CN110148838B - 一种基于数字编码表征的方向图可重构平面阵列天线及其控制方法 - Google Patents

一种基于数字编码表征的方向图可重构平面阵列天线及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于数字编码表征的方向图可重构平面阵列天线及其控制方法，该阵列天线包括同轴连接器、介质基板、位于介质基板下表面的金属地和位于介质基板上表面的金属图案，金属图案包括编码单元贴片、串并联混合馈电网络贴片和二路功分器贴片，串并联混合馈电网络贴片包括并联连接的第一主馈线和第二主馈线，沿第一主馈线和第二主馈线轴向分成4个串联馈线，每个串联馈线对称分布于第一主馈线或第二主馈线两边，每个串联馈线两端分别连接有一个编码单元贴片，且第一主馈线和第二主馈线通过二路功分器贴片与同轴连接器连接。本发明具有低剖面、质量轻、高增益、辐射波束和形状可实时切换等优点，具有广阔的应用前景。

Description

一种基于数字编码表征的方向图可重构平面阵列天线及其控 制方法
技术领域
本发明属于新型人工电磁材料领域，涉及一种基于数字编码表征的方向图可重构平面阵列天线及其控制方法。
背景技术
方向图可重构天线在同一频率下可产生多种辐射方向图，在信息科学领域其重要作用。近年来，实现方向图可重构天线的方法主要包括机械可调、特殊材料基板和加载有源器件，例如PIN二极管、变容二极管、微电机系统、光敏开关等。然而，目前为止大多数方向图可重构天线只有一个或几个辐射单元，限制了方向图可重构天线的增益和波束可重构能力。传统相控阵技术可以实现天线的高增益和各种辐射波束。但一般来说，传统的相控阵天线价格昂贵，馈电结构复杂，会影响相控阵天线的性能。
2014年，东南大学崔铁军课题组提出了利用数字编码方法灵活调控电磁波的编码超材料，并进行了实验验证。以1比特数字编码超材料为例，数码“0”和“1”分别表示具有180°相位差的两种相位响应单元。通过这种数字化的方式，将编码超材料中的“0”和“1”单元按照特定序列进行编码，可以灵活动态地调控电磁波，实现许多有趣的物理现象和电磁功能器件。然而，几乎所有基于编码的电磁装置都是用来操纵散射波的。因此，当这些电磁器件作为天线时，需要额外的初级馈源，这将增加整个天线的体积，不利于集成，也会带来组装复杂、成本高的问题。
发明内容
发明目的：本发明提供一种低剖面、质量轻、高增益、多单元的基于数字编码表征的方向图可重构平面阵列天线及其控制方法。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于数字编码表征的方向图可重构平面阵列天线，该阵列天线包括同轴连接器、介质基板、位于介质基板下表面的金属地和位于介质基板上表面的金属图案，金属图案包括编码单元贴片、串并联混合馈电网络贴片和二路功分器贴片，串并联混合馈电网络贴片包括并联连接的第一主馈线和第二主馈线，沿第一主馈线和第二主馈线轴向分成4个串联馈线，每个串联馈线对称分布于第一主馈线或第二主馈线两边，每个串联馈线两端分别连接有一个编码单元贴片，且第一主馈线和第二主馈线通过二路功分器贴片与同轴连接器连接。
可选的，编码单元贴片包括辐射金属贴片和开关线型移相器贴片，辐射金属贴片通过第一微带馈线与开关线型移相器连接，开关线型移相器通过第二微带馈线和四分之一波长阻抗匹配线与第一主馈线或第二主馈线连接。
可选的，辐射金属贴片为长方形，且其与开关线型移相器相邻边的中心设有凹槽，第一微带线与凹槽的底部连接。
