一种基于亚波长结构的双频大角度扫描薄膜反射阵列天线制造技术

本发明专利技术提供一种基于亚波长结构的双频大角度扫描薄膜反射阵列天线，包括馈源天线和亚波长结构反射阵列。亚波长结构反射阵列由亚波长结构调制单元、金属反射面构成，通过可变调制单元结构尺寸引入不同的相位，利用二次相位分布进行阵列单元排布；通过在等焦距平面上对馈源天线进行平移，实现大范围的波束扫描。通过在水平与垂直方向排布两种亚波长结构调制单元，使其工作频段分别覆盖Ku波段卫星通信上下链路通信频段，可实现双极化卫星通信。本发明专利技术将亚波长结构组成的天线反射面加工于聚酰亚胺薄膜上，具有较好的可压缩易展开的特性，解决传统星载天线剖面高，重量大，成本高的问题，为大口径、轻量化、高收纳比星载天线的研制提供新的技术途径。提供新的技术途径。提供新的技术途径。

【技术实现步骤摘要】
一种基于亚波长结构的双频大角度扫描薄膜反射阵列天线


[0001]本专利技术属于通信
，尤其涉及基于亚波长结构的双频大角度扫描薄膜反射阵列天线。

技术介绍

[0002]卫星通信系统中的地面无线电通信站间利用卫星作为中继而进行通信，卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成，卫星通信的特点是：通信范围大；不易受到陆地自然占海的影响，可靠性高；可经济的实现多处接收，多址通信；通以信道可用于不同方向和不同区域，多址链接；而作为其最重要的组成部分就是卫星天线，可分为地面卫星天线和星载卫星天线。而设计需求也略有不同，地面卫星天线，主要需求波束大口径，高增益，高方向性，窄波束。星载天线的需求在大口径，高增益的基础上，还需要可伸缩，大角度覆盖，动态波束扫描等。同时，卫星发射载荷的弥足珍贵，使得对卫星天线的轻量化提出了更高的要求。理论上，在近地轨道，只需要部署3颗卫星就可以实现全球覆盖，这就需要星载天线大角度覆盖。然而目前的星载天线，主要是骨架折叠伞型抛物面，或者铺设在平整的卫星表面，发射时，使用多次折叠，展开的方式，但此类星载天线，由于对抛物面这种自然曲面需要更高的加工精度，且无法实现波束扫描，更无法实现大角度覆盖。或者其他平板天线，不仅占用卫星有限的表面积，且为了实现波束扫描所搭载的T/R组件，实现相控阵扫描的方法，更是存在损耗大、纵向剖面高、结构复杂、体积大、成本高的问题。本专利技术基于亚波长结构的双频大角度扫描薄膜反射阵列天线具有波束方向动态调控，低剖面，轻量化，多频段覆盖，高压缩比，易加工，底成本等技术优势。
专利技术内容
[0003]本专利技术要解决的技术问题在于：提供一种可应用于卫星通信的波束扫描的双频大口径薄膜反射阵列的天线技术。
[0004]本专利技术采用的技术方案为：基于亚波长结构的双频大角度扫描薄膜反射阵列天线，包括馈源天线和亚波长结构反射阵列，通过可变亚波长结构调制单元结构尺寸引入不同的相位，利用二次相位分布进行阵列单元排布；通过在等焦距平面上对馈源天线进行平移，实现大范围的波束扫描，通过在水平与垂直方向排布两种亚波长结构调制单元，使其工作频段分别覆盖Ku波段卫星通信上下链路通信频段，可实现双极化卫星通信，将亚波长结构组成的天线反射面加工于聚酰亚胺(PI膜)薄膜上，具有较好的可压缩易展开的特性，解决传统星载天线剖面高，重量大，成本高的问题，为大口径、轻量化、高收纳比星载天线的研制提供新的技术途径。
[0005]进一步地，所述馈源天线包括：贴片天线，标准波导，缝隙天线，Vivaldi天线和商用高频头等天线形式。
[0006]进一步地，亚波长结构反射阵列由亚波长结构调制单元、金属反射面构成。
[0007]进一步地，所述亚波长结构调制单元包括：工字型，矩形结构等。
[0008]进一步地，所述亚波长结构调制单元水平和垂直方向可采用相同或不同的结构形式，且两个方向的工作频段可独立设计。
[0009]进一步地，所述多层级结构，其厚度关系到材料工作波长和辐射强度，不同厚度情况下针对特定工作波长和辐射强度得到调制单元参数也会不同，多层结构总厚度小于等于24毫米，不限于某特定工作频段。
[0010]进一步地，所述双频阵列单元排布：正方形，矩形，三角形，菱形，六边形，多边形等。
[0011]进一步地，所述反射层：全金属，光栅结构等。
[0012]进一步地，金属基底和金属微结构所用金属可以相同也可以不同，所述金属材料包括：金、银、铝、铜等；所述金属基底的厚度大于等于200纳米。
[0013]进一步地，提出一种工作频段可灵活设计的扫描天线设计方法。
[0014]本专利技术与现有技术相比的优点在于：
[0015](1)本专利技术使用聚酰亚胺(PI膜)作为反射阵列的介质基板，实现了卫星通信反射阵列天线大口径的需求，相对于普通介质基板，本专利技术实现了轻量化，凭借PI膜柔性和高压缩比，解决的卫星通信天线，发射载重的要求，且可以轻易实现展开。
