CN106450765B - 一种毫米波可重构天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种毫米波可重构天线，属于天线技术领域。包括馈源喇叭，从上至下依次设置的第一介质层、辐射阵列反射面层、第二介质层、接地板，以及连接辐射阵列反射面层与接地板之间的直流偏置电压。本发明利用液晶材料在不同电压控制下能表现出不同的等效介电常数值的特性，通过控制加载在各单元上的电压，就能改变照射到天线单元上波束的出射相位，从而实现天线出射波束方向图的改变。这种通过电压来控制波束出射方向的方式，具有结构简单、调整速度快、扫描角度范围宽等优点。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种毫米波可重构天线，在无线通信系统、卫星通信系统、雷达系统等领域具有广泛的应用。
背景技术
天线作为一种用来发射或接收无线电磁波的组件，在无线通信系统中具有至关重要的作用。近年来，随着无线通信领域的快速发展，对天线提出了多频率和多模式工作的要求。为了满足这些要求，在同一系统中人们通常会应用多个天线。这不仅会导致系统的重量的增加，还会产生天线间的相互干扰，从而严重影响天线的正常工作。为了减少电磁干扰，可以在多个天线之间加入隔离装置，但这会增加系统的复杂性和影响信号强度。因此，为了减轻天线重量，实现良好的电磁兼容特性，希望能用一个天线来实现多个天线的功能，相当于多个天线共用一个物理口径，这就是可重构天线。可重构天线按功能分类可以分为频率可重构天线、方向图可重构天线、极化可重构天线和多电磁参数可重构天线。其中，方向图的可重构能有效避开干扰源，达到充分高效利用用户信号并抑制干扰信号的目的。因此，在实际应用受到了更多的关注。
方向图可重构天线分为两种：一种是改变天线最大辐射方向；另一种是改变天线的增益大小和波束宽度。目前主要的实现方式包括：加载微电机开关、利用机械可控结构、可调开关器件或可控频率选择表面等。
华军等人在专利“基于双开口谐振环的多频方向图可重构天线”(申请号：201210202317.9，申请日期：2012.06.15，授权公告号：CN 102694277 A，申请公布日：2012.09.26)中提出了一种多频方向图可重构天线，通过控制加载在开口谐振环的变容二极管的通断，同时实现了方向图和频率的可重构。该天线包括第一金属片、圆金属形馈电片、介质板、四个第二金属片、四个金属开口谐振环和八个开关。每个金属开口谐振环由内环、外环和第二金属片构成。内环和外环都包含两个开口，分别在其中一个开口处安装一个开关，并且每个开关都要单独添加直流偏置，这使得天线结构复杂，同时直流偏置排布复杂且实现难度大。
吴边等人在专利“基于石墨烯复合结构频率选择表面的方向图可重构天线”(申请号：201510472420.4，申请日期：2015.08.05，授权公告号：CN 105006652 A，申请公布日：2015.10.28)中通过控制加载在石墨烯表面和石英晶体表面上的偏置电压，改变石墨烯表面电阻率，实现了天线的辐射增益和波束宽度的可重构。该天线包括矩形波导馈线、矩形辐射单元、反射板、频率选择表面、直流偏压、石墨烯复合结构、介质基板、正方形贴片阵列、矩形波导馈线等。由于采用多层结构，层与层之间有一固定距离需通过四个支撑柱固定，这使得该天线的工程实现难度大。
杨雪松等人在专利“基于开口谐振环的方向图可重构天线”(申请号：201510185542.5，申请日期：2015.04.20，授权公告号：CN 104868238 A，申请公布日：2015.08.26)中，通过控制加载在贴片天线单元的开口谐振环上PIN二极管的开关状态实现了多种方向图模式之间的切换。由于组成天线的每个单元结构均需要加载二极管，使得天线的结构较为复杂，难以在大口径天线上得到应用。同时，在毫米波段，PIN二极管损耗较大，难以实现高效率的天线的研制。
发明内容
本发明提出了一种毫米波方向图可重构天线，利用液晶材料在不同电压控制下能表现出不同的等效介电常数值的特性，通过控制加载在各单元上的电压，就能改变照射到天线单元上波束的出射相位，从而实现天线出射波束方向图的改变。这种通过电压来控制波束出射方向的方式，具有结构简单、调整速度快、扫描角度范围宽等优点。
