本发明专利技术涉及一种超宽带高口径效率平面反射阵天线，它包括反射阵列和悬挂在反射阵列正上方的馈源天线；所述反射阵列由多个呈阵列分布的超宽带单元组成；所述超宽带单元包括第一介质基板、金属地板和垂直介质基板；在第一介质基板的正面印制有蝶形的宽臂偶极子，在宽臂偶极子的中心设置有贯穿第一介质基板的第一矩形孔；在垂直介质基板的两侧印制有矩形贴片形式的相位延迟线；在金属地板的正中设置有贯穿金属地板的第二矩形孔；所述垂直介质基板穿过第二矩形孔和第一矩形孔并与所述宽臂偶极子电连接。本发明专利技术具有超宽带、高增益、高口径效率、易集成的优点，可被应用于深空探测、卫星通信、雷达监控等对于高增益天线有需求的长距离通信系统中。通信系统中。通信系统中。
【技术实现步骤摘要】
一种超宽带高口径效率平面反射阵天线
[0001]本专利技术涉及天线与电磁波
，尤其涉及一种超宽带高口径效率平面反射阵天线。
技术介绍
[0002]随着无线传输速率的提高和通信系统的功能日益复杂化，高增益、超宽带是天线领域的两个重要研究方向；抛物面天线和相控阵天线具有较高的增益，但是抛物面天线体积大、灵活性较差，相控阵天线馈电网络复杂、传输损耗较大。平面反射阵天线结合了二者的优点，由金属贴片单元组成二维阵列，使用定向天线进行馈电，通过调节单元的参数补偿馈源到不同单元间的相位延迟差，因此具有剖面低、成本低、重量轻、易集成、馈电网络简单等优点，能够更好地贴合平台通信、探测需求。然而，平面反射阵的带宽受限于以下两个原因：1、单元自身的带宽较窄，反射相位在宽带范围内一致性差；2、馈源到不同阵列单元的空间相位延迟差随着频率变化，难以通过调节尺寸等方式在宽带范围内精确补偿每个频点的相位延迟，因此会产生较大的相位误差，降低宽带内的天线增益。因此，目前多数平面反射阵天线的带宽较窄，不能满足日益复杂的通信系统的宽带化需求。而在目前为数不多的超宽带平面反射阵天线研究中，不能完全解决以上两个限制带宽的因素，造成超宽带内相位误差较大，天线的口径效率较低。
技术实现思路
[0003]本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种超宽带高口径效率平面反射阵天线，解决了现有技术不能突破单元反射带宽较窄的限制和宽带范围内相位延迟难以精确补偿的限制的问题。
[0004]本专利技术的目的通过以下技术方案来实现：一种超宽带高口径效率平面反射阵天线，它包括反射阵列和悬挂在反射阵列正上方的馈源天线；所述反射阵列由多个呈阵列分布的超宽带单元组成；所述超宽带单元包括第一介质基板、金属地板和垂直介质基板；在第一介质基板的正面印制有蝶形的宽臂偶极子，在宽臂偶极子的中心设置有贯穿第一介质基板的第一矩形孔；在垂直介质基板的两侧印制有矩形贴片形式的相位延迟线；在金属地板的正中设置有贯穿金属地板的第二矩形孔；所述垂直介质基板穿过第二矩形孔和第一矩形孔并与所述宽臂偶极子电连接。
[0005]所述馈源天线包括第二介质基板，在第二介质基板的正反面皆印制有对数周期结构天线，且正反面印制的对数周期结构天线相互对称。
[0006]所述第一矩形孔的尺寸与垂直介质基板的尺寸相同且小于所述第二矩形孔的尺寸，垂直介质基板从第二矩形孔穿过且不与金属地板接触，并穿入第一矩形孔使得相位延迟线与宽臂偶极子电连接，通过调节相位延迟线对超宽带单元的反射相位进行调节。
[0007]一种超宽带高口径效率平面反射阵天线的宽频带内反射相位一致性调节方法，所述方法包括：
[0008]优化算法步骤：将给定的需要进行优化的超宽带单元结构特征参数的初值传递到仿真建模步骤；
[0009]仿真建模步骤：通过调用库函数实现添加变量、自动建模、设置边界条件和材料参数、设置端口、配置求解频率及扫描参数，对相位延迟线长度的扫描得到不同频点处反射相位随相位延迟线长度L的变化曲线并导出到数据处理步骤；
[0010]数据处理步骤：求出各频点等效反射长度和相位延迟线长度曲线，进而求出所有曲线均值，再求出各条曲线和均值曲线的方差之和并传递回所述优化算法步骤。
[0011]所述数据处理步骤具体包括：
[0012]根据等效反射长度的计算公式求出每个频点的等效反射长度随L的变化曲线；
[0013]然后求出所有曲线的均值，并将各个频点等效相位长度和相位延迟线长度与均值曲线进行对比，求出所有曲线的方差之和vL，将vL作为判断宽带内反射相位一致性的指标；
[0014]将vL的值传递回所述优化算法步骤，作为PSO收敛的判断依据。
[0015]所述优化算法步骤具体包括：
[0016]将超宽带单元结构特征参数初值输入到仿真建模步骤；
[0017]判断数据处理步骤返回的方差之和vL是否符合收敛条件，如果方差之和vL小于设定的收敛值，则结束优化并输出优化后的特征参数；
[0018]如果方差之和vL大于设定的收敛值，则根据粒子的迭代方式生成一组新的特征参数并重复仿真建模步骤和数据处理步骤的过程，直到返回的方差之和vL小于设定的收敛值。
[0019]一种超宽带高口径效率平面反射阵天线的阵列相位分布计算方法，所述计算方法包括：
[0020]计算呈阵列分布的每个超宽带单元需要补偿的反射相位；
[0021]根据等效反射长度概念计算每个超宽带单元的等效反射长度分布；
[0022]通过PSO算法对各个频点的等效反射长度进行综合优化，得到最优的权重组合的相位分布。
