CN109088174B - 单层反射、透射双向辐射波束扫描天线 - Google Patents

单层反射、透射双向辐射波束扫描天线 Download PDF

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Abstract

本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种基于可重构电磁表面技术的单层反射、透射双向辐射波束扫描天线，包括：馈源和由多个双向相控辐射单元所组成的阵列；馈源用于发射或者接收电磁波；双向相控辐射单元用于调制反射波相位和透射波相位。所述双向相控辐射单元自上而下包括金属层、介质板、直流偏置电路层，其中金属层设置有数字控制器件，所述直流偏置电路层用于为数字控制器件提供工作电压和控制数字控制器件的工作状态。所述双向相控辐射单元的反射和透射极化方向相同，且与馈源极化方向正交，在阵面透射传播方向上，天线的透射电磁波和和馈源入射到阵面的电磁波极化方向正交隔离，采用交叉极化实现相控功能。

Description

单层反射、透射双向辐射波束扫描天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种基于可重构电磁表面技术的单层反射、透射双向辐射波束扫描天线。
背景技术
可重构反射阵和可重构透射阵常应用于波束扫描和波束赋形，具有波束扫描灵活，方向图多样等优点。但是这些传统的设计方法存在介质层数多且厚，成本高，结构复杂等缺点。
另一方面，对于可重构反射阵和可重构透射阵，波束扫描方向受限于半平面。比如，可重构反射阵的波束扫描方向相对于馈源入射方向，是反射方向的半平面；可重构透射阵的波束扫描方向相对于馈源入射方向，是透射方向的半平面；但现有技术未能在薄单层介质上实现双向电控波束扫描的天线。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种基于可重构电磁表面技术的单层反射、透射双向辐射波束扫描天线，包括：
馈源和由多个双向相控辐射单元所组成的阵列；馈源用于发射或者接收电磁波；双向相控辐射单元用于调制反射波相位和透射波相位。
所述双向相控辐射单元自上而下包括金属层、介质板、直流偏置电路层，其中金属层设置有数字控制器件，所述直流偏置电路层用于为数字控制器件提供工作电压和控制数字控制器件的工作状态。
所述金属层印制有用于反射和透射电路图案，其电路图案形状包括：圆环槽、方环槽。
所述双向相控辐射单元由数字控制器件和辐射单元构成，数字控制器件用于控制单元反射和透射相位，双向相控辐射单元用于反射和透射电磁波。
所述馈源包括：喇叭天线、微带天线、微带天线阵。
所述双向相控辐射单元的反射和透射极化方向相同，且与馈源极化方向正交，在阵面透射传播方向上，天线的透射电磁波和和馈源入射到阵面的电磁波极化方向正交隔离，采用交叉极化实现相控功能。
当所述馈源发出的电磁波照射由双向相控辐射单元组成的阵列时，所述天线同时工作在反射式工作状态和透射式工作状态。
本发明的有益效果：
(1)单元阵列集成在单层介质上，具有重量轻，剖面极低，轻薄易共形，结构简单，成本低等优点；
(2)利用数字控制器件同时调节每个辐射单元的反射相位和透射相位，并采用喇叭馈源从空间照射整个表面，通过数字控制的方式调节表面每个单元的相位，从而获得高增益聚焦的动态扫描波束、捷变波束或者多波束，具有馈电损耗小、波束扫描角度大、实现全方位波束覆盖、反射和透射集成增加了天线利用率波束扫描速度快、阵列规模拓展性强；
(3)结合可重构反射阵和可重构透射阵各自的优点，改善缺点，实现波束在整个前后两个平面同时扫描，同时具备成本低、结构简单的特点，是国际上首款基于可重构电磁表面技术在薄单层介质上实现双向电控波束扫描的天线，解决了学术界和工业界的技术盲点。
附图说明
图1为本发明实施例的基于可重构电磁表面技术的单层反射/透射双向辐射波束扫描天线结构示意图；
图2a、2b为本发明实施例的调相单元的正反示意图；
图3a、3b为本发明实施例的单元组成的阵列正反示意图；
图4a、4b为本发明实施例的单元阵列局部正反放大图；
图5为本发明实施例中当馈源极化方向为y方向极化时，形成的反射和透射0°波束全波仿真结果；
图6为本发明实施例中当馈源极化方向为y方向极化时，形成的反射和透射30°波束全波仿真结果；
图7为本发明实施例中当馈源极化方向为y方向极化时，形成的反射和透射50°波束全波仿真结果；
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行说明。
一种基于可重构电磁表面技术的单层反射、透射双向辐射波束扫描天线，包括：
馈源和由多个双向相控辐射单元所组成的阵列；馈源用于发射或者接收电磁波；双向相控辐射单元用于调制反射波相位和透射波相位。
所述双向相控辐射单元自上而下包括金属层、介质板、直流偏置电路层，其中金属层设置有数字控制器件，所述直流偏置电路层用于为数字控制器件提供工作电压和控制数字控制器件的工作状态。
