一种全金属结构高增益反射阵天线发明专利

专利名称：一种全金属结构高增益反射阵天线

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210752967.X

专利申请（专利权）人：北京理工大学
权利人地址：北京市海淀区中关村南大街5号

专利发明（设计）人：邓长江,曹晓伟,尹佑甲,郝轶楠,孙厚军

专利摘要：一种全金属结构高增益反射阵天线，包括馈源，反射阵阵列和天线支撑结构，馈源用于发射和接收电磁波；反射阵阵列包含若干个调相单元，用于将馈源发出的球面波转换为平面波，或者将接收的平面波汇聚到馈源；调相单元采用全金属的六面体结构，六面体结构上设置有凹槽，天线支撑结构与馈源和反射阵阵列相连，用于确定二者的相对位置。本发明在全金属结构下实现了高增益，并优化了单元反射相位的线性度，改善了单元带宽，从而解决传统微带贴片反射阵单元增益带宽不足的问题；同时，本发明天线可通过3D金属打印实现，有效降低加工成本。

主权利要求：
1.一种全金属结构高增益反射阵天线，其特征在于，包括：
馈源(1)，所述馈源(1)用于发射和接收电磁波；
反射阵阵列(2)，所述反射阵阵列(2)包含若干个调相单元(4)，用于将馈源(1)发出的球面波转换为平面波，或者将接收的平面波汇聚到馈源(1)；所述调相单元(4)采用全金属的六面体结构，单元周期为P；所述六面体结构上设置有凹槽(5)，所述凹槽(5)的纵向长度与周期P相同，所述凹槽(5)由相互连接的两部分组成，第一部分的横向宽度为w1，深度为h1，第二部分的横向宽度为w2，深度为h2，第一部分位于第二部分的下方，w1＜w2，h1+h2＜h，h为六面体结构也即调相单元(4)的高度；所述凹槽(5)关于六面体结构的高度方向中轴线对称，各所述调相单元(4)具有相同的高度h，单元周期P略小于中心频率的半波长，凹槽(5)的深度和宽度可调，用于实现反射相位360度的线性变化；
天线支撑结构(3)，所述天线支撑结构(3)与所述馈源(1)和所述反射阵阵列(2)相连，用于确定二者的相对位置。
2.根据权利要求1所述全金属结构高增益反射阵天线，其特征在于，所述凹槽(5)的总深度从3.8mm变化到5.6mm，调相单元(4)反射相位实现了360度的相位变化，凹槽宽度在
1.1mm～2.1mm之间，用于实现宽带内的线性相位。
3.根据权利要求1所述全金属结构高增益反射阵天线，其特征在于，P＝0.44λ，λ为设计的中心频率对应的自由空间波长。
4.根据权利要求1所述全金属结构高增益反射阵天线，其特征在于，所述调相单元(4)采用纯金属材料打印，单元均匀排布，构成m×n的阵列。
5.根据权利要求1所述全金属结构高增益反射阵天线，其特征在于，所述反射阵天线由馈源(1)、反射阵阵列(2)和天线支撑结构(3)构成。
6.根据权利要求1或5所述全金属结构高增益反射阵天线，其特征在于，所述馈源(1)采用标准增益喇叭形式，极化方式为线极化，馈电采用偏馈方式。
7.根据权利要求6所述全金属结构高增益反射阵天线，其特征在于，所述反射阵天线工作在Ka频段，所述馈源(1)的3dB波瓣宽度为14度，反射阵天线的焦径在2～3之间，其相位中心与反射阵阵面中心距离为160mm～240mm，所述馈源(1)的馈电方式采用偏馈方式。
