CN101872894A - 一种方向图可重构的介质谐振天线及其相控阵 - Google Patents

Abstract

一种方向图可重构的介质谐振天线及其相控阵，属于天线技术领域。所提供的方向图可重构的介质谐振天线的辐射体包括两个可单独工作的单极子天线、一块金属挡板和外罩的高介电常数介质半球；其馈电结构采用同轴馈电、微带电路和PIN开关二极管实现直流PIN开关控制信号和射频信号的同时输入以及单极子天线工作状态的切换。所提供的天线相控阵为若干所述方向图可重构的介质谐振天线为天线单元组成的直线型相控阵。本发明提供的方向图可重构的介质谐振天线具有辐射方向图和工作频率可调的特性；所提供的天线相控阵具有辐射方向图和工作频率可调的特性，能够实现较大角度的波束扫描，降低扫描方向图的副瓣电平，且随着扫描角度的增加，扫描方向图的增益基本不变。

Description

一种方向图可重构的介质谐振天线及其相控阵

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及到一种方向图可重构天线及其构成的大角度扫描相控阵。

背景技术

当前，各种无线系统对容量、功能、带宽等性能要求越来越高。显然，提高系统容量、增加系统功能、扩展系统带宽，可以满足现实需求，但付出的代价是在同一无线系统平台上搭载的信息子系统数量将增加，作为无线信息的出入口天线而言，其数量也会必然相应地增加，这将会导致整个无线系统的成本增加、体积增大和电磁兼容增强等负面影响。在这一背景下，可重构天线得到迅猛发展，它将多个天线的功能融合到同一天线口径中，通过切换安装在天线上的微波开关的工作状态，可以获得实际所需要的天线的工作特性，从降低系统的整体成本、减轻重量、减小系统的雷达散射截面、实现良好的电磁兼容特性等方面而言，可重构天线是一个很好的解决途径。

近几十年来，雷达天线技术迅猛发展，从锥扫天线到抛物面或变态卡塞格伦天线，进而发展到平面波导型阵列天线。这些类型的雷达天线一定意义上解决很多现实问题，但它们的波束搜索均基于机械扫描技术完成，使得天线阵列扫描视角小、速度慢且系统体积重量大。

相控阵技术的出现为雷达系统的发展提供了新的契机。相控阵技术采用电控阵元相位的方法，以其独特的无惯性波束扫描、方便快捷的波束调度和能量管理等优势在雷达和通信等方面得到了广泛的应用。在集成化、轻量化发展趋势的驱动之下，具有易于集成、重量轻等独特优势的微带天线成为雷达天线很好的选择。为了扩大雷达系统的目标搜索范围和通信系统的容量，需要将相控阵天线的扫描角度范围覆盖全空间，但由于微带天线本身的特性，使得现有的微带相控阵扫描角度受到两个条件的限制：其一是由于天线单元间互耦的存在，使天线阵向靠近端射方向的一定角度范围内扫描时阵列反射系数较大而无法辐射电磁能量，在某些方向上能量甚至被全反射而导致扫描盲点的出现；其二是由于天线单元本身的能量辐射只能限制在有限的空间角度范围内，使得其构成的阵列无法将能量辐射到全空间区域。另外，宽角度扫描相控阵通常采用宽波束天线，但是该类相控阵容易出现无法容忍的栅瓣。

发明内容

本发明提供一种方向图可重构介质谐振天线，该天线具有辐射方向图的可调性，一副天线能够实现两幅天线的功能，其辐射方向图的最大值分别指向±45°。同时，本发明还提供基于该方向图可重构天线的一维相控阵，相对于传统相控阵而言，该相控阵具有波束扫描角度大大扩展、方向图的副瓣电平较低，增益平稳度较高等优势。

本发明技术方案涉及两方面的内容：一是方向图可重构介质谐振天线，二是基于这种天线单元构成的一维相控阵。

本发明提供的方向图可重构介质谐振天线实际上等效于两个可以单独工作的单极子天线加上一块用于反射电磁波的金属挡板构成，且外面罩了一层高介电常数(ε≥6)的介质半球，其起到聚焦电磁波的作用。其技术方案如下：

