CN102522629B - 一种方向图可重构的相控阵天线 - Google Patents

Abstract

一种方向图可重构的相控阵天线，属于通信技术领域，涉及天线结构。所述相控阵天线至少包括如下线型相控阵：该线型相控阵天线包括介质基片、金属接地板和辐射贴片；辐射贴片由L个激励贴片和L+3个寄生贴片构成，L≥2；每相邻两个激励贴片之间设置一个寄生贴片，左右两侧的两个激励贴片的外侧还设置有两个寄生贴片；每个寄生贴片中间位置开有一条竖缝和四条与竖缝相交的横缝，竖缝中均匀设置有三个连接竖缝两侧寄生贴片的开关。本发明采用方向图可重构的贴片八木天线单元构成相控阵，通过压缩可重构单元的寄生贴片数量，并使寄生贴片在不同状态下与不同激励贴片进行组合，使整个阵列的尺寸得到了较大程度的缩减，降低了阵列副瓣电平，扩大了波束扫描范围。

Description

一种方向图可重构的相控阵天线

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及天线结构，尤其是方向图可重构的相控阵天线。

背景技术

将若干天线排列在空间并相互连接，以产生一个定向的方向图，这种多个辐射元的结构称为天线阵。若再通过改变阵中每个单元天线的激励电流的相位，使其辐射方向图可以在空间扫描，就是相控天线阵。相控天线阵的概念源于1889年，1906年成功布置了首个二元接收阵，在20世纪20年代得到蓬勃发展，至今得到广泛的应用。改变天线的辐射方向图，可以避开噪声源或电子干扰，提高通信质量及安全性，并且可以将信号对准需要进行通信的用户而节约能量。所以，在无线通信、卫星通信和雷达等领域，方向图可重构天线有很大的应用空间。由可重构天线构成的相控阵，和普通单元构成的相控阵相比，具有扫描范围更宽，增益更大，主瓣波束宽度更集中等优点。

天线阵列有多种几何结构，其中最简单的就是直线阵，就是其阵元中心沿着一条直线放置。此外还有平面阵，其中最流行的就是矩形阵，其阵元中心处于一个矩形面内。另外还有一类天线阵刚开始发展，这就是共形阵，其阵元与非平面表面共形。本专利提出的阵列结构方案，可以应用于线性阵和普通平面阵，还可以应用于共形阵。

可重构天线的概念最早是在1983年的专利“Frequency-Agile,Polarization DiverseMicrostrip Antennas and Frequency Scanned Arrays”中提出。1999年在美国国防部高级研究计划局（DARPA）制定名为“Reconfigurable Aperture Program(RECAP)”的计划后，许多研究机构对可重构天线进行了研究，取得了一系列的研究成果。目前可重构天线已经成为天线领域一个非常热门的研究方向，并在通信、雷达等许多方面获得了应用。

可重构天线按照其重构的天线特征可以分为三类：频率可重构天线﹑方向图可重构天线和频率与方向图同时可重构天线。通过改变天线的结构可以使天线在工作频率﹑辐射方向图或者极化方式等多个参数中的一种或者多种发生改变，从而使一个天线能实现多种天线功能。

将相控天线阵与可重构天线结合起来，就是阵元由可重构天线组成的相控天线阵，相比于普通的相控阵和单个的可重构天线来说，有着波束扫描范围更宽，增益更大等诸多优点。在近几年来，这种结构形式的天线阵列才得到研究，如Jen-Chieh Wu,Chia-Chan Chang等人的文章“Sidelobe level reduction in wide-angle scanning array system using pattern-reconfigurableantennas”，将其由可重构阵元构成的线性等间距阵列与单个天线单元作了比较，并分析了相控阵在不同模式下旁瓣电平的大小。Yan-Ying Bai,Shaoqiu Xiao等人在“Wide-angle scanningphased array with pattern reconfigurable elements”中提出了一种不等间距的线性阵列，同样可以实现大范围的波束扫描，并且可以有效的降低旁瓣电平。