[0023]所述计算呈阵列分布的每个超宽带单元需要补偿的反射相位包括：
[0024]将馈源天线的相位中心等效为理想点源，计算点源辐射球面波到达阵面上各个超宽带单元即阵元上的入射相位；
[0025]根据反射阵列的目标波束方向，判定出射波前方向并计算各个超宽带单元所需要的出射相位；
[0026]计算反射阵列中各个阵元入射与出射相位的差值，求解反射面上每个超宽带单元位置的出入相位变化值；
[0027]根据Cartesian坐标系下馈源到超宽带单元之间的相对位置，得到反射阵列上个阵元入射点的相位值其中，k＝2π/λ为电磁波在自由空间中传播波矢，(i,j)表示第i行，第j列处的格点位置，阵元周期为p，馈源位置为(x0,y0,z0)；
[0028]根据出射的波束方向并结合二维相控阵波束合成理论，将反射阵列上每个阵元等效为具有相同幅度和固定相位差的各向同性点源，根据出射叠加波前方向，计算得到
阵元出射相位
[0029]进而计算得到每个阵元的反射相位和入射相位的差值即补偿的反射相位为
[0030][0031]所述通过PSO算法对各个频点的等效反射长度进行综合优化，得到最优的权重组合的相位分布包括：
[0032]将各个频点的权重ω
i
作为待优化的参数，根据超宽带范围内N个求解频点，确定需要优化的粒子维度为N；
[0033]初始化粒子及粒子速度，对各频点中阵元最大相位误差的均值和方差s
2error
作为粒子适应度函数进行检测，并更新粒子速度和粒子位置；
[0034]将最小的和作为优化目标，每一次迭代粒子群中最优解存放在pbest参数中，所有粒子的最优解存放在gbest参数中，达到最大迭代次数后，输出最优的权重组合。
[0035]本专利技术具有以下优点：
[0036]1、突破单元反射带宽较窄的限制，提高超宽带内反射相位的一致性：采用平面偶极子作为阵列单元，通过调节垂直放置的相位延迟线长度调节反射相位；采用仿真建模
‑
数据处理
‑
优化的计算环境，结合PSO进行参数优化计算，减小单元超宽带内反射相位的差异。
[0037]2、突破超宽带范围内相位延迟难以精确补偿的限制，通过计算等效相位延迟长度计算阵列不同单元的参数，并结合PSO对不本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种超宽带高口径效率平面反射阵天线，其特征在于：它包括反射阵列(2)和悬挂在反射阵列(2)正上方的馈源天线(1)；所述反射阵列由多个呈阵列分布的超宽带单元组成；所述超宽带单元包括第一介质基板(3)、金属地板(7)和垂直介质基板(5)；在第一介质基板(3)的正面印制有蝶形的宽臂偶极子(4)，在宽臂偶极子(4)的中心设置有贯穿第一介质基板(3)的第一矩形孔(8)；在垂直介质基板(5)的两侧印制有矩形贴片形式的相位延迟线(6)；在金属地板(7)的正中设置有贯穿金属地板(7)的第二矩形孔(9)；所述垂直介质基板(5)穿过第二矩形孔(9)和第一矩形孔(8)并与所述宽臂偶极子(4)电连接。2.根据权利要求1所述的一种超宽带高口径效率平面反射阵天线，其特征在于：所述馈源天线(1)包括第二介质基板(11)，在第二介质基板(11)的正反面皆印制有对数周期结构天线(10)，且正反面印制的对数周期结构天线(10)相互对称。3.根据权利要求1所述的一种超宽带高口径效率平面反射阵天线，其特征在于：所述第一矩形孔(8)的尺寸与垂直介质基板(5)的尺寸相同且小于所述第二矩形孔(9)的尺寸，垂直介质基板(5)从第二矩形孔(9)穿过且不与金属地板(7)接触，并穿入第一矩形孔(8)使得相位延迟线(6)与宽臂偶极子(4)电连接，通过调节相位延迟线对超宽带单元的反射相位进行调节。4.根据权利要求1
‑
3任意一项所述的一种超宽带高口径效率平面反射阵天线的宽频带内反射相位一致性调节方法，其特征在于：所述方法包括：优化算法步骤：将给定的需要进行优化的超宽带单元结构特征参数的初值传递到仿真建模步骤；仿真建模步骤：通过调用库函数实现添加变量、自动建模、设置边界条件和材料参数、设置端口、配置求解频率及扫描参数，对相位延迟线(6)长度的扫描得到不同频点处反射相位随相位延迟线(6)长度L的变化曲线并导出到数据处理步骤；数据处理步骤：求出各频点等效反射长度和相位延迟线(6)长度曲线，进而求出所有曲线均值，再求出各条曲线和均值曲线的方差之和并传递回所述优化算法步骤。5.根据权利要求4所述的一种超宽带高口径效率平面反射阵天线的宽频带内反射相位一致性调节方法，其特征在于：所述数据处理步骤具体包括：根据等效反射长度的计算公式求出每个频点的等效反射长度随L的变化曲线；然后求出所有曲线的均值，并将各个频点等效相位长度和相位延迟线(6)长度与均值曲线进行对比，求出所有曲线的方差之和vL，将vL作为判断宽带内反射相位一致性的指标；将vL的值传递回所述优化算法步骤，作为PSO收敛的判断依据。6.根据权利要求5所述的一种超宽带高口径效率平面反射阵天线的宽频带内反射相位一致性调节方法，其特征在...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈爱新，秦葭湄，孙铭宇，关勐，付学东，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。