CN106025561A - 一种一比特数字编码微带反射阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种一比特数字编码微带反射阵天线，包括反射阵列、介质基板、反射结构及天线馈源。反射阵列由M×N个相位差接近180度的两种不同的金属贴片单元按一定规律排列构成，M、N的取值为整数，1<M<50，1<N<50。本发明金属贴片单元可模拟数码“0”与数码“1”，天线的主波束扫描角度决定了反射阵列的编码顺序，只需设计相应的编码顺序，就能实现波束扫描。本发明解决了传统微带反射阵天线阵列过大时偏置电路设计难度大的问题，具有设计过程简单，应用灵活简便，易于加工等优点。

Description

一种一比特数字编码微带反射阵天线

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及电磁场与微波技术领域的一种一比特数字编码微带反射阵天线。本发明可用于微波波段，天线可以实现编码功能，在实际应用中更为灵活，具有重要应用前景。

背景技术

微带平面反射阵天线则结合了传统抛物面天线和大型相控阵天线的部分优势，具有结构简单、损耗小、易集成、成本低，效率高，波束可精确调控等优点，可以广泛地应用于雷达、卫星通信等领域。随着电子无线通信技术的不断发展和完善，雷达和通信系统都期望天线具有更多的功能性和自适应性。但是传统的微带反射阵列天线每个单元的偏置电压都需要单独控制，反射阵单元数目较多时，每个反射阵单元可能需要不同的控制，调控单元的工作量会很大，而且容易出错，因此实现天线数字编码编码是非常有意义的。

中国科学院上海微系统与信息技术研究所申请的专利“一种毫米波相控阵天线及其波束扫描方法”(申请号：201210225846.6，公开号：102738598B)中提出了一种毫米波相控阵天线，毫米波相控阵天线包括平面微带天线阵面、有源通道网络以及波束控制单元，平面微带天线阵面与有源通道网络通过可拆卸的方式进行连接，有源通道网络包含正交矢量调制芯片，正交矢量调制芯片有I路和Q路两个控制电压，通过改变两路控制电压值来改变输入信号的幅度和相位。但是，该天线控制每个单元相移的结构复杂，为了实现波束扫描，每个反射阵单元需要不同的控制，调控单元的工作量会很大。

电子科技大学申请的专利“一种圆极化二维大角度扫描相控阵”(申请号：201510922864.3，公开号：105552555A)中提出了一种圆极化二维大角度扫描相控阵，采用平面微带结构设计宽波束圆极化天线单元，天线单元包括介质基板、设于基板正面的馈电网络、设于基板背面的方环形辐射缝隙、以及设于基板正下方的金属反射板。将天线单元进行恰当的排列组成相控阵天线，最后通过控制各个单元的馈电相位，实现了相控阵天线的二维大角度扫描功能。但是，该天线控制每个单元相移的结构复杂，为了实现波束扫描，每个反射阵单元可能需要不同的控制，调控单元的工作量会很大，而且天线的馈电网络复杂，设计难度大。

综上所述，目前微带反射阵天线面临着一个问题，传统的微带相控阵天线，当天线阵列很大时，为了实现波束扫描，需要加载大量的相移控制结构，调控天线每个单元的相移的工作量很大，大量的相移控制结构会导致天线的设计难度增加。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一比特数字编码微带反射阵天线，在反射阵单元上加载一个变容二极管，通过控制变容二极管的工作状态，使得设计的天线将反射阵单元所需的补偿相位量化成两种相位相差180°的相位，减小了控制单元相移的工作量，降低了微带反射阵天线的设计难度。

实现本发明的具体思路是：由特殊设计的金属贴片单元组成反射阵列，这种金属贴片单元上加载有变容二极管，当变容二极管的电容值不同时，金属贴片单元可以呈现相位差接近180度的两种状态，可分别用于模拟数码“0”和数码“1”。通过调控每个单元上的变容二极管的工作状态，能够得到特定的阵列编码顺序，实现在某一个角度的天线辐射。根据数码“0”和数码“1”编码顺序的不同，该天线能够实现波束扫描。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下。

本发明包括反射阵列、介质基板、反射结构及天线馈源，介质基板上表面蚀刻反射阵列，反射阵列包括相位差接近180度的两种金属贴片单元，M×N个金属贴片单元周期排列构成反射阵列，每个金属贴片单元包括两个贴片单元、一个变容二极管，其中，变容二极管的一端与第一个贴片单元相连，变容二极管的另一端与第二个贴片单元相连，反射结构采用金属地板结构，位于介质基板的下表面，天线馈源位于辐射结构的上半空间。

