CN107293851A - 加载变容二极管的指型缝隙单元及可重构反射阵列天线 - Google Patents

加载变容二极管的指型缝隙单元及可重构反射阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种加载变容二极管的指型缝隙单元及可重构反射阵列天线，所述的指型缝隙单元，包括从上到下依次叠放的金属贴片层、介质层和金属接地层，所述的金属贴片层上开设有横向缝隙、同一种长度且对称分布于第二纵向缝隙两侧的第一纵向缝隙和第三纵向缝隙、另一种长度的第二纵向缝隙；所述第一纵向缝隙、第二纵向缝隙和第三纵向缝隙之间相互平行；所述第一横向缝隙垂直穿过第一纵向缝隙、第二纵向缝隙和第三纵向缝隙的中心；所述横向缝隙的两端分别加载一个变容二极管；三个纵向缝隙的长度设置需满足：第一纵向缝隙和第三纵向缝隙的谐振频率是第二纵向缝隙谐振频率的1.2‑1.5倍。由该指型缝隙单元设计而成的可重构反射阵列天线的口径效率可达74％。

Description

加载变容二极管的指型缝隙单元及可重构反射阵列天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种加载变容二极管的指型缝隙单元及可重构反射阵列天线。
背景技术
相控阵天线在点对点通信、新体制雷达和精密导航等无线电系统中被广泛的应用，其波束指向可以灵活而且自由控制。然而，由于相控阵天线相邻单元间互耦的存在，导致扫描区域出现盲点和栅瓣效应，恶化天线的性能；而且相控阵天线的每个阵元都需要配备一个电子移相器和微波T/R组件，对于中等以及大型规模的相控阵，其馈电网络十分复杂,而且功耗高、损耗大、加工成本高、结构笨重，限制了其在航天微波遥感及卫星通信领域的实际应用。
作为一种新兴的天线形式，可重构反射阵列天线能够很好的解决以上问题。反射阵列天线由喇叭馈源和周期排列的微带贴片单元组成，通过对每个微带贴片的反射相位进行精确设计，可以将馈源辐射的球面波转换为某一特定方向的平面波，从而实现该方向的高增益笔形波束。通过在微带贴片单元上加载MEMS开光、变容二极管等可调控器件，就可以构成可重构反射阵列天线，它由馈源、加载可调控器件的微带单元和外围控制电路构成。通过调节加载在可调控器件上的外围控制电路，实时而且动态的改变每个单元的反射相位，就可以实现高增益波束的实时动态扫描。由于其采用直流电源进行控制，其功耗很低；而且可重构反射阵由微波介质板加工，耗费成本低；可以实现宽角域二维波束扫描以及任意形状的赋形波束，在诸如卫星通信、航天微波遥感、新体制军/民用雷达等国民经济及国防领域具有广阔的应用前景。
目前，现有的可重构反射阵列往往采用贴片结构，但是普通的贴片单元由于其工作带宽较窄，移相范围较小，从而限制了可重构反射阵列天线的应用范围。
发明内容
本发明的目的在于，为了克服现有的可重构反射阵列因普通贴片结构的局限性，导致其工作带宽较窄，移相范围较小的技术问题，提出了一种加载变容二极管的指型缝隙单元及可重构反射阵列天线，该指型缝隙单元包含一种长度的纵向缝隙和两个左右对称设置的另一种长度的纵向缝隙，由于这两种不同长度的缝隙可以谐振在不同的频率，当这两个谐振频率离得较近时，工作频带相互叠加，因此相对于普通的贴片单元，该指型缝隙单元具有较宽的工作带宽，因此其移相范围也有明显的提升，而且该单元在斜入射情况下，单元的反射相位曲线与垂直入射情况的反射相位曲线基本一致，因此该可重构反射阵列天线具有高达74％的口径效率。
为实现上述目的，本发明提供的一种加载变容二极管的指型缝隙单元，包括从上到下依次叠放的金属贴片层、介质层和金属接地层，所述的金属贴片层上开设有横向缝隙、一种长度且对称分布于第二纵向缝隙两侧的第一纵向缝隙和第三纵向缝隙、另一种长度的第二纵向缝隙；所述第一纵向缝隙、第二纵向缝隙和第三纵向缝隙之间相互平行；所述第一横向缝隙垂直穿过第一纵向缝隙、第二纵向缝隙和第三纵向缝隙；所述横向缝隙的两端分别加载一个变容二极管；三个纵向缝隙的长度设置需满足：第一纵向缝隙和第三纵向缝隙的谐振频率是第二纵向缝隙谐振频率的1.2-1.5倍。
