一种基于亚波长螺旋移相单元的微带反射阵列天线的制作方法

本申请涉及无线传输领域，尤其涉及一种基于单层亚波长螺旋移相单元的微带反射阵列天线。

背景技术：

微带反射阵天线结合了抛物面天线和阵列天线的特点，具有体积小、重量轻、易于载体共形等优点，有广阔的应用前景。它但是它也存在带宽窄的缺点，针对这一缺点，国内外学者提出了多种展宽其带宽的方法，采用亚波长技术就是其中一种很有效的方法。

亚波长技术主要是指阵列单元的周期远小于传统的半波长，即在半个波长的距离范围内采用多个单元进行相位补偿，这样就等效的增加了离散补偿相位精度进而增加微带反射阵的工作带宽。但是由于单元周期很小，限制了单元调相参数的变化范围，因此，传统的亚波长反射阵单元的反射相位范围难以达到360°，这会在设计微带反射阵天线的时候引入一定的相位误差，从而影响天线的增益、带宽等性能。

技术实现要素：

本申请实施例提出了一种基于亚波长螺旋移相单元的微带反射阵列天线，该天线包括：多个由螺旋形移相臂组成的移相单元。

可选地，所述移相单元以方形阵列的方式排布。

可选地，所述移相单元为单层亚波长结构。

可选地，所述移相单元上均匀设置有6条螺旋形移相臂。

可选地，所述移相单元的间距范围为：5毫米至6毫米。

可选地，所述阵列天线由19×19的移相单元组成。

可选地，所述阵列天线的中心频率为：13GHz至14GHz。

可选地，所述天线阵列还包括：馈电结构，用于向所述阵列天线发射波束，所述波束指向为馈源入射波的镜面反射方向。

可选地，所述馈电结构采用角锥喇叭，所述角锥喇叭以偏馈的方式对微带反射阵列天线进行馈电。

可选地，所述阵列天线的工作极化方式为线极化。

本发明的有益效果如下：

本申请所述技术方案采用单层亚波长六臂螺旋移相单元，其反射相位范围超过了500°，突破了传统亚波长反射阵单元的反射相位范围难以达到360°的限制，且反射相位曲线平滑，线性度良好，有利于宽带反射阵的设计；本发明的基于单层亚波长螺旋移相单元的微带反射阵列天线辐射性能优良，且天线结构简单，成本低，易于工程实现。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示出本方案所述微带反射阵列天线的表面结构示意图；

图2示出本方案所述将单臂阿基米德螺旋通过旋转复制得到多个螺旋移相臂上的原理示意图；

图3示出本方案所述单层亚波长螺旋移相单元的示意图；

图4示出本方案所述微带反射阵列天线的馈电结构示意图；

图5示出单层亚波长螺旋单元在中心频率处，其反射相位随螺旋圈数变化的曲线图。

图6示出本方案所述微带反射阵列天线的E面辐射方向图；

图7示出本方案所述微带反射阵列天线的H面辐射方向图。

附图标号

1、微带反射阵列天线，2、移相单元，3、移相臂，4、角锥喇叭。

具体实施方式

为了使本申请的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本说明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。

本方案的核心思路是基于亚波长技术，将微带反射阵列天线1的移相单元2设计为螺旋形的移相臂3，以此增加由微带反射阵列天线1组成的亚波长反射阵的反射相位范围，并且使其反射相位曲线更加平滑，线性度更佳。

如图1至图3所示，本方案提供了一种微带反射阵列天线1，该天线包括：多个由螺旋形移相臂3组成的移相单元2。通过螺旋形移相臂3的设计可以有效提高亚波长反射阵单元的反射相位范围。进一步的，由于采用亚波长技术能够等效的增加了离散补偿相位精度进而增加微带反射阵的工作带宽。因此，本方案中，将螺旋形移相臂3和亚波长技术相结合，形成具有螺旋形移相臂3的单层亚波长移相单元结构。

本方案中，为了保证传输的稳定性，降低干扰，将移相单元2以方形阵列的方式排布，移相单元2间的间距范围保证在5毫米至6毫米；其中，如图3所示，移相单元2的L为单元周期，即相邻单元之间的距离；移相单元2的厚度h的范围为2mm至4mm。可选地，所述微带反射阵列天线1由19×19的移相单元2组成。