本发明采取的技术方案是：一种毫米波可重构天线，包括馈源喇叭、从上至下依次设置的第一介质层、第一介质层下表面的辐射阵列反射面层、设置于辐射阵列反射面层下表面的第二介质层、设置于第二介质层下表面的接地板以及连接辐射阵列反射面层与接地板之间的直流偏置电压。
所述馈源喇叭为矩形波导喇叭或圆波导喇叭，设置于辐射阵列反射面的上方，与辐射阵列反射面有一定的距离，用来将波束照射在每个辐射单元上。
所述第一介质层采用石英材料。
所述辐射阵列反射面层蚀刻于第一介质层下表面，由M×N个辐射单元周期排列组成，其中M≥2，N≥2，M、N的值由天线辐射效率、天线增益、以及加载不同天线辐射单元的形式决定。每一列辐射单元之间通过偏置线连接，且偏置线延伸至介质层边缘。
所述第二介质层为液晶层，由支撑板隔离为n个液晶盒，每一列辐射单元分别紧贴在一个液晶盒的上表面。
所述接地板是一种金属板，尺寸与第一介质层、第二介质层相同。
所述辐射阵列反射面层与接地板之间加载有N个直流偏置电压，其正极分别与每一列辐射单元位于边缘位置的偏置线相连。每个偏置电压独立控制每个液晶盒的电压值。在馈源的照射下，通过调节每个偏置电压，每列液晶材料的等效介电常数就会发生改变，从而使得相位发生延迟，进而实现了天线主辐射方向图的改变。
进一步地，所述辐射单元为同心双环结构。
进一步地，所述同心双环结构为矩形环、圆环、十字环中任意两两组合的一种。
进一步地，辐射单元周期为0.4λ～0.6λ，其中λ为天线的工作波长。
本发明的有益效果是：
一、本发明利用多谐振环辐射单元的形式，实现了方向图可重构的特性。与通过加载二极管开关等方式的方向图可重构天线相比，结构单元简单，容易加工，天线损耗小。
二、与传统的相控阵天线相比，本发明天线没有结构复杂的馈电网络，结构简单，体积小，重量轻，剖面低，易于集成。
三、方向转换速度快。天线出射波束的方向是通过控制电压来使得液晶材料的等效介电常数发生改变，从而使得不同单元的反射相位不同而改变的。这种电控制的方式使得天线可以按照需求在较宽的角度范围内实现任意方向的出射。
附图说明
图1为本发明提供的毫米波可重构天线的整体结构示意图；
图2为本发明提供的毫米波可重构天线的辐射单元结构侧视图；
图3为本发明提供的毫米波可重构天线的辐射阵列反射面的单元俯视图；
图4为本发明提供的毫米波可重构天线的归一化后的E面仿真图。
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。
实施例1：
参考图1，本发明的毫米波可重构天线包括馈源喇叭7、从上至下的第一介质层1、第一介质层下表面的辐射阵列反射面层4、设置于辐射阵列反射面层4下表面的第二介质层2、设置于第二介质层下表面的接地板3。辐射阵列反射面层4是由M×N个辐射单元周期排列而成，M、N的值由天线辐射效率、天线增益、以及加载不同天线辐射单元的形式决定。在本实施例中M＝N＝5，单元辐射体采用双方环结构，每一列辐射单元之间通过偏置线5连接，在偏置线5与接地金属板之间加载直流偏置电压6，在其之间形成电场。每一列的单元电压由直流偏置电压6独立控制。馈源喇叭7是矩形波导喇叭，设置于辐射阵列反射面的上方。以辐射阵列反射面的中心为原点，则馈源喇叭的坐标位置为(0mm，-5mm，25mm)。馈源的口径为7.112mm×3.556mm。
参考图2，本发明天线辐射单元结构包括自上而下的石英层1，石英层1的介电常数为3.78，介质损耗正切值为0.002，厚度h1为0.55mm；蚀刻在石英层1下表面的辐射单元8，设置于辐射单元8下表面的液晶层2、设置于液晶层2下表面的接地板3。液晶层2包括用于支撑并隔离液晶层的环氧垫片9和10。液晶层2的型号为MDA-03-2838，其等效介电常数随电压的变化而变化，电压变化范围为0～20V。当工作频率为35GHz时，其等效介电常数介于2.3～3.1之间，等效介质损耗正切值介于0.004～0.011之间。液晶层2的厚度h2为0.2mm，环氧垫片9、10的高度与液晶的高度相同。
参考图3，本发明的辐射单元为双方环形。单元结构周期L为5mm，辐射单元结构外环长度L1为2.6mm，环宽度为0.25mm，内环长度L2为1.6mm，环与环之间的间距为0.25mm，连接辐射单元之间的偏置线的宽度为0.1mm。辐射单元及偏置线材料为金属铜，覆铜厚度为18um。
