CN106129605A - 一种频率可调波束可控微带反射阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种频率可调波束可控微带反射阵天线，包括介质基板、反射结构及天线馈源。介质基板上表面蚀刻M×N个周期排列的金属贴片单元，M、N的取值为整数，1<M<50，1<N<50，反射结构位于介质基板下表面，采用金属地板结构，天线馈源位于辐射结构的上半空间。本发明解决了传统微带反射阵天线只能工作在单个工作频率、不能实现波束连续扫描的问题，通过改变金属贴片单元上的PIN管和变容二极管的工作状态，本发明实现了频率可调和波束可控，满足了雷达和通信系统对于多功能天线系统的需求，可应用于无线通信领域。

Description

一种频率可调波束可控微带反射阵天线
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频率可调波束可控微带反射阵天线。本发明可用于微波波段，天线可以实现工作频率可调、波束连续扫描，适用于多功能天线系统。
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只能工作在单个工作频率，并且只能实现离散的波束扫描，因此实现频率可调和波束连续扫描是非常有意义的。
西北工业大学申请的专利“一种平面高增益微带反射阵列天线”(申请号：201410625792.1，公开号：104362435A)中提出了一种微带反射阵列天线，该天线由微带贴片馈源、极化栅格和微带反射面结构组成。微带反射面由方形金属贴片组成，用金属柱的支架把极化栅格与反射面链接固定，使得极化栅格中偶极子极化方向与馈源极化方向一致，构成了微带反射阵天线。该天线通过使用微带天线的结构，降低了天线的设计和加工难度，制作成本低，同时实现了波束扫描。但是，该天线结构仍然存在的不足之处是，第一，因该天线结构固定，该天线只能工作在单个工作频率，不能满足雷达和通信系统对于多功能天线系统的需求。第二，该天线虽然实现了波束扫描，但是该天线只能实现离散的波束扫描，无法实现波束连续扫描。
中国科学院光电技术研究所申请的专利“一种基于旋转相移表面技术的反射阵列天线波束扫描天线”(申请号：201410033925.6，公开号：103762423A)中提出了一种毫米波相控阵天线，该天线由馈源天线、偏波束微带反射阵和高透过率相移表面层组成，高透过率相移表面层是能够实现馈源波束偏转的微带反射阵平板，以反射阵列平板中心轴为轴分别旋转两层能实现天线波束的扫描。但是，该天线结构仍然存在的不足之处是，第一，因该天线结构固定，该天线只能工作在单个工作频率，不能满足雷达和通信系统对于多功能天线系统的需求。第二，该天线虽然实现了波束扫描，但是采用机械旋转结构，只能实现离散的波束扫描，无法实现波束连续扫描。
综上所述，目前微带反射阵天线面临着两个问题，其一是，现有微带反射阵天线因结构固定，只能工作在单个工作频率，无法满足雷达和通信系统对于多功能天线系统的需求。其二是，现有传统的加载MEMS开关和数字移相器的波束扫描微带反射阵天线，只能实现离散的波束扫描，无法实现波束连续扫描。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种频率可调波束可控微带反射阵天线，通过控制四个PIN管和两个变容二极管的工作状态，使得天线能够工作在两个工作频率，同时实现波束连续扫描。
实现本发明的具体思路是：由金属贴片单元组成反射阵列。经喇叭天线发出的电磁波照射到反射阵列上，通过控制四个PIN管的通断状态，实现了微带反射阵天线的频率可调，通过控制两个变容二极管电容值的大小，实现了微带反射阵天线的波束连续扫描。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
本发明包括介质基板、反射结构及天线馈源，介质基板上表面蚀刻M×N个周期排列的金属贴片单元，M、N的取值为整数，1<M<50，1<N<50，反射结构位于介质基板的下表面，采用金属地板结构，天线馈源位于辐射结构的上半空间。
金属贴片单元包括四个PIN管、四个贴片单元、两个变容二极管；其中，
第一个PIN管的一端与第一个贴片单元的一端相连，第一个PIN管的另一端与第二个贴片单元的一端相连，第一个贴片单元的另一端与第四个PIN管的一端相连，第二个贴片单元的另一端与第四个PIN管的另一端相连。
第二个PIN管的一端与第三个贴片单元的一端相连，第二个PIN管的另一端与第四个贴片单元的一端相连，第三个贴片单元的另一端与第三个PIN管的一端相连，第四个贴片单元的另一端与第三个PIN管的另一端相连。
第一个变容二极管的一端连接在第一个贴片单元的中部，第一个变容二极管的另一端连接在第三个贴片单元的中部，第二个变容二极管的一端连接在第二个贴片单元的中部，第二个变容二极管的另一端连接在第四个贴片单元的中部。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，由于本发明的金属贴片单元包括四个PIN管，通过改变四个PIN管的工作状态，使得天线在不改变结构的情况下，能够工作在两个工作频率，克服了现有技术存在的微带反射阵天线因结构固定，只能工作在单个工作频率的缺点，使得本发明满足了雷达和通信系统对于多功能天线系统的需求，扩大了微带反射阵天线的应用范围。
