一种双线极化独立控制的单层宽带反射阵列天线

本发明属于微波与天线，涉及一种双线极化独立控制的单层宽带反射阵列。

背景技术：

1、在远距离通信中，高增益天线是其中关键的一部分，传统的高增益天线包括抛物面天线和相控阵天线。其中抛物面天线结构简单、增益高并且宽带性能好，但是体积较大并且对加工的精度要求高。相控阵天线增益高、剖面低并且可以调节波束方向，但是具有复杂的馈电网络并且损耗高。反射阵列天线将两者结合，具有剖面低和体积小的优点，并且容易集成到系统中，具有更为广泛的应用场景。

2、同时随着5g技术的发展，通信的数据量也日益增长，这也就对信道容量提出了比较高的要求，在增加通道容量时，常用的技术有时分复用、频分复用和码分复用。后期又有人提出了双极化独立控制的双层反射阵列(c.s.geaney,m.hosseini and s.v.hum,reflectarray antennas for independent dual linear and circular polarizationcontrol[j].ieee transactions on antennas and propagation,vol.67,no.9,pp.5908-5918,sept.2019)和(l.-x.wu et al.,"wideband dual-feed dual-polarizedreflectarray antenna using anisotropic metasurface[j].ieee antennas andwireless propagation letters,vol.21,no.1,pp.129-133,jan.2022)，在此基础上增加了极化复用的功能，能够有效的增加信道容量，更好的面对当前大数据量的通信情况。也有人提出了双极化独立控制的单层反射阵列(j.yin,q.lou,h.wang,z.n.chen and w.hong,broadband dual-polarized single-layer reflectarray antenna with independentlycontrollable 1-bit dual beams[j].ieee transactions on antennas andpropagation,vol.69,no.6,pp.3294-3302,june 2021)，但是该论文中涉及的双极化独立控制的单层反射阵列采用1bit的相位调制方式，这也就造成较低的口径效率。

3、当前双极化独立控制的宽带天线多采用多层结构，多层结构意味着制造难度和成本的上升，而且远距离无线通信系统多布置在卫星或者高塔中，

4、因此，在保证高口径效率和宽带的前提下如何实现轻量化的单层设计也是设计时需要考虑的一个关键问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对上述现有技术的不足，而提供一种极化独立控制的单层宽带反射阵列天线。本发明在保证天线高增益和较宽带宽的同时，通过单层结构同时实现了双线极化独立控制和低剖面，同时还具有单元结构简单和易于集成的优点。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案是：

3、一种双线极化独立控制的单层宽带反射阵列天线，主体部分包括：

4、作为反射面的平面反射阵列(4)；

5、作为馈源的喇叭天线(5)，其位于平面反射阵列(4)正上方且可绕中轴线旋转；所述中轴线垂直于所述平面反射阵列(4)；

6、其中：通过旋转喇叭天线(5)相对于平面反射阵列(4)0°和90°，实现本发明反射阵列天线的x极化工作状态和y极化工作状态。

7、所述平面反射阵列(4)包括多个周期性无缝分布的反射单元，其中每个反射单元包括介质层(2)、以及分别铺设在介质层(2)上下层的金属反射层(1)和金属背板层(3)；所述金属反射层(1)包括金属环(11)、位于所述金属环(11)环内的十字形金属贴片(12)，所述十字形金属贴片(12)与金属环(11)存在间距；所述十字形金属贴片(12)的中心开有第一缺口(121)，位于同一直线上的两个臂部分别开有等长等宽的第二缺口(122)、第三缺口(123)，位于同一直线上的另两个臂部分别开有等长等宽的第四缺口(124)、第五缺口(125)；所述第一缺口(121)、第二缺口(122)、第三缺口(123)的中心位于同一直线，且各自间存在间距；所述第一缺口(121)、第四缺口(124)、第五缺口(125)的中心位于同一直线，且各自间存在间距；

8、作为优选，每个反射单元的金属环(11)与相邻反射单元的金属环(11)无缝连接；

9、作为优选，每个反射单元的中心与其内的第一缺口(121)中心重合；

10、作为优选，平面反射阵列(4)中所有反射单元的十字形金属贴片(12)尺寸完全相同，或，不完全相同；

11、作为优选，所述平面反射阵列(4)的形状为类圆形；每个反射单元在受到x极化和y极化入射波的时候产生不同的补偿相位，以此对于不同极化的入射波形成不同的波束方向；

