阅读说明：本技术 一种集成反射阵的可重构平面反射阵天线 (Reconfigurable planar reflective array antenna of integrated reflective array ) 是由 郑雨阳 汪伟 周骏 张正宇 郑生华 陈�田 张世彬 彭立军 黄永华 李家干 刘晨 于 2019-09-27 设计创作，主要内容包括：本发明一种集成反射阵的可重构平面反射阵天线,所述天线包括：平面反射阵天线和相控阵天线,其中,所述平面反射阵天线包括：金属背板和反射单元,其中,若干个所述反射单元阵列设置于所述金属背板朝向所述相控阵天线的平面上；每一个反射单元均通过MEMS开关连接到天线控制器上以使天线控制器通过控制所述MEMS开关的通断进而控制反射单元是否接通,且所述反射单元对相控阵天线辐射的电磁信号进行相位补偿；所述相控阵天线的相位中心与所述平面反射阵天线的焦点重合。应用本发明实施例,可以为前端提供复合特性的可重构高增益天线。(The invention relates to a reconfigurable planar reflective array antenna of an integrated reflective array, which comprises: planar reflective array antenna and phased array antenna, wherein, planar reflective array antenna includes: the array antenna comprises a metal back plate and reflecting units, wherein a plurality of reflecting unit arrays are arranged on the plane of the metal back plate facing the phased array antenna; each reflection unit is connected to the antenna controller through an MEMS switch so that the antenna controller controls the reflection unit to be switched on or off by controlling the on-off of the MEMS switch, and the reflection unit performs phase compensation on electromagnetic signals radiated by the phased array antenna; and the phase center of the phased array antenna is superposed with the focus of the planar reflection array antenna. By applying the embodiment of the invention, the reconfigurable high-gain antenna with composite characteristics can be provided for the front end.)

一种集成反射阵的可重构平面反射阵天线

技术领域

本发明涉及一种天线，具体涉及一种集成反射阵的可重构平面反射阵天线。

背景技术

现代综合通信系统发展的重要方向之一是：大容量、多功能、智能化。很明显，通过提高系统容量、增加系统功能、优化系统算法，一方面可以满足日益膨胀的实际需求。

目前，申请号为CN201410033925.6的专利文献公开了一种基于旋转相移表面技术的反射阵列天线波束扫描天线，本发明设计了一种基于旋转相移表面技术的反射阵列波束扫描天线，该反射阵列波束扫描天线包括辐射单元天线和反射阵列平板；反射阵列平板包括偏波束微带反射阵列层和高透过率相移表面层；偏波束微带反射阵列层是能够实现辐射单元波束偏转的微带反射阵平板，高透过率相移表面层是能够实现平面波波束偏转的相移表面平板；两者间以一定空气间隔层叠组装成反射阵列平板；辐射单元天线采用正馈式；以反射阵列平板中心轴为轴分别旋转两层能实现天线波束的扫描。本发明结构简单，易于制作，对任意极化的电磁波都具有响应，适用于发射和接收任意极化的电磁波，可承载高功率。

由此可见，传统的方向图可重构天线的研究多是对已有天线的功能再实现，其本质上还是仅有单一功能的天线。因此，针对不同通信应用场景所设计的多功能小型化综合通信系统，为其前端提供复合特性的可重构高增益天线是亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于如何提供一种集成反射阵的可重构平面反射阵天线，以解决现有技术中存在的如何为前端提供复合特性的可重构高增益天线的技术问题。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

本发明实施例提供了一种集成反射阵的可重构平面反射阵天线，所述天线包括：平面反射阵天线和相控阵天线，其中，

所述相控阵天线包括若干个阵列设置的辐射单元，且所述相控阵天线的相位中心与所述平面反射阵天线的焦点重合；

所述平面反射阵天线包括：金属背板和反射单元，其中，若干个所述反射单元阵列设置于所述金属背板朝向所述相控阵天线的平面上；

每一个反射单元均通过MEMS开关连接到天线控制器上以使天线控制器通过控制所述MEMS开关的通断进而控制反射单元是否接通，且所述反射单元对相控阵天线辐射的电磁信号进行相位补偿。

