CN112201964B - 一种反射传输阵列天线及其构建方法 - Google Patents

一种反射传输阵列天线及其构建方法 Download PDF

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Abstract

一种反射传输阵列天线及其构建方法。包括：根据每个反射单元的中心坐标以及极子的长度，对第一介质基板上下表面的金属层进行刻蚀，以得到反射阵列天线；根据每个传输单元的中心坐标以及极子的长度，对第二介质基板上下表面的金属层进行刻蚀，每个传输单元包括对称设置于第二介质基板上下表面的多个极子；在第二介质基板上开设通孔，并在通孔的内壁形成金属层，以得到传输阵列天线，通孔贯穿对称设置于第二介质基板上下表面的极子；将反射阵列天线与传输阵列天线间隔指定距离平行设置，且反射阵列天线具有极子的一侧远离传输阵列天线，以得到反射传输阵列天线。本发明提供的反射传输阵列天线具有低剖面、高效率以及多极化的特点。

Description

一种反射传输阵列天线及其构建方法
技术领域
本发明涉及微波及毫米波天线技术领域，具体涉及一种反射传输阵列天线及其构建方法。
背景技术
为了实现多频以及双向的辐射，现有的反射传输阵列天线中，传输阵列天线大多采用多层频率选择表面构成，通过改变阵列中每个单元的尺寸对单元的传输相位进行控制，然而，单层结构的传输单元很难达到360°移相范围，因此，往往将多层传输单元沿纵向按照一定间隔叠加起来，两层之间为介质或者空气，从而扩展单元的移相范围，但这导致整个阵列的剖面变的很大，不利于系统的集成。因此，如何提供一种低剖面的反射传输阵列天线，成为一项亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种反射传输阵列天线及其构建方法，以减小反射传输阵列天线的剖面。
为达到上述目的，本发明提供一种反射传输阵列天线的构建方法，所述方法包括：
根据每个反射单元的中心坐标以及极子的长度，对第一介质基板上下表面的金属层进行刻蚀，以得到反射阵列天线；
根据每个传输单元的中心坐标以及极子的长度，对第二介质基板上下表面的金属层进行刻蚀，每个传输单元包括对称设置于所述第二介质基板上下表面的多个极子；
在所述第二介质基板上开设通孔，并在所述通孔的内壁形成金属层，以得到传输阵列天线，所述通孔贯穿所述对称设置于所述第二介质基板上下表面的极子；
将所述反射阵列天线与所述传输阵列天线间隔指定距离平行设置，且所述反射阵列天线具有极子的一侧远离所述传输阵列天线，以得到反射传输阵列天线。
在本发明一实施例中，所述每个反射单元中的极子的长度和所述每个传输单元中的极子的长度通过以下方法确定：
确定所述反射单元中的极子的长度与补偿相位的第一关系曲线，并确定所述传输单元中的极子的长度与补偿相位的第二关系曲线；
根据所述每个反射单元的中心坐标，确定每个反射单元的补偿相位；
根据所述每个传输单元的中心坐标，确定每个传输单元的补偿相位；
在所述第一关系曲线中，确定与每个反射单元的补偿相位对应的极子的长度；
在所述第二关系曲线中，确定与每个传输单元的补偿相位对应的极子的长度。
在本发明一实施例中，所述每个反射单元的补偿相位与所述每个传输单元的补偿相位通过以下公式确定：
其中，k0是真空中的传播常数，di代表馈源相位中心到第i个反射单元或第i个传输单元的距离；(xi,yi)是第i个反射单元或第i个传输单元的中心坐标；为反射阵列天线的辐射方向；φR(xi,yi)是第i个反射单元或第i个传输单元的补偿相位。
本发明实施例还提供一种反射传输阵列天线，包括：
反射阵列天线，所述反射阵列天线包括第一介质基板，位于所述第一介质基板一侧的极子以及位于所述第一介质基板另一侧的极化栅；
传输阵列天线，所述传输阵列天线包括第二介质基板，对称设置于所述第二介质基板上下表面的多个极子，以及多个通孔，所述通孔贯穿所述对称设置于所述第二介质基板上下表面的极子；
