CN102354810A - 利用次波长谐振结构单元构成的全向电扫天线罩 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用次波长谐振结构单元构成的全向电扫天线罩。每个次波长谐振单元由三层组成，呈正方形结构，在中间层Rogers电路板下面正中间镀有一层十字形铜片，顶层为一层开缝十字形铜片，开缝十字形铜片的缝隙45度角倾斜将十字形分成中心对称的两瓣，并由开关二极管的两个接口相连，由二极管的导通与截止引入通带与禁带两种工作状态，并由外加偏置电压控制二极管的导通或者截止，将多个次波长谐振结构单元周期延拓，组成大面积等效平板，由电压控制每个单元的通带、禁带，形成等效的任意形状的开口、缝隙天线，实现全向扫描。本发明结构简单、控制方便、可任意控制天线辐射形状，可用于各种频段的雷达、通信等波速扫描装备研发应用领域。

Description

利用次波长谐振结构单元构成的全向电扫天线罩

技术领域

本发明涉及一种全向电扫天线罩，特别是涉及一种利用次波长谐振结构单元构成的全向电扫天线罩。

背景技术

近年来，电控波束可调天线(即智能天线)技术得到了充分的发展，在雷达系统以及移动通信方面都有广阔的应用前景。特别是随着我国深空探测技术的发展，星载数传天线的传输距离越来越遥远，传输数据量越来越大，而深空探测器没有固定的对地面，因此需要采用高增益的移动波束天线来实现对地数据传输。

1979年，Menzel指出了可以利用微带天线在高阶模时的泄漏特性制造天线。微带漏波天线工作于第一高阶模，形成空间漏波辐射，其主波束方向依赖于工作频率，具有电控频扫特性。微带漏波天线以其低剖面，易于匹配的特点适宜于集成化生产，特别是微带漏波天线的波束电控频扫特性，使其具有成为可应用于移动通信系统的新型智能天线的潜力。微带漏波天线的频扫特性在于当工作频率改变时，微带天线的电长度也随之改变，从而使微带天线上各点相位发生变化，形成的主波束方向偏移。但是，对于个人通信而言，工作频率一般是固定的，无法利用微带漏波天线的电控频扫特性。最近几年，开始有研究探讨如何在个人通信上应用微带漏波天线。有人通过在微带漏波天线上加载电容性元件实现了微带漏波天线的频率固定下波束可调；也有人则提出了运用阵列天线原理实现微带漏波天线的二维扫描，可惜主波束的方向仍由工作频率控制；另外也曾提出了使用移相器控制微带漏波天线馈电端口间相位差，从而控制微带漏波天线主波束偏移的微带漏波天线结构，但此结构的馈电部分还略嫌复杂，而且主波束偏移的范围不大。

目前用以实现高增益的移动波束天线的方案主要有两种：一种是机械扫描，另一种是相控扫描。采用机械扫描的数传天线多为带双轴驱动机构的抛物面天线，抛物面在高温环境下会产生形变，导致天线电性能恶化；剧烈变化的温差也会降低双轴驱动机构的可靠性。

而相控阵天线，就是由许多辐射单元排成阵列形式构成的走向天线，各单元之间的辐射能量和相位关是可以控制的。典型的相控阵是利用电子计算机控制移相器改变天线孔径上的相位分布来实现波束在空间扫描，即电子扫描，简称电扫。相位控制可采用相位法、实时法、频率法和电子馈电开关法。在一维上排列若干辐射单元即为线阵，在二维平面上排列很多辐射单元称为平面阵。辐射单元也可以排列在曲线上或曲面上．这种天线称为共形阵天线。共形阵天线可以克服线阵和平面阵扫描角小的缺点，能以一部天线实现全空间电扫。但是相控阵天线造价贵，典型的相控阵雷达比一般雷达的造价要高出若干倍，不能广泛应用到各个领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用次波长谐振结构单元构成的全向电扫天线罩，利用电磁波在次波长谐振结构的同时发生电谐振和磁谐振的效应，通过外加开关二极管的方式引入两种工作状态。在电路短路状态时，次波长谐振结构的电谐振和磁谐振同时发生，使得次波长谐振结构的等效相对介电常数和相对磁导率相等，从而实现完美匹配的通带，而当电路断路时，次波长谐振结构只发生电谐振，使得次波长谐振结构的等效参数实现单负特性，从而实现完美反射的禁带。将很多个单元周期排列成天线罩，使每个单元均可单独控制为通带或禁带实现等效的任意形状的小孔、缝隙天线，从而产生所需形状的天线辐射图，改变每个单元的偏置电压，即可实现全向扫描。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

