CN108183334A - 一种基于拼接技术的可编程固态等离子体全空间扫描天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于拼接技术的可编程固态等离子体全空间扫描天线，提出了基于单元结构相位曲线拼接的技术，即通过拼接反射阵列单元在介质基板厚度不同时得到的相位曲线实现0～360°的相位补偿，并用插值的方式来建立反射阵列的参变量与相位补偿角之间的联系。该方法的优势是具有普适应性，即阵列单元的相位曲线不需要线性分布，可以任意分布且不需要覆盖0～360°，此方法降低了对阵列单元的设计要求。本发明采用了固态等离子体来代替金属工作，固态等离子体由S‑PIN单元组成的阵列实现，S‑PIN单元之间有隔离层进行隔离，通过其两端加载的可编程逻辑阵列来控制激励S‑PIN单元阵列，从而使得该平面反射阵列天线能够实现全空间扫描。

Description

一种基于拼接技术的可编程固态等离子体全空间扫描天线
技术领域
本发明属于电子通信领域，特别是微波器件技术、射频系统前端技术和等离子体实用技术等领域，尤其涉及一种基于拼接技术的可编程固态等离子体全空间扫描天线。
背景技术
随着近代卫星通信，微波通信和航天技术的迅猛发展，对雷达系统提出了更高的要求，要求天线波束能灵活捷变，并缩短反应时间，提高跟踪精度，所以人们对于高增益、可重构、多复用天线的需求越来越高。
固态等离子体天线与传统金属天线相比更具有许多独特的优势，例如隐身特性、快速重构特性，并且等离子体天线具有无阻尼振荡和大带宽、高功率等特性。传统的平面反射阵列天线设计容易出现图形的相位尺寸分布曲线不在自己想要的区间范围内，而通过一般的加减周期波长或者相位的转移替换做出的反射阵天线则会造成传输信号在某些方向角度上出现恶化，这也就是此类方法的缺陷，因为他们都改变了R，即喇叭口到阵列单元的距离，虽然改变量较小，误差也较小，但是由此造成了天线性能的不确定性，而本发明提出了一种基于单元结构相位曲线拼接技术的方法，去拼接出所需相位的补偿范围，巧妙地解决了上述问题。并且传统平面反射阵列天线所需的贴片单元设计也较为复杂，通常实现相位补偿的方法有三种：第一种，通过改变每个单元贴片末端的传输线长短来实现修正相位；第二种类型的单元主要针对设计圆极化天线，主要特点是让单元具有不同的旋转角度，通过调整单元的旋转角度，来实现相位补偿；第三种主要是通过改变每个单元的电尺寸，来调节入射波的相位。使用上述的传统方法对于相位曲线都要求满足线性度好，而且补偿范围必需满足0～360°，而在现实的天线设计过程中要满足上述要求较为困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提出了一种基于拼接技术的可编程固态等离子体全空间扫描天线，利用单元结构相位曲线拼接技术的方法，拼接出所需相位补偿范围，最终通过编程来调控固态等离子体，从而可以快速地组成所需要的反射阵列，实现反射波束的空间任意方向动态扫描。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种基于拼接技术的可编程固态等离子体全空间扫描天线，包括馈源喇叭，表面具有由可重构的固态等离子体的单元，单层反射阵列和控制固态等离子体的激励模块；单层反射阵列由反射阵列单元组成，反射阵列单元包含底层介质基板和由上层固态等离子体构成的贴片。
作为本发明一种基于拼接技术的可编程固态等离子体全空间扫描天线的进一步优选方案，固态等离子体由S-PIN单元组成的阵列实现，且S-PIN单元之间有隔离层；具体通过S-PIN单元两端加载的可编程逻辑阵列来控制激励S-PIN单元阵列，获取固态等离子体。
作为本发明一种基于拼接技术的可编程固态等离子体全空间扫描天线的进一步优选方案，反射阵列由14×14即196个反射阵列单元组成；反射阵列单元长宽为25mm，反射阵列单元有两种厚度，一种为3mm，另一种为4.4mm，反射阵列单元的介质基板的介电常数均为2.3F/m，磁导率均为1H/m。
