偏馈激励多嵌套开口环毫米波微带反射阵列天线的制作方法

1.本发明属于微波技术领域，尤其是涉及一种偏馈激励多嵌套开口环毫米波微带反射阵列天线。


背景技术：

2.传统的高增益天线主要为以抛物面为阵面的反射面天线和相控微带阵列天线。以抛物面为阵面的反射面天线的优点是整体天线结构简单，带宽大，但体积大，部署困难，转向不易，需配套有复杂的伺服系统且对抛物面的制作工艺要求高，不适用于大规模商用，常用于卫星通讯。而微带阵列天线，其使用的pcb刻蚀法，技术成熟，且可通过移相器对每个阵元单独调节相位和振幅，但存在系统馈电网络结构复杂、毫米波馈电损耗大等缺点。因此，结合上述两种天线的特点，微带反射阵列天线由此而生。其具有抛物面天线的高增益，却无庞大冗杂的系统结构，且在舍去微带阵列天线复杂的馈电网络的同时可通过设计简单的反射单元保持有高准确度的谐振排布，具备波束扫描、多频、多波束赋形等功能。
3.从天线的馈源角度出发，圆极化天线有着诸多优良的特性，其一，由于圆极化天线可以发射和接收任意极化的电磁波的特性，所以其可适用电子侦察；其二，圆极化天线有反射波旋向发生反转的特性可有效的应对不同天气状况带来的通讯影响；其三，圆极化天线的极化正交性还可避免电离层由法拉第旋转带来的电磁波极化畸变。基于圆极化天线的优秀特性，其目前已广泛应用于导航系统、雷达通信等诸多领域。


技术实现要素：

4.本发明的目的是在于提供具有高增益、低旁瓣、低交叉极化的性能，能够广泛用于5g毫米波通信的一种偏馈激励多嵌套开口环毫米波(38ghz)微带反射阵列天线。
5.本发明包括介质基板、接地板、空气层、馈源和微带开口圆环反射阵列；所述微带开口圆环反射阵列包括n个开口圆环嵌套型单元，n个开口圆环嵌套型单元满足一定关系均匀排列于介质基片上表面并呈一定角度旋转分布，微带开口圆环反射阵面向馈源；每个开口圆环嵌套型单元包含m个半径大小不等的开口圆环嵌套组成；介质基板背面为空气层，空气层背面为接地板。
6.不同阶次的开口圆环嵌套型单元的尺寸和排布遵循一定规律；通过控制开口圆环嵌套型单元沿每个开口圆环自身中心逆时针旋转的角度实现反射相位延迟，依据口径场叠加法由相位分布得出所需补偿相位随后根据开口圆环嵌套型单元相移曲线得到对应的开口圆环嵌套型单元旋转角度使每个开口圆环嵌套型单元呈一定角度旋转型分布；开口圆环嵌套型单元由m个半径大小不等的开口圆环相接嵌套而成，开口圆环嵌套型单元可通过调整开口圆环的数量和嵌套相接的位置，按2、3、4
…
逐阶延伸，根据下阶比上阶多一个半径更小的开口圆环且与次之小的开口圆环相接嵌套组成。
7.所述介质基板层采用高性能低耗毫米波介质基板，所述介质基板的介电常数可为
2.2～6.0，介质基板的轮廓为圆形，介质基板厚度为h＝0.3～0.7mm；所述开口圆环嵌套型单元的外形轮廓为正方形，正方形轮廓边长p＝3～6mm；所述空气层的厚度为ha＝0.5～1.5mm。
8.所述馈源使用圆锥型波纹喇叭天线做偏馈激励，波束方向偏离垂直方向一定角度指向微带开口圆环阵列天线，偏馈角度为0～40
°
，微带开口圆环反射阵列出射波束的目标偏出角度为theta＝15
°
、phi＝180
°
，所述圆锥型波纹喇叭天线馈源与阵列反射面之间的距离为30～50mm。
9.所述开口圆环嵌套型单元结构采用覆铜技术刻蚀在介质基板一面，覆铜厚度为0.03～0.12mm。
10.所述m个半径大小不等的开口圆环对应内径由大到小分别为r1～rm，m的取值范围m＝2～8；开口圆环的宽度相同均为w，w的取值范围0.05～0.1mm；当微带开口圆环反射阵列天线单元阶次为m时，m个圆环的初始开口位置均为从水平正向向上偏移一定角进行开口且m个圆环的内径的初始切点均位于(r1,0)，最大的开口圆环的圆心在坐标原点，内径为r1，外径为r1 w，圆环角度为a1；第二大开口圆环的圆心以(r1
‑
r2,0)为起点绕原点逆时针旋转ra2后得到，即圆心为((r1
‑
r2)*cos(ra2),(r1
‑