所述反射阵列天线与所述传输阵列天线间隔指定距离平行设置，且所述反射阵列天线具有极子的一侧远离所述传输阵列天线。
在本发明一实施例中，所述传输阵列天线的坐标轴o-x’y’z相对于所述反射阵列天线的坐标轴o-xyz绕z轴旋转45度，所述反射阵列天线划分为多个反射单元，每个反射单元的一侧包括沿所述坐标轴o-xyz中的x方向延伸的三个平行的极子，所述传输阵列天线划分为多个传输单元，每个传输单元的两侧包括沿所述坐标轴o-x’y’z中的x’方向延伸的两个极子与y’方向延伸的两个极子。
在本发明一实施例中，所述三个平行的极子的长度满足以下关系式：
Lu2＝0.8Lu1
其中，Lu2为所述三个平行的极子中，位于中间的极子的长度，Lu1为所述三个平行的极子中，位于两侧的极子的长度。
所述传输单元的长度与宽度为10mm～14mm，所述传输单元中的极子的宽度为0.5mm～0.7mm，所述通孔的直径为0.15mm～0.25mm，所述通孔与所述传输单元边界的距离为1mm～2mm，所述反射单元的长度与宽度为10mm～14mm，所述三个平行的极子的间距为0.5mm～1.5mm，所述三个平行的极子的宽度为0.5mm～1mm，所述第一介质基板的厚度为1mm～2mm，所述第二介质基板的厚度为4mm～6mm，所述指定距离为1mm～2mm，所述极化栅中每个栅格的宽度为0.3mm～0.4mm，栅格间的距离为0.8mm～1mm。
所述反射单元和所述传输单元的尺寸满足：从馈源辐射的线极化电磁波经过所述反射单元和极化栅后，经所述传输单元进行相位补偿形成圆极化电磁波。
由以上本发明提供的技术方案可见，本发明提供的反射传输阵列天线具有以下有益效果：
本发明将反射阵列天线和传输阵列天线结合为一个系统，二者的调相功能集成在一起之后可以形成反射传输一体化的双向高增益，增加了天线的利用率。
本发明提出的带有通孔的传输单元，只需要单层介质就可以实现全域相位覆盖，实现了整个阵列低剖面的特性，节约天线占用空间。
本发明实现了双向双极化可调控的辐射特性，且具有带宽大效率高的特性。
本发明中只需要调控喇叭的旋转角度即可获得既定方向上的线极化波束或圆极化波束，实现可独立调控的双向高增益天线，且反射阵列与传输阵列之间具有高隔离度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的反射传输阵列天线的构建方法的流程图；
图2是本发明提供的反射单元中的极子的长度与补偿相位的第一关系曲线；
图3是本发明提供的传输单元中的极子的长度与补偿相位的第二关系曲线；
图4是本发明提供的反射传输阵列天线的结构图；
图5是本发明提供的极化栅反射电磁特性曲线；
图6是本发明提供的传输单元的极化转化图；
图7是本发明提供的反射传输阵列天线在反射模式下的辐射方向图；
图8是本发明提供的反射传输阵列天线在传输模式下的辐射方向图；
图9是本发明提供的反射传输阵列天线增益和轴比曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作详细说明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本发明所附权利要求所限定的范围内。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
参考图1所示，为本发明提供的一种反射传输阵列天线的构建方法，包括：
S1：根据每个反射单元的中心坐标以及极子的长度，对第一介质基板上下表面的金属层进行刻蚀，以得到反射阵列天线。
S2：根据每个传输单元的中心坐标以及极子的长度，对第二介质基板上下表面的金属层进行刻蚀，每个传输单元包括对称设置于所述第二介质基板上下表面的多个极子。
S3：在所述第二介质基板上开设通孔，并在所述通孔的内壁形成金属层，以得到传输阵列天线，所述通孔贯穿所述对称设置于所述第二介质基板上下表面的极子。
S4:将所述反射阵列天线与所述传输阵列天线间隔指定距离平行设置，且所述反射阵列天线具有极子的一侧远离所述传输阵列天线，以得到反射传输阵列天线。