第二，由于本发明的金属贴片单元包括两个变容二极管，通过控制两个变容二极管电容值的大小，实现了动态控制微带反射阵天线的波束扫描，克服了现有技术存在的无法实现波束连续扫描的缺点，实现了波束连续扫描。
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为本发明状态1下金属贴片单元的反射相位曲线图；
图4为本发明状态2下金属贴片单元的反射相位曲线图；
图5为本发明状态1下不同主波束方向的方向系数曲线；
图6为本发明状态2下不同主波束方向的方向系数曲线；
图7为本发明状态1下主波束方向为(0°，270°)的方向系数曲线；
图8为本发明状态2下主波束方向为(0°，270°)的方向系数曲线；
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-3mm之间，介质基板2上表面蚀刻M×N个周期排列的金属贴片单元1，M、N的取值为整数，1<M<50，1<N<50，每两个金属贴片单元1的中心距离D介于18mm-25mm之间，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1的结构作进一步详细的说明。
金属贴片单元1的形状可选择正方形、菱形、圆形其中之一，金属贴片单元1包括四个PIN管、四个贴片单元、两个变容二极管；其中，第一个PIN管51的一端与第一个贴片单元11的一端相连，第一个PIN管51的另一端与第二个贴片单元12的一端相连，第一个贴片单元11的另一端与第四个PIN管54的一端相连，第二个贴片单元12的另一端与第四个PIN管54的另一端相连，第二个PIN管52的一端与第三个贴片单元13的一端相连，第二个PIN管52的另一端与第四个贴片单元14的一端相连，第三个贴片单元13的另一端与第三个PIN管53的一端相连，第四个贴片单元14的另一端与第三个PIN管53的另一端相连，第一个变容二极管61的一端连接在第一个贴片单元11的中部，第一个变容二极管61的另一端连接在第三个贴片单元13的中部，第二个变容二极管62的一端连接在第二个贴片单元12的中部，第二个变容二极管62的另一端连接在第四个贴片单元14的中部。
第一个PIN管51、第四个PIN管54导通，第二个PIN管52、第三个PIN管53截止时，天线的工作状态记为状态1，第一个PIN管51、第四个PIN管54截止，第二个PIN管52、第三个PIN管53导通时，天线的工作状态记为状态2。
本发明的实施例1选择的金属贴片单元1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2mm，尺寸为300×300mm，介质基板2上表面蚀刻15×15个金属贴片单元1，反射结构3为300×300mm的方形金属地板，每两个金属贴片单元1的中心距离D为20mm，金属贴片单元1采用正方形结构，金属贴片单元1线宽W为2mm，金属贴片单元1外圈边长L1为12mm，金属贴片单元1内圈边长L2为7mm，金属贴片单元1开口长度W为2mm，金属贴片单元1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1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来等效的电容代替第一个变容二极管61与第二个变容二极管62。当第一个PIN管51、第四个PIN管54导通，第二个PIN管52、第三个PIN管53截止时，天线工作在f＝4.6GHz，当第一个PIN管51、第四个PIN管54截止，第二个PIN管52、第三个PIN管53导通时，天线工作在f＝5.8GHz。假设入射波入射角度反射波主波束方向基于基本阵列理论，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。频率可调波束可控微带反射阵天线是通过改变第一个变容二极管61与第二个变容二极管62电容值的大小，调节各个金属贴片单元1的反射相位，进而调节反射阵列表面相位分布，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，对状态1下金属贴片单元1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。状态1下天线工作在f＝4.6GHz，金属贴片单元1的反射相位随变容二极管电容值大小变化，当第一个变容二极管61与第二个变容二极管62电容值在0.6pF-2.7pF间变化时，金属贴片单元1的相移范围可达到310°，反射相位曲线的线性度良好。说明通过调节加载在金属贴片单元1上的第一个变容二极管61与第二个变容二极管62电容大小，是可以对金属贴片单元1的反射相位进行调节。
参照附图4，对状态2下金属贴片单元1的反射相位作进一步详细的说明。
