一種單元蜂窩狀排列的微帶反射陣列天線的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于天線技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種單元蜂窩狀排列的微帶反射陣列天線。
【背景技術(shù)】
[0002] 衛(wèi)星通信、雷達探測、射電天文學(xué)研究等其他遠距離無線傳輸領(lǐng)域內(nèi)需要高增益 天線，拋物面天線和相控陣天線扮演著重要角色。拋物面天線具有結(jié)構(gòu)簡單、增益高、功率 容量大，頻帶寬等優(yōu)點，但是其本身的曲面形狀使得天線體積龐大而笨重，而且在高頻段下 加工成本較高。此外，拋物面天線的波束掃描需要依靠機械旋轉(zhuǎn)，波束指向難以機動靈活。 平面相控陣天線依靠饋電網(wǎng)絡(luò)的靈活控制，可以獨立調(diào)控每個輻射單元上激勵電流的幅度 和相位，從而實現(xiàn)波束掃描、波束賦形等功能，掃描方式靈活且范圍較大。但是其復(fù)雜的饋 電網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致相控陣天線不僅加工成本高，而且傳輸損耗大，效率難以保證。為了克服上述兩 種天線的這些缺點，國外學(xué)者率先提出了一種微帶反射陣列天線，該天線采用平板陣列反 射面來代替拋物面的一種新型反射面天線，通過合理的利用每個單元的相移特性，使得反 射陣能夠等效為拋物面天線。
[0003] 微帶反射陣列天線具有的體積小、重量輕、加工成本低、制作簡單等優(yōu)點使得其無 論在軍事領(lǐng)域還是民用領(lǐng)域都具有很高的應(yīng)用價值。傳統(tǒng)的微帶反射陣列天線是由單元 橫向縱向均勻排列而成；這種反射陣天線最大的缺陷是其窄帶特性，通常小于10%甚至更 低，它的帶寬主要受輻射單元的帶寬和不同路徑造成不同的空間相位延遲兩個因素制約。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服目前傳統(tǒng)的橫向縱向均勻排列的微帶反射陣天線存在的 窄帶特性，提供一種新型單元蜂窩狀排列的微帶反射陣列天線，該種單元呈蜂窩狀排列，提 高了反射陣表面的空間利用，使單元排布更加緊密，結(jié)構(gòu)美觀，且?guī)捿^寬，輻射性能良好。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種單元蜂窩狀排列的微帶反射陣列天線，工 作在Ku波段；所述天線包括：饋源和微帶反射陣列，所述饋源為角錐喇叭天線，饋電方式為 正饋；所述微帶反射陣列的形狀為六邊形，包括不同尺寸的同軸六邊形環(huán)旋轉(zhuǎn)嵌套的多諧 振結(jié)構(gòu)單元，這些多諧振結(jié)構(gòu)單元以蜂窩排列的方式附著在介質(zhì)基片上，在介質(zhì)基片和地 板之間設(shè)有泡沫層；整個反射陣列的波束指向為垂直陣面方向。
[0006] 上述技術(shù)方案中，所述的微帶反射陣列中相鄰兩個多諧振結(jié)構(gòu)單元中心之間的距 離為13mm。
[0007] 上述技術(shù)方案中，介質(zhì)基片的介電常數(shù)ε 2. 2,厚度為0.508mm。
[0008] 上述技術(shù)方案中，在形成嵌套六邊形的所述微帶反射陣列中，每個六邊形的邊長 為其相鄰?fù)膺吜呅芜呴L的〇. 75倍。
[0009] 上述技術(shù)方案中，所述泡沫層的介電常數(shù)為1. 06,厚度為3mm。
[0010] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：本發(fā)明的微帶反射陣列天線的單元排布方式不同于傳統(tǒng)的橫 向縱向均勻排列的方式，單元呈蜂窩狀排列的方式；該排列方式提高了反射陣表面的空間 利用，使單元排布更加緊密，結(jié)構(gòu)美觀，且?guī)捿^寬，輻射性能良好。