可以看出，本发明提出的带有通孔的传输单元，只需要单层介质就可以实现全域相位覆盖，实现了整个阵列低剖面的特性，节约天线占用空间。
具体的，所述每个反射单元中的极子的长度和所述每个传输单元中的极子的长度通过以下方法确定：
确定所述反射单元中的极子的长度与补偿相位的第一关系曲线，所述第一关系曲线可参考图2所示；
确定所述传输单元中的极子的长度与补偿相位的第二关系曲线，所述第二关系曲线可参考图3所示；
根据所述每个反射单元的中心坐标，确定每个反射单元的补偿相位；
根据所述每个传输单元的中心坐标，确定每个传输单元的补偿相位；
在所述第一关系曲线中，确定与每个反射单元的补偿相位对应的极子的长度；
在所述第二关系曲线中，确定与每个传输单元的补偿相位对应的极子的长度。
具体的，所述每个反射单元的补偿相位与所述每个传输单元的补偿相位通过以下公式确定：
其中，k0是真空中的传播常数，di代表馈源相位中心到第i个反射单元或第i个传输单元的距离；(xi,yi)是第i个反射单元或第i个传输单元的中心坐标；为反射阵列天线的辐射方向；φR(xi,yi)是第i个反射单元或第i个传输单元的补偿相位。
参考图4所示，本发明提供一种反射传输阵列天线，包括：
反射阵列天线，所述反射阵列天线包括第一介质基板，位于所述第一介质基板一侧的极子以及位于所述第一介质基板另一侧的极化栅；
传输阵列天线，所述传输阵列天线包括第二介质基板，对称设置于所述第二介质基板上下表面的多个极子，以及多个通孔，所述通孔贯穿所述对称设置于所述第二介质基板上下表面的极子；
所述反射阵列天线与所述传输阵列天线间隔指定距离平行设置，且所述反射阵列天线具有极子的一侧远离所述传输阵列天线。
具体的，反射阵列天线可以划分为多个反射单元，为了提高反射单元的工作带宽，本发明引入了一种多谐振结构，通过在每个反射单元的一侧设置三个平行的极子，并且三个平行的极子中，位于中间的极子的长度最长，使得两个长度较短的极子的谐振频率与中间的极子的谐振频率部分重叠，从而形成了宽带特性。所述三个平行的极子可以沿着反射阵列天线的坐标轴o-xyz中的x方向延伸。参考2所示，通过调整反射单元中的极子的长度可以实现反射单元的360°全域相位覆盖，并且通过合理设置极化栅，可以实现反射和传输的极化隔离。参考图5所示，极化栅在反射传输阵列天线中对于正交极化的波是全传输的。
具体的，所述三个平行的极子的长度满足以下关系式：
Lu2＝0.8Lu1
其中，Lu2为所述三个平行的极子中，位于中间的极子的长度，Lu1为所述三个平行的极子中，位于两侧的极子的长度。
具体的，所述传输阵列天线的坐标轴o-x’y’z相对于所述反射阵列天线的坐标轴o-xyz绕z轴旋转45度，所述传输阵列天线可以划分为多个传输单元，每个传输单元的两侧包括沿所述坐标轴o-x’y’z中的x’方向延伸的两个极子与y’方向延伸的两个极子，可以通过单独调节单元与x’轴和y’轴上的尺寸对该方向上的相位进行调节。
为了解决单层结构的传输单元很难达到360°移相范围的问题，第二介质基板上开设有多个通孔，每个通孔贯穿两个对称设置于所述第二介质基板上下表面的极子。参考图3所示的传输单元中的极子的长度与补偿相位的第二关系曲线，可以看出，通过合理地设置通孔在传输单元中的位置，可以使得各通孔间的电磁耦合对传输系数产生显著影响，可以为传输单元产生额外的辐射模式，通孔中相应的电流分布随着传输单元上下表面的极子长度的变化而变化，电流的变化会直接影响通孔之间的电磁耦合，相当于在传输单元的等效级联电路里增加了一个变化的耦合电容，这个耦合电容的大小与第二介质基板上下表面的极子长度相关，极子长度的增加会导致耦合电容减小，因此随着第二介质基板上下表面极子长度的变化，通孔中的电流分布也会产生相应变化。由于耦合电容的贡献，传输单元的导纳由原先的两层变为三层，由微波传输理论可知，三层级联导纳可以提供足够的传输相位覆盖，通过调整通孔之间的耦合的特性，就可以使用最小的传输层数提供足够的相位范围。
