一种宽频带可重构反射阵天线的制作方法

本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种宽频带可重构反射阵天线。

背景技术：

星载天线是卫星有效载荷的重要组成部分。随着现代卫星通信的蓬勃发展，星载天线的电性能指标也变得越来越严苛，往往需要充分利用较小的天线安装空间来实现高增益波束扫描功能。

目前，星载天线的主要形式为反射面天线和相控阵天线。由于传统的反射面天线需要对表面进行赋形设计，因此加工难度大、加工过程复杂、体积庞大、结构笨重，传统反射面天线的加工模具无法重复使用，致使传统反射面天线的研发、制作成本长期居高不下。传统反射面天线的结构笨重，天线快速转动对卫星平台造成的扰动较大，因此无法实现快速波束扫描。可展开反射面天线的出现极大程度降低了反射面天线的重量。然而，可展开反射面天线仍然面临以下问题：结构复杂、设计难度大、无法实现快速波束扫描功能。相控阵天线通过馈电网络灵活调控每个阵元的馈电幅度与馈电相位，可以实现较好的波束扫描性能。然而，相控阵天线需要复杂的波束合成网络、大量的高损耗t/r组件、移相器、放大器(功率放大器与低噪声放大器)与温控设备等，从而导致系统功耗大、成本高、复杂度高，导致相控阵天线的体积、重量和功耗无法满足卫星的搭载要求。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种新型宽频带可重构反射阵天线，将“极化旋转表面+微型电机”作为反射阵天线单元，解决了现有单比特可重构反射阵天线工作带宽不足的问题。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种宽频带可重构反射阵天线，包括：极化栅、m×n个可重构反射阵列、极化旋转表面、微型电机、电机控制总线、相位控制板、馈源天线和支撑结构；其中，每个可重构反射阵列包括极化旋转表面和微型电机；其中，极化旋转表面和微型电机相连接；所述极化栅设置于所述支撑结构的上部；所述支撑结构用于固定所述极化旋转表面、所述微型电机、所述相位控制板和所述馈源天线；所述馈源天线位于m×n个可重构反射阵列的中心位置，馈源天线的辐射口面与极化旋转表面相平；所述相位控制板通过所述电机控制总线与所述微型电机相连接；其中，以可重构反射阵面的中心(即，馈源天线的几何中心)为坐标原点，建立直角坐标系oxyz，+z轴由馈源天线口面的几何中心指向极化栅的几何中心，+x轴沿着极化旋转表面的一条直角边，+y轴的指向利用右手坐标系的基本准则来确定。

上述宽频带可重构反射阵天线中，第(m,n)个可重构反射阵列的极化旋转表面上的入射电磁波相位φ^inc(m,n)，天线的期望波束指向为第(m,n)个可重构反射阵列的极化旋转表面的位置为(xm,n,ym,n,0)，第(m,n)个可重构反射阵列的极化旋转表面的补偿相位计算公式为；

其中，k为波数，δφ0为用于优化天线辐射方向图的常数相移，m为行号，n为列号，θd为期望波束指向与z轴的夹角，为期望波束指向在xoy面投影矢量与x轴的夹角，xm,n为第(m,n)个极化旋转表面的横坐标，ym,n为第(m,n)个极化旋转表面的纵坐标；

对第(m,n)个可重构反射阵列的极化旋转表面的补偿相移φ^com0(m,n)进行单比特离散，得到第(m,n)个可重构反射阵列的极化旋转表面的实际补偿相移φ^com(m,n)，可以按照如下公式进行离散：

当实际补偿相移φ^com(m,n)为0时，第(m,n)个可重构反射阵列的极化旋转表面的机械旋转角度为0度；当实际补偿相移φ^com(m,n)为π时，第(m,n)个可重构反射阵列的极化旋转表面的机械旋转角度为90度；

