本發明屬于天線技術領域，特別涉及一種單層微帶反射陣列天線及其設計方法。

背景技術：

微帶反射陣列天線結合了反射面天線和陣列天線的優點，具有波束可控性好、增益高、重量輕、成本低等優點。根據除地板層之外金屬層的數量，微帶反射陣列天線可以分為多層結構和單層結構，多層結構需要使用多層帶有金屬底板的介質材料，其結構較為復雜，加工成本較高。而常規單層反射陣列天線一般都是通過增加空氣層或者較厚的泡沫層來實現較好的移相特性，但是其裝配較為繁瑣，同時也會引入不必要的誤差。因此，僅使用一種介質材料會給天線的設計裝配帶來很大的便利。另外，從移相單元的對稱性來看，大部分微帶反射陣的移相單元均具有旋轉對稱特性或者中心對稱特性。

技術實現要素：

本發明的目的在于，為了突破現有移相單元對稱性的限制，提供一種新型的單層微帶反射陣列天線，該陣列天線所采用的移相單元具有非中心對稱結構和非旋轉對稱結構，且其移相特性較好。

為實現上述目的，本發明提出了一種單層微帶反射陣列天線，包括饋源和微帶反射陣列；所述的微帶反射陣列包括若干個移相單元、單層介質基底和金屬底板，所述的移相單元包括兩個寬度沿周向漸變的圓環貼片，兩個圓環貼片以非同心位置嵌套在一起，所有移相單元等間隔周期排列在介質基底上，所述的金屬底板設置于單層介質基底的底面。

作為上述技術方案的進一步改進，所述單層介質基底的厚度為3mm。

作為上述技術方案的進一步改進，所述的兩個圓環貼片中的大圓環的外圓直徑為D₁，大圓環的內圓直徑為D₂，小圓環的外圓直徑為D₃，小圓環的內圓直徑為D₄，則有關系為D₂＝0.8D₁，D₃＝0.5D₁，D₄＝0.8D₃；所述大圓環的外圓直徑由移相單元所需的補償相位確定。

作為上述技術方案的進一步改進，兩個圓環貼片的最小寬度均為0.1mm，且兩個圓環貼片之間的最小間距為0.2mm。

作為上述技術方案的進一步改進，所述移相單元的周期長度為固定值P，并滿足P＝0.6λ＝13.25mm，其中λ為電磁波在13.58GHz時的自由空間波長。

作為上述技術方案的進一步改進，所述的單層介質基底的相對介電常數為2.2，介質損耗角正切值為0.001。

作為上述技術方案的進一步改進，所述的饋源采用角錐喇叭，所述的微帶反射陣列的饋電方式為正饋。

本發明還同時提供了一種單層微帶反射陣列天線的設計方法，包括：

步驟1)選擇角錐喇叭作為天線的饋源，將角錐喇叭設置于微帶反射陣列的上方，同時設置角錐喇叭的相位中心距離微帶反射陣列的距離為焦徑F，滿足F＝k·D，其中D表示微帶反射陣列的口徑寬度，k的取值范圍為0.75-1之間；

步驟2)利用反射陣相位計算公式計算每個移相單元所需的補償相位；

步驟3)根據移相單元在其中心頻率處的反射相位曲線，獲取與其補償相位相對應的大圓環的外圓直徑D₁；

步驟4)利用步驟3)中獲得的大圓環的外圓直徑為D₁，計算獲得大圓環的內圓直徑為D₂＝0.8D₁，小圓環的外圓直徑為D₃＝0.5D₁，小圓環的內圓直徑為D₄＝0.8D₃；

步驟5)根據步驟4)中獲得的大圓環和小圓環尺寸制作各移相單元，將各移相單元等間隔周期排列在介質基底上，并將金屬底板設置于單層介質基底的底面。

作為上述技術方案的進一步改進，所述的反射陣相位計算公式表示為：

其中，表示第i個移相單元所需補償的相位，以選定的xoy平面設定角錐喇叭的相位中心坐標為(x_f,y_f,z_f)，設定第i個移相單元的位置坐標為(x_i,y_i,0)，表示反射波的波束指向角度，k₀＝2π/λ表示真空中電磁波的傳播常數，λ為電磁波在所設計的中心頻率處的自由空間波長，d_i表示饋源相位中心與第i個移相單元之間的距離，其計算公式為

本發明的一種單層微帶反射陣列天線及其設計方法優點在于：

本發明中設計的天線輻射特性優良，不同于傳統大部分微帶反射陣所采用的旋轉對稱的移相單元，本發明采用的移相單元結構為非中心對稱、非旋轉對稱結構，同樣實現了較大的移相范圍；另外在入射波以不同的角度斜入射時，移相特性曲線依然可以保持較好的平行特性；微帶反射陣列只采用了單層介質基底，具有結構簡單，加工組裝方便，質量輕等優點。

附圖說明

圖1是本發明實施例中的一種微帶反射陣列的俯視圖。

圖2a是圖1中示出的移相單元結構的俯視圖。

圖2b是圖1中示出的移相單元結構的側視圖。

圖3是本發明中的移相單元的反射相位和反射幅度在不同頻率下，隨大圓環的外圓直徑D₁變化的曲線圖。

圖4是本發明中的移相單元的反射相位隨入射波以不同的入射角入射時的相位變化曲線圖。

圖5是本發明中的反射陣天線饋電結構及微帶反射陣列之間的位置關系示意圖。

圖6是本發明中的單層微帶反射陣列天線的輻射特性圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明所述的一種單層微帶反射陣列天線及其設計方法進行詳細說明。