r2)*sin(ra2))，内径为r2，外径为r2 w，圆环角度为a2，再以自身为中心逆时针旋转ras2；第三大开口圆环的圆心以(r1
‑
r3,0)为起点先绕原点逆时针旋转ra2，再绕第二大开口圆环的圆心逆时针旋转ra3后得到，即圆心为((r1
‑
r2)*cos(ra2) (r2
‑
r3)*cos(ra2 ra3),(r1
‑
r2)*sin(ra2)
‑
(r2
‑
r3)*sin(ra2 ra3))，内径为r3，外径为r3 w，圆环角度为a3，再以自身为中心逆时针旋转ras3；依次类推，第k大开口圆环的圆心以(r1
‑
rk,0)为起点先绕原点逆时针旋转ra2，再绕第二大开口圆环的圆心逆时针旋转ra3，绕第三大开口圆环的圆心逆时针旋转ra4
……
绕第k
‑
1大开口圆环的圆心逆时针旋转rak后得到，即圆心为((r1
‑
r2)*cos(ra2) (r2
‑
r3)*cos(ra2 ra3)
…
((r(k
‑
1)
‑
rk)*cos(ra2 ra3
…
rak),(r1
‑
r2)*sin(ra2)
‑
(r2
‑
r3)*sin(ra2 ra3)
‑…‑
((r(k
‑
1)
‑
rk)*sin(ra2 ra3
…
rak))，内径为rk，外径为rk w，圆环角度为ak，再以自身为中心逆时针旋转rask；开口圆环的角度ak均相等，即开口大小相等，取值范围为340
°
～350
°
；rak、rask为变量，取值范围为0～360
°
，m取值不同时，rak、rask取值不同，会造成相邻开口圆环的嵌套位置和相对开口位置不同，而它们的值由开口圆环嵌套型单元随不同角度值的组合变化得到的反射特性决定，从中选取反射损耗最小且反射幅值最大的角度值组合，因此当m取值不同时，开口圆环的嵌套相接位置和相对开口位置也有所不同。
11.所述微带开口圆环反射阵列天线不同阶次的基本开口圆环嵌套型单元半径之间满足优化的比率；当微带开口圆环反射阵列天线单元阶次为m时，基本开口圆环嵌套型单元的结构的按半径从大到小的第k大圆环的半径rk＝r1*p
k
‑1，其中优化比率p＝0.3～0.7，可用于调整工作频率，k＝2～m，半径基数r1＝1.2～1.8mm；当半径基数r1取最大值，每个圆环半径优化比率p取最大值，开口圆环宽度w取最小值时，阶次m可取到最大值8。
12.微带开口圆环反射阵列单元的构成方式是依据口径场叠加法由所求波束相位场分布得出所需补偿相位即第(m,n)个单元的补偿相位，假设馈源位矢为第(m,n)个单元位矢为目标波束指向应满足通过
对的调整，使其满足上式即可设计出主波束任意朝向的反射阵；随后根据开口圆环嵌套型单元相移曲线得到对应的开口圆环嵌套型单元沿单元中心逆时针旋转的角度其中开口圆环嵌套型单元旋转角度的范围为0～180
°
。
13.本发明通过调节微带开口圆环反射阵列天线中的开口圆环嵌套型单元的类型、旋转角度可进行调相、提高增益，达到控制旁瓣和低交叉极化等效果。m阶开口圆环嵌套型单元按一定规律对半径大小和圆环嵌套相接位置进行排布，可以针对性的对天线的带宽和工作频率进行调节，获得良好的微带天线特性。本发明的偏馈激励多嵌套开口环毫米波微带反射阵列天线结构简单统一，只需对开口圆环嵌套型单元进行旋转，易于加工制作，成本较低，能够稳定的工作在毫米波频段。
附图说明
14.图1为本发明实施例系统整体组成结构图；
15.图2为本发明实施例的不同类型的旋转型开口圆环嵌套型单元结构的主视图；
16.图3为本发明实施例的不同类型的旋转型开口圆环嵌套型单元结构的侧视图；
17.图4是三开口圆环嵌套型单元回波损耗(s11参数)曲线；
18.图5是三开口圆环嵌套型单元反射相位与入射角关系曲线；
19.图6是三开口圆环嵌套型单元共极化分量与入射角关系曲线；
20.图7是三开口圆环嵌套型单元交叉极化分量与入射角关系曲线；
21.图8为本发明实施例的微带开口圆环反射阵列的俯视图；
22.图9是旋转调相机制的微带开口圆环反射阵列辐射方向图；
23.图10是旋转调相机制的微带开口圆环反射阵列的增益与频率关系曲线。
