[发明专利]介质埋藏型宽带高功率微波空间波束可扫反射阵列天线

说明书

本发明公开了一种介质埋藏型宽带高功率微波空间波束可扫反射阵列天线，目的是提供一种不需要真空封装，能直接在空气条件下工作的高功率微波阵列天线，并解决带宽窄、波束扫描范围小问题。本发明由馈源天线和反射阵列天线组成；馈源天线采用喇叭天线；反射阵列天线由M×N个天线单元按照方形阵列布局，天线单元由介质埋藏单元和金属反射板组成，介质埋藏单元由第一介质圆柱、金属单元、第二介质圆柱组成；第一介质圆柱采用固态介质材料制作，内部埋藏金属单元，第二介质圆柱穿过金属反射板，将介质埋藏单元固定在金属反射板上。本发明具有低剖面、GW量级功率容量，可直接工作在空气条件下，相对带宽大于40％，空间波束扫描范围为±60度。

技术领域

本发明涉及高功率微波技术领域的一种反射阵列天线，尤其是一种具有高功率容量和可以实现宽频带和大角度波束扫描的旋转单元移相式介质埋藏型反射阵列天线。

背景技术

目前所研究的高功率微波辐射系统主要是基于传输线馈电形式，包含了馈电网络和辐射天线。为了实现整个系统更高的功率容量，通常采用空间功率合成的形式，即组成天线阵列来实现高功率容量和空间波束扫描性能，这进一步增加了馈电系统的体积和重量，不利于实现高功率微波辐射系统的轻量化与小型化。作为对比，反射阵列天线采用空间馈电的形式，即微波通过初级馈源辐射至自由空间，传输一定距离后辐照到接收阵列天线表面，经过接收天线单元的相位调制后形成具有定向辐射能力的反射波。反射阵天线具有低剖面、反射波束可调控、易于与装载平台共形等优点，在高功率微波天线领域有巨大的应用潜力。

反射阵列天线近年来在常规微波领域特别是卫星通信领域获得了广泛的应用，现阶段实现反射阵天线波束扫描的主要方式主要分为电调节和机械调节。电调节反射阵如清华大学杨帆教授团队使用加载PIN二极管的超表面结构设计了一套应用于Ku波段的宽带反射阵天线(HuanhuanYang,Fan Yang,et al.A 1-bit 10×10reconfigurablereflectarray antenna:design,optimization,and experiment.IEEE Transactions onAntennasPropagation,2016,64(6):2246～2254)，该反射阵列天线具有响应快和控制简单的优点，但是其带宽小于10％，且在输入功率较高时容易发生局部击穿，功率容量为百千瓦到兆瓦量级，难以应用于高功率微波领域。机械调节分为伸缩移相式和旋转移相式，基于波导伸缩式反射阵天线的概念最早在1963年由美国学者D.G.Berry提出，通过波导在高度上的变化实现对反射微波的线性相位调控(D.G.Berry,R.G.Malech.The Reflect-arrayAntenna.IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1963,11(6):645-651)，这类反射阵列天线功率容量高，带宽能够做到40％以上，可以应用在宽带高功率微波系统中，但其在轴向上的尺寸较大，因而整个系统受到体积和重量的限制；旋转移相式反射阵通过圆极化转换单元的旋转实现对反射波的相位调节，清华大学博士杨雪设计了一种对称双环形机械旋转移相式可重构反射阵天线，带有底部反射板的开槽双环形单元刻蚀在介质基板上，通过步进电机调节单元的旋转角度从而完成对单元的反射相位调节(Xue Yang,Shengheng Xu,Fan Yang,et al.A Broadband High-Efficiency ReconfigurableReflectarray Antenna Using Mechanically Rotational Elements.IEEE Transactionson Antennas and Propagation,2017,65(8):3959～3966)，该反射阵列天线实现了±60度范围内的波束扫描，达到最大扫描角度时增益相比最高增益下降3.7dB，带宽为28.6％，但是由于使用微带印刷结构，其功率容量小于10MW，依旧不能直接应用于高功率微波辐射系统。