作为上述技术方案的进一步改进，所述第一纵向缝隙和第三纵向缝隙的长度均为第二纵向缝隙的长度为其中C为光速，f为指型缝隙单元的工作频率，εr为介质的介电常数。
作为上述技术方案的进一步改进，所述介质层的介电常数εr＝2.2，厚度h＝1mm。
基于上述加载变容二极管的指型缝隙单元，本发明还提供了一种可重构反射阵列天线，包括馈源和沿同一平面排列的若干个上述指型缝隙单元。
作为上述技术方案的进一步改进，所述指型缝隙单元的辐射波束指向坐标位置(xi,yi,0)和反射相位以及馈源的坐标位置(xf,yf,zf)之间的关系表示为：
其中，k0为自由空间中的波数，di为馈源与第i个单元之间的距离，表示为：
根据所需要的波束指向，通过计算获得所述可重构反射阵列天线中的每个指型缝隙单元的反射相位，根据反射相位与指型缝隙单元中的变容二极管的容值-相位对应关系的图表，获得每个指型缝隙单元中的变容二极管的容值；当馈源辐射的电磁波照射所述的可重构反射阵列天线时，即可实现所需指向的高增益波束。
本发明通过在贴片单元上加载指型缝隙结构，可以有效提高可重构反射单元的移相范围，在斜入射情况下单元的反射相位曲线与垂直入射情况的反射相位曲线基本一致，因此由该单元构成的可重构反射阵列天线具有高达74％的口径效率。通过对每个反射单元的变容二极管的容值进行合理设计，该可重构反射阵列天线的波束指向可以实现0°～45°范围的实时动态扫描，指向误差小于0.2°，波束增益大于19dB，副瓣电平小于-14dB，增益平坦度在±1.5dB以内。
当工作频率为13.5GHz时，变容二极管的容值由0.12pF变化至1.8pF时，该单元的反射相位可以实现310°范围的变化。而且，当入射波的角度发生改变时，单元的反射相位曲线基本保持稳定。
本发明的一种加载变容二极管的指型缝隙单元及可重构反射阵列天线优点在于：
本发明提供的加载变容二极管的指型缝隙单元随着入射波角度的改变，反射相位曲线基本没有变化，证明该单元的角度稳定性较高。由该指型缝隙单元设计而成的可重构反射阵列天线的口径效率可达74％。该可重构反射阵列天线的波束指向可以实现0°～45°范围内的波束扫描，指向误差小于0.2°，增益平坦度在±1.5dB以内。
附图说明
图1(a)是本发明中的加载变容二极管的指型缝隙单元的结构俯视图。
图1(b)是本发明中的加载变容二极管的指型缝隙单元的结构侧视图。
图2是本发明中的加载变容二极管的指型缝隙单元的反射相位与容值的关系曲线。
图3是本发明中的加载变容二极管的指型缝隙单元在不同角度的入射波情况下的反射相位与容值的关系曲线。
图4是本发明中的基于加载变容二极管的指型缝隙单元构成的可重构反射阵列天线的示意图。
图5是本发明中的基于加载变容二极管的指型缝隙单元构成的可重构反射阵列天线的不同波束指向的远场方向图。
附图标记
1、金属贴片层 2、介质层 3、金属接地层
具体实施方式
以下结合附图对本发明的一种加载变容二极管的指型缝隙单元及可重构反射阵列天线作进一步的详细说明。
如图1(a)所示，本发明提供的一种加载变容二极管的指型缝隙单元，在本实施例中，该单元的边长P＝11mm，共有三层，如图1(b)所示，从上到下依次为金属贴片层1、介质层2和金属接地层3。金属贴片层1的大小为W×L，可设置W＝4.6mm，L＝5.5mm。所述的金属贴片层1上开设有横向缝隙、一种长度的第一纵向缝隙和第三纵向缝隙、另一种长度的第二纵向缝隙；横向缝隙的宽度为g，所述第一纵向缝隙、第二纵向缝隙和第三纵向缝隙之间相互平行，且第一、第三纵向缝隙关于第二纵向缝隙呈左右对称分布，为保证电磁波向着单元的左侧斜入射和右侧斜入射时具有一致的反射相位曲线，设置了两个左右对称分布的第一纵向缝隙和第三纵向缝隙。所述第一横向缝隙垂直穿过所述第一纵向缝隙、第二纵向缝隙和第三纵向缝隙。横向缝隙的两端分别加载一个变容二极管。三个纵向缝隙的长度设置需满足：第一纵向缝隙和第三纵向缝隙的谐振频率相同，第一纵向缝隙和第三纵向缝隙的谐振频率是第二纵向缝隙谐振频率的1.2-1.5倍。