作为本发明一种基于拼接技术的可编程固态等离子体全空间扫描天线的进一步优选方案，反射阵列单元上层贴片为固态等离子体区域，反射阵列单元上层贴片的中央是边长为a的正方形，外围八边形环带由两个外接圆半径分别为 7.5mm和5.5mm的八边形相减而成，四个雪花形枝节的中心点距离反射阵列单元中心点距离为每个雪花形枝节由五个长方形组成，每个长方形的宽为0.8mm，长为2mm，相邻两个长方形的夹角为72°，其中左上角的雪花形枝节相对反射阵列单元中心点的坐标为(-10,10)，其余三个由左上角的雪花形枝节绕反射阵列单元中心点旋转90°、180°、270°构成；外围八边形环带由两个外接圆半径分别为7.5mm和5.5mm的八边形相减而成。
作为本发明一种基于拼接技术的可编程固态等离子体全空间扫描天线的进一步优选方案，馈源喇叭的工作频段为X波段，馈源喇叭位于反射阵列其中一边中心的正上方距反射阵列表面350mm处，馈源喇叭与Z轴夹角为33°。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)本发明相交上述传统的方法具有普适性，采用相位拼接和插值寻优的方式，很容易实现将相位曲线为任意的阵列单元结构进行相位补偿，而覆盖整个 0～360°，从而给设计平面反射阵列天线带来了方便；
(2)本发明可以把两个或多个不满足反射相位补偿范围的反射阵列单元的相位特性曲线进行拼接，只要使得拼接后的曲线相位补偿范围大于360°即可，即使相位曲线的线性度差，也可使用插值技术进行优化，对上述不同的介质基板的厚度没有任何要求，或者说可以采用由任意的图形贴片构成的反射阵列单的相位曲线都可以进行拼接，极大地降低了平面反射阵列设计难度。
(2)本发明是一种基于拼接技术的可编程固态等离子体全空间扫描天线，控制等离子体的激励模块负责控制激发每一个可重构像素,来组成不同尺寸、位置的反射阵列单元；在馈源喇叭的照射下，每个反射阵列单元可以通过修正相位延迟来补偿馈源照射阵列的空间相位差，从而使得整个阵列在某一个远场方向上获得等相位面，实现同相相加，由此得到该方向上的辐射波束。并且，通过控制固态等离子体地激励模块，就可以实现可重构单元表面上反射阵列单元排列的动态变化，以实现辐射波束的动态扫描；
(3)本发明设计简化，可编程、可调控，属于高性能可重构的天线，能够做到小型化、易集成，并能实现芯片化一体设计，经过合理设计，可工作于整个 X波段，能够对全空域进行扫描。
附图说明
图1(a)为基于固态等离子体的可编程全空间波束扫描天线的整体示意图；
图1(b)为基于固态等离子体的可编程全空间波束扫描天线的局部示意图；
图2为基于固态等离子体的可编程全空间波束扫描天线的可重构表面的放大结构示意图；
图3(a)为基于固态等离子体的可编程全空间波束扫描天线的阵列单元的正视图；
图3(b)为基于固态等离子体的可编程全空间波束扫描天线的阵列单元的斜视图；
图4为单元结构A的相位特性曲线图；
图5为单元结构B的相位特性曲线图；
图6为反射波束在15°汇聚时，使用插值技术后贴片单元尺寸的坐标分布与单元结构A的相位特性曲线的对比图；
图7为反射波束在15°汇聚时，使用插值技术后贴片单元尺寸的坐标分布与单元结构B的相位特性曲线的对比图；
图8为基于固态等离子体的可编程全空间波束扫描天线单元在10.2GHz频率的波束指向15°时的尺寸分布图；
图9为基于固态等离子体的可编程全空间波束扫描天线单元在10.2GHz频率的波束指向20°时的尺寸分布图；
图10为基于固态等离子体的可编程全空间波束扫描天线单元在10.2GHz频率的波束指向25°时的尺寸分布图；
图11(a)基于固态等离子体的可编程全空间波束扫描天线在10.2GHz的波束重构在波束指向15°时的平面反射阵列的示意图；
图11(b)基于固态等离子体的可编程全空间波束扫描天线在10.2GHz的波束重构在波束指向15°时的方向图；
图12(a)基于固态等离子体的可编程全空间波束扫描天线在10.2GHz的波束重构在波束指向20°时的平面反射阵列的示意图；
图12(b)基于固态等离子体的可编程全空间波束扫描天线在10.2GHz的波束重构在波束指向20°时的方向图；