则，第(m,n)个可重构反射阵列的极化旋转表面的实际辐射相位为其实际补偿相移与入射相移之和，即φ^rad(m,n)＝φ^com(m,n)+φ^inc(m,n)。

上述宽频带可重构反射阵天线中，所述馈源天线为双脊宽带喇叭天线，馈源天线的极化形式为线极化，工作带宽覆盖5ghz～11ghz频带。

上述宽频带可重构反射阵天线中，所述极化旋转表面包括上层介质基板和下层介质基板。

上述宽频带可重构反射阵天线中，所述上层介质基板的材料为taconictlt，相对介电常数为2.55，厚度为3mm，双面均无覆铜。

上述宽频带可重构反射阵天线中，所述下层介质基板的材料为taconictlt，相对介电常数为2.55，厚度为4mm，双面覆铜。

上述宽频带可重构反射阵天线中，所述极化栅为印刷在介质基板两面的均匀金属条带。

上述宽频带可重构反射阵天线中，所述极化旋转表面的尺寸为9mm×9mm，工作频带为5.2ghz～10.5ghz。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明为折叠式可重构反射阵天线，能够有效降低反射阵天线的剖面尺寸，易于与载体平台集成；反射阵天线的辐射单元为“极化旋转表面+微型电机”，极化旋转表面与极化栅格均为印刷电路板结构，具有低成本、重量轻、加工周期短等优点。

(2)“极化旋转表面+微型电机”反射阵单元的工作频段为5.2ghz～10.5ghz，可以在较宽频带内提供单比特相位控制能力；在该工作频段内，“极化旋转表面+微型电机”型反射阵单元的极化旋转损失均小于0.5db，具有较高的极化旋转效率。

(3)在工作频段内，通过合理配置各个反射阵单元中微型电机的旋转角度，即可获得宽角度、宽频带的扫描波束；微型电机只需提供0°与90°两种工作状态即可，对微型电机的要求较低。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明的结构示意图结构原理图；

图2为宽频带可重构反射阵单元的相位控制原理的示意图；

图3为反射阵单元原理结构图；

图4(a)为微型电机0度时的反射阵单元的示意图；

图4(b)为微型电机90度时的反射阵单元的示意图；

图5(a)为反射阵单元幅度响应曲线的示意图；

图5(b)为反射阵单元相位响应曲线的示意图；

图6为双脊喇叭天线馈源结构图；

图7为波束θd＝0°～60°方向图仿真结果(频率为10ghz,m＝n＝33)的示意图；

图8(a)为波束θd＝0°对应的可重构反射阵编码顺序的示意图；

图8(b)为波束θd＝10°对应的可重构反射阵编码顺序的示意图；

图8(c)为波束θd＝20°对应的可重构反射阵编码顺序的示意图；

图8(d)为波束θd＝30°对应的可重构反射阵编码顺序的示意图；

图8(e)为波束θd＝40°对应的可重构反射阵编码顺序的示意图；

图8(f)为波束θd＝50°对应的可重构反射阵编码顺序的示意图；

图8(g)为波束θd＝60°对应的可重构反射阵编码顺序的示意图；

图9波束指向为(θd＝45°,)时波束扫描结果图(工作频率5ghz～10ghz，m＝n＝33)。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1为本发明的结构示意图结构原理图。如图1所示，该宽频带可重构反射阵天线包括：极化栅、m×n个可重构反射阵列、极化旋转表面、微型电机、电机控制总线、相位控制板、馈源天线和支撑结构；其中，每个可重构反射阵列包括极化旋转表面和微型电机；其中，极化旋转表面和微型电机相连接；所述极化栅设置于所述支撑结构的上部；所述支撑结构用于固定所述极化旋转表面、所述微型电机、所述相位控制板和所述馈源天线；所述馈源天线位于m×n个可重构反射阵列的中心位置，馈源天线的辐射口面与极化旋转表面相平；所述相位控制板通过所述电机控制总线与所述微型电机相连接。