一种方向图可重构介质谐振天线，如图1、2所示，包括辐射体和馈电结构。

所述辐射体包括第一1/4介质球1a和第二1/4介质球1b、第一单极子天线2a和第二单极子天线2b以及一块金属挡板3；两个1/4介质球紧靠在一起形成一个介质半球，中间夹着金属挡板3；两个单极子天线相对于金属档板3呈镜面对称地包覆于1/4介质球中，并漏出底端与馈电结构进行电连接。

所述的馈电结构包括一个馈电电路支撑层和一个馈电电路，其中馈电电路支撑层包括第一层介质板4a和第二层介质板4b，馈电电路包括第一PIN开关二极管9a和第二PIN二极管9b、同轴馈电探针6和微带线7。第一层介质板4a的上表面具有金属层5a，第二层介质板4b的下表面具有金属层5b。馈电电路中的两个PIN开关二极管9a、9b和微带线7位于第一层介质板4a和第二层介质板4b之间。所述微带线7由第一段微带线71、第二段微带线72a、第三段微带线72b、第一1/4波长接地线73a和第二1/4波长接地线73b构成，整个微带线7相对于第一段微带线71的几何中心点呈镜面对称结构。同轴馈电探针6穿过第二层介质板4b及其下表面金属层5b与第一段微带线71的几何中心区域71a相连。第一段微带线71的一端与第一PIN开关二极管9a的正极相连，另一端与第二PIN二极管9b的负极相连；第一PIN开关二极管9a的负极与第二段微带线72a的首端相连，第二段微带线72a的末端与第一1/4波长接地线73a的首端相连，第一1/4波长接地线73a的末端73a1通过第一金属化过孔8a与第二层介质板4b下表面的金属层5b相连；第二PIN开关二极管9a的正极与第三段微带线72b的首端相连，第三段微带线72b的末端与第二1/4波长接地线73b的首端相连，第二1/4波长接地线73b的末端73b1通过第二金属化过孔8b与第二层介质板4b下表面的金属层5b相连。第一单极子天线2a的底端与第二段微带线72a的末端连接区域72a0相连；第二单极子天线2b的底端与第三段微带线72b的末端连接区域72b0相连。

上述技术方案中，所述1/4介质球材料的介电常数大于等于6，所述第一层介质板4a和第二层介质板4b材料的介电常数小于等于3。

本发明提供的方向图可重构介质谐振天线工作时，射频信号和直流PIN开关二极管控制信号均施加于同轴馈电探针6上，第二层介质板4b下表面的金属层5b接地；其中当直流PIN开关二极管控制信号为正时，第一PIN开关二极管9a导通，第二PIN二极管9b截至，此时射频信号经第一PIN开关二极管9a并通过第一单极子天线2a向外辐射；当直流PIN开关二极管控制信号为负时，第一PIN开关二极管9a截至，第二PIN二极管9b导通，此时射频信号经第二PIN开关二极管9b并通过第二单极子天线2b向外辐射。直流偏置回路中采用了1/4波长接地线，目的是尽量保证在金属接地板5b和第二、三段微带线之间，射频信号相当于开路，以降低直流偏置线对天线性能的影响。该天线实际上相当于两个独立的单极子天线，通过二极管开关控制实现两个单极子天线交替进行工作，从而实现辐射方向图的可调性。

辐射体中的金属挡板3的作用是将试图辐射到挡板另一端的电磁能量强行反射回来，以增强天线的辐射性能。辐射体中的1/4介质球的作用是将从单极子辐射出来的能量聚焦于远场。

本发明提供的方向图可重构介质谐振天线辐射方向图的最大值可以分别指向±45°；工作频率可调，使用不同介电常数的介质半球，就可以得到不同工作频率的天线，且天线的辐射特性不变。

本发明提供的方向图可重构介质谐振天线相控阵为采用若干上述方向图可重构介质谐振天线按照稀疏阵的布阵方式组成的一维线阵，其技术方案如下：

一种方向图可重构介质谐振天线相控阵，如图6及图1、2所示，由N个相同的方向图可重构介质谐振天线单元组成。N个方向图可重构介质谐振天线单元组成直线型相控阵，第n+1个天线单元的几何中心与第一个天线单元几何中心之间的间距x_n为：

