和相位的对应关系，可以看出天线单元可以通过旋转来覆盖360度的反射相位，满足设计阵列的要求。

反射阵列天线3由不同旋转角度的天线单元组成，确定了圆极化喇叭天线1的位置以后，可以通过相位补偿公式：

φ

确定每一个单元需要的相位。式中φ

采用CST全波仿真软件对天线的驻波和辐射性能进行了仿真。图4为仿真的天线驻波曲线，从图中可以看出设计的天线在9.6GHz到11.6GHz满足驻波小于1.8。图5给出了仿真的天线增益曲线，从图中可以看出在9.6GHz到11.6GHz增益的范围为13.4dB到14.7dB。图6给出了天线仿真轴比曲线，可以看出设计的天线在9.6GHz到11.6GHz满足轴比小于3dB。

图7、图8、图9、图10和图11给出了反射阵天线在9.6GHz、10GHz、10.5GHz、11GHz和11.6GHz处的仿真增益方向图。

本发明提出了一种低剖面全金属圆极化反射阵列天线。利用仿真软件CST对天线的性能进行了验证。仿真结果表明设计的天线可以在9.6GHz到11.6GHz满足驻波小于1.8。在9.6GHz到11.6GHz满足轴比小于3dB，增益在带内的范围为13.4dBi到14.7dBi。在工作频带内天线具有良好的方向图。由于设计的天线具有全金属结构，其在共形和高功率应用场景下具备一定的潜力。本发明的天线具备结构简单，低剖面，低成本和设计周期短的特点，适用于卫星通信和雷达领域。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。