反射/透射双向一体化高增益天线的制作方法

本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种反射/透射双向一体化高增益天线。

背景技术：

微带反射阵和微带透射阵作为新一代的高增益天线，具有辐射效率高，辐射方向图灵活多样，以及重量轻等优点。但是对于传统的微带反射阵和微带透射阵而言，均需要一块或者多块介质板作为单元支撑。一般而言，这些介质板需要采用高频介质材料，而低损耗高频介质材料通常由外国厂商垄断供应，价格昂贵。尤其对于大规模制造，介质板的价格常常变得不可接受。因此设计一款厚度极薄的高增益天线，减少其对介质板性质的依赖将会极大的降低天线加工成本。

另一方面，对于微带反射阵，其高增益笔形波束方向为相对于馈源入射方向的反射方向；而对于微带透射阵，其高增益笔形波束方向为相对于馈源入射方向的透射方向。如何将反射阵和透射阵二者集成，形成一体化的反射和透射高增益笔形波束，目前相关领域还没有有效的解决方案。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种反射/透射双向一体化高增益天线，具有重量轻、剖面极低、成本低的优点，且反射波束与透射波束二者集成，增加了天线利用率，节约天线占用空间，进一步降低天线重量。

为了实现上述目的，本发明的实施例提出了一种反射/透射双向一体化高增益天线，包括：初级溃源，所述初级溃源用于发射和接收电磁波；调相单元，所述调相单元用于将所述初级溃源发出的球面波转换为平面波，以及接收平面波并汇聚到所述初级溃源内，其中，所述调相单元的物理厚度低于预设值；天线支撑结构，所述天线支撑结构分别与所述初级溃源和所述调相单元相连，用于固定所述初级溃源与所述介质层的相对位置。

另外，根据本发明上述实施例的反射/透射双向一体化高增益天线还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，所述初级溃源采用抛物面天线的溃源天线作为溃源。

在一些示例中，所述初级溃源为：角锥喇叭天线、圆喇叭天线、波纹喇叭天线或小型天线阵列，所述初级溃源的极化形式为任意极化。

在一些示例中，所述调相单元为金属片或介质层，所述金属片和所述介质层的厚度小于所述预设值。

在一些示例中，所述金属片和所述介质层的电尺寸厚度为工作波长的百分之一至千分之一。

在一些示例中，所述金属片为铝片，铜片或者不锈钢片。

在一些示例中，所述金属片的表面具有预设电路图案。

在一些示例中，所述预设电路图案由V型槽或者带有裂口的方形槽或者带有裂口的圆形槽构成。

在一些示例中，所述介质层的表面印刷有预设金属图案。

在一些示例中，所述预设金属图案由V型偶极子或带有裂口的方形环或带有裂口的圆形环构成。

根据本发明实施例的反射/透射双向一体化高增益天线，具有以下显著优点：

(1)单元阵列集成在单片极薄的金属片或者极薄介质层上面，具有重量轻，剖面极低，以及造价低等优点；

(2)反射波束与透射波束二者集成一体化，增加了天线利用率，节约天线占用空间，并且进一步降低天线重量。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的反射/透射双向一体化高增益天线的结构框图；

图2是根据本发明另一个实施例的反射/透射双向一体化高增益天线的结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的调相单元的示意图；

图4是根据本发明一个实施例的透射交叉极化系数示意图；

图5是根据本发明一个具体实施例的单元组成的阵列用于加工和仿真的AutoCAD示意图；

图6是根据本发明一个具体实施例的单元阵列局部放大图；

图7是本发明一个实施例中当馈源极化方向为y方向极化时，形成的反射和透射高增益笔形波束全波仿真结果示意图；

图8是本发明一个实施例中当馈源极化为左旋圆极化时，形成的反射和透射高增益笔形波束全波仿真结果示意图；

图9是本发明一个实施例中当馈源极化方向为y方向极化时，实测与仿真的透射主极化与交叉极化方向图；

图10是本发明一个实施例中当馈源极化方向为y方向极化时，实测与仿真的透射增益随频率变化曲线；

图11是本发明一个实施例中当馈源极化方向为y方向极化时，实测与仿真的反射主极化与交叉极化方向图；

图12是本发明一个实施例中当馈源极化方向为y方向极化时，实测与仿真的反射增益随频率变化曲线示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图描述根据本发明实施例的基于换流驱动电路的双向机械式直流断路器及其控制方法。

图1是根据本发明一个实施例的反射/透射双向一体化高增益天线的结构示意图。图2是根据本发明另一个实施例的反射/透射双向一体化高增益天线的结构示意图。如图1所示，并结合图2，该反射/透射双向一体化高增益天线100：初级溃源1、调相单元2和天线支撑结构3。

其中，初级溃源1用于发射和接收电磁波。

具体地，初级馈源1可以采用正馈、偏馈两种形式，图2示意图为正馈形式。首先需要确定馈源位置、反射阵物理口面大小，以及主波束出射方向。其中一般馈源位置以天线效率最高为最佳。

在本发明的一个实施例中，初级溃源1例如采用传统的抛物面天线的溃源天线作为溃源。更为具体地，初级溃源1例如为：角锥喇叭天线、圆喇叭天线、波纹喇叭天线或小型天线阵列。初级溃源1的极化形式为任意极化，也即初级溃源1的极化不受限制。