每个次波长谐振单元由三层组成，呈正方形结构，在中间层Rogers电路板下面正中间镀有一层十字形金属铜片，十字形金属铜片的四个端口与Rogers电路板边界齐平，在中间层Rogers电路板上面镀有一层开缝十字形金属铜片，开缝十字形金属铜片的四个端口与Rogers电路板边界留有间隙，开缝十字形金属铜片的缝隙45度角倾斜将十字形分成中心对称的两瓣，缝隙的两边分别与开关二极管的两个接口相连，由开关二极管的导通与截止引入电路短路与断路两种工作状态，并由外加偏置电压控制开关二极管的导通或者截止，次波长谐振结构单元沿上下左右方向周期延拓，至少由36个次波长谐振结构单元组成。

所述的次波长谐振结构单元的长度小于1/4工作波长。

所述的每个单元上的开关二极管均由独立的偏置电压控制其导通或者截止。

本发明与背景技术相比具有的有益效果是：

1）设计结构简单，厚度薄（只需2mm），质量轻。只加一层简单的次波长谐振结构即可实现，所用材料均为常见材料。

1）通带和禁带效果好，通带时匹配性能好，能实现完美透射，禁带时隔离度好。经过实例仿真验证，在通带时的传输系数为-0.2dB，在禁带时传输系数为-36dB。

1）结构多变，可以针对不同的天线辐射图要求设计不同的形状和大小。每一种形状都可以实现电控波束扫描。

本发明可广泛用于当今各种频段的雷达、通信、对抗等波速扫描装备研发应用领域。

附图说明

图1是次波长谐振结构单元实例示意图。

图2是整体平面型天线罩实例示意图。

图中：1.十字形金属铜片，2.Rogers电路板，3.开缝十字形金属铜片，4.开关二极管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，每个次波长谐振单元由三层组成，呈正方形结构，在中间层Rogers电路板下面正中间镀有一层十字形金属铜片1，十字形金属铜片1的四个端口与Rogers电路板边界齐平，在中间层Rogers电路板上面镀有一层开缝十字形金属铜片3，开缝十字形金属铜片3的四个端口与Rogers电路板边界留有间隙，开缝十字形金属铜片3的缝隙45度角倾斜将十字形分成中心对称的两瓣，缝隙的两边分别与开关二极管4的两个接口相连，由开关二极管4的导通与截止引入电路短路与断路两种工作状态，并由外加偏置电压控制开关二极管（4）的导通或者截止，所述的次波长谐振结构单元沿上下左右方向周期延拓，至少由36个次波长谐振结构单元组成。

所述的次波长谐振结构单元的长度小于1/4工作波长。

如图2所示，所述每个单元上的开关二极管4均由独立的偏置电压控制其导通或者截止。

本发明提供的次波长谐振结构示意图如图1所示，当所加偏置电压使开关二极管工作在截止状态时，电路断路，入射到该结构上的电磁波，产生磁谐振和电谐振，调节开缝十字形金属铜片3的尺寸时，可以实现在某个频率段时候该金属单元的等效相对介电常数和相对磁导率相等，实现了完美匹配透射，形成电磁波通带。当所加偏置电压使开关二极管工作在导通状态时，电路短路，在工作频带内只实现单个谐振，形成等效参数的单负特性，这样就实现了等效介质完美反射的禁带。将多个单元周期排列成平板天线罩，就可以任意控制每个单元的的通带或禁带，形成等效的任意形状的开口、缝隙天线，最终实现任意辐射方向天线辐射图，改变每个单元的偏置电压，即可实现全向扫描。

