[發明專利]一種頻率控制的波束/焦點掃描平面反射陣/反射鏡

在審

• 申請號: 201410255739.7
• 申請日: 2014-06-10
• 公開（公告）號: CN104022363A
• 公開（公告）日: 2014-09-03
• 發明（設計）人: 屈世偉;吳偉偉;易歡;白雪;夏潤梁;蔣琪
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01Q15/14
• 分類號: H01Q15/14
• 代理公司: 四川省成都市天策商標專利事務所 51213
• 代理人: 羅韜

技術領域

本發明屬于無線通信技術、雷達技術、成像技術領域，具體涉及一種可有效降低波束掃描陣列/成像系統成本和復雜度的電掃描平面反射陣列天線及反射鏡，適用于通信，雷達或成像系統中。

背景技術

隨著當代通信技術的飛速發展，具有聚焦波束的天線扮演著越來越重要的角色。傳統的聚焦波束天線主要有拋物面反射器和陣列天線兩種，對于拋物面天線，其機身笨重，體積龐大，而且特殊的曲面難于制造，在更高頻段上，由于電磁波波長更短，對加工精度的要求更高，使得加工難度更為明顯。另外，它也難于實現寬角度的電波束掃描,只能采用笨拙的機械掃描方式，使得反應速度過慢，而難以追蹤高速目標。

相控陣天線則利用對各個陣元激勵幅度和相位的獨立控制，能夠快速靈活的進行電波束掃描，并且具有多目標搜尋、高速率跟蹤的獨特優勢。但對于大型陣列，必然包含大量的收發組件和復雜的饋電網絡，顯然，越多的陣元就意味著越高昂的成本和越大的損耗及重量，使得對成本尤其看重的民用領域望而止步，一般在對性能要求很高的軍事領域才會使用相控陣。

為了克服上述天線所固有的缺點，平面反射陣列天線應運而生，主要由初級饋源以及加載大量周期諧振單元的平面反射陣面組成。通過改變每個單元的尺寸，彌補由于初級饋源照射到陣面上波程差不同而引入的相位差，從而在預期出射方向上實現波束聚焦。平面反射陣列因其擁有的諸多優點而被廣泛地發展和研究:平面結構易于加工和集成；只需一個收發組件即可對整個陣列進行饋電或接收，大大降低成本。因此平面反射陣列天線正逐漸取代傳統高增益天線成為當前的研究熱點問題，尤其在如何實現波束掃描這一方向上，國際上幾個著名科研機構均投入了大量資源進行研究。

為了實現平面反射陣列的波束掃描，國內外眾多專家學者進行了廣泛而深入的研究。在二十世紀七十年代中期，Phelan提出一種“螺旋相位”反射陣列的概念，在圓極化反射陣的四臂螺旋或者十字偶極子單元中引入開關二極管來電掃描其主波束到很大的角度，將圓極化輻射單元旋轉不同角度，它傳播的電相位也隨著旋轉角度成比例地改變。通過開關二極管來激發不同的螺旋臂，從而能調整相位使在遠場得到同相疊加的波束。然而，由于厚的螺旋腔(四分之一波長厚)和龐大的電子元件(二極管偏置電路)，螺旋相位反射陣依然龐大厚重。另外，因為螺旋天線固有的大尺寸和空間的特性，它的孔徑效率仍然特別低。特別是在它工作頻率的高頻段，單元間距會遠大于半個自由空間工作波長，導致的柵瓣極大地降低了天線效率。因此這種反射陣列天線形式在接下來的十年里也沒有進一步研究。

1978年Malagisi首先提出了微帶反射陣的概念，使得平面反射陣列的重量和加工復雜度大大降低，從此平面反射陣列進入高速發展時期。1995年，J.Huang等人提出采用微機電結構(MEMS)來調節輻射貼片的旋轉角度以實現波束掃描，由于控制部件的復雜性較高，該方法尚且處于研究階段，要投入實用還有一段距離。另一方面，該方法屬于機械控制范疇，波束掃描的響應速度較慢，不太適宜追蹤高速運動目標。2006年，M.R.Chaharmir等人提出一種光控電掃描反射陣列，通過控制每個單元后面對應光源的強度來調節半導體中的載流子濃度，間接改變了單元的反射相位。以上兩種方法都對控制部件的加工要求較高，且采用的介質材料昂貴，不適宜大規模推廣。

隨著半導體技術的發展，高性能變容二極管也被用于調節平面反射陣列輻射單元的相位，使得陣列單元更加簡單而且易于控制。2010年，L.Boccia等提出矩形貼片單元加載可變電容的方法實現波束掃描，并對單元的相位特性和損耗進行了比較系統的分析。研究表明，采用矩形貼片加載單個可變電容的方法所實現的相位延遲范圍約為330度左右，而理論上要實現波束掃描的相位延遲范圍為360度，因此引入的相位誤差會導致陣列增益下降和波束指向偏離。同時，由于變容二極管內阻所產生的損耗大約在3dB左右，也大大降低了陣列的增益。同年，Chang?Liu等人提出了開口雙矩形環加載多個可變電容的方法，使得單元相位延遲范圍達到500度左右，并具有較平滑的相位-電壓特性，但單元中可變電容產生的損耗依然很大，其工作頻段也只能限制在低頻段。

在2010年，S.R.Rengarajan提出了一種通過改變初級饋源的位置來實現不同方向的波束掃描，但每次的波束掃描都要移動饋源的位置，這種機械掃描方式會導致穩定性下降且維護成本升高，且難以追蹤高速目標。