极化栅位于整个天线的最上方，极化栅的具体结构为印刷在介质基板两面的均匀金属条带。支撑结构用于固定极化栅、极化旋转表面、微型电机、相位控制板、馈源天线，保证上述结构之间的几何位置关系。微型电机与极化旋转表面之间通过机械连接来固定，保证极化旋转表面能够快速、稳固、可靠地随微型电机发生机械转动。馈源天线位于极化旋转表面阵列的中心位置，馈源天线的辐射口面与极化旋转表面平齐。馈源天线的具体形式为双脊宽带喇叭天线，极化形式为线极化。

极化栅位于整个天线阵列的最上方，极化栅的具体结构为印刷在介质基板两侧的金属条带。宽频带可重构反射阵天线天线包含由m×n个“极化旋转表面+微型电机”组成的可重构反射阵列，m、n均为正整数，极化旋转表面单元的尺寸为9mm×9mm，天线的工作频带为5.2ghz～10.5ghz。极化旋转表面为双层结构，上层为介质覆层，下层为双面覆铜pcb板。馈源天线位于极化旋转表面阵列的中心位置，馈源天线的辐射口面与极化旋转表面平齐。馈源天线的具体形式为双脊宽带喇叭天线，极化形式为线极化。

以可重构反射阵面的中心(即，馈源天线的几何中心)为坐标原点，建立直角坐标系oxyz，+z轴由馈源天线口面的几何中心指向极化栅的几何中心，+x轴沿着极化旋转表面的一条直角边，+y轴的指向利用右手坐标系的基本准则来确定。

可重构反射阵单元由极化旋转表面单元与微型电机组成，具体结构见图2与图3。极化旋转表面单元为双层结构，由上、下两层介质基板组成，尺寸为9mm×9mm。上层介质基板的材料为taconictlt，相对介电常数为2.55，厚度为3mm，双面均无覆铜；上层介质基板主要用来展宽极化旋转表面的相对工作带宽。下层介质基板的材料为taconictlt，相对介电常数为2.55，厚度为4mm，双面覆铜；下层介质基板的两面金属结构分别为极化旋转表面结构和接地板。极化旋转表面结构的关键参数包括：开口金属环的外径、开口金属环的内径、开口金属环的缺口角度、加载枝节的长度、加载枝节的宽度、上层介质基板的厚度、下层介质基板的厚度。合理地设计双层介质基板的厚度、下层介质基板金属条带的结构尺寸，就可以获得宽频带的极化旋转性能。

在微型电机的两种工作状态下，极化旋转表面的两种布局形式见图4(a)和图4(b)。设，入射电磁波的极化形式为+x极化，则，当微型电机工作在第一种旋转状态时，极化旋转表面的反射电磁波的极化形式+y极化；当微型电机工作在第二种旋转状态时，极化旋转表面的反射电磁波的极化形式为-y极化。微型电机的两种旋转状态分别对应于0度反射相位与180度反射相位。因此，本专利中微型电机与极化旋转表面相组合，可以实现宽频带单比特相位控制功能。

极化旋转表面具有宽带工作特性，工作频带为5.2ghz～10.5ghz，在该频带上能够有效地实现极化旋转功能，极化旋转表面的极化旋转性能与反射相位性能仿真结果见图5(a)和由图5(b)。由图5(a)可知，在5.2ghz～10.5ghz频带内，极化旋转表面的极化旋转损失均在0.1db以下，同极化电磁波的反射系数均在-15db以下。由图5(b)可知，在5.2ghz～10.5ghz频带内，在微型电机0度与90度两种工作状态下，两个极化旋转表面单元的反射相位之差大约为180度。因此，极化旋转单元与微型电机相结合可以在较宽频带范围内实现单比特相位控制。

本实施例中，可重构反射阵天线馈源的极化形式为线极化，工作带宽覆盖5ghz～11ghz。由于双脊宽带喇叭天线结构简单、工作频带宽、波束控制容易，因此采用双脊喇叭天线作为本专利中可重构反射阵天线的馈源。双脊宽带喇叭天线的基本结构如图6所示。