【附圖說明】
[0011] 圖1為本發(fā)明的單元蜂窩排列反射陣天線的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012] 圖2為本發(fā)明的單元蜂窩狀排列的微帶反射陣列天線表面結(jié)構(gòu)圖；
[0013] 圖3為同軸六邊形環(huán)旋轉(zhuǎn)嵌套單元示意圖；
[0014] 圖4為單元分析模型示意圖；
[0015] 圖5為同軸六邊形環(huán)旋轉(zhuǎn)嵌套單元在中心頻率13. 58GHz處的反射相位曲線；
[0016] 圖6為本發(fā)明天線在中心頻率13. 58GHz處的輻射方向圖；
[0017] 圖7為本發(fā)明反射陣天線在不同頻率處的增益。
【具體實施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步描述。
[0019] 如圖1所示，一種單元蜂窩狀排列的微帶反射陣列天線，工作在Ku波段；所述天 線包括：饋源和微帶反射陣列，所述饋源為角錐喇叭天線，饋電方式為正饋；所述微帶反射 陣列包括若干個呈蜂窩狀均勻排列的微帶反射陣單元；反射陣列的波束指向設(shè)計為垂直陣 面方向；反射陣列的形狀為六邊形，使得單元的排布更加緊密，更充分利用反射陣表面的空 間。
[0020] 如圖2所示，所述的微帶反射陣列包括不同尺寸的同軸六邊形環(huán)旋轉(zhuǎn)嵌套的多諧 振結(jié)構(gòu)單元，這些多諧振結(jié)構(gòu)單元以蜂窩排列的方式附著在介質(zhì)基片上，在介質(zhì)基片和地 板之間設(shè)有泡沫層；優(yōu)選的，相鄰兩個單元中心之間的距離（柵格周期）為13mm，介質(zhì)基片 的介電常數(shù)ε 2. 2,厚度為0. 508mm ;如圖3所示，每個六邊形的邊長為其相鄰?fù)膺吜?形邊長的0. 75倍；所述泡沫層的介電常數(shù)為1. 06,厚度為3mm。
[0021] 由于在微帶平面反射陣中，饋源發(fā)出的入射波到達每個單元的波程不相等，導(dǎo)致 各個單元的入射相位不同，為了能在遠場實現(xiàn)同相反射波束，需要對每個單元進行一定的 相位補償。在本發(fā)明中，通過使反射陣中不同位置處的單元尺寸不同來補償由于反射陣各 個單元由于距離差帶來的相位差。
[0022] 采用下式來計算各個位置處單元所需補償?shù)南辔淮笮。?br>[0024] 其中，k。是真空中的傳播常數(shù)，不同的頻率對應(yīng)的傳播常數(shù)不同；d i代表饋源相位 中心到第i個單元的距離；(Xi, yj是第i個單元的中心坐標(biāo)；((Ρ?，θο)為反射陣的福射方 向；0R(Xi<yi)就是第i個單元所需補償?shù)南辔弧?br>[0025] 如圖4所示，在高頻電磁仿真軟件HFSS中采用主從邊界和Floquet端口結(jié)合的方 法分析平面周期結(jié)構(gòu)，只需提取一個單元，對單元蜂窩狀周期排列結(jié)構(gòu)的反射相位進行分 析，提取反射相位參數(shù)，再結(jié)合各個位置處單元所需補償?shù)南辔?，就可以確定出各個位置處 單元的尺寸。該單元分析模型不同于傳統(tǒng)的分析微帶反射陣列天線單元的模型，傳統(tǒng)的單 元是以均勻行列排布的方式附著在反射陣的表面，每個單元的周期邊界條件與本發(fā)明的以 蜂窩狀排列單元的周期邊界條件有所不同。
[0026] 如圖5所示，在高頻電磁仿真軟件HFSS中，由上述主從邊界和Floquet端口結(jié)合 的方法分析得到：當(dāng)最外邊六邊形邊長為a從1. 5mm增加到6mm時，呈蜂窩狀排列單元的反 射相位從45°變化到-415°，總范圍達到了 460°，滿足反射陣列單元所要求的360°的相 位范圍，并且該曲線的線性度較好。確定了中心頻率處的反射相位曲線和各個單元所需補 償?shù)姆瓷湎辔恢螅ㄟ^線性差值算法就可以求出每個單元的尺寸，之后就可以對反射陣 進行建模分析。