具体实施方式
24.以下实施例将结合附图对本发明作进一步说明。
25.如图1～3，本发明实施例设有介质基板1，介质基板1上表面设有微带开口圆环反射阵列4，介质基板背面为空气层2，空气层背面为接地板3，介质基板、接地板轮廓为圆形；满足一定关系排列的微带开口圆环反射阵列4在上表面呈一定角度旋转型分布，微带开口圆环反射阵列面朝向圆锥型波纹喇叭馈源5。通过控制开口圆环嵌套型单元沿每个开口圆环自身中心逆时针旋转的角度实现反射相位延迟，依据口径场叠加法由相位分布得出所需补偿相位随后根据开口圆环嵌套型单元相移曲线得到对应的开口圆环嵌套型单元旋转角度
26.所述开口圆环嵌套型单元结构由m个半径大小不等的开口圆环相接嵌套而成，开口圆环嵌套型单元可通过调整开口圆环的数量和嵌套相接的位置，按2、3、4
…
逐阶延伸，根据下阶比上阶多一个半径更小的开口圆环且与次之小的开口圆环相接嵌套组成。
27.所述介质基板层采用高性能低耗毫米波介质基板，所述介质基板的介电常数可为2.2～6.0，介质基板的轮廓为圆形，介质基板厚度为h＝0.3～0.7mm。所述开口圆环嵌套型单元的外形轮廓为正方形，正方形轮廓边长p＝3～6mm。所述空气层的厚度为ha＝0.5～
1.5mm。
28.所述馈源使用圆锥型波纹喇叭天线做偏馈激励，波束方向偏离垂直方向一定角度指向微带开口圆环阵列天线，偏馈角度为0～40
°
，微带开口圆环反射阵列出射波束的目标偏出角度为theta＝15
°
、phi＝180
°
，所述圆锥型波纹喇叭天线馈源与阵列反射面之间的距离为50～60mm。
29.所述m个半径大小不等的开口圆环对应内径由大到小分别为r1～rm，m的取值范围m＝2～8；开口圆环的宽度相同均为w，w的取值范围0.05～0.1mm；当微带开口圆环反射阵列天线单元阶次为m时，m个圆环的初始开口位置均为从水平正向向上偏移一定角进行开口且m个圆环的内径初始切点均位于(r1,0)，最大的开口圆环的圆心在坐标原点，内径为r1，外径为r1 w，圆环角度为a1；第二大开口圆环的圆心以(r1
‑
r2,0)为起点绕原点逆时针旋转ra2后得到，即圆心((r1
‑
r2)*cos(ra2),(r1
‑
r2)*sin(ra2))，内径为r2，外径为r2 w，圆环角度为a2，再以自身为中心逆时针旋转ras2；第三大开口圆环的圆心以(r1
‑
r3,0)为起点先绕原点逆时针旋转ra2，再绕第二大开口圆环的圆心逆时针旋转ra3后得到，即圆心((r1
‑
r2)*cos(ra2) (r2
‑
r3)*cos(ra2 ra3),(r1
‑
r2)*sin(ra2)
‑
(r2
‑
r3)*sin(ra2 ra3))，内径为r3，外径为r3 w，圆环角度为a3，再以自身为中心逆时针旋转ras3；依次类推，第k大开口圆环的圆心以(r1
‑
rk,0)为起点先绕原点逆时针旋转ra2，再绕第二大开口圆环的圆心逆时针旋转ra3，绕第三大开口圆环的圆心逆时针旋转ra4
……
绕第k
‑
1大开口圆环的圆心逆时针旋转rak后得到，即圆心((r1
‑
r2)*cos(ra2) (r2
‑
r3)*cos(ra2 ra3)
…
((r(k
‑
1)
‑
rk)*cos(ra2 ra3
…
rak),(r1
‑
r2)*sin(ra2)
‑
(r2
‑
r3)*sin(ra2 ra3)
‑…‑
((r(k
‑
1)
‑
rk)*sin(ra2 ra3
…
rak))，内径为rk，外径为rk w，圆环角度为ak，再以自身为中心逆时针旋转rask；开口圆环的角度ak均相等，即开口大小相等，取值范围为340
°
～350
°
；rak、rask为变量，取值范围为0～360
°
，m取值不同时，rak、rask取值不同，会造成相邻开口圆环的嵌套位置和相对开口位置不同，而它们的值由开口圆环嵌套型单元随不同角度值的组合变化得到的反射特性决定，从中选取反射损耗最小且反射幅值最大的角度值组合，因此当m取值不同时，开口圆环的嵌套相接位置和相对开口位置也有所不同。