参考图4所示，本发明可以采用线极化馈源喇叭，从馈源辐射的线极化电磁波经过反射单元和极化栅后，经传输单元相位补偿形成圆极化电磁波。参考图6所示，传输阵列天线实现线极化到圆极化转变的原理为：入射电磁波极化方向沿着传输单元的对角线入射，可以分解为两个相互垂直的分量，即为等副同相的两个分量和 和经过第n个传输单元的传输后的幅度相位分别为和传输单元的传输波幅度有和相位和与第n个传输单元上的极子长度有关，传输单元的相位和极子长度的关系可以参考图3所示。通过调节极子长度，使分量和分量的相位相差90度，从而使传输的电磁波为圆极化波。
具体的，所述传输单元的长度与宽度为10mm～14mm，所述传输单元中的极子的宽度为0.5mm～0.7mm，所述通孔的直径为0.15mm～0.25mm，所述通孔与所述传输单元边界的距离为1mm～2mm，所述反射单元的长度与宽度为10mm～14mm，所述三个平行的极子的间距为0.5mm～1.5mm，所述三个平行的极子的宽度为0.5mm～1mm，所述第一介质基板的厚度为1mm～2mm，所述第二介质基板的厚度为4mm～6mm，所述指定距离为1mm～2mm，所述极化栅中每个栅格的宽度为0.3mm～0.4mm，栅格间的距离为0.8mm～1mm。
所述反射单元和所述传输单元的尺寸满足：从馈源辐射的线极化电磁波经过所述反射单元和极化栅后，经所述传输单元进行相位补偿形成圆极化电磁波。
下面通过一个具体的实施例，来进一步说明本发明提供的反射传输阵列天线。
图4中的第一介质基板与第二介质基板采用罗杰斯5880介质板材，其中，第一介质基板的厚度h1为1.5mm，第二介质基板的厚度h3为5mm，反射阵列天线与所述传输阵列天线间隔指定距离h2为1.5mm。每个反射单元的长度与宽度均为12mm，三个平行的极子的间距Su为0.9mm，所述三个平行的极子的宽度Wu为0.7mm。每个传输单元的长度与宽度均为12mm，传输单元的每个极子的宽度Wd为0.6mm，每个传输单元具有4个通孔，每个通孔的直径为0.2mm，通孔与传输单元边界的距离Sd为1.5mm。极化栅中每个栅格的宽度Ws为0.375mm，栅格间的距离Ps为0.875mm，极化栅的反射损耗为0.2dB。天线中心频点为12GHz。当采用角锥喇叭馈源对反射传输阵列天线进行馈电时，喇叭馈源的口径面窄边对应的方向是反射阵列天线的坐标轴o-xyz中的x方向，因此馈源的极化方向是x方向，反射传输阵列天线工作在反射模式下，极化方式为x极化，圆形阵列直径大小为256mm，当喇叭旋转90度，馈源的极化方向是y方向，经过圆极化转化，反射传输阵列天线工作在传输模式下，极化方式为左旋圆极化，圆形阵列直径大小为256mm。
参考图7所示，为发明实施例提供的反射传输阵列天线在反射模式下E面和H面的辐射方向图。参考图8所示，为本发明实施例提供的反射传输阵列天线在传输模式下E面和H面的辐射方向图。参考图9所示，为本发明实施例提供的反射传输阵列天线增益和轴比曲线图，当反射传输阵列天线工作于反射模式时，其辐射增益为27.5dB，增益带宽为16.6％，口径效率为54.3％。当反射传输阵列天线工作于传输模式时，其辐射增益为26.7dB，增益带宽为9.2％，口径效率为45.1％，可以看出本发明的反射/传输阵列天线具有良好的双向双极化辐射性能。
本说明书中的上述各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似部分相互参照即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式不同之处。
以上所述仅为本发明的几个实施方式，虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施方式的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种反射传输阵列天线的构建方法，其特征在于，所述方法包括：
根据每个反射单元的中心坐标以及极子的长度，对第一介质基板上下表面的金属层进行刻蚀，以得到反射阵列天线；
