CN101378147A - 利用微波二极管构建的工字形电控波束扫描天线罩 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用微波二极管构建的工字形电控波束扫描天线罩。在FR4介质板正反面印刷单元结构为工字形的铜线，介质板横向和纵向分别印刷n个和m个单元长度，组成n×m个相同工字形结构均匀分布的双面对称的异向介质板；每单元工字形结构中添加微波二极管，并在异向介质板上端第一行每单元外加直流电压，使每一列单元中的微波二极管有相同的直流偏压，每一列各单元之间为并联关系；通过调整相邻两列外加直流电压的不同，使波束通过相邻两列的相位差相同，以实现波束偏转。通过直流电压控制二极管的电容，改变异向介质的谐振频率，达到扫描方向电控可调的目的。本发明电控电路简单、电控可调性好、结构统一、体积小、重量轻、制作简单、成本低。

Description

利用微波二极管构建的工字形电控波束扫描天线罩

技术领域

本发明涉及天线方向扫描的天线罩，尤其是涉及一种利用微波二极管构建的工字形电控波束扫描天线罩。

背景技术

为了让天线的出射波束能够按照期望进行扫描，波束电扫描天线应运而生。常见的波束电扫描技术是基于相控阵列技术的，通过控制阵列天线中各个辐射源的相对相位的变化来实现天线整体波束扫描。该技术具有扫描速度快的优点。但是由于相控阵列技术需要比较复杂的电控电路和大量的移相器件，使得其成本一直居高不下。通常的电控扫描天线的移相器都采用铁氧体，半导体等材料来实现，这些材料的使用使电控波束扫描天线的波束扫描速度的进一步提高受到限制。此外，在很多需要小尺寸天线体积的情况下，相控阵列天线因其尺寸较大，所以经常使用不便。

事实上，控制天线波束扫描方向也可以将定向天线的波束辐射到介质天线罩上，通过控制介质块上不同的区域的等效介电常数或等效磁导率等，来控制天线整体的辐射方向的变化，实现波束扫描。

为此改变以往使用移相器制作波束电控扫描天线的方式，提出将一个定向天线的辐射场经过一个电压控制并可进行天线方向扫描的天线罩，来实现天线方向电控扫描的设计方案。为了制造这种方便电压控制扫描方向的天线罩，需采用基于异向介质理论的电控异向介质材料。已有的电控异向介质材料有双面S形电控异向介质材料。而在其中添加微波二极管时，需要在异向介质材料板上打许多通孔，且只能进行手动焊接，制作过程繁杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用微波二极管构建的工字形电控波束扫描天线罩。采用基于异向介质理论的电控异向介质材料，并于材料中添加微波二极管，通过直流电压控制二极管的电容，改变异向介质的谐振频率，达到扫描方向电控可调的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

在FR4介质板正反面印刷单元结构为工字形的铜线，介质板横向和纵向分别印刷n个和m个单元长度，组成n×m个相同工字形结构均匀分布的双面对称的异向介质板；每单元工字形结构中添加微波二极管，并在异向介质板上端第一行每单元外加直流电压，使每一列单元中的微波二极管有相同的直流偏压，每一列各单元之间为并联关系；通过调整相邻两列外加直流电压的不同，使波束通过相邻两列的相位差相同，以实现波束偏转；其整体构成工字形电控波束扫描天线罩。

所述的n个和m个单元的个数由天线罩后面的定向天线的大小来确定，使天线罩大小能够覆盖定向天线的出射范围。

所述的微波二极管采用Infineon公司的BAT15-03W微波二极管，且采用异向介质材料板单面焊接方式。

本发明具有的有益的效果是：

该结构采用单面焊接微波二极管的方式，制作过程简单。和传统相控阵天线比较，具有电控电路简单、电控可调性好、结构统一、体积小、重量轻、制作简单、成本低等特点。其中，依靠外加直流偏压控制天线罩扫描方向，电压调节速度基本不受限制，利于波束扫描速度的进一步提高。而去掉了复杂的电控电路和大量的移相器件，使结构更为紧凑，成本也大幅降低。

附图说明

图1是单元结构示意图。

图2是单元等效电路图。

图3是天线罩波束扫描示意图。

图4是单元尺寸图。

图5是本发明结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，为了制造这种方便电压控制扫描方向的天线罩，采用基于异向介质理论的双面工字形电控异向介质新材料，并于材料中添加微波二极管。其中k为波束入射方向，E为电场极化方向，H为磁场极化方向。