$x_n=\underset{1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{d}_n=\frac{L}{r-1}(r^{\frac{n-1}{N-1}}-1)$

其中，r＝(x_N-1-x_N-2)/(x₂-x₁)，L为直线型相控阵的总长度，1≤n≤N。

所述方向图可重构介质谐振天线单元，如图1、2所示，包括辐射体和馈电结构。

所述辐射体包括第一1/4介质球1a和第二1/4介质球1b、第一单极子天线2a和第二单极子天线2b以及一块金属挡板3；两个1/4介质球紧靠在一起形成一个介质半球，中间夹着金属挡板3；两个单极子天线相对于金属档板3呈镜面对称地包覆于1/4介质球中，并漏出底端与馈电结构进行电连接。

所述的馈电结构包括一个馈电电路支撑层和一个馈电电路，其中馈电电路支撑层包括第一层介质板4a和第二层介质板4b，馈电电路包括第一PIN开关二极管9a和第二PIN二极管9b、同轴馈电探针6和微带线7。第一层介质板4a的上表面具有金属层5a，第二层介质板4b的下表面具有金属层5b。馈电电路中的两个PIN开关二极管9a、9b和微带线7位于第一层介质板4a和第二层介质板4b之间。所述微带线7由第一段微带线71、第二段微带线72a、第三段微带线72b、第一1/4波长接地线73a和第二1/4波长接地线73b构成，整个微带线7相对于第一段微带线71的几何中心点呈镜面对称结构。同轴馈电探针6穿过第二层介质板4b及其下表面金属层5b与第一段微带线71的几何中心区域71a相连。第一段微带线71的一端与第一PIN开关二极管9a的正极相连，另一端与第二PIN二极管9b的负极相连；第一PIN开关二极管9a的负极与第二段微带线72a的首端相连，第二段微带线72a的末端与第一1/4波长接地线73a的首端相连，第一1/4波长接地线73a的末端73a1通过第一金属化过孔8a与第二层介质板4b下表面的金属层5b相连；第二PIN开关二极管9a的正极与第三段微带线72b的首端相连，第三段微带线72b的末端与第二1/4波长接地线73b的首端相连，第二1/4波长接地线73b的末端73b1通过第二金属化过孔8b与第二层介质板4b下表面的金属层5b相连。第一单极子天线2a的底端与第二段微带线72a的末端连接区域72a0相连；第二单极子天线2b的底端与第三段微带线72b的末端连接区域72b0相连。

本发明提供的方向图可重构介质谐振天线相控阵，由于采用的天线单元的辐射方向图的最大值可以分别指向±45°。根据阵列天线的方向图相乘原理可知，由于阵因子给定，而该天线具有辐射方向图的可调性，且指向偏离天线的法线方向，因而将其组成相控阵时，能够实现较大角度的波束扫描。同时，该相控阵采用加权稀疏阵的布阵方式，稀疏阵的天线单元之间的间距是递增的，也就是说，越往后面，天线单元之间的间距越大，相互之间的能量耦合就会越来越小；另外，加权稀疏阵可以降低扫描方向图的副瓣电平。

