一种反射阵元件、大口径宽带平面反射阵及设计方法

电气元件制品的制造及其应用技术1.本发明涉及微带平面反射阵天线技术领域，具体是一种反射阵元件、大口径宽带平面反射阵及设计方法。背景技术：2.在卫星通信、太空探索和雷达探测等领域中,为了应对通信距离远、空间环境相对复杂等问题,天线需要足够高的增益和方向性。反射阵天线是一种新型的高增益天线,不仅能够实现特定的波束指向,而且结构简单,避免了复杂的馈电网络的设计,具有广阔的应用前景。3.随着对通讯系统灵活机动的要求越来越高，传统的抛物面天线笨重、体积庞大的劣势已经日益显现。具有反射天线和阵列天线共同优势的平面阵列反射天线被提出以来，随着微带天线的迅速发展和对微带天线低成本，高增益的要求，以微带单元为主要形式的阵列反射天线的研究受到了越来越高的重视，成为超大阵面应用的重要组成部分。4.由于谐振平面元件的色散特性，反射阵带宽受到限制。对于中小型平面反射阵，常见解决带宽限制的方案如使用多谐振单元、相位延迟线单元、亚波长单元提高单元相频特性的线性度和减小单元的量化相位误差。然而，总所周知，随着阵列天线口径增大，相同位置不同频率的反射相位差异增大，带宽问题更为严重，天线的整体带宽和口径效率将随之下降；同时，大口径平面反射阵天线受到多种因素影响造成带宽窄，频点不稳定。上述常见解决带宽限制的方案并不能较好地在大口径平面反射阵天线达到效果，这无疑制约了大口径平面反射阵列天线在实际工程中的应用。5.为此，论文《大口径宽带反射阵天线子阵列带宽方向性分析研究》(作者：缪志华，cnki:cdmd:2.2010.128384)通过分形结构或蜿蜒线单元原理是通过延长单元的表面电流路径实现相位控制，其蜿蜒线结构单元的结构见附图1。但分形结构或蜿蜒线单元受限于分形规则和图案的非连贯性，导致建模和相位调节的可调性差。在此形势下，本发明提出一种具有较高口径效率的大口径宽带平面反射阵具有现实意义。技术实现要素：6.针对上述现有技术中的不足之处，本发明提出一种反射阵元件、大口径宽带平面反射阵及设计方法，用于解决现有技术中平面反射阵相位调节的可调性差以及口径效率较低的问题。7.为了实现上述目的，本发明的一种反射阵元件，其包括介质基板和金属地板，位于所述介质基板正表面有轮廓为连贯曲线的多谐振结构的辐射贴片，该辐射贴片通过轮廓曲线波幅的调节达到相位补偿的目的。8.进一步地，所述辐射贴片包括空心环单元和中心单元，该中心单元内嵌于空心环单元的中心镂空部，空心环单元的内、外轮廓与中心单元的轮廓非相交且变化趋势一致。9.进一步地，所述辐射贴片的轮廓曲线为圆周余弦曲线，其数学表达式为：10.x(t)＝(r+a·cos(wt))cos(t)·s11.y(t)＝(r+a·cos(wt))sin(t)·s，12.其中，w取固定倍数，r取固定半径值，a为幅度系数，s为比例系数，幅度系数a用于反射相位调节，比例系数s用于可调斜率的频率-相位响应特性调节。13.进一步地，所述辐射贴片空心环单元的外轮廓圆周余弦曲线的比例系数大于内轮廓圆周余弦曲线的比例系数且均为固定值，中心单元的轮廓圆周余弦曲线的比例系数为小于空心环单元轮廓圆周余弦曲线的比例系数的可调变量。14.进一步地，所述介质基板和金属地板相对其且为边长p＝16mm、厚度d＝2mm的正方形f4b板，且介质基板和金属地板之间间隔有厚度h＝7mm的空气层，辐射贴片的轮廓圆周余弦曲线表达式中，w取固定值16，r取固定值5mm，空心环单元的外轮廓圆周余弦曲线的比例系数为1，空心环单元的内轮廓圆周余弦曲线的比例系数为0.8。15.本发明还提出了一种大口径宽带平面反射阵，其采用本发明上述反射阵元件进行阵列排布，每个阵列位置的反射阵元件通过轮廓曲线波幅的调节达到补偿空间延迟的相位，以及通过轮廓曲线可调斜率的频率-相位响应特性的调节达到所在位置的空间色散补偿。16.