应用本发明实施例，通过将反射单元设置于平面反射阵天线上，在需要发射或者接收主方向波束时，断开MEMS开关，在口径面处形成定向性较弱的波束，在需要发射或者接收特定方向的波束时，接通MEMS开关，可以使反射单元对波束进行相位补偿后实现口径处等相位辐射，相对于现有技术中的平面反射阵高增益天线，可以早保留其传统的功能的基础上实现口径处等相位辐射，扩展了平面反射阵高增益天线的功能。

可选的，所述平面反射阵天线上朝向所述相控阵天线的平面上还设有介质层；

所述反射单元固定在所述介质层上。

可选的，所述反射单元共形于所述介质层设置。

可选的，所述辐射单元阵列设置于所述抛物柱面反射阵的焦点上进行偏置馈电；且所述抛物柱面反射阵的焦距大于所述相控阵天线的工作波长。

可选的，所述辐射单元阵列的辐射方式包括：

在所述平面反射阵天线等幅同相辐射将辐射单元辐射的波束形成口径处的等相位面。

可选的，所述反射单元之间的中心距为：0.5λ＜S＜λ，其中，

S为反射单元之间的中心距；λ为可重构平面反射阵天线的工作波长。

可选的，所述反射单元的相位补偿值的计算公式包括：

Φ＝k₀(R_n-x_nsinθ_r)+Φ₀，其中，

Φ为反射单元的相位补偿值；k₀为自由空间的电磁波传播常数；R_n为辐射单元阵列的相位中心到第n个反射单元的距离x_n为阵列中第n个反射单元到中心参考单元的距离；θ_r为反射电磁波相对于所述抛物柱面切线的反射角；Φ₀为参考相位。

可选的，所述反射单元为低剖面结构，且包括：相同尺寸不同旋转角度的反射单元、开口缝隙矩形开环反射单元、方形十字槽反射单元中的一种或组合。

可选的，所述辐射单元包括：偶极子、微带贴片、耦合叠层贴片、矩形波导、圆形喇叭中的一种或组合。

本发明的优点在于：

应用本发明实施例，通过将反射单元设置于平面反射阵天线上，在需要发射或者接收主方向波束时，断开MEMS开关，在口径面处形成定向性较弱的波束，在需要发射或者接收特定方向的波束时，接通MEMS开关，可以使反射单元对波束进行相位补偿后实现口径处等相位辐射，相对于现有技术中的平面反射阵高增益天线，本发明实施例将两种功能的天线结合设计，可以针对不同通信应用场景实现多功能小型化综合通信系统，并为其前端提供复合特性的可重构高增益天线。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种集成反射阵的可重构平面反射阵天线中反射单元的分布示意图；

图2为本发明实施例提供的一种集成反射阵的可重构平面反射阵天线的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种集成反射阵的可重构平面反射阵天线中相控阵天线的结构示意图

图4为本发明实施例提供的一种集成反射阵的可重构平面反射阵天线中MEMS开关断开时的工作原理示意图；

图5为本发明实施例提供的一种集成反射阵的可重构平面反射阵天线中MEMS开关接通时的工作原理示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

图1为本发明实施例提供的一种集成反射阵的可重构平面反射阵天线3中反射单元2的分布示意图，如图1所示，所述天线包括：平面反射阵天线3和相控阵天线1，其中，

相控阵天线1由64个圆形口径喇叭单元阵列设置组成。所述相控阵天线1的射频端由电源、T/R组件、波束形成模块6等模块构成，所述波束形成模块6与T/R组件的收发通道相连接，波束形成模块6内含数字移相器、数字衰减器、ASIC波控芯片，能够控制每个所述圆形口径喇叭单元5幅相值；所述圆形口径喇叭单元5与T/R组件、T/R组件和所述波束形成模块6都通过盲配方式连接。所述相控阵天线1具有固定的相位中心，其有源阵面整体口径较小，口径场相位偏差不大,可近似认为辐射单元口径有同相场。相控阵天线1的相位中心与所述平面反射阵天线3的焦点重合。所述圆形口径喇叭单元5工作在Ka频段，口径大小为D＝24mm，采用收发共口径的体制，极化方式为双圆极化，波束极化可定义。平面反射阵的焦距大于所述相控阵天线1的工作波长，例如可以为相控阵天线1的工作波长的100倍、500倍、1000、2000倍等。另外，为了降低加工成本和抑制所述相控阵天线1的辐射波栅瓣，阵面布局采用三角布阵。