可选的，通过控制开关线型移相器贴片两端的偏置电压为±1.5V时，编码单元贴片呈现相位差为180°的两种辐射状态，用数码“0”和“1”表示，且数字状态独立可调，该平面阵列天线能产生多个编码图案，每个编码图案对应一个特定的口径相位分布，即通过动态地切换阵列天线的编码图案，在天线口径上实时地产生多个相位分布，进而在同一频率下产生多种辐射方向图。
可选的，开关线型移相器包括延迟相位通道、参考相位通道、第一PIN二极管D1、第二PIN二极管D2、第三PIN二极管D3和第四PIN二极管D4，其中，延迟相位通道和参考相位通道长均为“U”型，且延迟相位通道比参考相位通道长λg/2，第一微带馈线分别通过第一PIN二极管D1和第二PIN二极管D2与延迟相位通道和参考相位通道连接，第二微带馈线分别通过第三PIN二极管D3和第四PIN二极管D4与延迟相位通道和参考相位通道连接；第一PIN二极管D1、第二PIN二极管D2、第三PIN二极管D3和第四PIN二极管D4串联连接。
可选的，第一PIN二极管D1和第三PIN二极管D3为开状态，第二PIN二极管D2和第四PIN二极管D4为关状态时，微波信号从延迟相位通道传输；第一PIN二极管D1和第三PIN二极管D3为关状态，第二PIN二极管D2和第四PIN二极管D4为开状态时，微波信号从参考相位通道传输。
可选的，介质基板材料为F4B，介电常数2.65，损耗角正切0.001。
可选的，沿第一主馈线和第二主馈线轴向相邻两个编码单元贴片的距离为导波长λg。
本发明还提供了一种所述数字编码表征的方向图可重构平面阵列天线的控制方法，其特征在于：平面阵列天线中每个辐射编码单元仅包含“0”和“1”两种数字状态，且数字状态独立可调，通过独立地控制阵列天线中每个辐射编码单元的“0”和“1”数字状态，使该阵列天线产生多个编码图案，每一个编码图案对应一个特定的口径相位分布，阵列天线的口径相位分布决定了天线的远场辐射方向图；因此，通过动态地切换阵列天线的编码图案，实现在同一频率下产生多种辐射方向图。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
传统的相控阵天线价格昂贵，馈电结构复杂，会影响相控阵天线的性能。本发明构建的基于数字编码表征的方向图可重构平面阵列天线中每个天线单元仅有2种相位状态，因此馈电结构简单，且增益高，成本低，质量轻，天线性能优越。
传统的基于编码的电磁装置几乎都是用来操纵散射波的，当这些电磁器件作为天线时，需要额外的初级馈源，这将增加整个天线的体积，不利于集成，也会带来组装复杂、成本高的问题。本发明的基于数字编码表征的方向图可重构平面阵列天线将天线与编码装置整合为一体，直接调控电磁波的辐射波束，结构简单，降低了天线的剖面，更易于集成设计，推广应用。
本发明将数字编码技术引入到可重构阵列天线的设计中，构建的基于数字编码表征的方向图可重构平面阵列天线中每个辐射编码单元仅包含“0”和“1”两种数字状态，且数字状态独立可调，因此该平面阵列天线可以产生多个编码图案，每个编码图案对应一个特定的口径相位分布，即通过动态地切换阵列天线的编码图案即可在天线口径上实时地产生多个相位分布，因此可以在同一频率下可产生多种辐射方向图。辐射编码单元具有良好的通用性，通过改变辐射编码单元的尺寸可设计在不同频点下工作。
本发明构建的基于数字编码表征的方向图可重构平面阵列天线，其辐射波的波束数和方向都可以从理论上预测，在已知自由空间波长、编码序列沿x和y方向的周期长度的情况下，根据公式便可计算主波束的倾斜角θ和方位角φ，方向图可根据需求自主设计。
附图说明
图1为本发明阵列天线结构示意图；
图2是本发明辐射编码单元的结构示意图；