基于上述结构的指型缝隙单元，在本实施例中，第一纵向缝隙和第三纵向缝隙的长度为第二纵向缝隙的长度为其中C为光速，f为指型缝隙单元的工作频率，εr为介质的介电常数。三个纵向缝隙和横向缝隙的宽度都为0.5mm。介质层2的介电常数εr＝2.2，厚度h＝1mm
在具有上述结构的指型缝隙单元上，其中横向缝隙可以等效为电容，两种长度的纵向缝隙可以等效为两个具有不同电感值的电感，电容和每个电感可以构成一个串联谐振电路，每一个串联谐振电路工作在一个谐振频率，当这两个谐振频率离得较近时，工作频带相互叠加，因此相对于普通的贴片单元，该指型缝隙单元具有较宽的工作带宽，因此其移相范围也有明显的提升。
如图2所示，当工作频率为13.5GHz时，变容二极管的容值由0.12pF变化至1.8pF时，该单元的反射相位可以实现310°范围的变化。如图3所示，是本发明提供的加载变容二极管的指型缝隙单元在不同角度的入射波情况下的反射相位与容值的关系曲线，由仿真结果可知，当入射波的角度发生改变时，单元的反射相位曲线基本保持稳定，证明该单元的角度稳定性较高。
基于上述加载变容二极管的指型缝隙单元，本发明还提供了一种可重构反射阵列天线，包括馈源和沿同一平面排列的若干个上述指型缝隙单元构成的反射阵列。
由于当馈源照射反射阵列时，处于阵列中心的指型缝隙单元为垂直入射状态，阵列边缘区域的指型缝隙单元为斜入射状态，而设计反射阵列时，每个指型缝隙单元的反射相位是按照垂直入射状态的仿真结果进行设置的，因此，当反射单元的斜入射状态下的反射相位曲线与垂直入射情况的反射相位曲线一致性较高时，反射阵对馈源入射的球面波补偿效果更为精准，使得该反射阵相对于现有的同等尺寸的反射阵列，具有更高的增益、较低的副瓣、较高的增益平坦度、而且指向精度较高。
假设在三维坐标系中，馈源的坐标位置为(xf,yf,zf)，所述的宽带传输阵列天线位于xoy平面，其中第i个指型缝隙单元的坐标位置为(xi,yi,0)。假设每个指型缝隙单元的反射相位为那么指型缝隙单元的辐射波束指向与每个指型缝隙单元的坐标位置(xi,yi,0)和传输相位以及馈源的坐标位置(xf,yf,zf)之间的关系表示为：
其中，k0为自由空间中的波数，di为馈源与第i个指型缝隙单元之间的距离，表示为：
如图4所示，将加载变容二极管的指型缝隙单元按照9×9排列，喇叭馈源距离阵面的距离为79.2mm，馈源辐射的球面波照射该单元阵列，对每个指型缝隙单元的变容二极管电容值根据公式(1)和图2示出的反射相位曲线进行设计，使得阵列中的每个指型缝隙单元具有不同的反射相位；如表1所示，是本发明中的可重构反射阵列天线波束指向0°～45°时，每个阵元的反射相位分布。对馈源辐射的球面波进行相位补偿，将馈源辐射的球面波转换成某一指向的平面波，从而实现该方向发射的高增益波束。当采用外围控制电路对阵列中每个变容二极管的电容值进行实时控制时，即可实现波束指向在0°～45°范围内实时动态调控的可重构反射阵列天线，如图5所示。
表1
-159 131 79 47 36 47 79 131 -159
131 58 3 -30 -42 -30 3 58 131
79 3 -53 -89 -100 -89 -53 3 79
47 -30 -89 -125 -137 -125 -89 -30 47
36 -42 -100 -137 -149 -137 -100 -42 36
47 -30 -89 -125 -137 -125 -89 -30 47
79 3 -53 -89 -100 -89 -53 3 79
131 58 3 -30 -42 -30 3 58 131
-159 131 79 47 36 47 79 131 -159
(a)波束指向0°
27 -89 172 94 36 1 -13 -8 16