图13(a)基于固态等离子体的可编程全空间波束扫描天线在10.2GHz的波束重构在波束指向25°时的平面反射阵列的示意图；
图13(b)基于固态等离子体的可编程全空间波束扫描天线在10.2GHz的波束重构在波束指向25°时的方向图；
附图标记具体如下：1—固态等离子体激励源，2—介电常数为2.3F/m、磁导率为1H/m的介质，3—固态等离子体构成的S-PIN单元，4—工作在X波段的馈源喇叭。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
一种基于拼接技术的固态等离子体可编程的全空间波束扫描天线，包括工作在X波段馈源喇叭，196个不同厚度同种介电系数的介质基板，基于可重构单元表面的单层反射阵列以及控制固态等离子体的激励模块。如图1(a)所示，为基于固态等离子体的可编程全空间波束扫描天线的整体示意图；如图1(b)所示为基于固态等离子体的可编程全空间波束扫描天线的局部示意图；
单层反射阵列由贴片单元组成，每个贴片单元又由底层的介质基板和上层外围固态等离子体构成的形似雪花的区域以及里层固态等离子体构成的正方形区域所构成，反射阵列单元的介质基板有两种厚度，一种为3mm，另一种为4.4mm，二者的介电常数为2.3F/m，磁导率为1H/m。
固态等离子体由S-PIN单元组成的阵列实现，S-PIN单元之间有隔离层进行隔离，通过其两端加载的可编程逻辑阵列来控制激励S-PIN单元阵列，从而可以得到固态等离子体，固态等离子体构成的贴片单元未激励时，即为未激励状态，表现出介质特性，类似地，固态等离子体构成的贴片单元在激励时，即为激励状态，表现为金属特性，控制等离子体的激励模块负责控制激发每一个可重构像素, 来组成不同尺寸、位置的反射阵列单元。其中贴片单元由固态等离子体构成， S-PIN单元之间有隔离层隔开，通过其两端加载偏置电压进行激励。
每个S-PIN单元被激励时，构成固态等离子体的基本像素点。可以通过编程激励出不同的像素点，从而实现紧密排列的单元表面的像素可重构，被激发的可重构像素组成反射阵列单元，单元表面的可重构性使得该天线可以实现某一频段下实现全空间波束的任意扫描。特别是利用固态等离子体的可编程性，能够快速加载可重构单元组成的单元结构，因而实现了波束在全空间中动态扫描。
如图2所示，该反射阵列单元的长宽都为25mm，反射阵列单元的介质基板是长宽都为25mm，厚度为3mm或4mm的长方体，固态等离子体区域是整个贴片单元，其面积为625mm2的正方形。外围八边形环带由固态等离体构成，其形状是由两个外接圆半径分别为7.5mm和5.5mm的八边形相减而成。四个雪花形枝节的中心点距离反射阵列单元中心点距离为10mm。每个雪花形枝节由五个长方形组成，每个长方形的宽为0.8mm，长为2mm，相邻两个长方形的夹角为72°。其中左上角的雪花形枝节相对反射阵列单元中心点的坐标为(-10,-10)，其余三个由左上角的雪花形枝节绕反射阵列单元中心点旋转90°、180°、270°构成。外围八边形环带由两个外接圆半径分别为7.5mm和5.5mm的八边形相减而成。
图3(a)为基于固态等离子体的可编程全空间波束扫描天线的阵列单元的正视图；
图3(b)为基于固态等离子体的可编程全空间波束扫描天线的阵列单元的斜视图；
该反射阵列由14×14个单元呈周期排列组合而成，工作在在X波段内 10.2GHz频率上，其排列方式以及每个单元正方形尺寸通过相位补偿公式和特性位移曲线得出，该情形下的阵列天线的长宽为350mm，馈源喇叭在反射阵列其中一条边的正上方，且距反射阵列表面的距离也为350mm，馈源喇叭的入射方式为斜入射，馈源喇叭与Z轴夹角为33°。
本发明专利整体结构由激励源喇叭、单层不同厚度反射阵列组成，本发明采用的是用两种不同厚度的反射阵列单元的相位特性曲线进行拼接，用这两条曲线拼凑得到0～360°的相位补偿范围，每个贴片单元可以通过编程方式实现对等离子体构成的贴片单元的状态进行调控，从而使平面阵列反射天线达到在X波段特定频率区域范围工作的要求，根据相位补偿计算公式，依次求出阵列不同位置反射阵列单元所需要补偿的相位，得出的相位在哪个曲线范围内，相应位置就用哪个厚度，所述的平面阵列反射天线由结构单元周期排列而成，工作时在激励源喇叭的照射下，反射阵列产生相应角度的辐射波束方向。