根据每个传输单元的中心坐标以及极子的长度，对第二介质基板上下表面的金属层进行刻蚀，每个传输单元包括对称设置于所述第二介质基板上下表面的多个极子；
在所述第二介质基板上开设通孔，并在所述通孔的内壁形成金属层，以得到传输阵列天线，所述通孔贯穿所述对称设置于所述第二介质基板上下表面的极子；
将所述反射阵列天线与所述传输阵列天线间隔指定距离平行设置，且所述反射阵列天线具有极子的一侧远离所述传输阵列天线，以得到反射传输阵列天线。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述每个反射单元中的极子的长度和所述每个传输单元中的极子的长度通过以下方法确定：
确定所述反射单元中的极子的长度与补偿相位的第一关系曲线，并确定所述传输单元中的极子的长度与补偿相位的第二关系曲线；
根据所述每个反射单元的中心坐标，确定每个反射单元的补偿相位；
根据所述每个传输单元的中心坐标，确定每个传输单元的补偿相位；
在所述第一关系曲线中，确定与每个反射单元的补偿相位对应的极子的长度；
在所述第二关系曲线中，确定与每个传输单元的补偿相位对应的极子的长度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述每个反射单元的补偿相位与所述每个传输单元的补偿相位通过以下公式确定：
其中，k0是真空中的传播常数，di代表馈源相位中心到第i个反射单元或第i个传输单元的距离；(xi,yi)是第i个反射单元或第i个传输单元的中心坐标；为反射阵列天线的辐射方向；φR(xi,yi)是第i个反射单元或第i个传输单元的补偿相位。
4.一种反射传输阵列天线，其特征在于，包括：
反射阵列天线，所述反射阵列天线包括第一介质基板，位于所述第一介质基板一侧的极子以及位于所述第一介质基板另一侧的极化栅；
传输阵列天线，所述传输阵列天线包括第二介质基板，对称设置于所述第二介质基板上下表面的多个极子，以及多个通孔，所述通孔贯穿所述对称设置于所述第二介质基板上下表面的极子；
所述反射阵列天线与所述传输阵列天线间隔指定距离平行设置，且所述反射阵列天线具有极子的一侧远离所述传输阵列天线。
5.根据权利要求4所述的反射传输阵列天线，其特征在于，所述传输阵列天线的坐标轴o-x’y’z相对于所述反射阵列天线的坐标轴o-xyz绕z轴旋转45度，所述反射阵列天线划分为多个反射单元，每个反射单元的一侧包括沿所述坐标轴o-xyz中的x方向延伸的三个平行的极子，所述传输阵列天线划分为多个传输单元，每个传输单元的两侧包括沿所述坐标轴o-x’y’z中的x’方向延伸的两个极子与y’方向延伸的两个极子。
6.根据权利要求5所述的反射传输阵列天线，其特征在于，所述三个平行的极子的长度满足以下关系式：
Lu2＝0.8Lu1
其中，Lu2为所述三个平行的极子中，位于中间的极子的长度，Lu1为所述三个平行的极子中，位于两侧的极子的长度。
7.根据权利要求5所述的反射传输阵列天线，其特征在于，所述传输单元的长度与宽度为10mm～14mm，所述传输单元中的极子的宽度为0.5mm～0.7mm，所述通孔的直径为0.15mm～0.25mm，所述通孔与所述传输单元边界的距离为1mm～2mm，所述反射单元的长度与宽度为10mm～14mm，所述三个平行的极子的间距为0.5mm～1.5mm，所述三个平行的极子的宽度为0.5mm～1mm，所述第一介质基板的厚度为1mm～2mm，所述第二介质基板的厚度为4mm～6mm，所述指定距离为1mm～2mm，所述极化栅中每个栅格的宽度为0.3mm～0.4mm，栅格间的距离为0.8mm～1mm。
8.根据权利要求5所述的反射传输阵列天线，其特征在于，
所述反射单元和所述传输单元的尺寸满足：从馈源辐射的线极化电磁波经过所述反射单元和极化栅后，经所述传输单元进行相位补偿形成圆极化电磁波。
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