现有技术文献“Xue-Song Yang,Bing-Zhong Wang,Weixia Wu,and Shaoqiu Xiao,“YagiPatch Antenna With Dual-Band and Pattern Reconfigurable Characteristics,”IEEE Antennas andWireless Propagation letters,2007,vol.6.”提出了一种方向图可重构天线，如图1所示，整个天线由五个矩形贴片组成，正中间尺寸稍大的贴片为激励元，两侧的四个尺寸稍小的矩形贴片作为寄生元。每个寄生元上开有槽缝，槽中安装三个开关，通过控制安装在槽中开关的状态，可以令寄生贴片作引向器或者反射器。当寄生贴片上槽缝正中间的开关断开，而另外两个开关闭合时，寄生贴片作引向器；而当寄生贴片上的三个开关都断开时，寄生贴片作反射器。当激励单元某一侧的两个贴片状态都为引向器，而另一侧靠近激励元的贴片为反射器，就可以让辐射方向图向引向器方向偏转。反射器外面的寄生贴片状态对方向图的影响不明显。这样一种能实现辐射方向图波束方向改变的天线就是一种可重构微带贴片八木天线。

现有技术文献Jen-Chieh Wu,Chia-Chan Chang,Ting-Yueh Chin,Shao-Yu Huang,andSheng-Fuh Chang,“Sidelobe level reduction in wide-angle scanning array system usingpattern-reconfigurable antennas,”Microwave Symposium Digest(MTT),2010IEEE MTT-SInternational,2010,pp:1274-1277.提出了一种方向图可重构相控阵天线，其结构如图2所示，整个阵列由四个相同的阵元组成，通过微带馈电，阵元是可重构的单极子天线。对于天线阵列的阵元，是由一个作为激励元的单极子和通过开关与地板连接的两个微带构成，微带同距离安装在激励单极子的两侧，作为寄生元。当开关断开时，寄生微带作为引向器D，当开关闭合时，寄生微带作为发射器R。所以这个可重构天线共有三种模式，分别为RD（波束指向右侧），DD（波束指向上方）和DR（波束指向左侧）。当所有阵元同处于一种工作模式时，再调节激励贴片的激励电流，整个阵列的波束指向可以覆盖一定的范围。在这三种工作模式下，天线阵列的波束方向图就可以覆盖上半空间极大的范围。该相控阵天线增益较低；各个阵列单元有各自不同的地板，单元间距不能太近，结构不够紧凑。

发明内容

本发明提供一种方向图可重构的相控阵天线结构，该相控阵天线结构采用方向图可重构八木微带天线为阵元，通过对可重构八木微带天线阵列的中间单元寄生贴片数量进行缩减，使其构成相控阵时，单元尺寸更小，阵列性能更优。对于两个激励贴片之间的寄生贴片，其在不同的模式下，与不同的激励贴片一起构成阵列单元，从而提高了寄生贴片的利用率，减小了阵列尺寸，并同时提高了阵列性能。本发明可以应用于无线通信、卫星通信、雷达探测等方面，如应用于飞行器、舰船、车载装置上，以及无线通信的固定或移动终端设备上。

本发明技术方案如下：

一种方向图可重构的相控阵天线，如图3所示，包括至少一个直线型相控阵天线。所述直线型相控阵天线包括介质基片、金属接地板和辐射贴片。介质基片为矩形介质基片，金属接地板覆盖整个介质基片背面；辐射贴片位于介质基片正面，由L个激励贴片和L+3个寄生贴片构成，L≥2。激励贴片呈均匀分布，每相邻两个激励贴片之间设置一个寄生贴片，左右两侧的两个激励贴片的外侧还设置有两个寄生贴片。所有激励贴片的形状为矩形、大小一致；所有寄生贴片的形状为矩形、大小一致；激励贴片的尺寸大于寄生贴片的尺寸。每个寄生贴片中间位置开有一条竖缝和四条与竖缝垂直相交的横缝，竖缝中均匀设置有三个连接竖缝两侧寄生贴片的开关，每个开关位于上下两侧的横缝之间，整个寄生贴片图形为上下、左右对称图形。每个寄生贴片的开关具有三个状态：作为引向器D、反射器R或普通贴片N；当寄生贴片上竖缝正中间的开关断开，而另外两个开关闭合时，寄生贴片作引向器；而当寄生贴片上的三个开关都断开时，寄生贴片作反射器。

本发明提出的方向图可重构的相控阵天线，是以图1所示的方向图可重构天线为基础构成的阵列天线，但阵列单元与图1中的可重构天线又有所不同。图1中的可重构天线有一个激励贴片，在激励贴片两侧分别有两个寄生贴片。而本发明在构成方向图可重构相控阵天线时，将图1的一个天线单元的激励贴片作为基本天线单元，但对激励贴片两侧的寄生贴片进行了调整。在任意两个激励贴片之间，仅保留一个寄生贴片，而只在整个阵列的两个边缘，保留2个寄生贴片。这样一来，就可以大大减小激励单元之间的间距，从而使阵列单元之间可以保持较小的间距，有利于降低天线阵列的副瓣电平。与图1所示的方向图可重构天线相同，每个寄生贴片通过开关的切换都有着三种状态，即作为引向器D、反射器R或普通贴片N。这样一来，通过改变寄生贴片的状态，同时改变不同激励单元上的相位，就可以实现波束方向图的大范围扫描。和普通微带贴片单元组成的阵列相比，本发明能够实现的扫描范围更宽，且增益更大，副瓣更低。与不减少激励贴片之间的寄生贴片数量的可重构阵列相比（即相邻激励贴片之间保留4个寄生贴片），本发明可以大大降低副瓣电平，也能够增加扫描的波束范围。