附图说明

图1是本发明提供的方向图可重构介质谐振天线的剖面图。

图2是本发明提供的方向图可重构介质谐振天线的馈电结构中微带线7的放大图。

图3是本发明提供的方向图可重构介质谐振天线端口的回波损耗曲线。

图4是本发明提供的方向图可重构介质谐振天线工作在开关状态I的E面和H面辐射方向图。

图5是本发明提供的方向图可重构介质谐振天线工作在开关状态II的E面和H面辐射方向图。

图6是本发明提供的一种具体的方向图可重构介质谐振天线相控阵的结构示意图。

图7是本发明提供的一种具体的方向图可重构介质谐振天线相控阵中前六个单元的端口反射系数曲线。

图8是本发明提供的一种具体的方向图可重构介质谐振天线相控阵中后六个单元的端口反射系数曲线。

图9是本发明提供的一种具体的方向图可重构介质谐振天线相控阵中前七个单元相邻两两之间的耦合系数曲线。

图10是本发明提供的一种具体的方向图可重构介质谐振天线相控阵中后六个单元相邻两两之间的耦合系数曲线。

图11是本发明提供的一种具体的方向图可重构介质谐振天线相控阵所有单元工作在开关状态I时的E面扫描方向图。

图12是本发明提供的一种具体的方向图可重构介质谐振天线相控阵中所有单元工作在开关状态I时的H面扫描方向图。

图13是本发明提供的一种具体的方向图可重构介质谐振天线相控阵中所有单元工作在开关状态II时的E面扫描方向图。

图14是本发明提供的一种具体的方向图可重构介质谐振天线相控阵中所有单元工作在开关状态II时的H面扫描方向图。

具体实施方案

结合实施例及附图，下面对本发明作进一步说明，同时应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅是示例性的，此发明的实施方式不限于此。

本发明涉及到的天线可以单独使用，也可以用于阵列天线中。

实施例一

一种方向图可重构介质谐振天线，如图1、2所示，包括辐射体和馈电结构。

所述辐射体包括介电常数ε₁＝6、半径为7.2mm的两个1/4介质球：第一1/4介质球1a和第二1/4介质球1b；两个半径为0.7mm、高度为3.8mm的单极子天线：第一单极子天线2a和第二单极子天线2b；一块半径为7.2mm的金属挡板3。两个1/4介质球紧靠在一起形成一个介质半球，中间夹着金属挡板3；两个单极子天线相对于金属档板3呈镜面对称地包覆于1/4介质球中，并漏出底端与馈电结构进行电连接。

所述的馈电结构包括一个馈电电路支撑层和一个馈电电路，其中馈电电路支撑层包括两层介电常数ε₂＝2、厚度为0.8mm的介质板：第一层介质板4a和第二层介质板4b；馈电电路包括第一PIN开关二极管9a和第二PIN二极管9b、同轴馈电探针6和微带线7。第一层介质板4a的上表面具有金属层5a，第二层介质板4b的下表面具有金属层5b。馈电电路中的两个PIN开关二极管9a、9b和微带线7位于第一层介质板4a和第二层介质板4b之间。所述微带线7由第一段微带线71、第二段微带线72a、第三段微带线72b、第一1/4波长接地线73a和第二1/4波长接地线73b构成，整个微带线7相对于第一段微带线71的几何中心点呈镜面对称结构。同轴馈电探针6穿过第二层介质板4b及其下表面金属层5b与第一段微带线71的几何中心区域71a相连。第一段微带线71的一端与第一PIN开关二极管9a的正极相连，另一端与第二PIN二极管9b的负极相连；第一PIN开关二极管9a的负极与第二段微带线72a的首端相连，第二段微带线72a的末端与第一1/4波长接地线73a的首端相连，第一1/4波长接地线73a的末端73a1通过第一金属化过孔8a与第二层介质板4b下表面的金属层5b相连；第二PIN开关二极管9a的正极与第三段微带线72b的首端相连，第三段微带线72b的末端与第二1/4波长接地线73b的首端相连，第二1/4波长接地线73b的末端73b1通过第二金属化过孔8b与第二层介质板4b下表面的金属层5b相连。第一单极子天线2a的底端与第二段微带线72a的末端连接区域72a0相连；第二单极子天线2b的底端与第三段微带线72b的末端连接区域72b0相连。

直流PIN开关二极管控制信号从馈电探针6输入，进入第一段微带线71，并经过PIN二极管9a或者9b和第一1/4波长接地线73a或第二1/4波长接地线73b，最终接地形成直流的回路，为PIN二极管提供偏压。当直流PIN开关二极管控制信号为正电压时，第一PIN开关二极管9a导通，第二PIN开关二极管9b截止，定义此时的开关状态为SI；当直流PIN开关二极管控制信号为负电压时，第一PIN开关二极管9a截止，第二PIN开关二极管9b导通，定义此时的开关状态为SII。