30.作为优选方案，实施例天线总体半径为22mm，厚度为2.7mm，介质基板1采用rossgers rt5880(lossy)，介电常数ε
r
＝2.2，损耗角正切σ＝0.002，介质基板厚度h为0.508mm。开口圆环嵌套型单元正方形轮廓边长p为3.947mm，介质基板上放置n＝97个开口圆环嵌套型单元。
31.本发明实施例中馈源采用的是加载透镜的圆锥型波纹喇叭，它在传统光壁圆锥型喇叭天线的开口面内壁增添波纹，以降低交叉分量、调节方向图对称性并稳定相位中心。加载透镜选用弯月型透镜。38ghz的喇叭在笛卡尔坐标系中的尺寸轮廓为16.48mm、16.48mm、21.87mm，加载的扼流圈圈数为5，张角为60
°
。中心频率38ghz处增益为15.7db，半功率波束宽度31.2
°
。e、h面辐射方向高度重合，交叉极化较低。
32.本发明的优选实施例详述如下：
33.实施例中，采用三开口圆环嵌套型单元结构，即取m＝3。三开口圆环嵌套型单元优化尺寸如下：最大开口圆环的半径r1为1.5mm，角度a1为345
°
，圆心为坐标原点；中间大开口圆环的半径为r2＝0.6mm，角度a2为345
°
，其圆心以(0.9,0)为起点绕原点逆时针旋转ra2＝40
°
后得到，其又以自身为中心逆时针旋转ras2＝170
°
；最小开口圆环的半径为r3＝
0.36mm，角度a3为345
°
，其圆心以(1.14,0)为起点先绕原点逆时针旋转ra2＝40
°
，再绕中间大开口圆环圆心逆时针旋转ra3＝240
°
后得到，其又以自身为中心逆时针旋转ras3＝145
°
；开口圆环的宽度相同均为w＝0.1mm。
34.作为优选方案，焦径比f/d＝1.14为最佳馈源位置，开口圆环嵌套型单元周期p＝3.947mm，辐射半径d＝30mm，所述圆锥型波纹喇叭馈源5与阵列反射面4之间的距离为43mm。
35.采用三开口圆环嵌套型单元设计单馈源反射阵，由圆锥型波纹喇叭天线做偏馈激励，馈源的偏馈角度为10
°
，微带开口圆环反射阵列出射波束的目标偏出角度为theta＝15
°
、phi＝180
°
。
36.参见图4，三开口圆环嵌套型单元满足15db幅值判定条件的圆极化带宽为(36.3～39.2ghz)。
37.参见图5，三开口圆环嵌套型单元在入射角0～360
°
的旋转范围以180
°
为周期变化，且在每个周期内保持有0～360
°
的相移范围。
38.参见图6～7，采用圆极化入射，在中心频率38ghz处，其共极化分量保持在
‑
0.0443db，基本保持恒定，交叉极化的波动同样基本可忽略，维持在
‑
29.082db附近。
39.参见图8，三开口圆环微带反射阵列的俯视图中馈源的偏馈角度为10
°
。
40.参见图9，三开口圆环微带反射阵列反射波束严格指向theta＝15
°
、phi＝180
°
，中心频点处增益为16.7db，副瓣电平为
‑
8.9db。
41.参见图10，三开口圆环嵌套型微带反射阵列天线的1db带宽为32.955～42.723ghz和50.356～54.000ghz，共13.412ghz，阵列圆极化带宽范围35.29％。
42.表1给出本发明的制造加工误差对天线的影响特性。
43.表1
[0044][0045]
注：表1中数据已有一定冗余，各参数之间有一定关联性，可根据需要优化结构参数完成特殊设计。
[0046]
综上所述，本发明的偏馈激励毫米波微带反射阵列天线由n个开口圆环嵌套型单元组成，开口圆环嵌套型单元满足一定关系均匀排列于介质基片上表面并呈一定角度旋转分布，每个开口圆环嵌套型单元包含m个半径大小不等的开口圆环嵌套组成。不同阶次开口圆环嵌套型单元的尺寸和排布遵循一定规律。相邻单元的排布并不一样，它们之间的电流指向不规则，对远场的叠加做用有所抵消，故采用旋转调相机制使阵列的交叉极化性能得以降低。与传统的微带反射阵列天线相比较，能够得到高增益和低副瓣的辐射性能，且结构
简单，易于加工，因此本发明应用前景十分广阔。