基于亚波长单层反射单元的宽带编码折叠反射阵天线制造技术

本发明专利技术提出一种基于亚波长单层反射单元的宽带编码折叠反射阵天线，解决了折叠反射阵天线带宽窄和设计复杂度高的问题。该天线是等面积的极化栅板和主阵面等间距上下安装，馈源装于主阵面几何中心，本发明专利技术主阵面由两种相位差为180度结构相同的亚波长单层反射单元按照经典反射阵相位理论周期编码排列构成。本发明专利技术中的相位差为180度的两种反射单元，一个是“0”反射单元，另一个是由“0”反射单元逆时针旋转90度形成的“1”反射单元。本发明专利技术的折叠反射阵天线产生了高增益笔形波束，降低天线阵列设计难度，带宽宽，设计复杂度低，充分发挥了折叠反射阵天线的高增益、低损耗、结构紧凑、交叉极化低等优点，可应用于高性能通讯或雷达系统中。

【技术实现步骤摘要】
基于亚波长单层反射单元的宽带编码折叠反射阵天线
本专利技术属于微波和射频
，主要涉及高增益反射阵天线，具体是一种基于亚波长单层反射单元的宽带编码折叠反射阵天线，可应用于无线通信系统射频前端。
技术介绍
近年来，随着无线通信系统的不断的发展，高增益的大型相控阵天线和抛物面天线在航空领域应用广泛。大型相控阵天线具有灵活的宽角度波束扫描能力，然而馈电网络复杂、收发组件价格高昂、功率损耗大、工作效率相对较低等缺点限制了相控阵天线在航天、雷达、卫星等方面的应用；而抛物面天线具有结构简单、工作频带宽、方向性强、增益高等优点，但其体积过于庞大、质量过重，固有的曲面结构都也使得抛物面天线在加工制作及调试安装等方面产生诸多不便。因此为克服以上传统高增益天线的缺点，同时又兼顾其彼此间各自的优势，“反射阵天线”应运而生。反射阵天线采用平面结构替代抛物面天线的曲面结构，降低了加工难度，同时加工成本低、体积小、易于共形和赋形；另外，由于平面反射阵天线采用了空间馈电结构，它不仅避免了相控阵天线复杂的馈电结构和相移网络，又减小了传输中的能量损耗和加工成本。但是其馈源喇叭与阵面之间的距离一般约为阵面直径，这不仅需要设计高度合适的支架对馈源进行支撑，并且馈源对反射波的遮挡效应往往不可避免。随着对极化特性的深入研究和共形理念的认识，2002年，W.Menzel及D.Pilz提出折叠反射阵天线的概念。折叠反射阵天线在平面反射阵的基础上，利用阵元的极化扭转特性和极化栅板的极化选择特性，将馈源与反射阵面共面集成，大大降低反射阵天馈系统整体剖面。因此采用折叠反射阵结构，具有低剖面，在实现阵列天线大口径综合等方面有着巨大优势。因此，折叠反射阵天线受到了国内外众多学者越来越多的关注，研究折叠反射阵天线具有应用价值。例如，2017年LuGuo等学者在IEEEANTENNASANDWIRELESSPROPAGATIONLETTERS期刊(Vol.6，No.1，JULY2017)上发表论文“OntheUseofSingle-LayeredSubwavelengthRectangularPatchElementsforBroadbandFoldedReflectarrays”，提出了一种基于亚波长结构的双极化单元的宽频带折叠反射阵天线。该天线将馈源与主阵面集成，在距主阵面上方二分之一焦距的位置放置极化栅板。相比于传统反射阵天线，该天线可在轴向减少一半的高度，其1-dB增益带宽达到16％。又如，申请公布号CN104901023A，名称为“一种宽频带折叠反射阵天线”的专利申请，公开了一种基于新型双层单元的折叠反射阵天线。其主阵面为双层结构，主阵面中由多个形状相同、尺寸不一的双层反射单元构成。该专利技术采用的双层反射单元，可独立控制两个正交极化的反射相位，并且保证了两个极化的反射相位都能实现良好的相移曲线，实现了折叠反射阵天线的宽频带特性，但是该反射单元结构复杂且层数较多，导致设计难度较大，加工成本较高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种结构简单易于工程化实现的基于亚波长单层反射单元的宽带编码折叠反射阵天线。本专利技术是一种基于亚波长单层反射单元的宽带编码折叠反射阵天线，由等面积的极化栅板和主阵面等间距平行安装，极化栅板位于主阵面的正上方，馈源安装于主阵面的几何中心，其特征在于，所述主阵面包括多个反射相位为0度的反射单元，称作“0”反射单元，和反射相位为180度的反射单元，称作“1”反射单元；两种反射单元按照经典反射阵相位理论周期编码排列组成；所述“0”反射单元和“1”反射单元均为单层结构，每个反射单元为正方形立体结构，包括下表面地板、中间介质板和在介质板上刻蚀形成的极化扭转上表面；所述极化扭转上表面设有外层双开口方环和位于正中心的内层方形贴片，所述双开口方环其两个矩形开口分别位于方环两条相邻垂直边的中间位置，关于正方形反射单元对角线AA'对称，用于产生极化扭转特性；所述“0”反射单元中心逆时针旋转90度之后形成“1”反射单元，两种数码的反射单元的反射相位相差180度。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：1.本专利技术的反射单元为单层结构，在极化扭转上表面设有外层双开口方环谐振结构，通过对开口位置的合理设计，产生的极化扭转特性效率高。