调相单元2用于将初级溃源1发出的球面波转换为平面波，以及接收平面波并汇聚到初级溃源1内，其中，调相单元2的物理厚度低于预设值。具体地说，预设值主要由天线支撑结构3的支撑能力来决定，当调相单元2的物理厚度低于预设值时，认定调相单元2的厚度极薄。例如，在全波仿真过程中，调相单元2的物理厚度可以接近于0，也即调相单元2具有超薄的物理厚度。

天线支撑结构3分别与初级溃源1和调相单元2相连，用于固定初级溃源1与调相单元2的相对位置。

在本发明的一个实施例中，调相单元2例如为金属片或介质层，金属片和介质层的厚度小于预设值。也就是说，金属片为极薄金属片，介质层为极薄介质层。该预设值即上述描述的预设值，即由天线支撑结构3的支撑能力来决定，当金属片或介质层的物理厚度低于预设值时，认定金属片或介质层的厚度极薄。在实际全波仿真过程中，金属片或介质层的物理厚度可以接近于0。

在一些示例中，上述金属片和介质层的电尺寸厚度为工作波长的百分之一至千分之一。

在一些示例中，上述金属片的材料例如为铝片，铜片或者不锈钢片。

在一些示例中，上述金属片的表面例如具有预设电路图案。更为具体地，预设电路图案由V型槽或者带有裂口的方形槽或者带有裂口的圆形槽构成。

在一些示例中，上述介质层的表面例如印刷有预设金属图案。更为具体地，预设金属图案由V型偶极子或带有裂口的方形环或带有裂口的圆形环构成。

在本发明的一个实施例中，该反射/透射双向一体化高增益天线100的投射和反射方向均可以形成高增益的笔形波束。

在具体示例中，图3本发明的一个实施例中所使用的全金属调相单元，即调相单元2为金属片，其物理形式为带有切口的方形槽。

图4为本发明的一个实施例中当对图3所示的全金属调相单元进行相关设计以后，所得到的透射交叉极化系数，这里以极坐标形式给出，因此包含了透射振幅和相位信息。其中透射交叉极化振幅大于0.49，相位范围360度。需要注意的是，利用电磁场边界条件，可以得到Tx＝Rx，其中Tx为透射的交叉极化系数，Rx为反射的交叉极化系数。

进一步地，利用图4所示的透射交叉极化系数，即可进行单元组阵。而组阵时所需要的单元相位补偿量由下式决定：

其中，f为设计频点，为第mn个单元的相位补偿，k为自由空间波数，为阵列中心到第mn个单元的位置矢量，为馈源到第mn个单元的位置矢量，为天线最大辐射方向单位矢量，Δφ为参考相位，N为任意整数。

图5为本发明的一个实施例中，当利用图2所示的全金属调相单元进行组阵时所生成的用于加工和仿真的AutoCAD示意图，其中图6是对图5的局部放大。通过图6可以看到，单元成准周期排布。

图7是当极化方向为y方向极化的馈源照射图6所示的全金属阵列时，所形成的反射和透射高增益笔形波束全波仿真结果。对于x方向极化的馈源照射，具有类似结果，这里不再赘述。

图8是当极化方向为左旋圆极化的馈源照射图6所示的全金属阵列时，所形成的反射和透射高增益笔形波束全波仿真结果。其中，所形成的左旋圆高增益波束为反射型，而右旋圆高增益波束为透射型。对于右旋圆极化的馈源照射，具有类似结果，这里不再赘述。

为了验证以上设计的正确性，在本发明的一个具体实施例中，加工了一款0.42米，中心频率为10GHz的样机。其中，超薄全金属片2由物理厚度为0.2mm的不锈钢片加工而成。由此可知，超薄全金属片电厚度低于百分之一工作波长。

图9是测试与仿真得到的主极化与交叉极化方向图。实测得到的旁瓣电平为-20dB，交叉极化电平-25dB。图10是测试与仿真的透射增益随频率变化曲线图。从图9和图10可知，实测与仿真吻合较好。

图11是测试与仿真得到的主极化与交叉极化方向图。实测得到的旁瓣电平为-18dB，交叉极化电平-19dB。图12是测试与仿真的反射增益随频率变化曲线图。从图11和图12可知，实测与仿真吻合较好。

通过以上实测，实测结果与仿真结果很好地吻合，成功的验证了本发明实施例所提出的超薄反射/透射双向一体化高增益天线。该天线的调相表面只需要一块超薄的金属片或者极薄介质层，并且可以在透射和反射方向均形成高增益笔形波束。以上描述的超薄双向高增益天线可以根据工作频段和使用环境的不同，设计出相应频段的馈源与调相金属表面，并且调相金属表面厚度由物理支撑结构的情况而决定。

综上，根据本发明实施例的反射/透射双向一体化高增益天线，具有以下显著优点：

(1)单元阵列集成在单片极薄的金属片或者极薄介质层上面，具有重量轻，剖面极低，以及造价低等优点；

(2)反射波束与透射波束二者集成一体化，增加了天线利用率，节约天线占用空间，并且进一步降低天线重量。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。