技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及一種基于重疊反射單元的寬帶單層極化分束平面反射陣列天線(xiàn)，其屬于電子通信領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
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平面反射陣列(flatreflectarray)是一種將反射拋物面和陣列天線(xiàn)相結(jié)合的一種天線(xiàn)形式。通過(guò)設(shè)計(jì)陣列上每個(gè)單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)修正反射相位，使其在遠(yuǎn)場(chǎng)某一方向獲得等相位面，得到該方向上的輻射波束。相比傳統(tǒng)的拋物面反射天線(xiàn)，該結(jié)構(gòu)剖面低、占用空間小、質(zhì)量輕、加工簡(jiǎn)單且成本低；能實(shí)現(xiàn)折疊與展開(kāi)，便于空間應(yīng)用。相比于陣列天線(xiàn)，平面反射陣列則省去了復(fù)雜的饋電、功分網(wǎng)絡(luò)，使得能量傳輸效率更高，并降低了設(shè)計(jì)的難度。最重要的是，反射單元一旦確定，就可以應(yīng)用到多種用途的平面陣列中，通過(guò)調(diào)控表面反射單元的結(jié)構(gòu)尺寸，就可以得到適應(yīng)不同頻段、不同波束要求天線(xiàn)。

而平面反射陣列有著固有缺點(diǎn)：饋源到陣面各個(gè)反射單元的路程差是關(guān)于頻率的函數(shù)，隨著頻率的變化，各個(gè)反射單元需要補(bǔ)償?shù)目臻g相位差也隨之變化。而反射單元的尺寸是固定的，頻率的偏差超出設(shè)計(jì)，必將造成增益下降、波束偏差等問(wèn)題，使得傳統(tǒng)的平面反射陣列存在固有的窄帶工作特性，難以實(shí)現(xiàn)寬頻、多頻工作。多諧振單元結(jié)構(gòu)是指反射單元中包含尺寸相近、形狀相似的貼片，能夠在不增加陣列剖面的前提下，有效拓展工作帶寬。本發(fā)明使用的平行單極子結(jié)構(gòu)獲得了15.7％的工作帶寬，反射單元的相位調(diào)控曲線(xiàn)在11.3-13.4ghz的范圍內(nèi)呈線(xiàn)性并覆蓋了超過(guò)360°的變化范圍。另外，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了在同一平面上對(duì)不同極化方式反射波的分離，并使得每種波束指向各自設(shè)計(jì)好的空間方向。分極化的波束復(fù)用拓展了信道容量，提高了天線(xiàn)的使用效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明提供一種基于重疊反射單元的寬帶單層極化分束平面反射陣列天線(xiàn)，本發(fā)明結(jié)構(gòu)很好的改善了平面反射陣列的工作帶寬。同時(shí)，該發(fā)明實(shí)現(xiàn)了同一平面對(duì)不同極化方式反射波束的分離，并且每種極化方式的波束空間指向可以進(jìn)行獨(dú)立的設(shè)計(jì)。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案有：一種基于重疊反射單元的寬帶單層極化分束平面反射陣列天線(xiàn)，由饋源喇叭以及平面反射陣列組成，所述平面反射陣列包括介質(zhì)基板、接地金屬背板以及將介質(zhì)基板與接地金屬背板隔開(kāi)的空氣層，介質(zhì)基板表面排布有反射單元，每一個(gè)反射單元由兩組正交疊放的平行單極子組成。

進(jìn)一步地，反射單元中兩組平行單極子在表面正交疊放，分別對(duì)x方向線(xiàn)極化、y方向線(xiàn)極化波進(jìn)行獨(dú)立的相位調(diào)控，實(shí)現(xiàn)同一個(gè)平面反射陣列對(duì)兩種正交的線(xiàn)極化波的復(fù)用。