进一步地，该反射阵为60×60元件的偏馈阵，阵面边长为960mm，焦距为1248mm，对应的焦径比为1.3，所述反射阵元件的边长与元件间的间隔均为p＝16mm，所述反射阵元件的圆周余弦曲线的数学表达式中w取固定值16以实现阵列的双线极化和双圆极化。17.本发明还提出了一种针对上述大口径宽带平面反射阵的设计方法，其特包括如下步骤：18.步骤1、确定反射阵的中心频率和结构参数，包括尺寸、焦径比和馈源入射角度；19.步骤2、确定介质基板的参数以及空气层厚度，并通过参数扫描优化空气层厚度以平衡频率-相位响应曲线斜率线性度和相位灵敏度；20.步骤3、确定元件间的间距，通过仿真反射阵元件的幅度、相位响应并计算频率-相位响应曲线斜率|kfp|，对元件的圆周余弦曲线进行多参数优化以建立反射阵元件的数据库；21.步骤4、距离馈源最近的阵列位置选取数据库中|kfp|值最小的元件并设置该处为参考相位φ0，将参考相位φ0代入以下算式得到第i个元件的传输相位φra，22.在数据库选取对应传输相位φra的元件，将其分布在阵列的对应位置上排布成平面反射阵。23.进一步地，还包括步骤5、在数据库中检索每个阵列位置对应的元件时，设置相位误差范围[-φe，+φe]，选取元件时以该相位误差范围内斜率最优值为优先条件。[0024]进一步地，还包括步骤6、使用全波电磁仿真分析反射阵列的辐射性能，如果相位误差和斜率误差未能达到平衡要求，则改变相位误差标准值φe，重复步骤5，直至达到平衡要求。[0025]本发明在同类平面反射阵天线中，具有如下特点：[0026]1、首次采用圆周余弦曲线辐射单元，利用可调斜率的频率-相位响应特性实现平面反射阵不同位置辐射单元进行空间色散补偿，实现较宽的工作频段，同时，单元满足45度旋转对称性，使得平面反射阵天线同时适用于双线极化和双圆极化。[0027]2、通过对辐射单元的圆周余弦曲线半径固定，通过改变余弦曲线的波幅实现相位调节，单元尽可能保持固定大小，因此无限阵列分析可提供较为准确的结果。[0028]本发明减少了天线整个宽频段的空间色散效应，具有优异的远场辐射性能，在此基础上可实现更大口径平面反射阵天线，克服大口径平面反射阵天线受材料、加工、装配等因素造成的频偏影响。可应用于无线能量传输、射电天文、雷达系统、卫星通信等领域。附图说明[0029]图1是现有技术中的一种大口径宽带反射阵天线子阵列的结构示意图。[0030]图2是本发明一种反射阵元件辐射贴片的结构拆分图。[0031]图3是本发明一种反射阵元件辐射贴片在参数调节下空心环单元和中心单元的形状演变图。[0032]图4是本发明一种反射阵元件辐射贴片在参数调节下中心单元的形状演变图。[0033]图5是本发明一种反射阵元件在不同参数组合下的频率-相位响应曲线图。[0034]图6是本发明一种反射阵元件在不同参数组合下的反射系数曲线图。[0035]图7是本发明一种具体实施中一种反射阵元件的正面与剖层的对应结构示意图。[0036]图8是本发明一种平面反射阵不同位置处反射阵元件所需的相位偏移图。[0037]图9是本发明用于平面反射阵天线的一种实施例的实验示意图。[0038]图10是图9中反射阵元件实际相位分布图。[0039]图11是图9平面反射阵天线工作在5.8ghz时的e面方向图。[0040]图12是图9平面反射阵天线工作在5.8ghz时的h面方向图。[0041]图13是图9平面反射阵天线工作在不同频率时增益和口径效率曲线图。具体实施方式[0042]下面将结合本技术公开实施例中的附图，对本技术公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本技术公开及其应用或使用的任何限制。基于本技术公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术公开保护的范围。[0043]下面结合具体实施例及附图来进一步详细说明本发明。[0044]一种反射阵元件，包括介质基板1和金属地板2，本发明的关键在于将位于所述介质基板1正表面的辐射贴片3设计为轮廓为连贯曲线的多谐振结构，该辐射贴片3通过轮廓曲线波幅的调节达到相位补偿的目的。