8.根据权利要求1或5所述全金属结构高增益反射阵天线，其特征在于，所述凹槽(5)的深度(h1、h2)和宽度(w1、w2)，由所述反射阵阵列(2)与馈源(1)的距离、调相单元(4)在反射阵阵列(2)的相对位置、及平面波的波束方向计算确定。 说明书 : 一种全金属结构高增益反射阵天线技术领域[0001] 本发明属于天线工程技术领域，特别涉及一种全金属结构高增益反射阵天线。背景技术[0002] 随着雷达目标检测、卫星通信以及深空探测的飞速发展，高增益天线在现在通信领域的作用愈发重要。与传统的高增益天线相比，平面微带反射阵天线具有结构简单，易于加工的优势，可以实现灵活的广角电控波束扫描特性，具有十分广阔的发展前景。但微带反射阵天线存在一个显著缺点，即其窄带特性。微带反射阵通过引入空气层增加介质厚度或降低介质的等效介电常数，可以提高工作带宽，但系统结构的稳定性较低，制造精度要求较高，此外导体损耗和介质损耗也限制了其在毫米波和太赫兹频段的应用。因此有必要提出一种适用于毫米波频段的高增益反射阵天线。[0003] 目前毫米波频段反射阵设计方案主要有两类：第一类基于介质材料，采用包括介质谐振单元、介质开孔单元、柱型介质单元。介质谐振单元对于装配精度有着较高要求；介质开孔单元需要多层介质以实现孔径和深度的调节；柱形结构中材料的介电常数和损耗对设计增加了不确定性。第二类基于金属材料，包括纯金属的开槽结构和金属块结构。开槽结构通过移除传统微带反射阵结构中介质板，减小了介质影响，但空气层的引入使得结构的稳定性降低；金属块结构通过调节单元高度可以实现反射相位调节。在已有文献中金属反射阵虽然可以实现高增益，但是带宽问题还有待改善。发明内容[0004] 为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种全金属结构高增益反射阵天线，在全金属结构下实现了高增益，并优化了单元反射相位的线性度，改善了单元带宽，从而解决传统微带贴片反射阵单元增益带宽不足的问题；同时，本发明天线可通过3D金属打印实现，有效降低加工成本。[0005] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：[0006] 一种全金属结构高增益反射阵天线，其特征在于，包括：[0007] 馈源，所述馈源用于发射和接收电磁波；[0008] 反射阵阵列，所述反射阵阵列包含若干个调相单元，用于将馈源发出的球面波转换为平面波，或者将接收的平面波汇聚到馈源；所述调相单元采用全金属的六面体结构，单元周期为P；所述六面体结构上设置有凹槽，所述凹槽的纵向长度与周期P相同，所述凹槽由相互连接的两部分组成，第一部分的横向宽度为w1，深度为h1，第二部分的横向宽度为w2，深度为h2，第一部分位于第二部分的下方，w1＜w2，h1+h2＜h，h为六面体结构也即调相单元的高度；所述凹槽关于六面体结构的高度方向中轴线对称，[0009] 天线支撑结构，所述天线支撑结构与所述馈源和所述反射阵阵列相连，用于确定二者的相对位置。[0010] 在一个实施例中，各所述调相单元具有相同的高度h，单元周期P略小于中心频率的半波长，凹槽的深度和宽度可调，用于实现反射相位360度的线性变化。[0011] 在一个实施例中，所述凹槽的总深度从3.8mm变化到5.6mm，调相单元反射相位实现了360度的相位变化，凹槽宽度在1.1mm～2.1mm之间，用于实现宽带内的线性相位。[0012] 在一个实施例中，P＝0.44λ，λ为设计的中心频率对应的自由空间波长。[0013] 在一个实施例中，所述调相单元采用纯金属材料打印，单元均匀排布，构成m×n的阵列。[0014] 在一个实施例中，所述反射阵天线由馈源、反射阵阵列和天线支撑结构构成。[0015] 在一个实施例中，所述馈源采用标准增益喇叭形式，极化方式为线极化，馈电采用偏馈方式。[0016] 在一个实施例中，所述反射阵天线工作在Ka频段，所述馈源的3dB波瓣宽度为14度，反射阵天线的焦径在2～3之间，其相位中心与反射阵阵面中心距离为160mm～240mm，所述馈源的馈电方式采用偏馈方式。[0017] 在一个实施例中，所述凹槽的深度(h1、h2)和宽度(w1、w2)，由所述反射阵阵列与馈源的距离、调相单元在反射阵阵列的相对位置、及平面波的波束方向计算确定。