可变波束倾角的平面阵列天线

摘要

本发明公开了一种可变波束倾角的平面阵列天线，包括：多个调相面，所述调相面是由透射移相单元组成的阵列；以及平面馈源，用于为多个所述调相面馈电；其中，每个调相面对电磁波的出射相位进行调控，多个调相面相互作用可以实现对波束倾角的控制。本发明具有如下优点：用新型的调相表面以及组合式相位调控方法，具有低剖面、扫描范围大、辐射效率高、系统简单可靠、成本低等优点；由于新型天线的低剖面特性，天线可以共形安装在车辆、飞机或船舶表面。

权利要求

1.一种可变波束倾角的平面阵列天线，其特征在于，包括：多个调相面，所述调相面是由透射移相单元组成的阵列；

平面馈源，用于为多个所述调相面馈电；

其中，每个调相面对电磁波的出射相位进行调控，多个调相面相互作用可以实现对波束倾角的控制；

其中，所述调相面是由多个透射移相单元组成的阵列，透射移相单元指的是具有如下透射系数T的单元：透射系数幅度|T|<1,透射系数相位可以在0°到360°范围内可连续调节，所述透射移相单元包括但不局限于四层双方环单元、三层螺旋偶极子单元或穿孔介质单元；

其中，多个所述调相面包括第一调相面和第二调相面，所述第一调相面和所述第二调相面上的所有透射移相单元的透射相位按照以下步骤设置：A：设定所述第一调相面和所述第二调相面按列呈梯度排列，每列的透射移相单元的透射相位相同，透射移相单元按照以下公式设置：其中，d为相邻列透射移相单元的距离，θ为最大扫描俯仰角， 为相邻列透射移相单元之间的相位差，λ为所述电磁波的波长；

B：对于所述第一调相面的透射移相单元的最终透射相位按照以下公式设置：其中， 表示第i个透射移相单元对应的最终透射相位， 为透射阵天线第i个透射移相单元透射的原始相位， 为仅与第i个单元与圆心距离有关的相位， 为常数；

对于所述第二调相面的透射移相单元的最终透射相位按照以下公式设置：其中， 表示第i个透射移相单元对应的最终透射相位， 为透射阵天线第i个透射移相单元透射的原始相位， 为仅与第i个单元与圆心距离有关的相位， 为常数；

其中，所述第二调相面位于所述第一调相面和所述平面馈源顺序之间。

2.根据权利要求1所述的可变波束倾角的平面阵列天线，其特征在于，还包括：旋转装置，用于对一个或多个所述调相面进行旋转。

3.根据权利要求1所述的可变波束倾角的平面阵列天线，其特征在于，所述平面馈源包括但不局限于微带阵列或缝隙阵列。

说明书

可变波束倾角的平面阵列天线

技术领域

[0001] 本发明涉及天线领域，具体涉及一种可变波束倾角的平面阵列天线。

背景技术

[0002] 目前，具有空间波束扫描能力的卫星接收(或发射)高增益天线，绝大部分采用抛物面天线，即平时所谓的“锅”天线。实际上，这种天线波束方向是固定的，所以当需要进行
波束扫描的时候，系统旋转整个抛物面以使得对应波束指向特定方向。这种设计注定了抛
物面天线机械结构复杂，体积大，对于车载、机载以及卫星等移动平台而言，是一个很大的
负担。

[0003] 除了抛物面天线外，相控阵天线是典型的具有空间波束扫描能力的高增益天线。但其高昂的造价令人望而却步，仅仅应用于军用项目，难以推广为卫星通信领域的解决方
案。

发明内容

[0004] 本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

[0005] 为此，本发明的目的在于提出一种可变波束倾角的平面阵列天线。

[0006] 为了实现上述目的，本发明的第一方面的实施例公开了一种可变波束倾角的平面阵列天线，包括：多个调相面，所述调相面是由透射移相单元组成的阵列；以及平面阵列馈
源，用于为多个所述调相面馈电；其中，每个调相面对电磁波的出射相位进行调控，多个调
相面相互作用可以实现对波束倾角的控制。