本发明中的辐射贴片3的轮廓曲线为布尔运算得到，不同于图1中蜿蜒线单元曲线不连续，其曲线程周期性变化且按一定的函数关系式变化，便于建模和分析，且通过延长元件的表面电流路径实现相位控制。多谐振结构利于提高相移特性的平滑度，具有连续性和可调性。[0045]优选的元件结构，所述辐射贴片3包括空心环单元31和中心单元32，该中心单元32内嵌于空心环单元31的中心镂空部，空心环单元31的内、外轮廓与中心单元32的轮廓非相交且变化趋势一致。空心环单元31的曲线幅度与反射相位调节对应，空心环单元31与中心单元32间的间隙调节与可调斜率的频率-相位响应特性对应，从而实现相位调节和空间色散补偿，具有较宽的工作频段。由于外部空心单元和内部实心单元相互独立，有利于简化设计，辐射贴片3的拆分结构见图2所示。[0046]作为一种优选实施例，所述辐射贴片3的轮廓曲线为圆周余弦曲线，其数学表达式为：[0047][0048]其中，w取固定倍数，r取固定半径值，a为幅度系数，s为比例系数，幅度系数a用于反射相位调节，比例系数s用于可调斜率的频率-相位响应特性调节。幅度系数a演变下的空心环单元31和中心单元32的形状演变图如图3所示，比例系数s演变下的中心单元32的形状演变图如图4所示[0049]当幅度系数a增大时可以延长元件的表面电流路径实现相位偏移和小型化反射阵单元；当比例系数s增大则谐振频率越集中，将导致频率-相位响应特性曲线的斜率绝对值增大。通过对本实施例反射阵元件在不同参数组合的频率-相位响应，绘制曲线图如图5，从图中可看出，元件的轮廓圆周余弦曲线在幅度系数a和比例系数s调节下，相频特性的线性度好，同时斜率可调。以及在不同参数组合下的反射系数曲线如图6所示，从图中可看出，对于3-9ghz范围内，所提出单元损耗非常小。[0050]本实施例采用圆周余弦曲线结构的贴片单元，利用可调斜率的频率-相位响应特性实现平面反射阵不同位置的贴片进行空间色散补偿，实现较宽的工作频段。且圆周半径固定，通过改变余弦曲线的波幅实现相位调节，贴片尽可能保持固定大小，为无限阵列分析可提供较为准确的结果。当w取值16时，贴片单元具有45度旋转对称性，由此组成的平面反射阵天线同时适用于双线极化和双圆极化，能够拓展平面反射阵的适用范围。[0051]所述辐射贴片3空心环单元31的外轮廓圆周余弦曲线的比例系数大于内轮廓圆周余弦曲线的比例系数且均为固定值，中心单元32的轮廓圆周余弦曲线的比例系数为小于空心环单元31轮廓圆周余弦曲线的比例系数的可调变量。[0052]一种具体实施例下的元件参数，所述介质基板1和金属地板2相对其且为边长p＝16mm的正方形f4b板，介质基板1的介电常数εr＝2.55,tanδ＝0.002厚度d＝2mm，且介质基板1和金属地板2之间间隔有厚度h＝7mm的空气层，如图7所示。为保持元件固定轮廓和简化设计，辐射贴片3的轮廓圆周余弦曲线表达式中，w取固定值16，r取固定值5mm，空心环单元31的外轮廓圆周余弦曲线的比例系数为1，空心环单元31的内轮廓圆周余弦曲线的比例系数为0.8，中心单元32比例系数为变量，可通过其调节内部单元的大小。[0053]阵列反射天线核心问题在于如何设计每个单元结构使之对于入射波实现特定相移，使整个反射波在要求的方向上具有相同的相位，从而以笔形波束的形式发射出去。[0054]本发明提供的一种大口径宽带平面反射阵，其采用如上述任一实施例所述的反射阵元件进行阵列排布，每个阵列位置的反射阵元件通过轮廓曲线波幅的调节达到补偿空间延迟的相位，以及通过轮廓曲线可调斜率的频率-相位响应特性的调节达到所在位置的空间色散补偿。在与馈源喇叭组成平面反射阵天线时，所述馈源喇叭发出的球面波通过平面反射阵列转换成平面波以实现高增益定向波束；尤其阵列分布独特的圆周余弦曲线特征的辐射单元，所述辐射单元能够实现360°反射相位控制和可调斜率的频率-相位响应特性，同时对w取值可满足45度旋转对称性，适用于双极化工作。