根据双脊宽带喇叭天线、极化栅的模型与相对位置关系，可以利用如下两种方法得到反射阵面的入射场：(1)直接利用商用电磁仿真软件(hfss、feko、cst)进行全波仿真，计算得到极化旋转表面所在平面的入射电场的幅度和相位；(2)利用馈源天线辐射方向图的余弦函数模型近似计算入射电场的幅度分布，利用射线追踪法近似计算入射电场的相位分布。设，天线工作频率为f，第(m,n)号极化旋转表面单元上的入射电磁波幅度和相位分别为a^inc(m,n)与φ^inc(m,n)，天线的期望波束指向为第(m,n)号极化旋转表面单元的位置为(xm,n,ym,n,0)。为使天线的波束指向为第(m,n)号极化旋转表面单元的期望辐射相位可以表示为

对于单比特可重构反射阵而言，往往需要引入一个常数相移δφ0来对极化旋转表面的旋转角度进行优化。因此，第(m,n)号极化旋转表面单元的期望辐射相位可以表示为

φ^beam(m,n)＝φ^beam0(m,n)+δφ0(2)

值得注意，常数相移δφ0仅仅是一个额外的设计参量，调整δφ0只会影响副瓣的电平值与副瓣个数，不会影响天线的波束指向。第(m,n)号极化旋转表面单元的补偿相位计算表达式为

φ^com0(m,n)＝φ^beam(m,n)-φ^inc(m,n)(3)

由(1)、(2)、(3)可知，第(m,n)号极化旋转表面单元的补偿相位计算表达式为

由于本专利中可重构反射阵单元只能提供单比特相位控制，即，反射阵单元只能提供0度或180度反射相位，因此需要对第(m,n)号极化旋转表面单元的补偿相移φ^com0(m,n)进行单比特离散得到第(m,n)号极化旋转表面单元的实际补偿相移φ^com(m,n)，可以按照如下准则进行相位离散：

注意，当实际补偿相移φ^com(m,n)为0时，第(m,n)号极化旋转表面单元的机械旋转角度为0度；当实际补偿相移φ^com(m,n)为π时，第(m,n)号极化旋转表面单元的机械旋转角度为90度。

第(m,n)号极化旋转表面单元的实际辐射相位为其实际补偿相移与入射相移之和，即

φ^rad(m,n)＝φ^com(m,n)+φ^inc(m,n)(6)

第(m,n)号极化旋转表面单元的激励幅度可以近似用入射幅度a^inc(m,n)表示，激励相位为φ^rad(m,n)，则整个阵列的辐射方向图可以表示为

对于大型阵列而言，上述二维求和表达式的计算速度较慢，可以考虑使用二维离散逆傅里叶变换(idft)来进行计算。

如图7所示，可重构反射阵天线实现了高增益的空间扫描波束，令波束扫描范围可以覆盖θd＝0°～60°。波束扫描范围从θd＝0°～60°，以10°为间隔，每个扫描波束对应的可重构反射阵的编码顺序如图7所示。在图8(a)-图8(g)中，黑色编码“0”，表示0°反射相位；白色编码“1”，表示180°反射相位。

图9为可重构反射阵天线工作在6ghz～10ghz的波束扫描结果图。由图9可以看出：在该实施例中，通过合理设置可重构反射阵天线的编码顺序，可重构反射阵天线在不同频率选的波束指向均指向(θd＝45°,)方向。当频率发生变化时，可重构反射阵天线的编码顺序矩阵也会发生相应变化。

本实施例为了现有技术的问题，可重构反射阵天线应运而生。可重构反射阵天线是反射面天线和相控阵天线的结合体，兼具两者的优点：不仅具备反射面天线空间馈电的低损耗特性，而且具备相控阵天线灵活的波束控制能力。可重构反射阵天线具有如下优势：(1)剖面低、体积小、重量轻、易与载体共形；(2)采用空间馈电形式，不需要复杂的馈电网络、损耗小，降低了天线设计的复杂性；(3)采用化学腐蚀和光刻技术进行加工，成本低廉；(4)在无需波束形成网络和转动机构的情况下，可以实现快速波束扫描功能；(5)易于实现较低的交叉极化性能。

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。