本发明基于平面反射阵列天线的工作原理：
本发明的馈电方式分为正馈和偏馈，其工作原理相同，为了减少遮挡效应，本发明采用偏馈方式对阵面进行馈电，工作频率为35GHz，分析了平面波入射角对单元结构相移曲线的影响，实施例最终选用入射角为15deg，口径为25mm×25mm，将阵列反射面的中心设置为原点坐标，则馈源喇叭11的相位中心坐标取为(0mm，-5mm，25mm)，焦经比f/D为1。辐射阵列反射面层4由5行×5列相同的双方环辐射单元组成，每一列辐射单元之间通过偏置线5连接。5个相同的直流偏置电压6的正极分别与连接每一列辐射单元的偏置线相连，负极分别与接地金属板3相连，在其之间形成一个正向偏置电压。该正向偏置电压的改变会控制液晶材料的等效介电常数。由于液晶材料在不同电压控制下能表现出不同的等效介电常数，通过改变加载在偏置线与接地金属板间的电压，就能控制各单元的等效介电常数，从而使得馈源发射出来的波束经天线反射后具有不同的相位差。因此，通过合理控制天线单元的偏置电压就能迅速改变反射波束的方向，实现波束的扫描。
以下结合仿真计算对本发明的技术效果作进一步描述：
图4为工作频率为35GHz时天线主辐射方向在0deg、10deg、20deg、30deg、35deg归一化后的E面方向图。每个主辐射方向都是通过改变各列加载的电压值而实现的，由图可知，天线的主辐射方向在0deg、10deg、20deg、30deg处具有低副瓣特性，副瓣分别为-4.6dBi、-5.7dBi、-8.6dBi、-6dBi。而当主辐射方向在35deg时，副瓣较高，其副瓣为-2.2dBi。这是由于辐射阵列反射面的口径面比较小，馈源喇叭对天线有一定的遮挡。当馈源发射出来的波束照射在阵列反射面上，各个单元不能很好的实现相位补偿，从而导致出射波束的副瓣偏高。
由实施例可见，馈源喇叭通过偏馈方式对本发明天线进行馈电，使得天线在0deg～30deg范围内实现任意方向的出射。由于馈电是采用偏馈方式，运用相同的原理能让本发明天线在-30deg～0deg范围内实现任意方向的出射。可见本发明天线能灵活控制主辐射方向图，可以实现天线主辐射方向图可重构。
Claims (6)
1.一种毫米波可重构天线，包括馈源喇叭、从上至下依次设置的第一介质层、第一介质层下表面的辐射阵列反射面层、设置于辐射阵列反射面层下表面的第二介质层、设置于第二介质层下表面的接地板、以及连接辐射阵列反射面层与接地板之间的直流偏置电压；
所述馈源喇叭设置于辐射阵列反射面的上方，用来将波束照射在每个辐射单元上，且与辐射阵列反射面无物理接触；
所述辐射阵列反射面层蚀刻于第一介质层下表面，由M×N个辐射单元周期排列组成，其中M≥2，N≥2；每一列辐射单元之间通过偏置线连接，且偏置线延伸至介质层边缘；
所述第二介质层为液晶层，由支撑板隔离为n个液晶盒，每一列辐射单元分别紧贴在一个液晶盒的上表面；
所述接地板尺寸与第一介质层、第二介质层相同；
所述辐射阵列反射面层与接地板之间加载有N个直流偏置电压，其正极分别与每一列辐射单元位于边缘位置的偏置线相连，负极分别与接地板相连；每个偏置电压独立控制每个液晶盒的电压值；在馈源的照射下，通过调节每个偏置电压，每列液晶材料的等效介电常数发生改变，使得相位发生延迟，进而实现天线主辐射方向图的改变。
2.如权利要求1所述的一种毫米波可重构天线，其特征在于：所述第一介质层采用石英材料。
3.如权利要求1所述的一种毫米波可重构天线，其特征在于：所述辐射单元为同心双环结构。
4.如权利要求3所述的一种毫米波可重构天线，其特征在于：所述同心双环结构为矩形环组成的同心环结构。
5.如权利要求1所述的一种毫米波可重构天线，其特征在于：辐射单元周期为0.4λ～0.6λ，其中λ为天线的工作波长。
6.如权利要求1所述的一种毫米波可重构天线，其特征在于：所述馈源喇叭为矩形波导喇叭或圆波导喇叭。
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- 2016-09-08 CN CN201610809406.3A patent/CN106450765B/zh not_active Expired - Fee Related
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