所述金属层印制有用于反射和透射电路图案，其电路图案形状包括：圆环槽、方环槽。
所述双向相控辐射单元由数字控制器件和辐射单元构成，数字控制器件用于控制单元反射和透射相位，双向相控辐射单元用于反射和透射电磁波。
所述馈源包括：喇叭天线、微带天线、微带天线阵。
所述双向相控辐射单元的反射和透射极化方向相同，且与馈源极化方向正交，在阵面透射传播方向上，天线的透射电磁波和和馈源入射到阵面的电磁波极化方向正交隔离，采用交叉极化实现相控功能。
当所述馈源发出的电磁波照射由双向相控辐射单元组成的阵列时，所述天线同时工作在反射式工作状态和透射式工作状态。
在本发明的一个实施例中，图1是一种基于可重构电磁表面技术的单层反射/透射双向辐射波束扫描天线结构示意图，包括馈源1、单层介质2。其中，馈源1用于发射和接收电磁波。
具体的，馈源1可以采用正馈、偏馈两种形式，图1示意图为正馈形式。首先需要确定馈源位置，反射阵物理口面大小，以及主波束出射方向。其中一般馈源位置以天线效率最高为最佳。
单层介质片2具有薄的物理厚度，在全波仿真过程中，其厚度为0.02λ，λ为对应工作频率的自由空间波长。
在本发明的一个实施例中，馈源1采用传统的抛物面天线的馈源天线作为馈源，具体为：角锥喇叭，圆喇叭或者波纹喇叭天线，其极化形式为y向线极化。
图2a、2b为本发明的一个实施例中所使用的调相单元，正面是为加载两个 PIN二极管的圆形槽3，背面是布线4。
图3a、3b为本发明的一个实施例中，当利用图2a、2b所示的调相单元进行组阵时所生成的用于加工和仿真的AutoCAD示意图，其中图4a、4b是对图3a、 3b的局部放大。通过图4a、4b我们可以看到，单元是准周期排布的。
在本发明的一个实施例中，介质板为Arlon 880，相对介电常数为2.2，但不局限于该电磁参数的板材，也可以是其他电磁参数的介质板。
所述的介质板，其电尺寸厚度可以选取很薄甚至可以没有介质，但考虑加载PIN二极管需要具有一定硬度的介质板支撑，故板材厚度选取为0.02波长。
本发明一个实施例中，天线工作在C频段,天线包含16×16个相控辐射单元，工作在5.35GHz。由于阵列规模拓展性强，该设计还可以延展到其他天线口面尺寸和频段。
所述双向相控辐射单元中的数字控制器件可以是一个或者数个，数字控制器件种类包括PIN二极管、变容二极管和MEMS二极管。本实例中每个单元加载2个PIN二极管，来自MACOM公司生产的MADP-000907-14020，但不局限于该公司的该型号产品。其工作状态包括：导通、截止。每个辐射单元上加载两个PIN二极管，其中一个PIN的正极和另外一个PIN的负极相连，当在两个 PIN二极管之间给定一个正电压，一个工作在导通状态，另外一个处于截止，当给定负电压时，导通的状态切换到截止，截止切换到导通状态，因此整个单元的等效电路将相应改变，在两种不同的偏置电压加载下，单元的反射和透射辐射相位同时实现180度变化，因此每个辐射单元上数字相控器件可以实现独立的调控，单元具有离散相位调控的功能，调节天线面上的每个辐射单元的偏置电压，可以实现快速的波束切换，波束赋形等功能。
图5、图6、图7是当极化方向为y方向极化的馈源照射图3a、3b所示的阵列时，所形成的反射和透射波束扫描0°、30°、50°的全波仿真结果。
为了验证以上设计的正确性，我们加工了一款0.4米，中心频率为5.35GHz 的样机。其中，单层介质片2由物理厚度为0.5mm的Arlon 880介质片加工而成，后期在介质片上焊接了512个PIN二极管。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种基于可重构电磁表面技术的单层反射、透射双向辐射波束扫描天线，其特征在于，包括：
馈源和由多个双向相控辐射单元所组成的阵列；馈源用于发射或者接收电磁波；双向相控辐射单元用于调制反射波相位和透射波相位；
所述双向相控辐射单元自上而下包括金属层、介质板、直流偏置电路层，其中金属层设置有数字控制器件，所述直流偏置电路层用于为数字控制器件提供工作电压和控制数字控制器件的工作状态；
所述双向相控辐射单元的反射和透射极化方向相同，且与馈源极化方向正交，在阵面透射传播方向上，天线的透射电磁波和和馈源入射到阵面的电磁波极化方向正交隔离，采用交叉极化实现相控功能；
所述双向相控辐射单元由数字控制器件和辐射单元构成，数字控制器件用于控制单元反射和透射相位，每个双向相控辐射单元可同时用于反射和透射电磁波；
所述金属层印制有用于反射和透射电路图案，其电路图案形状包括：圆环槽、方环槽；
所述馈源包括：喇叭天线、微带天线、微带天线阵；
当所述馈源发出的电磁波照射由双向相控辐射单元组成的阵列时，所述天线同一口面可同时工作在反射式工作状态和透射式工作状态。
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