[0055]平面反射阵每个反射阵元件所需的反射相位旨在补偿从馈源喇叭到该元件的空间相位延迟，与从馈源相位中心到每个元件的距离成正比。对于指向某个球面方向(θ0,φ0)的波束,第i个元件的传输相位φra可被下式计算[0056][0057]其中φ0为参考常数，表示平面反射阵列设计需要相对反射相位而不是绝对反射相位，通过对于不同频率选取不同的参考相位φ0(f)，可以得到如图8所示的平面反射阵不同位置元件所需的相位偏移。从图8可以看到，小口径时平面反射阵的不同频率相位偏移曲线可近似认为是线性的，但随着口径增大，则需对其进行相位补偿。[0058]本发明的反射阵由于不同位置的元件补偿不同，可按以下步骤设计出效果较好的反射阵。本发明的设计方法包括如下步骤：[0059]步骤1、确定反射阵的中心频率和结构参数，包括尺寸、焦径比和馈源入射角度；[0060]步骤2、确定介质基板的参数以及空气层厚度，并通过参数扫描优化空气层厚度以平衡频率-相位响应曲线斜率线性度和相位灵敏度；[0061]步骤3、确定元件间的间距，通过仿真反射阵元件的幅度、相位响应并计算频率-相位响应曲线斜率|kfp|，对元件的圆周余弦曲线进行多参数优化以建立反射阵元件的数据库；[0062]步骤4、距离馈源最近的阵列位置选取数据库中|kfp|值最小的元件并设置该处为参考相位φ0，将参考相位φ0代入以下算式得到第i个元件的传输相位φra，[0063][0064]在数据库选取对应传输相位φra的元件，将其分布在阵列的对应位置上排布成平面反射阵。[0065]步骤3中反射阵元件间的间距应在亚波长(《λ/2)内，以避免栅瓣和提高辐射效率。本发明的反射阵元件再频率-相位响应曲线在宽频段(5-7ghz)区域内近似为直线，|kfp|值则取直线的斜率，为计算方便斜率取正加上绝对值符号。[0066]考虑理想所需的反射阵元件与数据库中普遍存在微小出入的现实情况，本方法增加步骤5：在数据库中检索每个阵列位置对应的元件时，设置相位误差范围[-φe，+φe]，选取元件时以该相位误差范围内斜率最优值为优先条件。[0067]为获得最满意的阵列，本方法增加步骤6：使用全波电磁仿真分析反射阵列的辐射性能，如果相位误差和斜率误差未能达到平衡要求，则改变相位误差标准值φe，重复步骤5，直至达到平衡要求。[0068]以一种实施例组成平面反射阵天线进行测试验证，取反射阵为60×60元件阵列，为了避免馈源遮挡和简化对准过程，馈源设置为偏馈，偏馈反射阵的入射角设为10度，反射波束设为法向出射。阵面边长为960mm，焦距为1248mm，对应的焦径比为1.3，这些具体参数值由馈源的照射效率决定，平面反射阵的中心频率为5.8ghz，满足透射阵边缘的照射电平约等于-10db。所述反射阵元件的边长与元件间的间隔均为p＝16mm，元件间距p＝16mm(0.3λ)，介质基板使用f4b材质，介电常数εr＝2.55,tanδ＝0.002厚度d＝2mm，空气层厚度h＝7mm，r固定取值5mm。[0069]按图9进行实验，此时阵列中反射阵元件的相位分布图为图10所示，平面反射阵天线工作在5.8ghz时，天线在e面上的方向图如图11所示，在h面上的方向图如图12所示。可见，平面反射阵在法向实现笔形波束，最大方向性系数为33.44db，半功率波束角《3°，旁瓣电平《-18db。[0070]并在不同频率测试得到如图13的增益和口径效率曲线图，峰值增益和口径效率分别为33.4db和51％，1-db增益带宽的范围从5.42ghz到6.57ghz，相对增益带宽为20％。证明本发明在提高反射阵的口径时仍可以保持良好的口径效率和带宽性能。[0071]以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。









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