[0007] 根据本发明实施例的可变波束倾角的平面阵列天线，采用新型的调相表面以及组合式相位调控方法，具有低剖面、扫描范围大、辐射效率高、系统简单可靠、成本低等优点；
由于新型天线的低剖面特性，天线可以共形安装在车辆、飞机或船舶表面。

[0008] 另外，根据本发明上述实施例的可变波束倾角的平面阵列天线，还可以具有如下附加的技术特征：

[0009] 进一步地，所述调相面是由多个透射移相单元组成的阵列。透射移相单元指的是具有如下透射系数T的单元：透射系数幅度|T|<1,透射系数相位可以在0°到360°范围内可
连续调节，所述透射移相单元包括但不局限于四层双方环单元、三层螺旋偶极子单元或穿
孔介质单元。

[0010] 进一步地，多个所述调相面包括第一调相面和第二调相面，所述第一调相面和所述第二调相面上的所有透射移相单元的透射相位按照以下步骤设置：A：设定所述第一调相
面和所述第二调相面按列呈梯度排列，每列的透射移相单元的透射相位相同，所述的透射
移相单元按照以下公式设置： 其中，d为相邻列透射移相单元的距离，θ
为最大扫描俯仰角， 为相邻列透射移相单元之间的相位差，λ为所述电磁波的波长。

[0011] 进一步地，所述第一调相面和所述第二调相面上的所有透射移相单元的透射相位的设置步骤还包括：B：对于所述第一调相面的透射移相单元的最终透射相位按照以下公式
设置： 其中， 表示第i个透射移相单元对应的最终透射相位， 为透
射阵天线第i个透射移相单元透射的原始相位， 为仅与第i个单元与圆心距离有关的
相位， 为常数；对于所述第二调相面的透射移相单元的最终透射相位按照以下公式设
置： 其中， 表示第i个透射移相单元对应的最终透射相位， 为透射
阵天线第i个透射移相单元透射的原始相位， 为仅与第i个单元与圆心距离有关的相
位， 为常数；其中，所述第一调相面、所述第二调相面和所述平面馈源顺序排列。

[0012] 进一步地，还包括：旋转装置，用于对一个或多个所述调相面进行旋转。

[0013] 进一步地，所述平面馈源包括但不局限于微带阵列或缝隙阵列。

[0014] 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

[0015] 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：

[0016] 图1是本发明一个实施例的可变波束倾角的平面阵列天线的主视结构示意图；

[0017] 图2是本发明一个实施例的可变波束倾角的平面阵列天线的俯视视结构示意图；

[0018] 图3是图2中A处的局部放大图；

[0019] 图4是本发明一个实施例的透射移相单元的结构示意图；

[0020] 图5是本发明一个实施例的第一、第二调相面叠加相位的示意图；

[0021] 图6是本发明一个实施例的通过旋转第一调相面和第二调相面实现调整出射波束的示意图；

[0022] 图7是本发明一个实施例的出射波束随调相面旋转角度变化的结果示意图。

具体实施方式

[0023] 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。

[0024] 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。

[0025] 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。

[0026] 参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施
例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的
实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

[0027] 以下结合附图描述根据本发明实施例的可变波束倾角的平面阵列天线。

[0028] 请参考图1和图2。可变波束倾角的平面阵列天线，包括：两个调相面，所述调相面是由透射移相单元组成的阵列；以及平面馈源，用于为多个所述调相面馈电；其中，每个调
相面对电磁波的出射相位进行调控，多个调相面相互作用可以实现对波束倾角的控制。

[0029] 在本发明的一个示例中，可变波束倾角的平面阵列天线包括了第一调相面1、第二调相面2和平面馈源3。平面馈源3用于为第一调相面1和第二调相面2馈电。入射波束通过第
一调相面1后，入射波束的相位会发生改变。改变相位后的波束再次经过第二调相面2，波束
的相位再次发生改变。第一调相面1和第二调相面2改变波束相位的方式类似于楔形棱镜。
通过第一调相面1和第二调相面2可实现波束相位的调控。需要注意的是，上述实施例设置
两个调相面实现了对波束相位的调控，本领域人员根据需要可以设置多个调相面相互组合
实现相位的调控。