[0018] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：[0019] 1)本发明通过改变调相单元凹槽的深度，可以实现相位调控，且相位变化范围超过360度，改变凹槽的宽度，可以获得更宽频带内的线性相位变化，从而实现了宽带调相，显著改善了单元性能。[0020] 2)本发明通过改变凹槽深度和宽度实现阵列相位补偿，调相单元具有相同的高度h，规避了相邻单元间尺寸突变问题，保证相位补偿的准确性。[0021] 3)本发明的调相单元主体为六面体纯金属结构，可采用3D金属打印工艺制造，从而有效降低加工成本和交付周期。[0022] 4)本发明与传统的微带反射阵天线相比，能够实现增益带宽和口径效率的显著提高，且在工作频段内具有良好的辐射特性。附图说明[0023] 图1为本发明的全金属结构高增益反射阵天线的示意图。[0024] 图2为本发明的全金属结构高增益反射阵单元的结构示意图。[0025] 图3为本发明的全金属结构高增益反射阵单元的侧视图。[0026] 图4为本发明的全金属结构高增益反射阵单元的反射相位曲线图。[0027] 图5为本发明的全金属结构高增益反射阵阵列的整体结构示意图。[0028] 图6为本发明的全金属结构高增益反射阵阵列的局部放大视图。[0029] 图7为本发明的全金属结构高增益反射阵中心频率33GHz的仿真和测试的E面方向图。[0030] 图8为本发明的全金属结构高增益反射阵阵列中心频率33GHz的仿真和测试的H面方向图。[0031] 图9为本发明的全金属结构高增益反射阵阵列不同频率下的仿真和测试的E面、H面方向图。[0032] 图10为本发明的全金属结构高增益反射阵阵列的增益及口面效率仿真和测试结果。具体实施方式[0033] 下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。[0034] 参考图1，本发明提供了一种全金属结构高增益反射阵天线，包括馈源1、反射阵阵列2和天线支撑结构3，也可仅由馈源1、反射阵阵列2和天线支撑结构3组成。在功能上，馈源1用于发射和接收电磁波；反射阵阵列2用于将馈源1发出的球面波转换为平面波，或者将接收的平面波汇聚到馈源1；天线支撑结构3是连接馈源1和反射阵阵列2的机械结构，其作用是调整并确定二者的相对距离与位置，从而确保反射阵阵列2实现其转换或汇聚功能。[0035] 在本发明的实施例中，反射阵列2包括若干个调相单元4，调相单元4采用全金属的六面体结构，单元周期为P。在六面体结构上设置有凹槽5，各凹槽5具有相同的纵向尺寸，示例地，其纵向长度与周期P相同。凹槽5由相互连接的两部分组成，第一部分的横向宽度为w1，深度为h1，第二部分的横向宽度为w2，深度为h2，第一部分位于第二部分的下方，w1＜w2，h1+h2＜h，h为六面体结构也即调相单元4的高度。示例地，凹槽5关于六面体结构的高度方向中轴线对称，也即，凹槽5位于调相单元4中轴线上。本发明中，不同调相单元4中的凹槽5的尺寸可以相同，也可以不同。[0036] 凹槽5的横向宽度和深度取决于单元反射相位，其深度和宽度可调，用于实现反射相位360度的线性变化。[0037] 各调相单元4具有相同的外形尺寸，其单元周期P应略小于中心频率的半波长。在本发明的一个实施例中，高度h＝9.6mm，单元周期P＝4mm，对应于0.44λ，其中λ为设计的中心频率对应的自由空间波长。本发明天线的工作波段可在26‑47G，优选26‑40G的Ka波段，本实施例中选择设计的中心频率为33GHz。调相单元4的反射相位性能可以通过调节凹槽5的几何参数而改变，恰当的选取这些关键参数，可以保证单元宽频带内的线性相位特性，调相单元4的结构如图2所示。[0038] 在本发明的一个实施例中，调相单元4需提供的反射相位由阵面与馈源1距离、调相单元4在反射阵阵列2中的相对位置以及平面波的出射方向决定。