[0027] 如圖6所示，本發(fā)明的反射陣列天線在中心頻率13. 58GHz處，其輻射增益達到了 30. 9dB，副瓣為-21dB，交叉極化低于-50dB。如圖7所示，在12GHz~16GHz的頻帶范圍 內(nèi)，本發(fā)明的反射陣列天線增益波動較小。其-1. 5dB的增益帶寬達到了 24%，具有較寬的 頻帶。這些結(jié)論說明，本發(fā)明的單元蜂窩狀排列的微帶反射陣列天線具有良好的輻射特性。
[0028] 最后所應(yīng)說明的是，以上所述的僅是本發(fā)明的一個實施例，并非對本發(fā)明做任何 形式上的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下， 對本發(fā)明進行修改或者替換，都不脫離本發(fā)明范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍 當(dāng)中。
【主權(quán)項】
1. 一種單元蜂窩狀排列的微帶反射陣列天線，工作在Ku波段；所述天線包括：饋源和 微帶反射陣列，其特征在于，所述饋源為角錐喇叭天線，饋電方式為正饋；所述微帶反射陣 列的形狀為六邊形，包括不同尺寸的同軸六邊形環(huán)旋轉(zhuǎn)嵌套的多諧振結(jié)構(gòu)單元，這些多諧 振結(jié)構(gòu)單元以蜂窩排列的方式附著在介質(zhì)基片上，在介質(zhì)基片和地板之間設(shè)有泡沫層；整 個反射陣列的波束指向為垂直陣面方向。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元蜂窩狀排列的微帶反射陣列天線，其特征在于，所述的 微帶反射陣列中相鄰兩個多諧振結(jié)構(gòu)單元中心之間的距離為13mm。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元蜂窩狀排列的微帶反射陣列天線，其特征在于，介質(zhì)基 片的介電常數(shù)￡1=2.2，厚度為0.508111111 〇4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元蜂窩狀排列的微帶反射陣列天線，其特征在于，在形成 嵌套六邊形的所述微帶反射陣列中，每個六邊形的邊長為其相鄰?fù)膺吜呅芜呴L的0. 75 倍。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元蜂窩狀排列的微帶反射陣列天線，其特征在于，所述泡 沫層的介電常數(shù)為1. 06,厚度為3mm。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種單元蜂窩狀排列的微帶反射陣列天線，工作在Ku波段；所述天線包括：饋源和微帶反射陣列，其特征在于，所述饋源為角錐喇叭天線，饋電方式為正饋；所述微帶反射陣列的形狀為六邊形，包括不同尺寸的同軸六邊形環(huán)旋轉(zhuǎn)嵌套的多諧振結(jié)構(gòu)單元，這些多諧振結(jié)構(gòu)單元以蜂窩排列的方式附著在介質(zhì)基片上，在介質(zhì)基片和地板之間設(shè)有泡沫層；整個反射陣列的波束指向為垂直陣面方向。本發(fā)明的微帶反射陣列天線的單元排布方式不同于傳統(tǒng)的橫向縱向均勻排列的方式，單元呈蜂窩狀排列的方式；該排列方式提高了反射陣表面的空間利用，使單元排布更加緊密，結(jié)構(gòu)美觀，且?guī)捿^寬，輻射性能良好。
【IPC分類】H01Q15/14, H01Q13/02, H01Q19/10
【公開號】CN105261840
【申請?zhí)枴緾N201510796182
【發(fā)明人】薛飛, 王宏建, 易敏, 陳雪, 劉廣
【申請人】中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心
【公開日】2016年1月20日
【申請日】2015年11月18日