CN109390705A - 基于重叠切换子阵实现相位中心连续可电调的阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于重叠切换子阵实现相位中心连续可电调的阵列天线，包括天线阵元、单刀多掷开关、开关控制电路、移相器、移相器控制电路、功分器。天线阵元与单刀多掷开关相连且相邻的天线阵元连接不同的单刀多掷开关，通过开关控制电路来实现子阵的重叠切换。一个单刀多掷开关直接与功分器相连，其余的单刀多掷开关连接移相器后与功分器相连；也可以是所有的单刀多掷开关均连接移相器后与功分器相连。根据移相器的损耗来确定功分器的功分比，从而使各子阵阵元等功率激励；通过移相器控制电路对各重叠切换子阵阵元间的相位差进行控制。本发明能够实现相位中心的连续电调，可作为透镜天线或抛物面天线的初级馈源实现波朿扫描。
Description
技术领域
本发明涉及天线领域，特别是一种基于重叠切换子阵实现相位中心连续可电调的阵列天线。
背景技术
波束扫描天线在现代无线通信系统中受到广泛关注，而相控阵是最常见的一种。对于相控阵天线，它的成本和复杂程度与移相器的数目直接相关。目前已有一些研究来减小其成本，例如利用矢量相加技术以减少移相器、基于新工艺研究低成本的移相器等。
在聚焦型天线(透镜天线、反射面天线、透射阵、反射阵等)中改变其馈电天线的相位中心是另一种实现波束扫描的有效方法。在现有文献中，通常聚焦类天线通过天线阵进行馈电，而波束扫描可以通过控制天线单元的开关来实现。这种结构不需要移相器，具有低成本的优势，但是由于馈电天线的相位中心移动不连续，它只能实现离散的波束扫描。
文献1：A.Abbaspour-Tamijani,L.Zhang,H.K.Pan,“Enhancing the directivityof phased array antennas using lens-arrays”Progress In ElectromagneticsResearch M,vol.29,pp.41-64,2013提出了一种通过全阵元相位控制的阵列天线all-element phase controlled antenna array(AEPCAA)来实现其相位中心连续移动，即利用一个小相控作为次级辐射源以重构虚焦点发出的球波面，通过控制每一个阵元的相位分布可以实现连续移动的相位中心。然而，当天线阵的虚焦点远离透镜天线的焦点时，某些阵元的不需要的辐射会使透镜天线的副瓣电平变得相当高。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种基于重叠切换子阵实现相位中心连续可电调的阵列天线，相位中心连续可电调，可用作聚焦类天线的馈电天线以实现波束的连续扫描。
实现本发明的技术解决方案为：基于重叠切换子阵实现相位中心连续可电调的阵列天线，包括n个天线阵元、单刀多掷开关、开关控制电路、移相器、移相器控制电路、功分器，n为正整数，每个天线阵元均与单刀多掷开关的不动端连接，相邻的天线阵元连接不同的单刀多掷开关，任意一个单刀多掷开关的动端与功分器连接，其他单刀多掷开关与移相器连接后再与功分器连接，或所有的单刀多掷开关均分别与移相器连接后再与功分器连接，所述开关控制电路用于控制单刀多掷开关的切换从而实现子阵的重叠切换，所述移相器控制电路用于控制移相器的相位从而实现每个子阵的各天线阵元的相位差。
优选地，n个天线阵元构成一维线阵或构成h×m二维平面阵。
优选地，对于二维平面阵，单刀多掷开关的不动端通过同轴电缆与天线阵元相连。
基于重叠切换子阵实现相位中心连续可电调的阵列天线，利用单刀多掷开关控制子阵的重叠切换，即对阵列天线相位中心的可移动范围进行重叠切换；再通过移相器控制子阵阵元间的相位差，使得相位中心在每一段重叠切换的范围内可以连续移动。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明通过单刀多掷开关使得不需要辐射的阵元不辐射，能够显著减小扫描波束的副瓣电平；2)本发明利用单刀多掷开关可以大幅减小所需移相器的数目，具有低成本的优势。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1是基于重叠切换子阵实现相位中心连续可电调的一维线阵示意图。
图2是基于重叠切换子阵实现相位中心连续可电调的二维平面阵示意图。
图3是本发明实例中基于重叠切换子阵的4×1阵列天线示意图。
图4是本发明实例中微带贴片天线阵示意图。
图5是本发明实例中微带贴片天线阵各阵元的反射系数。
图6是本发明实例中基于重叠切换子阵的阵列天线OSSAA作为透镜天线的馈电天线的示意图。
图7是本发明实例中焦点馈电时透镜口径的相位分布图。
图8是本发明实例中OSSAA和AEPCAA的E面方向图。
图9是本发明实例中OSSAA和AEPCAA作为馈电天线时透镜天线的E面方向图。
图10是表2中几种状态时透镜天线的E面方向图。
图11是图8在俯仰角在0°附近的细节图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明基于重叠切换子阵实现相位中心连续可电调的阵列天线，包括天线阵元1、单刀多掷开关2、开关控制电路3、移相器4、移相器控制电路5、功分器6。阵列天线是由n个天线阵元1组成的一维线阵或h×m个天线阵元1组成的二维平面阵，n、h、m为正整数，天线阵元1可以是等间距分布也可以是非等间距分布。相邻的天线阵元1连接不同的单刀多掷开关2，通过开关控制电路3可以实现子阵的重叠切换，即实现相位中心移动范围的重叠切换。其中一个单刀多掷开关2直接与功分器6相连，其余单刀多掷开关2连接移相器4后与功分器6相连；也可以是所有的单刀多掷开关2均连接移相器4后与功分器6相连。根据移相器4的损耗确定功分器6的功分比，使得子阵的各天线阵元1等功率激励。每个子阵的各天线阵元1间相位差可通过调节移相器4来控制，从而实现相位中心在每个重叠切换范围内的连续移动。