進(jìn)一步地，所述反射單元為單層金屬貼片，所述介質(zhì)基板使用arlon25n材料，厚度為0.508mm，所述空氣層的厚度為3mm。

本發(fā)明具有如下有益效果：首先，本發(fā)明使用單層金屬貼片就實(shí)現(xiàn)了雙線(xiàn)極化的復(fù)用，兩組平行單極子正交疊放于同一平面，降低剖面從而大大降低了加工難度。另外，正交平行單極子具有良好的極化隔離特性，每組平行單極子對(duì)應(yīng)一種極化方式，可實(shí)現(xiàn)兩種極化反射波束的獨(dú)立調(diào)控，從而大大提升了平面反射陣列設(shè)計(jì)的靈活性。最后，具有多諧振特性的平行單極子配合空氣層結(jié)構(gòu)，保證了該平面反射陣列能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的寬帶工作。

附圖說(shuō)明：

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為反射單元結(jié)構(gòu)圖，(a)為俯視圖，(b)為側(cè)視圖。

圖3為平行單極子結(jié)構(gòu)圖，(a)為俯視圖，(b)為側(cè)視圖。

圖4為平行單極子在x方向線(xiàn)極化入射波下的相位補(bǔ)償曲線(xiàn)，(a)為平行單極子沿y軸放置，(b)為沿x軸放置。

圖5為正交平行單極子疊放組成反射單元的示意圖。

圖6為反射單元在x方向線(xiàn)極化與y方向線(xiàn)極化的入射波下的相位補(bǔ)償曲線(xiàn)，(a)x方向線(xiàn)極化，(b)為y方向線(xiàn)極化。

圖7為平面反射陣列結(jié)構(gòu)圖。

圖8為平面反射陣列輻射方向圖，(a)為結(jié)構(gòu)擺放示意圖，(b)為x方向線(xiàn)極化輻射方向圖，(c)為y方向線(xiàn)極化輻射方向圖。

其中：

1-饋源喇叭，2-平面反射陣列，3-反射單元，4-平行單極子，5-介質(zhì)基板，6-空氣層，7-接地金屬背板。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。

如圖1所示，該發(fā)明基于重疊反射單元的寬帶單層極化分束平面反射陣列天線(xiàn)的整體結(jié)構(gòu)由饋源喇叭1以及平面反射陣列2組成。饋源喇叭提供激勵(lì)；平面反射陣列表面的反射單元3由兩組平行單極子4正交疊放組成，每組平行單極子分別沿x軸與y軸方向排列。每組平行單極子可對(duì)其排列方向上的線(xiàn)極化波進(jìn)行反射相位調(diào)節(jié)，而對(duì)正交方向上的線(xiàn)極化波起不到相位調(diào)節(jié)作用。將兩組平行單極子正交疊放，從而得到完整的反射單元，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)x方向線(xiàn)極化與y方向線(xiàn)極化反射波相位的獨(dú)立調(diào)控。平面反射陣列上的反射單元通過(guò)變化尺寸來(lái)進(jìn)行相位調(diào)節(jié)，補(bǔ)償饋源喇叭照射平面反射陣列的空間相位差，使得整個(gè)平面反射陣列在某一個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)方向獲得等相位面，實(shí)現(xiàn)同相相加，由此得到所該方向上的輻射波束。在雙線(xiàn)極化或圓極化入射時(shí)，平面反射陣列中y軸向與x軸向的平行單極子排布經(jīng)過(guò)獨(dú)立設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)在同一平面反射陣列表面上將x方向線(xiàn)極化與y方向線(xiàn)極化反射波束分離，波束各自指向設(shè)計(jì)好的方向。反射單元中每組平行單極子都采用了多諧振結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，加之反射單元3的介質(zhì)基板5與接地金屬背板7之間用空氣層6隔開(kāi)，形成了跨越360°的平滑相位補(bǔ)償曲線(xiàn)，使得在寬頻帶內(nèi)反射波束保持穩(wěn)定的方向性和增益。