在馈源喇叭的照射下，反射阵列单元能够修正相位延迟，补偿馈源照射阵列的空间相位差，使得整个阵列在某一个远场方向获得等相位面，实现同相相加，由此得到所该方向上的辐射波束。所需要的反射阵列单元的尺寸、位置、形状经过一定设计，由紧密排列、激发态的可重构像素所组成的，可以在同一平面上组建出多种反射阵列。由于反射阵列单元可以由可重构像素组建而成，通过设计反射阵列单元，阵列的空间波束指向可以灵活的重构，而该功能由控制激励模块来控制实现。由此该阵列可以实现同一频段波束方向任意的辐射。
本发明通过两个不同的单元结构，分别为介质基板厚度为3mm的单元结构A，和介质基板为4.4mm的单元结构B。如图4所示，单元结构A仿真的相位特性曲线范围在0°～-270°,如图5所示，单元结构B仿真的相位特性曲线范围在 -270°～-360°。以反射波束在15°汇聚时举例说明，将两条特性曲线同时用插值方式来建立反射阵列的参变量与相位补偿角之间的联系，图6与图7给出了插值技术拟合后的相位曲线与A和B单元结构相位曲线图。其中黑色实线为插值技术得到的相位曲线。从图6和图7可以看出，使用插值方法计算贴片单元尺寸坐标分布效果很好，贴片单元的尺寸坐标都分别分布在了单元结构A和单元结构B的相位特性曲线上。如图8所示，得出每一单元所需的尺寸，从而得到平面阵列反射天线的每一单元尺寸分布图，图9、图10分别为波束反射角在20°、25°时的尺寸分布图，用上述方法得到的平面反射阵列在馈源喇叭的照射下，可以得到同一频段、不同波束指向的反射阵列，控制固态等离子体的激励模块负责控制激发每一个可重构像素，从而可以得到所需相应的反射阵列单元，每个反射阵列单元可以通过修正相位延迟来补偿馈源照射阵列的空间相位差，从而使得整个阵列在某一个远场方向上获得等相位面，实现同相相加，由此得到该方向上的辐射波束，实现不同频段下波束的任意扫描。
使用同一阵列构建了三个工作于10.2GHz的反射阵列，三种工作同频段不同 波束角度的状态下，使用同一阵列构建了三个工作于10.2GHz的反射阵列，在第 一种工作状态下，所设计的最大波束在yoz平面内指向15°，采用拼接技术后 计算得到的最大波束指向15°如图10所示，可以看出在该角度下波束的指向性 比较好，能量比较集中；同样，第二种工作状态下，所设计的最大波束在yoz 平面内指向20°如图11(a)所示，采用拼接技术后计算得到的最大波束指向 20°如图11(b)所示；第三种工作状态下，所设计的最大波束在yoz平面内指 向25°如图12(a)所示，采用拼接技术后计算得到的最大波束指向25°如图 12(b)所示。如果无限增加阵列单元的个数，那么将对该扫描天线在性能上还 会有进一步的提升。图13(a)基于固态等离子体的可编程全空间波束扫描天线 在10.2GHz的波束重构在波束指向25°时的平面反射阵列的示意图；
图13(b)基于固态等离子体的可编程全空间波束扫描天线在10.2GHz的波束重构在波束指向25°时的方向图；
可重构单元表面上都可以组建出预先设计好的反射阵列单元排布，每一时刻阵列表面的反射单元都经过独立的设计，可以在X频段内形成任意空间方向的反射波束，即实现在不同时刻，针对不同频段形成不同空间指向的反射波束，实现多频分波束的全空间扫面效果。本发明设计简化，可编程、可调控，属于高性能可重构的天线，能够做到小型化、易集成，并能实现芯片化一体设计，经过合理设计，可工作于整个X波段，能够对全空域进行扫描。
而本发明相交上述传统的方法具有普适性，采用相位拼接和插值寻优的方式，很容易实现将相位曲线为任意的阵列单元结构进行相位补偿，而覆盖整个 0～360°，从而给设计平面反射阵列天线带来了方便。
