CN110148841A - 一种基于固态等离子体的多波束扫描阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于固态等离子体的多波束扫描阵列天线的设计，包括工作在X波段馈源喇叭，单层反射阵列以及固态等离子体激励源块。单层反射阵列由48×24即1152个经过计算设计的反射阵列单元组成，中心间隔14mm，每个反射阵列单元的最底层为铜质底板，中间层为介质基板，最上层为固态等离子。固态等离子体由GaAs‑PIN单元组成的阵列实现，通过控制电压可以选择性激励不同位置的GaAs‑PIN单元，并且能够快速加载可重构单元组成的单元结构，实现了波束在空间中的波束扫描。本发明设计简单，经过合理的设计，可工作于整个X波段，实现多波束，能够对全空域进行扫描，并且可编程、可调谐，属于高性能可重构天线。

Description

一种基于固态等离子体的多波束扫描阵列天线
技术领域
本发明涉及一种多波束的扫描阵列天线，具体的说是一种基于固态等离子体的多波束扫描阵列天线，属于电子通信领域和智能建筑领域，特别是微波器件技术、射频系统等前端技术领域。
背景技术
卫星天线技术的发展特征可以简单概括为：从简单的全球覆盖的单波束天线发展到复杂的对一定地理区域赋形覆盖的多波束或点波束天线；模拟波束形成技术向数字波束形成和光学波束形成技术发展；天线结构也开始向大型或超大型可展开结构、低剖面的共形结构和与射频前端集成的微型结构发展。其中，卫星多波束天线目前己成为提高卫星通信性能、降低系统成本的一项关键性技术。在中低轨通信卫星的应用中，由于地面终端的手持化，要求卫星的天线提供相当高的增益，又因为低轨通信卫星的特点，要求卫星的天线波束有相当宽的张角。多波束天线可以使原先的全球波束或者区域波束的大面积覆盖变为由数十个甚至上百个点波束构成的地面“足迹”，这将使地面终端可以采用较小口径的天线实现高速率数据传输，支持卫星移动通信和宽带通信业务。同时，多波束天线可以进行有效的极化隔离和空间隔离，实现频谱复用，从而使通信容量成倍增加。等离子体天线由于其所具备的结构简单，重量轻，隐身效果好等特点，使其成为天线领域最具潜力的研究方向之一。固态等离子体天线与传统金属天线相比具有许多独特的优势，天然的低雷达截面特性，即当固态等离子体天线不工作时，固态等离子体本身就变为普通介质，它既不反射电磁波，也不吸收电磁波。因此，固态等离子体天线完全消失，从而就可以实现全频段的隐身功能，固态等离子天线被激励即工作在一定频段时，对于高于等离子体频率的雷达信号，也会由于固态等离子体的透射、吸收、折射效应，使回波信号大大减弱。快速可重构特性，即固态等离子体具有快速重构特性而且自身具有可协调性，通过改变外部的控制参数，在毫秒量级实现不同收发频率的天线最佳工作状态的快速重构，包括辐射方向图、带宽、增益、极化等天线参数。并且固态等离子体天线具有无阻尼振荡和大带宽、高功率等特性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于固态等离子体的多波束扫描阵列天线，通过外部的逻辑阵列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，最终实现反射波束的空间所需方向动态扫描。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明提供一种基于固态等离子体的多波束扫描阵列天线，其特征在于：包括工作在X波段的馈源喇叭，表面具有可重构性的固态等离子体的阵列单元构成的单层反射阵列，以及控制固态等离子体的激励模块，每个反射阵列单元的底层为铜质底板，中间层为介质基板，最上层为固态等离子体；
所述单层反射阵列由48×24即1152个经过计算得到的反射阵列单元组成，中心间隔14mm，将阵列均分为两部分，阵列单元的上层贴片由固态等离子体区域构成，其中，阵列左半部分激励为单元结构一、右半部分激励为单元结构二。
本发明是采用固态等离子作为天线的贴片材料，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。固态等离子体由GaAs-PIN单元组成的阵列实现，当半导体GaAs-PIN单元中的自由电荷浓度较小时，单元处于未激发的本征状态，此时不具有能够传输电磁波信号的特性，相当于介质。当半导体GaAs-PIN单元中的载流子浓度达到特定条件时，单元表现为类金属特性，可用作天线的基础辐射单元。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，来组成所需的不同尺寸、位置的反射阵列单元，在馈源的照射下，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，因而能进行动态的多波速扫描。