在开关状态SI情况下，射频信号从同轴馈电探针6进入第一段微带线71的电磁能量就由第二段微带线72a传递到第一单极子天线2a，最后通过第一单极子天线2a辐射到第一1/4介质球1a，再经过第一1/4介质球1a与空气的交界面以及金属挡板3的折射和反射等一系列过程，最终将电磁能量辐射到远场区。同理，在开关状态SII情况下，射频信号从同轴馈电探针6进入第一段微带线71的电磁能量就由第三段微带线72b传递到第二单极子天线2b，最后通过第二单极子天线2b辐射到第二1/4介质球1b，再经过第二1/4介质球1b与空气的交界面以及金属挡板3的折射和反射等一系列过程，最终将电磁能量辐射到远场区。

经仿真测试，上述实施例提供的方向图可重构介质谐振天线的中心工作频率为9.45GHz，其1/4波长接地线的长度为8mm左右。由于接地线的长度为1/4波长，射频信号从直流回路中泄漏的能量非常少，几乎可以忽略不计。

上述实施例中，通过切换PIN二极管9a和9b的工作状态，就可以切换天线的辐射方向图；在所有尺寸不变的情况下，通过改变1/4介质球1a和1b的介电常数值，就可以调整天线的工作频率，且天线的辐射性能不变。

两个PIN开关二极管采用型号为MA4GP905的二极管，根据MA4GP905二极管的工作参数可知，该型号的二极管导通时相当于一个4ohm的小电阻，断开时相当于一个0.025pF的小电容。由于模拟仿真只能采取静态的参数设定，因此，为了更为精确地描述天线的各项特性，当PIN二极管导通时，选择一个4ohm的小电阻进行模拟仿真，PIN二极管断开时，选择一个0.025pF的小电容进行模拟仿真。

图3示出了该天线工作开关状态SI时的回波损耗曲线，选择适合的天线尺寸，该天线工作在f＝9.4GHz。

图4分别示出了该天线工作开关状态SI时的E面和H面辐射方向图。可以看到，该天线的E面方向图的最大值偏离天线的法线朝向2a的一方45°，由于该结构的对称性，当该天线工作在开关状态SII时，该天线的E面方向图的最大值将会偏离天线的法线朝向2b的一方45°，如图5所示。

实施例二

一种方向图可重构介质谐振天线相控阵，如图6所示，由N个实施例一所提供的方向图可重构介质谐振天线为天线单元组成；N个方向图可重构介质谐振天线单元组成直线型相控阵，第n+1个天线单元的几何中心与第一个天线单元几何中心之间的间距x_n为：

$x_n=\underset{1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{d}_n=\frac{L}{r-1}(r^{\frac{n-1}{N-1}}-1)$

其中，r＝(x_N-1-x_N-2)/(x₂-x₁)，L为直线型相控阵的总长度，1≤n≤N。

取N＝12，L＝8λ，其中λ＝31.7mm，得到一种具体的方向图可重构介质谐振天线相控阵，通过计算，该天线相控阵相邻天线单元之间的间距如表1所示：

表1：相邻天线单元之间的间距(单位：mm)

d1	d2	d3	d4	d5	d6	d7	d8	d9	d10	d11
											16.6	34.4	53.2	73.3	94.8	117.5	141.8	167.7	195.3	224.6	255.9

该天线相控阵扫描角度θ_n与各天线单元之间的相位差

可以通过下式算出：

通过改变

就可以得到所需要的扫描角θ_n，实现相位控制扫描方向图。

图7示出了该天线相控阵前六个单元的HFSS仿真的回波损耗曲线，可以看出，各个端口的匹配都很好，由于越往后面，天线单元之间间距越大，因此能量耦合越小，从而对天线单元端口回波损耗的影响越小，所以后面的单元的回波损耗优于前六个单元的回波损耗，如图8所示。

图9给出了该天线相控阵前七个单元两两之间的HFSS仿真的耦合系数曲线，可以看出，在天线工作频率附近，随着天线单元间距的递增，耦合系数越来越小，且每两个单元之间的耦合系数都小于-15dB以下，图10更好地验证了这种结果。