[0016](2)本专利技术反射阵列单元中使用两个相互垂直的工字型调相结构，通过不断缩小优化得到的工字型单元，不仅实现了双频通信，且实现制两个交叉线极化通信，并获得高极化隔离，相对于其他使用PI膜的设计，做到了在0.8波长为周期的情况下，实现高隔离双频通信。
[0017](3)本专利技术使用正方形排布，在不增加单元面积的情况下，实现了交叉线极化双频通信，由于PI薄膜材料极薄的厚度，带来的有效介电常数过低的问题，设计上在薄膜上缩小单元是十分困难的，本设计在不增加单元面积的情况下，获得了高隔离双频通信，实现双频独立调控。
[0018](4)本专利技术使用二次相位的排布，解决了反射阵列在不增加任何有源器件的情况下，实现了大口径薄膜天线的扫描功能，只需要使用波导阵列对天线阵列不同位置馈电，就可以实现天线大角度波束扫描，这种简单可靠的波束扫描方式在卫星通信中的应用是值得期待的。
附图说明
[0019]图1为本专利技术的亚波长结构反射阵列单元结构示意图，其中，11为亚波长结构调制单元层，12为金属反射层；
[0020]图2为本专利技术亚波长结构反射阵列单元结构侧视图，其中，11为亚波长结构调制单元层，12为金属反射层；
[0021]图3为本专利技术亚波长结构调制单元层俯视图，其中，111为PI膜，112为金属调制单元；
[0022]图4为本专利技术金属反射层俯视图，其中，113为金属反射面；
[0023]图5为本专利技术亚波长结构调制单元层俯视图及其尺寸参数；
[0024]图6为本专利技术的阵列垂直极化单元变化情况；
[0025]图7为本专利技术的阵列水平极化单元变化情况；
[0026]图8为本专利技术的阵列垂直极化单元相位响应仿真结果；
[0027]图9为本专利技术的阵列水平极化单元相位响应仿真结果；
[0028]图10为本专利技术的亚波长结构反射阵列俯视图；
[0029]图11为本专利技术阵列移动馈源实现波束扫描示意图，其中，1为亚波长结构反射阵列，2为馈源天线。
具体实施方式
[0030]实施例利用本专利技术的基于亚波长结构的波束扫描天线实现电磁波束辐射方向的动态调制。
[0031]本专利技术的设计方法如下：
[0032](1)本专利技术的阵列单元结构，如图1所示；本专利技术的结构单元由上而下是亚波长结构调制单元层11和金属反射层12。调制单元由八种状态的单元组成，以间隔45
°
相位梯度覆盖360
°
相位范围。以此相位梯度组成需要的亚波长结构反射阵列。
[0033](2)本专利技术的阵列单元侧面，如图2所示；本专利技术的结构单元由下至上依次包括：金属调制单元112、PI膜111、空气层和金属反射面113。其中金属调制单元112为铝，复刻在PI膜111上。下层是全金属反射面113，同样复刻在另一PI膜111上。两层PI膜中间以空气隔开。两层PI膜构成可伸缩展开的全薄膜反射阵列。本专利技术中金属均为铝膜，厚度为100nm；介质层，介质材料为聚酰亚胺薄膜本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于亚波长结构的双频大角度扫描薄膜反射阵列天线，其特征在于，包括馈源天线(2)和亚波长结构反射阵列(1)，通过可变亚波长结构调制单元结构尺寸引入不同的相位，利用二次相位分布进行阵列单元排布；通过在等焦距平面上对馈源天线进行平移，实现大范围的波束扫描，通过在水平与垂直方向排布两种亚波长结构调制单元，使其工作频段分别覆盖Ku波段卫星通信上下链路通信频段，可实现双极化卫星通信，将亚波长结构组成的天线反射面加工于聚酰亚胺(PI膜)薄膜上，具有较好的可压缩易展开的特性，解决传统星载天线剖面高，重量大，成本高的问题，为大口径、轻量化、高收纳比星载天线的研制提供新的技术途径。2.根据权利要求1所述的基于亚波长结构的双频大角度扫描薄膜反射阵列天线，其特征在于，所述馈源天线包括：贴片天线，标准波导，缝隙天线，Vivaldi天线和商用高频头等天线形式。3.根据权利要求1所述的基于亚波长结构的双频大角度扫描薄膜反射阵列天线，其特征在于，亚波长结构反射阵列由亚波长结构调制单元、金属反射面构成。4.根据权利要求1所述的基于亚波长结构的双频大角度扫描薄膜反射阵列天线，其特征在于，所述亚波长结构调制单元包括：工字型，矩形结构。5.根据权利要求1所述的基于亚波长结构的双频大...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗先刚，张作军，马晓亮，蒲明博，李雄，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：