图3是本发明实施例中辐射编码单元的通过参考相位通道和延迟相位通道馈电时，反射幅度随频率变化的仿真曲线；
图4是本发明实施例中辐射编码单元在3.5GHz时E面和H面的方向图仿真曲线；
图5是本发明实施例中辐射编码单元在3.5GHz，通过参考相位通道和延迟相位通道馈电时的仿真表面电流分布；
图6是本发明实施例中基于数字编码表征的方向图可重构平面阵列天线在3.5GHz时，六种不同编码方式的仿真表面电流分布，图6(a)为编码方式P1，沿x方向辐射编码单元状态为“0101”，沿y方向不变；图6(b)为编码方式P2，辐射编码单元为“0”状态；图6(c)为编码方式P3，沿y方向辐射编码单元状态为“1010”，沿x方向不变；图6(d)为编码方式P4，所有相邻辐射编码单元状态相反；图6(e)为编码方式P5；图6(f)为编码方式P6；
图7是本发明实施例中基于数字编码表征的方向图可重构平面阵列天线在3.5GHz时，六种不同编码方式的仿真三维远场辐射方向图，图7(a)、图7(b)、图7(c)、图7(d)、图7(e)、图7(f)分别对应于编码方式P1、P2、P3、P4、P5、P6；
图8是本发明实施例中基于数字编码表征的方向图可重构平面阵列天线在六种不同编码方式下，反射幅度随频率变化的仿真曲线；
图9是本发明实施例中基于数字编码表征的方向图可重构平面阵列天线在3.5GHz，六种不同编码方式下得到的实测二维远程方向图，图9(a)、图9(b)、图9(c)、图9(d)、图9(e)、图9(f)分别对应于编码方式P1、P2、P3、P4、P5、P6；
图10是本发明实施例中基于数字编码表征的方向图可重构平面阵列天线在六种不同编码方式下，反射幅度随频率变化的实验结果图。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。
本发明设计并制作了一种基于数字编码表征的方向图可重构平面阵列天线，通过控制开关线型移相器两端的偏置电压为±1.5V时，开关线型移相器可以切换两条具有180°相位差的不同的传输通道，使得辐射编码单元具有“0”和“1”两种编码状态，用于构造1比特数字编码天线。本发明将数字编码技术引入到可重构阵列天线的设计中，构建的基于数字编码表征的方向图可重构平面阵列天线中每个辐射编码单元仅包含“0”和“1”两种数字状态，且数字状态独立可调。通过独立地控制阵列天线中16个辐射编码单元的“0”和“1”数字状态，该阵列天线可以产生多个编码图案。每一个编码图案对应一个特定的口径相位分布，阵列天线的口径相位分布决定了天线的远场辐射方向图。因此，通过动态地切换阵列天线的编码图案即可在同一频率下产生多种辐射方向图。
如图1所示，一种基于数字编码表征的方向图可重构平面阵列天线，包括同轴连接器1、介质基板2、位于介质基板下表面的金属地3和位于介质基板上表面的金属图案4，金属图案包括编码单元贴片41、串并联混合馈电网络贴片42和二路功分器贴片43，串并联混合馈电网络贴片包括在x方向并联连接的第一主馈线和第二主馈线，且第一主馈线和第二主馈线通过等幅同相的二路功分器贴片与50Ω同轴连接器连接；每个主馈线在y方向分成4个串联馈线，每个串联馈线对称分布于第一主馈线或第二主馈线两边，且每个串联馈线两端分别连接有一个编码单元贴片；编码单元贴片沿y方向同向排列，相邻两个编码单元贴片的距离dy为导波长λg；因此四个串联的编码单元贴片的初始相位是相同的。
本发明实施例采用介电常数为2.65，损耗角正切为0.001，厚度为1mm的F4B材料作为天线的介质基板，编码单元贴片包括辐射金属贴片和开关线型移相器贴片，辐射金属贴片通过第一微带馈线L3与开关线型移相器连接，开关线型移相器通过第二微带馈线L4和四分之一波长阻抗匹配线L5与第一主馈线或第二主馈线连接。
