具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。

本具体实施方式公开了一种全集成宽角度扫描的圆极化折叠反射阵列天线，如图1所示，包括主反射器1，若干基片集成背腔缝隙天线2，极化栅阵列3，极化转换器4，支撑柱5，移相贴片单元6。支撑柱5优选采用特氟龙之类塑料结构，移相贴片单元6采用金属材质，具体实施时可根据折叠反射阵列天线的辐射性能要求选用。

极化栅阵列3安装在主反射器1上方，极化转换器4安装在极化栅阵列3上方。优选地，可以设置四个支撑柱5，极化栅阵列3通过支撑柱5固定在主反射器1上方，极化转换器4也通过支撑柱5固定在极化栅阵列3上方。

实施例中，主反射器1中设置的多个基片集成背腔缝隙天线2与多个具有移相功能的移相贴片单元6集成在单层的介质板9上表面，介质板9的下表面设置金属底板以反射电磁波，多个基片集成背腔缝隙天线2优选为等间距设置。所述的移相贴片单元6一般为具有长方形结构的金属贴片。

所述的极化栅阵列3是由多个形状相同，间距相同的金属条带8组成，优选通过在单层介质板上印制尺寸相同间隔一致的长方形金属条带形成。

所述的极化转换器4通过在三层介质板中分别印制回折线形状的金属条带来形成，其中第一层与第三层的回折线具有相同的尺寸。

每一个基片集成的背腔缝隙天线控制一个辐射波束，可以通过选择不同的基片集成背腔天线进行馈电来实现多个不同辐射方向的波束进行切换。

本发明可以通过改变金属贴片的尺寸来调节相位，不需要复杂的控制电路。实施例的基片集成背腔缝隙天线2优选设置方案的原理解释如下，

设有M×N个移相贴片单元6等间距设置在介质板9上，对于一个波束扫描反射阵列天线，口径面上各个金属移相贴片单元所需要的相位可以通过下式计算：

其中k₀表示真空中的波数，i用于标识第i个设计的波束，(x_mn,y_mn)表示第m行第n列移相贴片单元的中心坐标，θ⁽ⁱ⁾表示第i个波束的俯仰角，表示第i个波束的方位角，Δφ⁽ⁱ⁾表示第i个设计波束的参考相位，表示馈源相位中心到第m行第n列移相贴片单元之间的距离，m＝1,2,…M，n＝1,2,…N。为了简化设计，一种对称的三波束优化方案被采用。三个设计的波束方向分别为同时，第一个波束和第三个波束具有相同的参考相位Δφ⁽¹⁾＝Δφ⁽³⁾。因此，需要的相位补偿可以简化为

对于设计的波束，每个移相贴片单元的整体相位误差可以表示为

其中为第m行第n列移相贴片单元实现的相位，L为移相贴片单元的尺寸，根据天线阵列理论，权重因子可以表示为

其中和分别是馈源天线和移相贴片单元的辐射方向图，其中q_f为馈源天线方向图因子，q_e为移相贴片单元方向图因子，θ_f为馈源天线方向图的观察角，θ_e为移相贴片单元方向图的观察角。又由于馈源偏置因子BDF可以表示为

其中θ为设计的波束指向角，α表示馈源天线的偏移角。由式(1)可知，对于第i个波束所需要的相位分布可以由空间距离和参考相位Δφ⁽ⁱ⁾计算出来。而空间距离是关于馈源偏置因子BDF⁽ⁱ⁾的函数，其函数关系可以表示为

其中F为焦距，在本实施例中F＝99mm。因此，一种关于最小权重相位误差的目标函数被建立，可以表示为

在本实施例中，通过粒子群算法对式(7)进行寻优，设计一种能够覆盖±27°的全集成宽角度扫描的圆极化折叠反射阵列天线，最终优化得到的馈源偏置因子和参考相位为BDF⁽¹⁾＝BDF⁽³⁾＝0.94，BDF⁽²⁾＝1，Δφ⁽¹⁾＝Δφ⁽³⁾＝306°，Δφ⁽²⁾＝6°，根据式(1)计算出各个金属移相贴片单元的尺寸，七个基片集成背腔缝隙天线2与多个移相贴片单元6集成设计在主反射器1中，根据式(6)计算出各个基片集成背腔缝隙天线2的距离D_f＝12.7mm,来构建不同的波前相位，从而形成不同指向的波束，最终构造的主反射器如图2所示。不失一般性的是，集成在主反射器中的基片集成背腔缝隙天线不局限于七个，可以通过增多基片集成背腔缝隙天线的个数来增大波束覆盖范围，可以通过调节基片集成背腔缝隙天线的间距来调节波束的指向。

如图1所示，主反射器1与极化栅阵列3之间采用支撑柱5进行支撑，使得主反射板1与极化栅阵列3之间的距离为焦距的一半，极化转换器4通过支撑柱5固定在极化栅阵列3上方。其中极化栅阵列3是由多个形状相同，间距相同的金属条带7组成。

每个基片集成背腔缝隙天线2的结构，如图3所示，通过在介质板9的上层金属面印制金属框10和方形金属贴片11，在金属框10与方形金属贴片11之间构成的缝隙中灌注多个金属化过孔12，形成基片集成波导结构，介质板9底层的同轴探针13对方形金属贴片11进行馈电来传输TEM波(横电磁波)，通过基片集成波导转化为TE₁₀波(横电波的10模式)，从而通过金属框10和方形金属贴片11之间的缝隙向外辐射。

优选地，金属框10为设置在介质板9外边缘的金属方环，方形金属贴片11设置在介质板9中间位置，在金属框10与方形金属贴片11之间构成的缝隙中，在介质板9的上层金属面与下层金属面之间均匀分布设置金属化过孔12。

具体实施时，介质板9优选采用单层罗杰斯5880介质板。

基片集成背腔缝隙天线的反射系数以及26.5GHz处的方向图如图4和图5所示。由图4可知，天线的反射系数在26.5GHz处能够低于-10dB，由图5可知天线的E面与H面方向图在-60°到60°范围内展现出良好的对称性，最大增益达到7.2dBi。其中，E面是指电场与波束指向所构成的面，H面是指磁场与波束指向所构成的面。

极化转化器4为回折线型圆极化转换器，如图6所示，通过在三层FR-4介质板上分别印制回折线结构8来形成，其中优选设置第一层和第三层的尺寸相同，为回折线宽度w1＝0.2mm的回折线结构，中间层的尺寸稍大，为回折线宽度w2＝0.46mm的回折线结构，以保证极化转换器4能够在一个宽的角度范围实现线极化到圆极化的转换，三层回折线结构等间距排列。极化转换器4对于TE波以及TM波入射时透射系数的比值和透射相位差，如图7和图8所示。由图7可知，对于不同的入射角度，透射系数的比值在22GHz到30GHz范围内均大于0.9，由图8可知，透射相位差在26.5GHz处能够维持在90°到100°之间。

参见图18，圆极化折叠反射阵列天线设置有端口1至端口7，分别对应7个天线的同轴探针13。图9所示的是该种全集成宽角度扫描的圆极化折叠反射阵列天线的端口1到端口7的反射系数，图10所示的是该种全集成宽角度扫描的圆极化折叠反射阵列天线的端口1与端口7之间的互耦系数，图11至图17所示的是该种全集成宽角度扫描的圆极化折叠反射阵列天线在不同扫描角度下的归一化方向图以及轴比方向图。

本文中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。