按照相同的思路，也就是任意两个激励贴片之间保留一个寄生贴片，而在边缘处的激励贴片之外，保留2个寄生贴片，就可以构成更多单元的可重构直线型相控阵，实现更大范围的波束扫描，以及更大的辐射增益。

本发明提供的另外一种方向图可重构的相控阵天线，如图4所示，所述相控阵天线是由M个横向排列上述直线型相控阵天线和N个纵向排列的上述直线型相控阵天线构成的矩形相控阵天线，M≥2，N≥2。其中，横向直线型相控阵天线和纵向直线型相控阵天线共用激励贴片、激励信号相互正交。

本发明提供的线型相控阵或矩形相控阵中，若激励贴片和寄生贴片都采用共形贴片，那么本发明可以构成共形可重构阵列。

通过切换安装在寄生贴片上槽缝中的开关的状态，可以使寄生贴片在阵列工作过程中作为引向器D，反射器R或者是普通贴片N，且在阵列的不同辐射模式下，寄生贴片与不同的激励贴片进行组合，从而减小了阵列单元尺寸。

本发明基于天线阵列小型化以及增加扫描范围、降低副瓣电平的需求，采用方向图可重构的贴片八木天线单元构成相控阵，通过压缩可重构单元的寄生贴片数量，减小了单元尺寸；并进一步使寄生贴片在不同状态下与不同激励贴片进行组合，以提高寄生单元的重复利用率，使整个阵列的尺寸得到了较大程度的缩减，降低了阵列副瓣电平，扩大了波束扫描范围。与全辐射方向的天线或阵列相比，本发明能够提供更高的增益，或者能够在相同增益的情况下，节省能源。这一特性使本发明能够应用于无线通信、卫星通信、雷达探测等方面，如应用于飞行器、舰船、车载装置上，以及无线通信的固定或移动终端设备上。

附图说明

图1是矩形微带八木贴片天线的俯、侧视图。

图2是现有技术中的一种相控阵天线结构图。

图3是本发明的提供的方向图可重构直线型相控阵天线结构示意图。

图4是本发明提供的方向图可重构的矩形相控阵结构示意图。

图5是本发明的提供的三单元线阵的三种不同模式下的俯视图，其中（a）表示L_模式，（b）表示R_模式，（c）表示N_模式。

图6是本发明的提供的三单元线阵在不同模式下的波束方向图(xoz面)和S₁₁参数曲线，其中（a）为不同模式下的波束方向图，（b）为不同模式下的S₁₁参数。

具体实施方式

一种方向图可重构的相控阵天线，如图3所示，包括至少一个直线型相控阵天线。所述直线型相控阵天线包括介质基片、金属接地板和辐射贴片。介质基片为矩形介质基片，金属接地板覆盖整个介质基片背面；辐射贴片位于介质基片正面，由L个激励贴片和L+3个寄生贴片构成，L≥2。激励贴片呈均匀分布，每相邻两个激励贴片之间设置一个寄生贴片，左右两侧的两个激励贴片的外侧还设置有两个寄生贴片。所有激励贴片的形状为矩形、大小一致；所有寄生贴片的形状为矩形、大小一致；激励贴片的尺寸大于寄生贴片的尺寸。每个寄生贴片中间位置开有一条竖缝和四条与竖缝垂直相交的横缝，竖缝中均匀设置有三个连接竖缝两侧寄生贴片的开关，每个开关位于上下两侧的横缝之间，整个寄生贴片图形为上下、左右对称图形。

上述直线型相控阵天线是一个L（L≥2）元阵，阵元的结构在图1（a）的基础上构成。通过安装在寄生贴片槽缝中不同位置的开关进行切换，可以实现三种不同的寄生贴片状态，分别是D（引向器）、R（反射器）和N（普通），从而使天线阵列可以获得多种工作模式。当不考虑激励贴片馈电电流的相位差不同导致的波束偏转，只考虑阵列单元处于不同状态时的工作情况时，天线阵列至少有以下三种基本模式，分别为L-模式，N-模式和R-模式，如图5所示。在不同的模式下，阵列单元所包含的贴片数量并不相同。