-43 -163 96 16 -42 -77 -89 -81 -54
-95 143 39 -42 -100 -135 -146 -136 -106
-127 109 4 -78 -137 -171 179 -170 -138
-138 97 -8 -91 -149 177 167 179 -149
-127 109 4 -78 -137 -171 179 -170 -138
-95 143 39 -42 -100 -135 -146 -136 -106
-43 -163 96 16 -42 -77 -89 -81 -54
27 -89 172 94 36 1 -13 -8 16
(b)波束指向15°
-160 40 -101 137 36 -42 -100 -138 -157
130 -33 -177 59 -42 -120 -176 149 133
78 -88 126 1 -100 -178 127 95 81
46 -121 91 -35 -137 146 92 61 49
35 -133 79 -47 -149 133 80 49 38
46 -121 91 -35 -137 146 92 61 49
78 -88 126 1 -100 -178 127 95 81
130 -33 -177 59 -42 -120 -176 149 133
-160 40 -101 137 36 -42 -100 -138 -157
(c)波束指向30°
(d)波束指向45°
表2为本发明的可重构反射阵列天线在不同波束指向上的方向图性能列表，由该表2可见不同指向波束的增益均大于19.4dB，指向误差均小于0.2°，当波束指向0°时，方向图的波束宽度为11.6°，当波束指向其他角度时，方向图波束宽度小于21°，副瓣电平小于-14.6dB。因此，本发明的可重构反射阵列天线优于同等口径采用已有贴片形式的可重构反射阵列天线的性能指标。
表2
波束指向 0° 15° 30° 45°
增益 20.9dB 19.4dB 19.4dB 19.9dB
指向误差 0° 0.1° 0.2° 0.1°
波束宽度 11.6° 19° 20.8° 18°
副瓣电平 -16.5dB -15dB -14.6dB -15dB
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种加载变容二极管的指型缝隙单元，其特征在于，包括从上到下依次叠放的金属贴片层、介质层和金属接地层，所述的金属贴片层上开设有横向缝隙、同一种长度且对称分布于第二纵向缝隙两侧的第一纵向缝隙和第三纵向缝隙、另一种长度的第二纵向缝隙；所述第一纵向缝隙、第二纵向缝隙和第三纵向缝隙之间相互平行；所述第一横向缝隙垂直穿过第一纵向缝隙、第二纵向缝隙和第三纵向缝隙的中心；所述横向缝隙的两端分别加载一个变容二极管；三个纵向缝隙的长度设置需满足：第一纵向缝隙和第三纵向缝隙的谐振频率是第二纵向缝隙谐振频率的1.2-1.5倍。
2.根据权利要求1所述的加载变容二极管的指型缝隙单元，其特征在于，所述第一纵向缝隙和第三纵向缝隙的长度均为第二纵向缝隙的长度为其中C为光速，f为指型缝隙单元的工作频率，εr为介质的介电常数。
3.根据权利要求1所述的加载变容二极管的指型缝隙单元，其特征在于，所述介质层的介电常数εr＝2.2，厚度h＝1mm。
4.一种可重构反射阵列天线，其特征在于，包括馈源和沿同一平面排列的若干个基于权利要求1-3之一中所述的指型缝隙单元。
5.根据权利要求4所述的可重构反射阵列天线，其特征在于，所述指型缝隙单元的辐射波束指向坐标位置(xi,yi,0)和反射相位以及馈源的坐标位置(xf,yf,zf)之间的关系表示为：
其中，k0为自由空间中的波数，di为馈源与第i个单元之间的距离，表示为：
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