如图2所示，辐射金属贴片为长方形，且其与开关线型移相器相邻边的中心设有凹槽，凹槽的作用是为了实现阻抗匹配，减小反射，第一微带线与凹槽的底部连接。为了降低辐射编码单元的剖面并实现阻抗匹配，辐射金属贴片采用微带线边馈的形式。辐射金属贴片的结构参数L、W、g、d经过优化设计后分别为26.5mm、28.0mm、6.8mm、8.0mm，可在3.5GHz工作频率下具有良好的辐射特性。第二微带馈线L4的宽度w为2.8mm时实现了50Ω阻抗匹配。为了实现对辐射金属贴片“0”、“1”状态的独立控制，我们使用了开关线型移相器贴片，开关线型移相器贴片具有两条长度不同的微波信号传输通道，路径L1为延迟相位通道，路径L2为参考相位通道，延迟相位通道和参考相位通道长均为“U”型，L1与L2的长度相差λg/2，每个开关线型移相器贴片上集成了4个PIN二极管。其中，第一微带馈线分别通过第一PIN二极管D1和第二PIN二极管D2与延迟相位通道和参考相位通道连接，第二微带馈线分别通过第三PIN二极管D3和第四PIN二极管D4与延迟相位通道和参考相位通道连接；第一PIN二极管D1的阳极与延迟相位通道连接，阴极与第一微带馈线连接；第二PIN二极管D2的阳极与第一微带馈线连接，阴极与参考相位通道连接；第三PIN二极管D3的阳极与第二微带馈线连接，阴极与延迟相位通道连接；第四PIN二极管D4的阳极与参考相位通道连接，阴极与第二微带馈线连接。即第一PIN二极管D1、第二PIN二极管D2、第三PIN二极管D3、第四PIN二极管D4、延迟相位通道和参考相位通道串联连接。当第一PIN二极管D1和第三PIN二极管D3为开状态，第二PIN二极管D2和第四PIN二极管D4为关状态时，微波信号从延迟相位通道传输；当第一PIN二极管D1和第三PIN二极管D3为关状态，第二PIN二极管D2和第四PIN二极管D4为开状态时，微波信号从参考相位通道传输。在中心频率为3.5GHz，导波长λg是58mm，长度L1和L2的最优值分别为54mm和25mm，其他结构参数取L3＝15mm，L4＝5mm，L5＝14.7mm，a＝70mm，b＝65mm。
编码单元贴片、编码单元贴片下面对应的介质基底和金属地可以看成一个辐射编码单元，如图2所示结构即为一个辐射编码单元。
图3是辐射编码单元通过参考相位通道和延迟相位通道馈电时，反射幅度随频率变化的仿真曲线，在这两种不同的激励下，辐射编码单元在3.5GHz时都可有效驱动。图4是辐射编码单元在3.5GHz时E面和H面的方向图仿真曲线，辐射编码单元的最大辐射方向指向z轴，在工作频率3.5GHz时，增益达到6.86dB。图5是辐射编码单元在3.5GHz，通过参考相位通道和延迟相位通道馈电时的仿真表面电流分布，结果表明，在两种不同的激励下，辐射编码单元的电流方向完全相反，也就是说，一个辐射编码单元通过调整PIN二极管的开关状态确实可以产生“0”或“1”两种辐射状态。
用16个辐射编码单元可以设计一比特编码平面阵列天线，为了更好地理解可重构平面阵列天线的编码机制，我们给出了六种不同编码方式在3.5GHz时的仿真表面电流分布，如图6所示。图6(a)为编码方式P1(x-0101)，沿x方向辐射编码单元状态为“0101”，沿y方向不变，图6(b)为编码方式P2(0000)，辐射编码单元为“0”状态，图6(c)为编码方式P3(y-1010)，沿y方向辐射编码单元状态为“1010”，沿x方向不变，图6(d)为编码方式P4(棋盘格)，所有相邻辐射编码单元状态相反，图6(e)、图6(f)为其他编码方式P5、P6。除了这六种编码方式，所设计的方向图可重构平面阵列天线还可以产生更多的编码方式，且所有的编码方式都是通过切换移相器的状态来实现的。