在L-模式下，除了最右边的两个寄生贴片分别取R和N状态外，其余所有寄生贴片都取D状态。阵列最右侧的激励贴片与其左侧的一个寄生贴片和右侧的两个寄生贴片一起构成一个阵列单元，单元包含4个贴片；阵列最左侧的激励贴片与其左侧的两个寄生贴片构成一个单元，单元包含3个贴片；其余中间激励贴片与其左侧的一个寄生贴片一起构成一个阵列单元，单元包含2个贴片。所有单元的波束都偏向左侧，从而整个阵列波束偏向左侧。阵列单元及其贴片状态如图5（a）所示。

在R-模式下，正好与L-模式相反，除最左侧的两个寄生贴片分别处于N和R状态之外，其余所有寄生贴片都取D状态。阵列最左侧的激励贴片与其左侧的两个寄生贴片和右侧的一个寄生贴片构成一个阵列单元，单元包含4个贴片；最右侧激励贴片与其右侧的两个寄生贴片构成一个阵列单元，单元包含3个贴片；其余中间激励贴片与其右侧的一个寄生贴片构成一个阵列单元，单元包含2个贴片。所有单元的波束都朝右侧偏转，从而整个阵列的波束朝右侧偏转。阵列单元及其贴片状态如图5（b）所示。

在N-模式下，所有的寄生贴片都取N状态，如图5（c）所示。这种模式下，寄生贴片几乎不起作用，整个阵列也就相当于只存在激励贴片的普通线性阵，每个阵列单元只包含一个贴片。每个单元的波束指向贴片上方，则阵列波束主要指向贴片的正上方。

采用这样的阵列单元构成方式，寄生贴片的应用效率更高，更灵活，可以有效缩减整个阵列的尺寸。同时，在这三种模式的基础上，再通过改变激励贴片上激励电流的相位，就可以在更大范围改变天线阵列的波束扫描方向，大大扩展了阵列的波束扫描范围。

对于由图1中的可重构微带贴片八木天线（现有技术一），通过压缩中间单元寄生贴片的数量而构成的三单元线性可重构阵列（图3）。切换寄生贴片的状态，得到如图5中的三种模式。调节不同激励单元之间的相位差，就可以改变整个阵列的波束辐射方向图。在表1中给出了在三种模式下，设置的几种相位差所得到的波束方向图辐射参数，图6给出了直观的波束辐射方向图（E面）及三种模式下的S₁₁参数曲线。采用类似的方法，用更多可重构天线单元可以构成更大的阵列，可以实现角度范围更宽、以及增益更大的扫描。

表1

Claims (3)

1.一种方向图可重构的相控阵天线，包括至少一个直线型相控阵天线：所述直线型相控阵天线包括介质基片、金属接地板和辐射贴片；介质基片为矩形介质基片，金属接地板覆盖整个介质基片背面；辐射贴片位于介质基片正面，由L个激励贴片和L+3个寄生贴片构成，L≥2；激励贴片呈均匀分布，每相邻两个激励贴片之间设置一个寄生贴片，左右两侧的两个激励贴片的外侧还设置有两个寄生贴片；所有激励贴片的形状为矩形、大小一致；所有寄生贴片的形状为矩形、大小一致；激励贴片的尺寸大于寄生贴片的尺寸；每个寄生贴片中间位置开有一条竖缝和四条与竖缝垂直相交的横缝，竖缝中均匀设置有三个连接竖缝两侧寄生贴片的开关，每个开关位于上下两侧的横缝之间，整个寄生贴片图形为上下、左右对称图形；

每个寄生贴片的开关具有三个状态：作为引向器D、反射器R或普通贴片N；当寄生贴片上竖缝正中间的开关断开，而另外两个开关闭合时，寄生贴片作引向器；而当寄生贴片上的三个开关都断开时，寄生贴片作反射器。

2.根据权利要求1所述的方向图可重构的相控阵天线，其特征在于，所述相控阵天线是由M个横向排列的所述直线型相控阵天线和N个纵向排列的所述直线型相控阵天线构成的矩形相控阵天线，M≥2，N≥2；其中，横向线型相控阵天线和纵向线型相控阵天线共用激励贴片、激励信号相互正交。

3.根据权利要求1或2所述的方向图可重构的相控阵天线，其特征在于，所述激励贴片和寄生贴片为共形贴片。

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