调相单元4的凹槽5深度用于调控反射相位，宽度用于优化反射相位的线性度。具体地，其深度h1、h2和宽度w1、w2，可由反射阵阵列2与馈源1的距离、调相单元4在反射阵阵列2的相对位置、及平面波的波束方向计算确定。[0039] 反射阵阵列2的相位分布可以采用以下公式进行计算：[0040][0041] 其中，(xi,yi)为反射阵阵列第i个调相单元中心的坐标，k0为真空中的传播常数，di为馈源相位中心与第i个介质单元之间的距离， 为反射阵阵列的波束指向，θ0为波束指向与阵面轴向的夹角， 为波束指向与馈源与反射阵阵列中心所在平面的夹角。[0042] 本发明中，当凹槽5的总深度从3.8mm变化到5.6mm时，调相单元4的反射相位实现了360度的相位变化，凹槽5的宽度在1.1mm～2.1mm之间，用于实现宽带内的线性相位。即，本发明通过改变凹槽5的参数优化调相单元4的相移特性，由此拓宽其工作带宽。[0043] 在本发明的一个实施例中，凹槽5的第一部分的深度h1选取1.2～4mm之间，第一部分的宽度w1选取1.1～2.1mm之间，第二部分的深度h2＝1.6mm，第二部分的宽度w2＝2.8mm，参见图3。调相单元4的4种状态下宽带线性相位性能如图4所示，该调相单元4可以实现360度的相位变化，并且可以在很宽的频段内(26‑47GHz，大于57％百分比带宽)内，实现良好的线性度。[0044] 在本发明的一个实施例中，调相单元4均匀排布，构成m×n的反射阵阵列2，示例地，m＝n＝20，即反射阵阵列可包含有400个调相单元，反射阵阵列2结构如图5和图6所示，其整体可以采用纯金属材料例如铝合金等，以3D打印方式一体成型，具有制备简单、低成本、高效率的优点。[0045] 在本发明的一个实施例中，反射阵阵列2工作的中心频率为33GHz，馈源1作为发射源，采用标准线极化增益喇叭。为降低馈源遮挡，采用偏馈形式，馈源1与阵列轴向夹角为25度，辐射方向为阵列轴向。馈源1的3dB波瓣宽度为14度，因此所述反射阵的焦径比较大，一般在在2～3之间，本实施例中为2.6，即馈源1的相位中心距离距离反射阵阵面中心距离为160mm～240mm，本实施例中为208mm。[0046] 在本发明的一个实施例中，中心频率33GHz的方向图如图7、图8所示，仿真和测试的归一化方向图吻合效果良好，主波束基本重合，验证了本发明反射阵的精确度和可行性。[0047] 由图9中(a)、(b)、(c)、(d)可知，反射阵天线在27、31、35、39GHz下，E面和H面仿真和测试的辐射方向图吻合程度较好，主波束均集中在阵面轴向方向。随着工作频率偏离中心频率，旁瓣电平略有上升。[0048] 由图10可知，反射阵天线的测试结果显示，其中心频率33GHz的增益为26.5dBi，对应的口径效率为46.2％，在Ka频段内天线增益大于25dBi，口径效率均大于45％。[0049] 综上，本发明提出的全金属结构高增益反射阵天线，通过改变调相单元凹槽的深度和宽度，可以实现平滑的相位变化，同时满足360度的相位覆盖，显著改善了单元的带宽性能。各个单元具有相同的高度，避免了相邻单元尺寸突变造成的相位误差。基于3D打印技术，本发明有效降低了加工的经济成本和时间成本。基于该结构设计的反射阵天线，实现了Ka频段内增益和带宽的有效改善，具有较高的口径效率、良好的辐射特性。[0050] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限定，凡是在本发明权利要求范围内所作的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

专利地区：北京

专利申请日期：2022-06-29

专利公开日期：2024-06-18

专利公告号：CN115173064B