变容二极管将金属贴片单元所需的补偿相位数字化成两种相位相差180°的补偿相位，用数码“0”和数码“1”表示金属贴片单元，改变数码“0”和数码“1”的排列顺序用于控制天线主波束方向。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

由于本发明的金属贴片单元包括一个变容二极管，通过控制变容二极管电容值的大小，将金属贴片单元所需的补偿相位数字化成两种相位相差180°的补偿相位，用数码“0”和数码“1”表示金属贴片单元，改变数码“0”和数码“1”的排列顺序用于控制天线主波束方向，制简化了微带反射阵天线的相移控制结构，克服了现有技术存在的阵列过大时需要加载大量的相移控制结构、调控天线每个单元的相移的工作量很大、天线设计难度大的缺点，使得本发明具有减小了控制每个单元相移的工作量，降低了微带反射阵天线的设计难度，应用灵活简便，易于加工的优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明金属贴片单元的示意图；

图3为本发明金属贴片单元的反射相位曲线图；

图4为本发明金属贴片单元的数字化后相位分布图；

图5为本发明天线数字化后的方向系数曲线图；

图6为本发明不同主波束方向的方向系数曲线图；

图7为本发明反射波方向为(30°,90°)的方向系数曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

参照附图1，对本发明的天线整体结构作进一步详细的说明。

本发明包括反射阵列1、介质基板2、反射结构3及天线馈源4；介质基板2的相对介电常数ε介于2-10之间，厚度h介于1mm-5mm之间，介质基板2上表面蚀刻反射阵列1，反射阵列1包括相位差接近180度的两种金属贴片单元5，M×N个金属贴片单元5周期排列构成反射阵列1，M、N的取值为整数，1<M<50，1<N<50，每两个金属贴片单元5的中心距离D介于24mm-30mm，反射结构3位于介质基板2的下表面，采用金属地板结构，天线馈源4位于辐射结构的上半空间，采用喇叭天线。

参照附图2，对本发明的金属贴片单元5的结构作进一步详细的说明。

金属贴片单元5的形状可选择正方形、菱形、圆形其中之一，金属贴片单元5包括两个贴片单元、一个变容二极管；其中，所述的变容二极管6的一端与第一个贴片单元11相连，变容二极管6的另一端与第二个贴片单元12相连。金属贴片单元5上变容二极管的工作状态不同时，即两种相位相差180°的状态，可用数码“0”和数码“1”来表征，每个金属贴片单元5都由数码“0”和数码“1”表示，使得反射阵列1具有特定的编码顺序，实现特定的功能。调整反射阵列1的编码顺序，可以来设计和调控天线所要实现的功能。

本发明的实施例1选择的金属贴片单元5的形状选择正方形，各结构尺寸参数如下。

介质基板2的相对介电常数ε为2.65，厚度h为3mm，尺寸为500×500mm，介质基板2上表面蚀刻20×20个金属贴片单元5，反射结构3为500×500mm的方形金属地板，每两个金属贴片单元5的中心距离D为25mm周期排列，金属贴片单元5采用正方形结构，金属贴片单元5边长L为22.5mm，金属贴片单元5开口宽度gap为0.5mm。

在高频电磁仿真软件HFSS中对金属贴片单元5的相移特性进行仿真分析，采用弗洛奎特端口和主从边界条件，可以使用高频电磁仿真软件HFSS中的集总RLC边界，电容值大小设为变量cap来等效的电容代替变容二极管6。假设入射波入射角度反射波主波束方向为基于基本阵列理论，根据馈源的位置、工作频率、所设主波束的方向、单元间距，就能求出每个单元所需要的补偿相位。通过改变变容二极管6电容值的大小，调节各个金属贴片单元5的状态，进而调节反射阵列1的编码顺序，从而动态的控制微带反射阵天线的主波束方向。

参照附图3，对金属贴片单元5的反射相位作进一步详细的说明。

图3中的横坐标为电容值，纵坐标为单元相移，图3中的曲线为单元相移随电容值变化曲线。天线工作在f＝3.5GHz，金属贴片单元5的反射相位随变容二极管电容值大小变化，当变容二极管6电容值在0.63-2.67pF间变化时，金属贴片单元5的相移范围超过了180°，选取相移相差180°的两个状态对应电容值，即两个相位状态数码“0”和数码“1”，这里选取1.1pF和1.9pF，它们对应的反射相位分别约为35°和-145°。当然，这种选取方式并不是唯一的，也可以选取其他两个相位值相差180°的相位。

参照附图4，对金属贴片单元5的数字化后相位分布图作进一步详细的说明。

图4为金属贴片单元5的数字化后相位分布图，当入射波方向为反射波主波束方向设定为时，用Matlab计算得到反射阵对应数字化处理后的编码顺序，白色小正方形对应数码“1”，黑色小正方形对应数码“0”。