图4中的横坐标为电容值，纵坐标为单元相移，图4中的曲线为单元相移随电容值变化曲线。状态2下天线工作在f＝5.8GHz，金属贴片单元1的反射相位随变容二极管电容值大小变化，当第一个变容二极管61与第二个变容二极管62电容值在0.6pF-2.7pF间变化时，金属贴片单元1的相移范围可达到320°，反射相位曲线的线性度良好。说明通过调节加载在金属贴片单元1上的第一个变容二极管61与第二个变容二极管62电容大小，是可以对金属贴片单元1的反射相位进行调节。
参照附图5，对状态1下不同主波束方向的方向系数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，纵坐标为天线的方向系数，图5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。状态1下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＝4.6GHz，曲线d1为主波束方向为(0°，270°)时天线的方向系数曲线，曲线d2为主波束方向为(20°，270°)时天线的方向系数曲线，曲线d3为主波束方向为(30°，270°)时天线的方向系数曲线，曲线d4为主波束方向为(40°，270°)时天线的方向系数曲线，曲线d5为主波束方向为(50°，270°)时天线的方向系数曲线，曲线d6为主波束方向为(60°，270°)时天线的方向系数曲线，主波束扫描角度可以达到60°，可以实现波束连续扫描。
参照附图6，对状态2下不同主波束方向的方向系数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。状态2下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＝5.8GHz，曲线d1为主波束方向为(0°，270°)时天线的方向系数曲线，曲线d2为主波束方向为(20°，270°)时天线的方向系数曲线，曲线d3为主波束方向为(30°，270°)时天线的方向系数曲线，曲线d4为主波束方向为(40°，270°)时天线的方向系数曲线，曲线d5为主波束方向为(50°，270°)时天线的方向系数曲线，曲线d6为主波束方向为(60°，270°)时天线的方向系数曲线，主波束扫描角度可以达到60°，可以实现波束连续扫描。
参照附图7，对状态1下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。状态1下天线工作频率f＝4.6GHz，主波束方向为(0°，270°)，天线3dB相对带宽约为7.65％。
参照附图8，对状态2下天线的工作带宽作进一步详细的说明。
图8中的横坐标为频率，纵坐标为天线的方向系数，图8中的曲线为天线的方向系数随频率变化曲线。状态2下天线工作频率f＝5.8GHz，主波束方向为(0°，270°)，天线3dB相对带宽约为7.9％。
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 (5)

1.一种频率可调波束可控微带反射阵天线，包括介质基板(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M×N个周期排列的金属贴片单元(1)，M、N的取值为整数，1<M<50，1<N<50；所述的反射结构(3)位于介质基板(2)的下表面，采用金属地板结构；所述的天线馈源(4)位于辐射结构的上半空间；其中：
所述的金属贴片单元(1)包括四个PIN管、四个贴片单元、两个变容二极管；其中，
所述的第一个PIN管(51)的一端与第一个贴片单元(11)的一端相连，第一个PIN管(51)的另一端与第二个贴片单元(12)的一端相连；所述的第一个贴片单元(11)的另一端与第四个PIN管(54)的一端相连；所述的第二个贴片单元(12)的另一端与第四个PIN管(54)的另一端相连；
所述的第二个PIN管(52)的一端与第三个贴片单元(13)的一端相连，第二个PIN管(52)的另一端与第四个贴片单元(14)的一端相连；所述的第三个贴片单元(13)的另一端与第三个PIN管(53)的一端相连；所述的第四个贴片单元(14)的另一端与第三个PIN管(53)的另一端相连；
所述的第一个变容二极管(61)的一端连接在第一个贴片单元(11)的中部，第一个变容二极管(61)的另一端连接在第三个贴片单元(13)的中部；所述的第二个变容二极管(62)的一端连接在第二个贴片单元(12)的中部，第二个变容二极管(62)的另一端连接在第四个贴片单元(14)的中部。
2.根据权利要求1所述的一种频率可调波束可控微带反射阵天线，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-3mm之间。
3.根据权利要求1所述的一种频率可调波束可控微带反射阵天线，其特征在于，所述的天线馈源(4)采用喇叭天线。
4.根据权利要求1所述的一种频率可调波束可控微带反射阵天线，其特征在于，所述的金属贴片单元(1)，每两个金属贴片单元(1)的中心距离D介于18mm-25mm之间。
5.根据权利要求1所述的一种频率可调波束可控微带反射阵天线，其特征在于，所述的金属贴片单元(1)的形状可选择正方形、菱形、圆形其中之一。
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