本次波长谐振结构单元的实例如图1所示。基本单元结构的长度和宽度均为30mm，共有三层材料组成。底层为十字型金属铜片1，厚度为0.035mm，长度为30mm，宽度为1mm。中间层为Rogers电路板2，Roger电路板2的厚度为2mm，相对介电常数为6.15，损耗正切为0.002，相对磁导率为单位1。顶层为中间开缝并由开关二极管4相连的开缝十字形金属铜片3，厚度为0.035mm，长度为28mm，宽度为4mm,中间开缝隙，缝隙宽度为2mm。由开关二极管的导通与截止引入电路短路与断路两种工作状态，并由外加偏置电压控制导通或者截止。

 当工作在截止状态时，开关二极管相当于断路状态，缝隙相当于一个电容，该次波长谐振结构在电磁波入射到上面时，上面的片状开缝十字形金属铜片与底层的片状开缝十字形金属铜片联合作用会产生电谐振和磁谐振，使得该金属单元结构可以等效为均匀介质。其等效的相对介电常数和相对磁导率可以表示为：                                               

和

，其中

为该等效介质相对介电常数的实部， 

为该等效介质相对介电常数的虚部（由于电路中没有损耗，这部分的大小可以忽略，即几乎无损耗）. 同理

为该等效介质相对介电常数的实部， 

为该等效介质相对介电常数的虚部（由于电路中没有损耗，这部分的大小可以忽略，即几乎无损耗）。适当改变开槽片状十字形金属铜片的长度、宽度、开槽缝隙的宽度，可以使得该介质的介质参数在所需工作频率上得到

，即相对介电常数的实部与相对磁导率相等，这样就实现了与空气的阻抗完全匹配，形成完美透射的通带。同时，当开关二极管工作在导通状态时，开关二极管相当于短路状态，缝隙此时被短路，相当于电感，电磁波入射到上面时，让该结构只发生电谐振，即使得 

的实部为负数，而

实部仍然为正数，这样就实现了介质的单负特性，形成了电磁波完全反射的禁带。这样就实现了每个单元通带与禁带的任意控制。将很多个单元周期排列，使每个单元均可单独控制为通带或禁带实现等效的任意形状的小孔，缝隙天线，从而产生所需形状的天线辐射图，任意改变每个单元的偏置电压即任意控制每个单元的通带、禁带，即可实现全向扫描。

本实例中的全向电扫平面天线罩如图2所示，本发明介绍的结构工作频率为2GHz，即工作皮长为150mm，而本材料的厚度仅为2mm，即仅相当于工作波长的七十五分之一的厚度。根据仿真结果显示，在工作频带中心，单个单元结构处于通带时透射系数仅为-0.2dB，几乎完美透射。禁带时的投射系数达到-36db，接近完美反射。因此，该结构通带时完全可以当成一个开口，而禁带时完全可以将谐振单元看成一个金属板反射。

本发明的工作频率为2GHz，如果要工作在其他频率，需要根据工作波长比例调整次波长谐振结构单元的尺寸。

以上所述，仅是本发明的在2GHz特定频率的较佳实例而已，并非对本发明作任何形式上的限定，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实例所作的任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种利用次波长谐振结构单元构成的全向电扫天线罩，其特征在于：每个次波长谐振单元由三层组成，呈正方形结构，在中间层Rogers电路板下面正中间镀有一层十字形金属铜片（1），十字形金属铜片（1）的四个端口与Rogers电路板边界齐平，在中间层Rogers电路板上面镀有一层开缝十字形金属铜片（3），开缝十字形金属铜片（3）的四个端口与Rogers电路板边界留有间隙，开缝十字形金属铜片（3）的缝隙45度角倾斜将十字形分成中心对称的两瓣，缝隙的两边分别与开关二极管（4）的两个接口相连，由开关二极管（4）的导通与截止引入电路短路与断路两种工作状态，并由外加偏置电压控制开关二极管（4）的导通或者截止，次波长谐振结构单元沿上下左右方向周期延拓，至少由36个次波长谐振结构单元组成。

2.根据权利要求1所述的一种利用次波长谐振结构单元构成的全向电扫天线罩，其特征在于：所述的次波长谐振结构单元的长度小于1/4工作波长。

3.根据权利要求1所述的一种利用次波长谐振结构单元构成的全向电扫天线罩，其特征在于：所述的每个单元上的开关二极管（4）均由独立的偏置电压控制其导通或者截止。

Images