本發明提供的一種單層微帶反射陣列天線，所述天線包括饋源和微帶反射陣列。所述的微帶反射陣列包括多個移相單元、單層介質基底以及金屬底板。所述移相單元等間隔地排列在單層介質基底上，其結構為非同心雙圓環，所述雙圓環為大、小兩個嵌套的不規則圓環貼片組成，所述的每個圓環貼片均由圓形貼片相減而成，兩個圓環貼片的寬度沿周向漸變。所述的金屬底板設置于單層介質基底的底面。所述的反射陣列天線的中心頻率為13.58GHz。

實施例一

本發明實現的是一個基于非同心雙圓環結構的單層微帶反射陣列天線，所述天線包括饋源和微帶反射陣列。所述的微帶反射陣列包括多個移相單元、單層介質基底以及金屬底板。如圖1所示，在本實施例中，該微帶反射陣列共設置有11行11列，即共121個移相單元，單元以等間隔周期排列在單層介質基底上。在其他實施例中，移相單元的個數可視情況而定。

如圖2a和圖2b所示，所述移相單元的長度為固定值P，并滿足P＝0.6λ＝13.25mm，其中λ為電磁波在13.58GHz時的自由空間波長。所述移相單元由兩個不規則的圓環構成，相關的直徑滿足關系：D₂＝0.8D₁，D₃＝0.5D₁，D₄＝0.8D₃，其中兩個圓環貼片中的大圓環的外圓直徑為D₁，大圓環的內圓直徑為D₂，小圓環的外圓直徑為D₃，小圓環的內圓直徑為D₄。大、小圓環均由兩個非同心圓形貼片相減而成，每個圓環的最小寬度均為w＝0.1mm。大圓環和小圓環不接觸，二者的間距在最小處為s＝0.2mm。有別于同心的雙圓環單元，本發明中的大小兩個不規則的圓環僅僅是軸對稱，并不滿足旋轉對稱和中心對稱的條件。

如圖2b所示，介質基底采用的是單層介質結構，其相對介電常數為2.2，介質損耗角正切值為0.001。在介質層和金屬底板間沒有額外的空氣或者泡沫層。在本實施例中，所述單層介質基底的厚度為3mm。

通過改變大圓環的外圓直徑D₁來獲得不同的反射相位。圖3中給出了在不同頻率時移相單元的反射相位和幅度隨大圓環的外圓直徑變化的曲線。從圖中可以看出，當D₁從1.4mm變化到13mm時，反射相位變化的范圍為560^°，可以很好地滿足360^°范圍的移相要求。另外，曲線的線性度較好，在不同頻率時相位反射曲線變化趨勢基本一致。圖4所示的是當入射波以不同的入射角入射時移相單元的反射相位曲線，從圖中可以看出，非旋轉對稱性沒有對不同的入射角入射產生消極影響，在不同的角度入射時相位曲線變化趨勢基本一致。

另外，基于上述結構的微帶反射陣列天線，本發明還提供了該微帶反射陣列天線的設計方法，參考圖5所示的反射陣列及其饋源的整體結構，所述的設計方法具體包括：

步驟1)選擇角錐喇叭作為天線的饋源，在本實施例中，饋源采用的角錐喇叭增益為15.2dB，為簡單起見，微帶反射陣列的饋電方式采用正饋，即將角錐喇叭設置于微帶反射陣列的上方；同時設置角錐喇叭的相位中心距離反射陣的距離為焦徑F，滿足F＝k·D，其中D為微帶反射陣列的口徑大小，k的取值范圍為0.75-1之間。在本實施例中，F＝0.8D，D＝145.8mm。

步驟2)以選定的xoy平面設定角錐喇叭的相位中心坐標為(x_f,y_f,z_f)，所述微帶反射陣列天線位于xoy平面，其中第i個移相單元的位置坐標為(x_i,y_i,0)。當反射波的波束指向固定為時，第i個移相單元所需補償的相位滿足補償相位公式：

其中k₀＝2π/λ表示真空中電磁波的傳播常數，λ為電磁波在所設計的中心頻率處的自由空間波長，d_i表示饋源相位中心與第i個移相單元之間的距離，其計算公式為

根據補償相位公式計算每個移相單元所需的補償相位。

步驟3)根據圖3所示的移相單元在其中心頻率處的反射相位曲線，找到每個移相單元補償相位相對應的大圓環的外圓直徑D₁。

步驟4)利用步驟3)中獲得的大圓環的外圓直徑為D₁，計算獲得大圓環的內圓直徑為D₂＝0.8D₁，小圓環的外圓直徑為D₃＝0.5D₁，小圓環的內圓直徑為D₄＝0.8D₃；從而可以確定圖1中示出的每個移相單元各部分的所有尺寸。

步驟5)根據步驟4)中獲得的大圓環和小圓環尺寸制作各移相單元，將各移相單元等間隔周期排列在介質基底上，并將金屬底板設置于單層介質基底的底面，至此完成單層微帶反射陣列天線的結構設計。

本發明中的天線通過采用HFSS仿真軟件對該天線仿真，可以得到其E面和H面的同極化和交叉極化特性，從圖6中示出的輻射特性圖可以看出，該天線在中心頻率處的增益為23.2dB，方向特性較好；E面交叉極化分量小于-37dB，可以有效抑制雜波干擾。

最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制。盡管參照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。