图7是本发明实施例中基于数字编码表征的方向图可重构平面阵列天线在3.5GHz时，六种不同编码方式的仿真三维远场辐射方向图。主波束的倾斜角θ和方位角φ可以由下式从理论上预测：
其中，λ0是3.5GHz时的自由空间波长，Γx和Γy是编码序列沿x和y方向的周期长度。图7(a)是编码方式P1产生的在xoz平面对称分布的两个主波束，增益为17.6dB。取λ0＝85.7mm，Γx＝228.6mm，Γy→∞代入公式(1)和(2)，得到倾斜角θ为22.3°，与仿真结果21.7°相似。对于编码方式P2，平面阵列天线沿x、y方向无相位变化，应产生一个z方向的主波束，图7(b)显示仿真的增益是17.9dB，两侧的栅瓣是因为辐射编码单元尺寸过大引起的。对于编码方式P3，图7(c)显示平面阵列天线yoz平面产生两个倾斜角为44.8°的主波束，增益为14.8dB，取Γx→∞，Γy＝116mm代入公式(1)和(2)，倾斜角θ和两个方位角φ分别计算的47.4°，90°和270°。对于编码方式P4，平面阵列天线在上半空间产生四个增益为13.4dB，方位为(52.6°，62.2°)，(52.6°，117.8°)，(52.6°，242.2°)，(52.6°，297.8°)的主波束，如图7(d)，取Γx＝228.6mm，Γy＝116mm代入公式(1)和(2)，计算得到θ＝55.8°，四个方位角φ＝63.1°，116.9°，243.1°，296.9°。此外，基于数字编码表征的方向图可重构平面阵列天线还可以产生其他的远程辐射方向图，编码方式P5和P6的仿真三维远场辐射方向图如图7(e)和图7(f)所示。
图8是本发明实施例中基于数字编码表征的方向图可重构平面阵列天线在六种不同编码方式下，反射幅度随频率变化的仿真曲线，对于所有编码方式，在3.5GHz时平面阵列天线的回波损耗都非常低。六种编码方式下的方向图可重构阵列天线的仿真辐射效率均大于76.2％。整个基于数字编码表征的方向图可重构平面阵列天线占地400×270mm2，阻抗转换线的宽度为1.55mm，长度为14.7mm。
为验证上述基于数字编码表征的方向图可重构平面阵列天线在实验上的有效性，我们利用标准印制电路板(PCB)技术制作了一个样品，在微波暗室中对加工样品进行了远程辐射方向图的测试。在实验中我们使用的PIN二极管型号是“Skyworks SMP1321-079LF”，对于每个辐射编码单元，一根电线连接到直流(DC)电压电源，可对16个编码辐射单元各自的驱动电压极性进行独立控制。
图9是本发明实施例中基于数字编码表征的方向图可重构平面阵列天线在3.5GHz，六种不同编码方式下得到的实测二维远程方向图。对于编码方式P1，φ＝0°的平面上有两个角度为±21°的主波束，增益为17.4dB，如图9(a)所示。对于编码方式P2，在θ＝0°上有一个增益为17.8dB的主波束，如图9(b)所示。对于编码方式P4，φ＝90°的平面上有两个角度为±44°的主波束，增益为14.7dB，如图9(c)所示。对于棋盘格编码方式P4，φ＝62°的平面上有两个角度为±52°的主波束，增益为13.3dB，如图9(d)所示。对于编码方式P5和P6，在φ＝0°的平面上的测试和仿真结果也基本一致，如图9(e)、图9(f)所示。