所述平面反射阵天线3包括：金属背板4和反射单元2，其中，若干个所述反射单元2均匀分布组成平面阵列，平面阵列设置于所述金属背板4朝向所述相控阵天线1的平面上其中，是具有不同尺寸大小的金属微带贴片，贴片的尺寸由辐射单元阵列每个单元需要补偿的相位值决定。为了利于控制反射单元2阵列的阵因子的栅瓣、反射单元2之间的互耦效应以及离散分布的要求，所述反射单元2之间的中心距为：0.5λ＜S＜λ，其中，S为反射单元2之间的中心距；λ为可重构平面反射阵天线3的工作波长。所述反射单元2的不同尺寸大小所补偿的相位需要以360°为周期进行循环，使整数倍的波长可以直接消除。所述金属背板4为空间对称的方形平板，口径边长为21λ，其中，λ为工作频率对应的波长。所述金属背板4在俯仰面和方位面都具有一个自由度，保持了辐射单元波束的两维相控扫描特性。

每一个反射单元2均通过MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)开关连接到天线控制器上以使天线控制器通过控制所述MEMS开关的通断进而控制反射单元2是否接通，且所述反射单元2对相控阵天线1辐射的电磁信号进行相位补偿；在所述平面反射阵天线3等幅同相辐射将辐射单元4辐射的波束形成口径处的等相位面。

示例性的，本发明实施例中控阵天线1的射频部分采用多通道、收发共口径技术进行设计，能够在两种模式下对平面反射阵馈电。这两种工作模式分别是相控扫描模式及单元幅相固定模式。

应用本发明实施例，通信系统需要赋形波束或自适应抗干扰时，所述相控阵天线1工作在相控扫描模式，所述反射单元2加载的MEMS开关断开，处理模块的信号被送入所述波束形成模块6，信号在所述波束形成模块6内进行加权、移相、延迟后被送至T/R组件，由T/R组件进行滤波、放大后进入有源相控阵的口径面，在口径面形成两维相控扫描波束，仅由所述相控阵天线1后端的移相器控制加权相位，所述相控阵天线1辐射的扫描波束经金属背板4反射后，经所述平面反射阵反射后在远场实现高增益两维相控功能。

应用本发明实施例，通信系统需要固定多波束覆盖时，所述相控阵天线1调整为单元幅相固定模式，所述波束形成模块6不进行加权、移相等处理，所述反射单元2加载的MEMS开关连通，来自远场的64个接收波束在所述反射阵单元2激励起感应电流，由反射阵补偿相位后送至所述相控阵天线1的有源相控阵口径面，有源天线阵面的64个所述圆形口径喇叭单元4接收相对应的波束，经过T/R组件滤波、放大后形成64路独立波束信号送入后端处理模块。在本发明实施例中引入可重构波束，通过复用馈电链路后端的T/R组件，增强了综合通信系统的灵活性，实现了综合通信系统的智能化与多功能化。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述反射单元2为低剖面结构，且包括：相同尺寸不同旋转角度的反射单元2、开口缝隙矩形开环反射单元2、方形十字槽反射单元2中的一种或组合。反射单元2可以采用铜板、铝板或不锈钢板，通过PCB工艺加工得到。

所述辐射单元包括：偶极子、微带贴片、耦合叠层贴片、矩形波导、圆形喇叭中的一种或组合。

在实际应用中，可以预先利用公式Φ＝k₀(R_n-x_nsinθ_r)+Φ₀，计算每一个反射单元2的相位补偿值，其中，Φ为反射单元2的相位补偿值；k₀为自由空间的电磁波传播常数；R_n为辐射单元4阵列的相位中心到第n个反射单元2的距离x_n为阵列中第n个反射单元2到中心参考单元的距离；θ_r为反射电磁波相对于所述抛物柱面切线的反射角；Φ₀为参考相位。