[0030] 请参考图3和图4。在本发明的一个实施例中，第一调相面1包括多个透射移相单元：四层双方环单元101，透射移相单元101包括四层，四层之间均设置有绝缘介质层。每一
层包括第一方环1011和第二方环1012。第二方环1012为第一方环1011的内环。通过调整第
一方环1011和第二方环1012之间的距离以调整透射移相单元101的相位延迟。其中，第二调
相面2的透射移相单元也采用与第一调相面1的透射移相单元101相似的四层结构，但第二
调相面2中的方环结构的尺寸与第一方环1011、第二方环1012相同或不同。

[0031] 在本发明的一个实施例中，透射移相单元101还可以采用三层螺旋偶极子单元或穿孔介质单元。

[0032] 在本发明的一个示例中，透射移相单元101的中心频率12.5GHz，周期性单元间隔为10.32mm，相当于工作频率波长的0.43倍。透射移相单元介质层采用雅龙(Arlon)DiClad 
880系列板材，相对介电常数2.2，损耗正切0.0017，厚度0.254mm。透射移相单元由相同的4
层金属贴片介质构成，介质层由低损耗泡沫隔开，泡沫的厚度为6mm。第一金属外环的线宽
为1mm，环宽为10mm，第二金属方环的线宽为1mm，通过改变内环环宽可以改变单元透射相位
延迟。其-1dB相位补偿范围超过300°。

[0033] 在本发明的一个实施例中，可变波束倾角的平面阵列天线还包括旋转装置4，用于对一个或多个调相面进行旋转。

[0034] 具体地，请参考图6，通过将第一调相面1和第二调相面2至不同的角度就可以调整电磁波的出射方向。旋转第一调相面1至+ξ,第二调相面2至-ξ。电磁波出射角度θ为主波束
方向与Y轴之间的夹角，则其变化如图7所示：特别的，当ξ＝0时，达到最大偏转角度50°，当ξ＝45°时，达到偏转角度33°，当ξ＝90°时，偏转0°正出射。

[0035] 在本发明的一个示例中，第一调相面1和第二调相面2上的透射移相单元的透射相位按照以下步骤设置：

[0036] A：设定所述第一调相面和所述第二调相面按列呈梯度排列，每列的透射移相单元的透射相位相同，透射移相单元按照以下公式设置：

[0037]

[0038] 其中，d为相邻列透射移相单元的距离，θ为最大扫描俯仰角， 为相邻列透射移相单元之间的相位差，λ为所述电磁波的波长。

[0039] 具体地，请再次参考图3，每列的透射移相单元101的透射相位相同，即每列透射移相单元101的结构相同。每六列透射移相单元101的第一方环101大小相同，第二方环102的
周长逐渐增大。每个调相面中的每列透射移相单元101按照 设置，其中d
为相邻列透射移相单元的距离，θ为最大扫描俯仰角， 为相邻列透射移相单元之间的相
位差，λ为所述电磁波的波长。按照步骤A设置第一调相面1和第二调相面2(第二调相面2的
设置方式与第一调相面1的设置方式相似)即可实现对电磁波出射角度的调整，且采用由多
层单元构成的平面透射阵替代上述尖劈形介质棱镜，不仅大大减轻旋转面的尺寸和重量，
并且从根本上解决了入射波阻抗匹配的问题。

[0040] 在本发明的一个实施例中，第一调相面1和第二调相面2上的透射移相单元的透射相位的设置步骤还包括B：对于第一调相面1的透射移相单元的最终透射相位按照以下公式
设置： 其中， 表示第i个透射移相单元101对应的最终透射相位， 为透
射阵天线第i个透射移相单元101透射的原始相位， 为仅与第i个单元与圆心距离有关
的相位。对于第二调相面2的透射移相单元的最终透射相位按照以下公式设置：
常数；其中， 表示第i个透射移相单元对应的最终透射相位， 为透射阵
天线第i个透射移相单元透射的原始相位， 为仅与第i个单元与圆心距离有关的相位。
其中，第一调相面1、第二调相面2和平面阵列3顺序排列。

[0041] 另外，本发明实施例的可变波束倾角的平面阵列天线的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。

[0042] 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。

[0043] 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。