如图1、图3所示，本发明在FR4介质板正反面印刷单元结构为工字形的铜线，介质板横向和纵向分别印刷n个和m个单元长度，组成n×m个相同工字形结构均匀分布的双面对称的异向介质板；每单元工字形结构中添加微波二极管，并在异向介质板上端第一行每单元外加直流电压，使每一列单元中的微波二极管有相同的直流偏压，每一列各单元之间为并联关系；通过调整相邻两列外加直流电压的不同，使波束通过相邻两列的相位差相同，以实现波束偏转；其整体构成工字形电控波束扫描天线罩。

所述的n个和m个单元的个数由天线罩后面的定向天线的大小来确定，使天线罩大小能够覆盖定向天线的出射范围。

所述的微波二极管采用Infineon公司的BAT15-03W微波二极管，且采用异向介质材料板单面焊接方式。

添加了微波二极管的工字形电控异向介质新材料的等效电路如图2所示。其中c₁为正反两面金属间的电容，L为金属条的电感，c₂为微波二极管的电容。

天线罩设计工作频率为9.1GHz。通过调整相邻两列外加直流电压的不同，控制每列二极管具有不同的电容值，使每列异向介质具有不同的谐振频率，从而使定向天线的辐射场通过每一列产生不同的相位变化，如图3所示，其中φ₁，φ₂，φ₃，……φ_n为天线罩1至n列的相位变化值，以控制天线整体的辐射方向，实现波束扫描。

通过每一列产生不同的相位变化，以控制天线整体的辐射方向的方法：

设天线罩共分为n列，通过调整直流供电偏压值，使相邻列产生等差递减的相位差，即

φ_i+1-φ_i＝Δφ＝const；i＝1，2，...n

其中φ_i表示定向天线的辐射场通过第i列产生的相位变化。

定向天线的辐射场通过相邻区域产生等差递减的相位差，使辐射场的等相位面发生偏转，设每一区域的宽度为d，通过天线罩的辐射场的偏转角为

$\mathrm{\θ}={\sin }^{-1}\left(\frac{\mathrm{\Δ\φ\λ}}{2\mathrm{\πd}}\right)$

其中Δφ为相位差，λ为波长。

单元尺寸如图4所示，其中单元长1＝6mm，单元高h＝6mm，开槽长g＝1.6mm，两端金属条宽w₁＝0.3mm，中间金属条宽w₂＝1mm。

本发明的结构示意图如图5所示，天线罩沿横向有n个单元，纵向有m个单元。每列各单元之间为并联直流偏压供电结构，直流偏压接于纵向金属条的顶端，使每一列并联二极管有相同的直流偏压，以产生相同的相位差。每一区域直流偏压互不相同，以实现相邻区域产生等差递减的相位差。定向天线的辐射场的电场为水平极化。采用列内各单元并联直流偏压供电结构便于供电，并可减少所需直流偏压的数量，有利于天线罩整体结构的简化和成本的降低。

在工作频率变容范围可满足需要的微波二极管的选择：

根据所需辐射场的最大偏转角及天线罩大小，确定所需最小相位差，根据外加微波二极管的不同电容值对天线罩进行仿真，确定与最小相位差对应的最小二极管电容值变化范围，最后根据该范围查找在工作频率电容值变化范围可达到要求的微波二极管。

Claims (3)

1、一种利用微波二极管构建的工字形电控波束扫描天线罩，其特征在于：在FR4介质板正反面印刷单元结构为工字形的铜线，介质板横向和纵向分别印刷n个和m个单元长度，组成n×m个相同工字形结构均匀分布的双面对称的异向介质板；每单元工字形结构中添加微波二极管，并在异向介质板上端第一行每单元外加直流电压，使每一列单元中的微波二极管有相同的直流偏压，每一列各单元之间为并联关系；通过调整相邻两列外加直流电压的不同，使波束通过相邻两列的相位差相同，以实现波束偏转；其整体构成工字形电控波束扫描天线罩。

2、根据权利要求1所述的一种利用微波二极管构建的工字形电控波束扫描天线罩，其特征在于：所述的n个和m个单元的个数由天线罩后面的定向天线的大小来确定，使天线罩大小能够覆盖定向天线的出射范围。

3、根据权利要求1所述的一种利用微波二极管构建的工字形电控波束扫描天线罩，其特征在于：所述的微波二极管采用Infineon公司的BAT15-03W微波二极管，且采用异向介质材料板单面焊接方式。

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