此外，如图4所示，本方案所述微带反射阵列天线1还包括：馈电结构，用于向所述微带反射阵列天线1发射波束，所述微带反射阵列的波束指向为馈源入射波的镜面反射方向。可选地，所述馈电结构采用角锥喇叭4，所述角锥喇叭4以偏馈的方式对微带反射阵列天线1进行馈电。

本方案采用角锥喇叭4以偏馈的方式对反射阵进行馈电，阵面口径尺寸D＝104.5mm，，焦径F为104.5mm，即焦径比F/D＝1，θ为馈源入射角，本实施例中取12°，波束指向为(θ0＝12°，φ0＝90°)的方向，阵列的工作极化方式为线极化。阵列中相邻的亚波长六臂螺旋单元的旋向相反，有利于抑制反射阵的交叉极化电平。该螺旋单元是通过改变其臂长来控制单元的反射相位值的大小，因此阵列中不同位置处的螺旋线长度不同，由于馈源到阵列上各个单元的距离不同，导致从馈源发出的入射波到达阵列表面各个单元处产生相位差，通过控制螺旋单元的臂长来对该相位差进行补偿，从而使得由馈源发出的球面波经微带反射阵反射之后形成平面波。

采用以下公式对阵列中每个单元所需补偿的相位值进行计算：

其中，(xi，yi)为阵列中第i个单元的坐标，k0为真空中的传播常数，di为馈源与第i个单元之间的距离，(θ0，φ0)为阵列的波束指向。

另外，本方案所述微带反射阵列天线1的工作极化方式为线极化。

下面通过实例对本方案作进一步说明。

如图1所示，本实例提供了一种基于单层亚波长螺旋移相单元2的微带反射阵列天线1，包括馈源和微带反射阵列，所述阵列若干个周期排列的亚波长六螺旋臂移相单元2。基于亚波长技术对微带反射阵列天线1进行设计，通过权衡各个参数之间的影响，合理的设计亚波长螺旋单元的臂数，并优化各个参数；因此，本实例中螺旋臂的个数可以根据实际传输需要进行调整，例如设计为4条、8条、10条等均可。如图2所示，通过对单条螺旋臂的中心点距离a、曲率ω等进行设计，再将单臂阿基米德螺旋通过旋转复制得到多个螺旋移相臂3上；所述单层亚波长螺旋移相单元2是通过改变其移相臂3的长度来控制单元的反射相位值的大小。利用该单元，结合微带反射阵天线的设计方法和经验，进行微带反射阵的设计。

本实例中，如图1所示，该微带反射阵天线共有19行19列，即共包含361个单层亚波长螺旋移相单元2，单元间距为5.5mm，所述微带反射阵天线的中心频率为13.58GHz，采用角锥喇叭4以偏馈的方式对微带反射阵天线进行馈电，波束指向为馈源入射波的镜面反射方向，阵列的工作极化方式为线极化。

如图5所示，本实例中的亚波长螺旋单元在中心频率13.58GHz处，其反射相位随螺旋圈数的变化曲线，从图中可以看到，当螺旋圈数从1.4增加到2.9时，亚波长螺旋单元的反射相位值从27°变化到-482°，总的变化范围超过了500°，突破了传统亚波长反射阵单元的反射相位范围难以达到360°的限制。此外，该反射相位曲线平滑，线性度良好，斜率较小，对反射阵的加工精度要求较低。

在通过公式(1)计算得到了阵列中每个单元位置处所需补偿的相位值之后，结合图4给出的亚波长螺旋单元的反射相位曲线，通过线性插值的方法就可以得出阵列中每个单元的螺旋圈数，从而完成该亚波长螺旋单元的微带反射阵列天线1的设计。

如图6和图7所示，本实例所述微带反射阵列天线1在中心频率13.58GHz处的E面和H面辐射方向图，从图中可以看到，该反射阵的增益达到了21.5dB，E面副瓣电平低于-18.5dB，H面副瓣电平低于-19dB，波束指向准确地指向了所设计的θ＝12°方向。

本申请所述技术方案采用单层亚波长六臂螺旋移相单元2，其反射相位范围超过了500°，突破了传统亚波长反射阵单元的反射相位范围难以达到360°的限制，且反射相位曲线平滑，线性度良好，有利于宽带反射阵的设计；本方案的基于单层亚波长螺旋移相单元2的微带反射阵列天线1辐射性能优良，且天线结构简单，成本低，易于工程实现。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。