实施例1
如图3所示，本实施例的基于重叠切换子阵实现相位中心连续可电调的阵列天线，包括4个相同阵元组成的均匀线阵，阵元1_1和阵元1_3与单刀双掷开关2_1相连，阵元1_2和阵元1_4与单刀双掷开关2_2相连。通过开关控制电路3可以得到三个重叠切换的子阵，即阵元1_1和阵元1_2、阵元1_2和阵元1_3、阵元1_3和阵元1_4。单刀双掷开关2_1连接移相器4后与功分器6相连，单刀双掷开关2_2与功分器6直接相连。根据移相器4的损耗确定功分器6的功分比，令得到的重叠切换子阵阵元等功率激励；三个重叠切换子阵的阵元相位差均可通过移相器4进行控制。
本实施例中基于重叠切换子阵实现相位中心连续可电调阵列天线的中心频率为17GHz。所选天线阵元1为矩形微带贴片天线，如图4所示，阵元1_1、阵元1_2、阵元1_3和阵元1_4沿x轴E面组阵，四阵元等距排列且间距为8.8mm，关于Z轴完全对称。贴片尺寸为5.3×5.7mm2，采用同轴探针7馈电，馈点距离贴片中心1.2mm。微带天线阵的基板是相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为0.787mm的Rogers5880介质板，其尺寸为57.8mm×23mm。如图5所示，可以看出阵元1_1、阵元1_2、阵元1_3和阵元1_4的反射系数在17GHz均小于-10dB。天线与单刀多掷开关可通过同轴电缆进行连接。
为了验证所提出的基于重叠切换子阵的阵列天线能实现相位中心的连续可电调，现将其作为透镜天线的馈电天线。如图6所示，透镜8为平面介质标准透镜，由七个同心圆介质环/柱构成，其焦点为原点o，焦距为20mm，具体参数如表1所示；该阵列天线与透镜的距离d为11.5mm，基于惠更斯等效原理以替代虚焦平面上的馈源天线，具有低剖面的优点。当馈电天线置于透镜8焦点时，沿x轴口径上的相位分布如图7所示。由于对称性，图7展示了半口径相位分布，其中归一化距离等于0和1分别代表透镜中心和边缘。由图7可以看出除了边缘部分，相位误差在±20°之内，透镜8可看作标准透镜。
| ε<sub>r1</sub> | 7.1 | r<sub>1</sub>(mm) | 4 |
| ε<sub>r2</sub> | 6.6 | r<sub>2</sub>(mm) | 8 |
| ε<sub>r3</sub> | 6.45 | r<sub>3</sub>(mm) | 16 |
| ε<sub>r4</sub> | 5.47 | r<sub>4</sub>(mm) | 24 |
| ε<sub>r5</sub> | 4.5 | r<sub>5</sub>(mm) | 32 |
| ε<sub>r6</sub> | 3.7 | r<sub>6</sub>(mm) | 40 |
| ε<sub>r7</sub> | 2.7 | r<sub>7</sub>(mm) | 48 |
| t(mm) | 24.7 | f(mm) | 20 |
表1
若虚焦点位于(8.8mm，0，0)，对于全阵元相位控制的阵列天线(AEPCAA)，根据现有文献阵元1_1、阵元1_2、阵元1_3和阵元1_4的相位分布为：0°，0°，-125°，-285.8°。对于本实施例的重叠切换子阵的阵列天线(OSSAA)，阵元1_1和阵元1_2导通，阵元1_3和阵元1_4断开，且阵元1_1和阵元1_2的相位分布为0°和0°。图8是此时AEPCAA和OSSAA的E面方向图，可以看出由于断开不需要的辐射单元此时OSSAA更适合作为透镜天线的馈电天线。图9是AEPCAA和OSSAA馈电的透镜天线的E面方向图，可以看出OSSAA馈电的透镜天线拥有更低的副瓣电平。综上，当作为透镜天线的馈电天线时，OSSAA与AEPCAA相比具有更低的成本并能获得更好的性能。
表2为实例中OSSAA馈电的透镜天线波束指向在±20°内以步进为1°扫描时各阵元状态以及各阵元的相位分布。图10是表2中几种状态时天线的E面辐射方向图，它们的副瓣电平都低于-10dB,图11是图10在俯仰角theta在±50°的细节图。
表2
Claims (3)
1.一种基于重叠切换子阵实现相位中心连续可电调的阵列天线，其特征在于，包括n个天线阵元(1)、单刀多掷开关(2)、开关控制电路(3)、移相器(4)、移相器控制电路(5)、功分器(6)，n为正整数，每个天线阵元(1)均与单刀多掷开关(2)的不动端连接，相邻的天线阵元(1)连接不同的单刀多掷开关，任意一个单刀多掷开关(2)的动端与功分器(6)连接，其他单刀多掷开关(2)与移相器(4)连接后再与功分器(6)连接，或所有的单刀多掷开关(2)均分别与移相器(4)连接后再与功分器(6)连接，所述开关控制电路用于控制单刀多掷开关(2)的切换从而实现子阵的重叠切换，所述移相器控制电路(5)用于控制移相器的相位从而实现每个子阵的各天线阵元的相位差。
2.根据权利要求1所述的基于重叠切换子阵实现相位中心连续可电调的阵列天线，其特征在于，n个天线阵元构成一维线阵或构成h×m二维平面阵。
3.根据权利要求2所述的基于重叠切换子阵实现相位中心连续可电调的阵列天线，其特征在于，对于二维平面阵，单刀多掷开关(2)的不动端通过同轴电缆与天线阵元(1)相连。
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