参照附图5，对天线反射波方向为的方向图作进一步详细的说明。

图5中的横坐标为主波束的方向角度，纵坐标为天线的增益，图5中的曲线为天线的增益随主波束的方向角度变化曲线。数字编码微带反射阵天线产生的主波束方向与假定的方向基本一致。

参照附图6，对天线不同扫描角度的散射方向图作进一步详细的说明。

图6中的横坐标为主波束的方向角度，纵坐标为天线的方向系数，图6中的曲线为天线的方向系数随主波束的方向角度变化曲线。天线的方向系数随主波束方向的不同而发生改变，天线工作频率f＝3.5GHz，曲线d1为主波束方向为(0°，90°)时天线的方向系数曲线，曲线d2为主波束方向为(30°，90°)时天线的方向系数曲线，曲线d3为主波束方向为(40°，90°)时天线的方向系数曲线，曲线d4为主波束方向为(50°，90°)时天线的方向系数曲线，曲线d5为主波束方向为(60°，90°)时天线的方向系数曲线反射阵天线在通过调整单元上加载的变容二极管的电容值时可以实现对于反射阵列1的编码，能够实现主波束扫描，反射阵天线的主波束扫描角度可达60°。

参照附图7，对天线的工作带宽作进一步详细的说明。

图7中的横坐标为频率，纵坐标为天线的方向系数，图7中的曲线为天线的方向系数随频率变化曲线。反射阵天线的增益最大点并不在3.5GHz处，而是在3.7GHz处，3dB带宽范围为3.47GHz-4.23GHz，相对带宽约为22％。

本发明的实施例2选择的金属贴片单元1的形状选择正方形菱形。

结合图1中的结构图，对实施例2进行进一步的描述，本发明中实施例2的天线的构成和结构与图1相同。金属贴片单元1采用菱形，其余结构与实施例1中的一种频率可调波束可控微带反射阵天线一样，各结构之间的关系也与实施例1中的一种频率可调波束可控微带反射阵天线一样。

本发明的实施例3选择的金属贴片单元1的形状选择圆形。

结合图1中的结构图，对实施例2进行进一步的描述，本发明中实施例3的天线的构成和结构与图1相同。金属贴片单元1采用圆形，其余结构与实施例1中的一种频率可调波束可控微带反射阵天线一样，各结构之间的关系也与实施例1中的一种频率可调波束可控微带反射阵天线一样。

以上是本发明的三个具体实例并不构成对本发明的任何限制。

Claims (6)

1.一种一比特数字编码微带反射阵天线，包括反射阵列(1)、介质基板(2)、反射结构(3)及天线馈源(4)；其特征在于，

所述的介质基板(2)上表面蚀刻反射阵列(1)；所述的反射阵列(1)包括相位差接近180度的两种金属贴片单元(5)，M×N个金属贴片单元(5)周期排列构成反射阵列(1)；每个金属贴片单元(5)包括两个贴片单元、一个变容二极管(6)；其中，变容二极管(6)的一端与第一个贴片单元(51)相连，变容二极管(6)的另一端与第二个贴片单元(52)相连；

所述的反射结构(3)采用金属地板结构，位于介质基板(2)的下表面；

所述的天线馈源(4)位于辐射结构的上半空间；

所述的变容二极管(6)将金属贴片单元(5)所需的补偿相位数字化成两种相位相差180°的补偿相位，用数码“0”和数码“1”表示金属贴片单元(5)，改变数码“0”和数码“1”的排列顺序用于控制天线主波束方向。

2.根据权利要求1所述的一种一比特数字编码微带反射阵天线，其特征在于，所述的M×N个金属贴片单元(5)中的M、N的取值为整数，1<M<50，1<N<50。

3.根据权利要求1所述的一种一比特数字编码微带反射阵天线，其特征在于，所述的介质基板(2)的相对介电常数ε介于2-10之间，厚度h介于1mm-5mm之间。

4.根据权利要求1所述的一种一比特数字编码微带反射阵天线，其特征在于，所述的天线馈源(4)采用喇叭天线。

5.根据权利要求1所述的一种一比特数字编码微带反射阵天线，其特征在于，所述的M×N个金属贴片单元(5)周期排列构成反射阵列(1)是指每两个金属贴片单元(5)的中心距离D介于24mm-30mm。

6.根据权利要求1所述的一种一比特数字编码微带反射阵天线，其特征在于，所述的金属贴片单元(5)的形状可选择正方形、菱形、圆形其中之一。