图11和图12分别示出了该天线相控阵在开关状态SI时的E面和H面辐射方向图。可以看到，通过改变各个天线单元的相位，可以调节该阵列的扫描方向图，从图11可以看出，该阵列的所有单元工作在开关状态SI时，E面方向图主瓣最大能够扫描到-76°，3dB波束可以扫描到-85°。

图13和图14分别示出了该天线相控阵工作在开关状态SII时的E面和H面辐射方向图。可以看到，该阵列的所有单元工作在开关状态SII时，E面方向图主瓣最大能够扫描到+74°，3dB波束可以扫描到+85°。

由于结构的对称性，开关状态SI和开关状态SII的扫描方向图应该也是对称的，但从图11-14可以看到，两个状态的扫描方向图基本对称，但最大扫描角度相差两度，这主要是软件的计算误差引起的。

通过调节馈电结构上的PIN开关二极管的工作状态，就可以使得该相控阵在±74°之间进行E面方向图主瓣的波束扫描，相对于普通相控阵的±50°以下的扫描能力而言，该天线相控阵具有更大角度波束扫描的能力。

传统的相控阵随着扫描角度的增加，副瓣电平会越来越高，甚至无法接受，而且增益会随着扫描角度的增大而减小，这满足阵列的方向图相乘原理。从图10可以看出，用可重构天线组成相控阵时，随着扫描角度的不断增加，E面扫描方向图的增益基本不变，而且具有较低的副瓣电平，这主要是由单元方向图的偏离法线和方向图可调的特性共同决定的。

相对于传统的相控阵而言，本发明提供的基于方向图可重构天线的相控阵具有几大优势：

1、具有大角度的波束扫描能力。

2、扫描方向图具有较低的副瓣电平。

3、随着扫描角度的增加，扫描方向图的增益基本不变。

Claims (6)

1.一种方向图可重构介质谐振天线，包括辐射体和馈电结构；其特征在于，

所述辐射体包括第一1/4介质球1a和第二1/4介质球(1b)、第一单极子天线(2a)和第二单极子天线(2b)以及一块金属挡板(3)；两个1/4介质球紧靠在一起形成一个介质半球，中间夹着金属挡板(3)；两个单极子天线相对于金属档板(3)呈镜面对称地包覆于1/4介质球中，并漏出底端与馈电结构进行电连接；

所述的馈电结构包括一个馈电电路支撑层和一个馈电电路，其中馈电电路支撑层包括第一层介质板(4a)和第二层介质板(4b)，馈电电路包括第一PIN开关二极管(9a)和第二PIN二极管(9b)、同轴馈电探针(6)和微带线(7)；第一层介质板(4a)的上表面具有金属层(5a)，第二层介质板(4b)的下表面具有金属层(5b)；馈电电路中的两个PIN开关二极管(9a、9b)和微带线(7)位于第一层介质板(4a)和第二层介质板(4b)之间；所述微带线(7)由第一段微带线(71)、第二段微带线(72a)、第三段微带线(72b)、第一1/4波长接地线(73a)和第二1/4波长接地线(73b)构成，整个微带线(7)相对于第一段微带线(71)的几何中心点呈镜面对称结构；同轴馈电探针(6)穿过第二层介质板(4b)及其下表面金属层(5b)与第一段微带线(71)的几何中心区域(71a)相连；第一段微带线(71)的一端与第一PIN开关二极管(9a)的正极相连，另一端与第二PIN二极管(9b)的负极相连；第一PIN开关二极管(9a)的负极与第二段微带线(72a)的首端相连，第二段微带线(72a)的末端与第一1/4波长接地线(73a)的首端相连，第一1/4波长接地线(73a)的末端(73a1)通过第一金属化过孔(8a)与第二层介质板(4b)下表面的金属层(5b)相连；第二PIN开关二极管(9a)的正极与第三段微带线(72b)的首端相连，第三段微带线(72b)的末端与第二1/4波长接地线(73b)的首端相连，第二1/4波长接地线(73b)的末端(73b1)通过第二金属化过孔(8b)与第二层介质板(4b)下表面的金属层(5b)相连；第一单极子天线(2a)的底端与第二段微带线(72a)的末端连接区域(72a0)相连；第二单极子天线(2b)的底端与第三段微带线(72b)的末端连接区域(72b0)相连。