本发明的具体做法是在同一工作频率下，扫描两种拥有不同介质基板厚度的反射阵列单元，得出两条相位特性分布曲线，最终用这两条相位曲线采用拼接技术，使得拼接后的曲线反射相位补偿范围大于360°，而后采用平面反射阵列天线常规设计方法，根据相位补偿计算公式，依次求出阵列不同位置反射阵列单元所需要补偿的相位，然后实现阵列单元的厚度和尺寸与相位的一一对应。最终由一个馈源喇叭照射这个阵列，通过调节介质板上每个单元对于入射波的散射相位，使得反射波在特定的方向上实现同相位，发射出方向性极强的笔形波束。本发明的优势是可以把两个或多个不满足反射相位补偿范围0～360°的反射阵列单元的相位特性曲线进行拼接，只要使得拼接后的相位曲线补偿范围大于360°即可，即使曲线的线性度差，也可以用插值方式来建立反射阵列的参变量与相位补偿角之间的联系。该方法的优势是具有普适应性，阵列单元的相位曲线不需要线性分布，可以任意分布且不需要覆盖0～360°，此方法降低了对阵列单元的设计难度。
本发明是采用固态等离子体来代替金属工作，利用外部的逻辑阵列进行编程控制，来实现对固体等离子体激励区域和激励状态的动态调控，控制等离子体的激励模块负责控制激发每一个可重构像素，提出了基于单元结构相位曲线拼接技术的方法，实现了用任意贴片单元结构计算得出的相位特性曲线，都能够拼接出所需相位补偿范围0～360°；本发明另一优点是，是在同一工作频率下，计算具有不同介质基板厚度的反射阵列单元，得到多条相位特性分布曲线，用这些曲线拼接得到0～360°的相位补偿范围，最终根据相位补偿计算公式，依次求出阵列不同位置反射阵列单元所需要补偿的相位，得出的相位在哪个曲线范围内，相应位置就用哪个厚度，由此方法做出的结果天线的性能得到了很大的优化，在馈源喇叭的照射下，由于阵面上所组成的反射单元结构尺寸存在偏差，以此修正反射相位延迟，补偿空间相位差，在远场获得等相位面，实现同相相加，得到所需方向上的辐射波束，因其快速可重构性，因而能进行动态的波速扫描即实现同一频段下波束的任意扫描。尤其可以通过动态的该改变固态等离子体的激励区域来实现对整个X波段的覆盖。
以上所述，仅为本发明专利中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明专利的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于拼接技术的可编程固态等离子体全空间扫描天线，其特征在于：包括馈源喇叭，表面具有由可重构的固态等离子体的单元，单层反射阵列和控制固态等离子体的激励模块；单层反射阵列由反射阵列单元组成，反射阵列单元包含底层介质基板和由上层固态等离子体构成的贴片。
2.根据权利要求1所述的一种基于拼接技术的可编程固态等离子体全空间扫描天线，其特征在于：固态等离子体由S-PIN单元组成的阵列实现，且S-PIN单元之间有隔离层；具体通过S-PIN单元两端加载的可编程逻辑阵列来控制激励S-PIN单元阵列，获取固态等离子体。
3.根据权利要求1所述的一种基于拼接技术的可编程固态等离子体全空间扫描天线，其特征在于：反射阵列由14×14即196个反射阵列单元组成；反射阵列单元长宽为25mm，反射阵列单元有两种厚度，一种为3mm，另一种为4.4mm，反射阵列单元的介质基板的介电常数均为2.3F/m，磁导率均为1H/m。
4.根据权利要求1所述的一种基于拼接技术的可编程固态等离子体全空间扫描天线，其特征在于：反射阵列单元上层贴片为固态等离子体区域，反射阵列单元上层贴片的中央是边长为a的正方形，外围八边形环带由两个外接圆半径分别为7.5mm和5.5mm的八边形相减而成，四个雪花形枝节的中心点距离反射阵列单元中心点距离为每个雪花形枝节由五个长方形组成，每个长方形的宽为0.8mm，长为2mm，相邻两个长方形的夹角为72°，其中左上角的雪花形枝节相对反射阵列单元中心点的坐标为(-10,10)，其余三个由左上角的雪花形枝节绕反射阵列单元中心点旋转90°、180°、270°构成；外围八边形环带由两个外接圆半径分别为7.5mm和5.5mm的八边形相减而成。
5.根据权利要求1所述的一种基于拼接技术的可编程固态等离子体全空间扫描天线，其特征在于：馈源喇叭的工作频段为X波段，馈源喇叭位于反射阵列其中一边中心的正上方距反射阵列表面350mm处，馈源喇叭与Z轴夹角为33°。
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