应用本发明实施例，通过将反射单元2设置于平面反射阵天线3上，在需要发射或者接收主方向波束时，断开MEMS开关，在口径面处形成定向性较弱的波束，在需要发射或者接收特定方向的波束时，接通MEMS开关，可以使反射单元2对波束进行相位补偿后实现口径处等相位辐射，相对于现有技术中的平面反射阵高增益天线，可以早保留其传统的功能的基础上实现口径处等相位辐射，扩展了平面反射阵高增益天线的功能。

另外，本发明实施例提供的天线在不增加成本、重量、体积的前提下，将反射阵天线与平面反射阵天线3一体化集成，在同一口径面提供两种可供选择的高增益波束，提高了综合通信系统的安全稳定性，实现了系统前端的多功能、低成本、智能化。

而且，现有技术中为了实现在同一通信平台上实现多种通信，通常是在平台上架设各种不同类别的前端天线，进而会导致系统冗重、面积利用率低、成本大幅度增加，而本发明实施例利用方向图可重构天线，在不增加额外口径面、重量以及系统复杂度的前提下，利用可重构天线的概念，将平面反射阵与现有的反射阵天线多功能一体化集成，充分利用两种天线体制各自的优越性，消减各自天线体制的缺陷，为复杂高速通信应用场景提供天线解决方案。另一方面，在同一平台上搭载的通信子系统数量增加会提高综合通信系统的整体成本、增加系统重量、提高系统的雷达散射截面、进而导致电磁兼容性不佳。因此，本发明实施例还可以降低系统重量，提高电磁兼容性。

最后，本发明实施例中多波束反射阵的引入将传统的频域相位匹配技术拓展到空间域相位匹配技术，利用相控阵天线1相对于平面反射阵的不同空间位置提供多自由度，通过反射阵的相位补偿实现辐射口径面的相位一致，继而在远场实现多波束覆盖。这样充分挖掘了相控阵辐射单元的阵面单元资源，极大扩展了天线的自由度，实现了多相位信息补偿。

实施例2

图2为本发明实施例提供的一种集成反射阵的可重构平面反射阵天线3的结构示意图；图3为本发明实施例提供的一种集成反射阵的可重构平面反射阵天线3中相控阵天线1的结构示意图，

如图2和3所示，本发明实施例2与本发明实施例1的区别在于，所述辐射单元4阵列设置于所述抛物柱面反射阵的焦点上进行偏置馈电；且所述抛物柱面反射阵的焦距大于所述相控阵天线1的工作波长。

而是偏置一定角度照射金属反射平面的中心。引入偏置辐射单元41消除了其对平面反射阵辐射电磁波的遮挡，从而改善了天线由于遮挡造成增益下降、副瓣电平升高等问题，同时改善了天线的驻波比。

示例性的，辐射单元4为标准圆形波导喇叭天线，所述圆形口径喇叭单元工作在Ka频段，口径大小为D＝24mm，采用收发共口径的体制，极化方式为双圆极化，波束极化可定义，通过同轴电缆接入后端处理模块。为了避免辐射单元4对反射波束特性影响，同时保证所述金属平面反射阵列辐射的波束也不会影响辐射单元4的正常工作，所述辐射单元4轴线指向设计角度为Ф＝32.5°。所述辐射单元4口径照射均匀，保证抛物柱面边缘的能量漏失最小化。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述平面反射阵天线3上朝向所述相控阵天线1的平面上还设有介质层3；所述反射单元2固定在所述介质层3上。为了减小反射单元22的辐射损失，介质层3采用低介电常数、低损耗正切角且吸水率低的材料，同时为了抑制表面波和保证一定的工作带宽，选取板材厚度h＝0.05λ。

需要说明的是，介质层3使用的材料为现有材料，且用户可以根据实际需要进行选择，并不会对本发明实施例的应用效果产生影响。

进一步的，所述反射单元2共形于所述介质层3设置。

图4为本发明实施例提供的一种集成反射阵的可重构平面反射阵天线3中MEMS开关断开时的工作原理示意图；图5为本发明实施例提供的一种集成反射阵的可重构平面反射阵天线3中MEMS开关接通时的工作原理示意图。图4和图5所示工作原理与实施例1中工作原理相同，区别仅在于实施例2中为偏置馈电，本发明实施例在此不再赘述。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。