2.根据权利要求1所述的方向图可重构介质谐振天线，其特征在于，所述1/4介质球材料的介电常数大于等于6，所述第一层介质板(4a)和第二层介质板(4b)材料的介电常数小于等于3。

3.根据权利要求1所述的方向图可重构介质谐振天线，其特征在于，所述PIN开关二极管采用型号为MA4GP905的二极管。

4.一种方向图可重构介质谐振天线相控阵，由N个相同的方向图可重构介质谐振天线单元组成；其特征在于，N个方向图可重构介质谐振天线单元组成直线型相控阵，第n+1个天线单元的几何中心与第一个天线单元几何中心之间的间距x_n为：

$x_n=\underset{1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{d}_n=\frac{L}{r-1}(r^{\frac{n-1}{N-1}}-1)$

其中，r＝(x_N-1-x_N-2)/(x₂-x₁)，L为直线型相控阵的总长度，1≤n≤N；

所述方向图可重构介质谐振天线单元包括辐射体和馈电结构；

所述辐射体包括第一1/4介质球1a和第二1/4介质球(1b)、第一单极子天线(2a)和第二单极子天线(2b)以及一块金属挡板(3)；两个1/4介质球紧靠在一起形成一个介质半球，中间夹着金属挡板(3)；两个单极子天线相对于金属档板(3)呈镜面对称地包覆于1/4介质球中，并漏出底端与馈电结构进行电连接；

所述的馈电结构包括一个馈电电路支撑层和一个馈电电路，其中馈电电路支撑层包括第一层介质板(4a)和第二层介质板(4b)，馈电电路包括第一PIN开关二极管(9a)和第二PIN二极管(9b)、同轴馈电探针(6)和微带线(7)；第一层介质板(4a)的上表面具有金属层(5a)，第二层介质板(4b)的下表面具有金属层(5b)；馈电电路中的两个PIN开关二极管(9a、9b)和微带线(7)位于第一层介质板(4a)和第二层介质板(4b)之间；所述微带线(7)由第一段微带线(71)、第二段微带线(72a)、第三段微带线(72b)、第一1/4波长接地线(73a)和第二1/4波长接地线(73b)构成，整个微带线(7)相对于第一段微带线(71)的几何中心点呈镜面对称结构；同轴馈电探针(6)穿过第二层介质板(4b)及其下表面金属层(5b)与第一段微带线(71)的几何中心区域(71a)相连；第一段微带线(71)的一端与第一PIN开关二极管(9a)的正极相连，另一端与第二PIN二极管(9b)的负极相连；第一PIN开关二极管(9a)的负极与第二段微带线(72a)的首端相连，第二段微带线(72a)的末端与第一1/4波长接地线(73a)的首端相连，第一1/4波长接地线(73a)的末端(73a1)通过第一金属化过孔(8a)与第二层介质板(4b)下表面的金属层(5b)相连；第二PIN开关二极管(9a)的正极与第三段微带线(72b)的首端相连，第三段微带线(72b)的末端与第二1/4波长接地线(73b)的首端相连，第二1/4波长接地线(73b)的末端(73b1)通过第二金属化过孔(8b)与第二层介质板(4b)下表面的金属层(5b)相连；第一单极子天线(2a)的底端与第二段微带线(72a)的末端连接区域(72a0)相连；第二单极子天线(2b)的底端与第三段微带线(72b)的末端连接区域(72b0)相连。

5.根据权利要求4所述的方向图可重构介质谐振天线相控阵，其特征在于，所述1/4介质球材料的介电常数大于等于6，所述第一层介质板(4a)和第二层介质板(4b)材料的介电常数小于等于3。

6.根据权利要求4所述的方向图可重构介质谐振天线相控阵，其特征在于，所述PIN开关二极管采用型号为MA4GP905的二极管。

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