并且，在极化扭转上表面设有内层方形贴片，内层方形贴片的设计提高了反射单元的反射效率。此外，不同于传统反射单元依靠改变尺寸产生相位变化的方法，本专利技术中的反射单元通过中心逆时针旋转的方式得到两个反射相位相差180度的反射单元。反射相位为0度的反射单元称作“0”反射单元，反射相位为180度的反射单元称作“1”反射单元。相对于其他多层的极化扭转反射单元，本专利技术无需设计复制相移结构，从而降低天线设计难度。本专利技术采用的单层反射单元结构简单、设计复杂度低、加工成本低、极化扭转系数高、反射效率高。2.本专利技术的反射单元为亚波长结构，该反射单元的边长为工作频率下的亚波长，相比于其他半波长结构的反射单元，本专利技术采用的亚波长反射单元使工作带宽宽，并且结构更加紧凑。3.本专利技术采用编码的方式对该基于亚波长单层反射单元的折叠反射阵天线的主阵面进行布局。“0”反射单元与中心逆时针选择90度后形成的“1”反射单元的反射相位在工作频带内相位相差180度，通过编码排列“0”反射单元和“1”反射单元的布局形成了折叠反射阵天线的笔尖形定向波束。相比于传统反射阵天线所依靠连续反射相移变化的布局方式，本专利技术采用的编码反射相位的布局方式，无需设计种类繁多的反射单元，仅需要两种码数的反射单元，降低天线设计难度。4.本专利技术基于亚波长单层反射单元实现了一种宽带编码折叠反射阵天线。该天线利用反射单元的极化扭转特性及宽带特性，在降低传统反射阵一半剖面的同时，使折叠反射阵天线的工作频带展宽。该折叠反射阵天线的1-dB仿真增益带宽达到27.7％，1-dB实测增益带宽达到31.4％，在现有折叠反射阵天线领域，达到了优越的相对带宽指标，充分发挥了折叠反射阵天线的高增益、低损耗、结构紧凑、交叉极化低等优点，可应用于高性能通讯或雷达系统中。附图说明图1为本专利技术的整体结构示意图；图2为本专利技术反射单元整体结构图；图3为本专利技术主阵面依据经典理论计算和编码后的相位分布图；图4为本专利技术反射单元的反射系数随频率变化图；图5为本专利技术天线E面仿真及实测方向图；图6为本专利技术天线H面仿真及实测方向图；图7为本专利技术天线仿真及实测增益随频率变化曲线。具体实施方式下面结合附图和具体实施例，对本专利技术作详细描述。实施例1针对目前抛物面天线体积大、质量重，相控阵天线馈电网络复杂、收发组件价格昂贵，传统微带平面反射阵剖面高等缺点，本专利技术着重解决微带反射阵带宽窄、设计复杂等问题，对此展开了研究，提出了一种基于亚波长单层反射单元的宽频带编码折叠反射阵天线，参见图1。由等面积的极化栅板和主阵面等间距平行安装，极化栅板位于主阵面的正上方，由四个介质支柱在极化栅板和主阵面的四角进行支撑，馈源安装于主阵面的几何中心，参见图1，极化栅板2为刻蚀有多个平行排布的金属栅条4的介质基板5，相邻金属栅条4的间距Lg，金属栅条4的宽度为Wg。改变Lg与Wg的取值可以改变极化栅板2的工作频率，每个金属栅条4等效为一个偶极子单元，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于亚波长单层反射单元的宽带编码折叠反射阵天线，由等面积的极化栅板和主阵面等间距平行安装，极化栅板位于主阵面的正上方，馈源安装于主阵面的几何中心，其特征在于，所述主阵面包括多个反射相位为0度的反射单元，称作“0”反射单元(6)，和反射相位为180度的反射单元，称作“1”反射单元(12)，两种反射单元按照经典反射阵相位理论周期编码排列组成。所述“0”反射单元(6)和“1”反射单元(12)均为单层结构，每个反射单元为正方形立体结构，包括下表面地板(8)、中间介质板(7)和在介质板上刻蚀形成的极化扭转上表面；所述极化扭转上表面设有外层双开口方环(9)和位于正中心的内层方形贴片(10)，所述双开口方环(9)其两个矩形开口(11)分别位于方环两条相邻垂直边的中间位置，关于正方形反射单元对角线AA'对称，用于产生极化扭转特性；所述“0”反射单元(6)中心逆时针旋转90度之后形成“1”反射单元(12)，两种数码的反射单元的反射相位相差180度。

【技术特征摘要】
1.基于亚波长单层反射单元的宽带编码折叠反射阵天线，由等面积的极化栅板和主阵面等间距平行安装，极化栅板位于主阵面的正上方，馈源安装于主阵面的几何中心，其特征在于，所述主阵面包括多个反射相位为0度的反射单元，称作“0”反射单元(6)，和反射相位为180度的反射单元，称作“1”反射单元(12)，两种反射单元按照经典反射阵相位理论周期编码排列组成。所述“0”反射单元(6)和“1”反射单元(12)均为单层结构，每个反射单元为正方形立体结构，包括下表面地板(8)、中间介质板(7)和在介质板上刻蚀形成的极化扭转上表面；所述极化扭转上表面设有外层双开口方环(9)和位于正中心的内层方形贴片(10)，所述双开口方环(9)其两个矩形开口(11)分别位于方环两条相邻垂直边的中间位置，关于正方形反...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏峰，赵西贝，徐乐，张晓航，史小卫，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61