图10是本发明实施例中基于数字编码表征的方向图可重构平面阵列天线在六种不同编码方式下，反射幅度随频率变化的实验结果图，同样可以得到样本在3.5GHz的工作频率下具有较低的反射损耗。

Claims (5)

1.一种基于数字编码表征的方向图可重构平面阵列天线，其特征在于：该阵列天线包括同轴连接器(1)、介质基板(2)、位于介质基板下表面的金属地(3)和位于介质基板上表面的金属图案(4)，金属图案包括编码单元贴片(41)、串并联混合馈电网络贴片(42)和二路功分器贴片(43)，串并联混合馈电网络贴片包括并联连接的第一主馈线和第二主馈线，沿第一主馈线和第二主馈线轴向分成4个串联馈线，每个串联馈线对称分布于第一主馈线或第二主馈线两边，每个串联馈线两端分别连接有一个编码单元贴片，且第一主馈线和第二主馈线通过二路功分器贴片与同轴连接器连接；
编码单元贴片包括辐射金属贴片和开关线型移相器贴片，辐射金属贴片通过第一微带馈线与开关线型移相器连接，开关线型移相器通过第二微带馈线和四分之一波长阻抗匹配线与第一主馈线或第二主馈线连接；
辐射金属贴片为长方形，且其与开关线型移相器相邻边的中心设有凹槽，第一微带线与凹槽的底部连接；
通过控制开关线型移相器贴片两端的偏置电压为±1.5V时，编码单元贴片呈现相位差为180°的两种辐射状态，用数码“0”和“1”表示，且数字状态独立可调，该平面阵列天线能产生多个编码图案，每个编码图案对应一个特定的口径相位分布，即通过动态地切换阵列天线的编码图案，在天线口径上实时地产生多个相位分布，进而在同一频率下产生多种辐射方向图；
开关线型移相器包括延迟相位通道、参考相位通道、第一PIN二极管D1、第二PIN二极管D2、第三PIN二极管D3和第四PIN二极管D4，其中，延迟相位通道和参考相位通道长均为“U”型，且延迟相位通道比参考相位通道长λg/2，第一微带馈线分别通过第一PIN二极管D1和第二PIN二极管D2与延迟相位通道和参考相位通道连接，第二微带馈线分别通过第三PIN二极管D3和第四PIN二极管D4与延迟相位通道和参考相位通道连接；第一PIN二极管D1、第二PIN二极管D2、第三PIN二极管D3和第四PIN二极管D4串联连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字编码表征的方向图可重构平面阵列天线，其特征在于：第一PIN二极管D1和第三PIN二极管D3为开状态，第二PIN二极管D2和第四PIN二极管D4为关状态时，微波信号从延迟相位通道传输；第一PIN二极管D1和第三PIN二极管D3为关状态，第二PIN二极管D2和第四PIN二极管D4为开状态时，微波信号从参考相位通道传输。
3.根据权利要求1所述的一种基于数字编码表征的方向图可重构平面阵列天线，其特征在于：介质基板材料为F4B，介电常数2.65，损耗角正切0.001。
4.根据权利要求3所述的一种基于数字编码表征的方向图可重构平面阵列天线，其特征在于：沿第一主馈线和第二主馈线轴向相邻两个编码单元贴片的距离为导波长λg。
5.一种权利要求1-4任一项所述数字编码表征的方向图可重构平面阵列天线的控制方法，其特征在于：平面阵列天线中每个辐射编码单元仅包含“0”和“1”两种数字状态，且数字状态独立可调，通过独立地控制阵列天线中每个辐射编码单元的“0”和“1”数字状态，使该阵列天线产生多个编码图案，每一个编码图案对应一个特定的口径相位分布，阵列天线的口径相位分布决定了天线的远场辐射方向图；因此，通过动态地切换阵列天线的编码图案，实现在同一频率下产生多种辐射方向图。
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