圖2所示為反射單元結(jié)構(gòu)圖。介質(zhì)基板5使用arlon25n材料，厚度為0.508mm。介質(zhì)基板5與接地金屬背板7之間用3mm的空氣層6隔開(kāi)。空氣層6保證相位調(diào)節(jié)曲線(xiàn)跨越360°。介質(zhì)基板5表面的金屬貼片結(jié)構(gòu)為兩組正交疊放平行單極子4。

圖3所示為反射單元中的一組沿y軸放置的平行單極子。反射單元的尺寸為邊長(zhǎng)ax＝ay＝16.5mm的正方形區(qū)域。三根平行單極子等距排列，間距為5.5mm，平行單極子寬度w＝1mm。中央的平行單極子長(zhǎng)度為l1，兩邊的平行單極子長(zhǎng)度為l2，并保持l2＝0.7l1。入射波為x方向線(xiàn)極化時(shí)，該平行單極子的相位補(bǔ)償曲線(xiàn)如圖4(a)所示。由圖中可見(jiàn)，在11.3ghz至13.4ghz之間，隨著中央的平行單極子l1長(zhǎng)度在6-10mm間變化，各個(gè)頻點(diǎn)上的相位補(bǔ)償曲線(xiàn)大致呈線(xiàn)性變化，且變化范圍大于360°。

而同樣在x方向線(xiàn)極化入射波下，沿x軸放置的平行單極子的相位補(bǔ)償曲線(xiàn)如圖4(b)所示。各個(gè)頻點(diǎn)的反射相位不隨中央的平行單極子長(zhǎng)度l1的變化而變化。將兩組正交的平行單極子疊放形成反射單元，如圖5所示。完整的反射單元的相位調(diào)節(jié)曲線(xiàn)如圖6所示，圖6(a)為x方向線(xiàn)極化的情況，圖6(b)為y方向線(xiàn)極化的情況。兩種情況下，中央的平行單極子長(zhǎng)度均在5-10mm間變化，11.3ghz-13.4ghz之間各個(gè)頻點(diǎn)都得到了平滑的近線(xiàn)性相位補(bǔ)償曲線(xiàn)，且相位變化范圍均超過(guò)360°。

利用該結(jié)構(gòu)良好的極化隔離性，可以設(shè)計(jì)構(gòu)成平面反射陣列實(shí)現(xiàn)對(duì)x方向與y方向線(xiàn)極化反射波束的度獨(dú)立調(diào)控，用同一平面反射陣列生成兩束不同極化方式、不同空間指向的反射波束。如圖8(a)所示，平面反射陣列放置于x-y平面內(nèi)，坐標(biāo)原點(diǎn)位于平面反射陣列中心，饋源喇叭置于z軸。本專(zhuān)利中，設(shè)置的反射波束均位于y-z平面內(nèi)，x方向線(xiàn)極化反射波束的方位角為(θ1＝15°，φ1＝0°)，y方向線(xiàn)極化反射波束的方位角為(θ2＝-15°，φ2＝0°)，由此設(shè)計(jì)的平面反射陣列如圖7所示。

圖8(b)所示為x方向線(xiàn)極化反射波束的方向圖，在圖8(a)所示的y-z平面內(nèi)，11.3ghz-13.1ghz的反射波束方向圖最大增益均位于設(shè)計(jì)的(θ1＝15°，φ1＝0°)方向，12.2ghz時(shí)波束增益達(dá)到最大的28.12db，13.1ghz時(shí)出現(xiàn)了增益大于10db的副瓣。圖8(c)所示為y-z平面內(nèi)的y方向線(xiàn)極化反射波束方向圖，同樣在11.3ghz-13.1ghz內(nèi)，最大增益方向均在(θ2＝-15°，φ2＝0°)，12.2ghz時(shí)最大增益為27.98db。

本發(fā)明所描述的反射單元具有很強(qiáng)的設(shè)計(jì)靈活性，兩種極化方式的反射波束空間指向可以自由設(shè)計(jì)。本專(zhuān)利只描述了一個(gè)具體的設(shè)計(jì)，其他的各種波束設(shè)計(jì)均在本專(zhuān)利所要求的保護(hù)權(quán)利內(nèi)。