12、作为优选，所述反射单元的形状为正方形；

13、作为优选，相邻反射单元中心之间的间距p＝1/2λ，λ表示反射阵列天线的中心工作频率的波长。

14、作为优选，所述平面反射阵列(4)与喇叭天线(5)存在间隙。

15、作为优选，所述喇叭天线(5)的宽口朝向所述平面反射阵列(4)。

16、本发明具有以下优点：

17、(1)本发明通过单自由度实现反射单元两个方向的独立反射响应，独立相位响应是通过在非工作缺口周围形成环形电流，同时避免在该缺口处形成强电场从而影响工作缺口处的状态而实现的，且依靠旋转馈源喇叭天线来改变阵列天线的极化工作状态，可控性强。

18、(2)本发明采用单层结构且无空气间隔，实现了低剖面、轻量化、制造简单和低成本，且采用连续相位可调方式，首次提出双线极化独立的连续相位可调的单层宽带反射阵天线，在保证高口径效率和宽带的前提实现轻量化的单层设计。

19、(3)单元可扩展性强，可以通过设计对不同极化的相位补偿实现线极化馈电下的圆极化反射以及设立两个不同角度不同极化的线极化天线形成高增益的圆极化波束。

技术特征：

1.一种双线极化独立控制的单层宽带反射阵列天线，其特征在于包括：

2.根据权利要求1所述反射阵列天线，其特征在于，所述十字形金属贴片(12)的中心开有第一缺口(121)，位于同一直线上的两个臂部分别开有等长等宽的第二缺口(122)、第三缺口(123)，位于同一直线上的另两个臂部分别开有等长等宽的第四缺口(124)、第五缺口(125)；所述第一缺口(121)、第二缺口(122)、第三缺口(123)的中心位于同一直线，且各自间存在间距；所述第一缺口(121)、第四缺口(124)、第五缺口(125)的中心位于同一直线，且各自间存在间距。

3.根据权利要求1所述反射阵列天线，其特征在于，每个反射单元的金属环(11)与相邻反射单元的金属环(11)无缝连接。

4.根据权利要求1所述反射阵列天线，其特征在于，每个反射单元的中心与其内的第一缺口(121)中心重合。

5.根据权利要求1所述反射阵列天线，其特征在于，平面反射阵列(4)中所有反射单元的十字形金属贴片(12)尺寸完全相同。

6.根据权利要求1所述反射阵列天线，其特征在于，平面反射阵列(4)中所有反射单元的十字形金属贴片(12)尺寸不完全相同。

7.根据权利要求1所述反射阵列天线，其特征在于，所述平面反射阵列(4)的形状为类圆形；每个反射单元在受到x极化和y极化入射波的时候产生不同的补偿相位，以此对于不同极化的入射波形成不同的波束方向。

8.根据权利要求7所述反射阵列天线，其特征在于，相邻反射单元中心之间的间距p＝1/2λ，λ表示反射阵列天线的中心工作频率的波长。

9.根据权利要求1所述反射阵列天线，其特征在于，所述平面反射阵列(4)与喇叭天线(5)存在间隙。

10.根据权利要求1或9所述反射阵列天线，其特征在于，所述喇叭天线(5)的宽口朝向所述平面反射阵列(4)。

技术总结本发明公开一种双线极化独立控制的单层宽带反射阵列天线。本发明通过旋转喇叭天线相对于平面反射阵列0°和90°，实现反射阵列天线的x极化工作状态和y极化工作状态；平面反射阵列包括多个反射单元，每个反射单元包括介质层、金属反射层和金属背板层；金属反射层包括金属环、十字形金属贴片。本发明通过单自由度实现反射单元两个方向的独立反射响应，依靠旋转馈源喇叭天线来改变阵列天线的极化工作状态。本发明采用单层结构且无空气间隔，实现了低剖面、轻量化、制造简单和低成本，且采用连续相位可调方式，首次提出双线极化独立的连续相位可调的单层宽带反射阵天线，在保证高口径效率和宽带的前提实现轻量化的单层设计。技术研发人员：俞伟良,童仕骏,罗国清,王文磊,张晓红受保护的技术使用者：杭州电子科技大学技术研发日：技术公布日：2024/9/29