作为本发明的进一步技术方案，所述单元结构一包括中心的正方形结构，所述正方形结构的外部为菱形框和八角环构成；所述正方形结构置于单元结构一的中心位置，其中线与外部菱形框的对角线相重合，所述正方形结构的边长为a，所述菱形框由外接圆半径分别为1.3a、1.1a的菱形相减而得，最外围八角环由边长为2.6a的正方形和外接圆半径为1.7a的菱形融合后减去外接圆半径为1.45a的菱形而得。
进一步的，所述单元结构二由中心“十”字形和外部的两个正方形环构成；所述中心“十”字结构由两个长边为1.6a、短边为0.2a的长方形组合而成，小正方形环由边长为a、0.6a的正方形相减而得，大正方形环由边长为2a、1.7a的正方形相减而得。
进一步的，所述固态等离子体由GaAs-PIN单元组成的阵列实现，当半导体GaAs-PIN单元处于未激发的本征状态时，不具有能够传输电磁波信号的特性，相当于介质；当半导体GaAs-PIN单元中的载流子浓度达到1018cm-3时，单元表现为类金属特性，可用作天线的基础辐射单元。
进一步的，所述激励模块控制激发每一个可重构像素以组成不同尺寸、位置的反射阵列单元，即通过激励不同位置的GaAs-PIN单元，快速加载可重构单元组成的单元结构，实现波束在空间中的波束扫描。
进一步的，每个单元最上层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，所述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。
进一步的，所述贴片单元由固态等离子体构成，GaAs-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；GaAs-PIN单元未激励时，固态等离子体表现出介质特性，即为未激励状态；GaAs-PIN单元激励时表现为金属特性，即为激励状态；贴片单元分别通过等离子体激励源进行激励，等离子体激励源的通断状态通过编程来实现控制。
进一步的，所述介质基板是长、宽都为12mm，厚度为3mm的长方体，其材料为FR4_epoxy，介电常数为4.4，损耗角正切值为0.02；阵列单元的底部为铜质底板，长和宽也为12mm。
进一步的，所述馈源喇叭的工作频段为X波段，馈源喇叭位于反射阵列中心的正上方距反射阵列表面288mm处。
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)本发明是一种基于固态等离子体的多波束扫描阵列天线的设计，采用固态等离子作为天线的贴片材料，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。固态等离子体由GaAs-PIN单元组成的阵列实现，当半导体GaAs-PIN单元中的自由电荷浓度较小时，单元处于未激发的本征状态，此时不具有能够传输电磁波信号的特性，相当于介质。当半导体GaAs-PIN单元中的载流子浓度达到特定条件时，单元表现为类金属特性，可用作天线的基础辐射单元。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，来组成所需的不同尺寸、位置的反射阵列单元，在馈源的照射下，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，因而能进行动态的多波束扫描。
(2)本发明设计简单，经过合理的设计，可工作于整个X波段，实现多波束，能够对全空域进行扫描，并且可编程、可调谐，属于高性能可重构天线。
附图说明
图1为本发明的系统结构图。
图2为单元结构一的表面结构示意图。
图3为单元结构二的表面结构示意图。
图4为可重构单元结构示意图。
图5为单元结构侧视图。
图6为单元结构一的三维立体图。
图7为单元结构二的三维立体图。
图8为阵列在不同波束方向下的阵列示意图；其中，图8(a)为主波束指向-15°和15°的阵列示意图，图8(b)为主波束指向-30°和20°的阵列示意图，图8(c)为主波束指向-10°和30°的阵列示意图。
图9为反射波束方向图；其中，图9(a)为反射波束指向-15°和15°的方向图，图9(b)为反射波束指向-30°和20°的方向图，图9(c)为反射波束指向-10°和30°的方向图。
附图标记解释：1—固态等离子体激励源，2—工作在X波段的喇叭，3—固态等离子体，4—FR4_epoxy，5—金属Cu。
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。
本实施例提供一种基于固态等离子体的多波束扫描阵列天线，包括工作在X波段的馈源喇叭，表面具有可重构性的固态等离子体的阵列单元构成的单层反射阵列，以及控制固态等离子体的激励模块。每个反射阵列单元的底层为铜质底板，中间层为介质基板，最上层为固态等离子体。
如图1所示，反射阵列由48×24即1152个经过计算得到的反射阵列单元组成，中心间隔14mm，将阵列均分为两部分，阵列一部分激励为单元结构一、另部分激励为单元结构二，馈源喇叭位于反射阵列其中心的正上方距反射阵列表面288mm处。
如图2、图6所示，单元结构一由中心的正方形、菱形框和外围八角环构成。其中心正方形的边长为a，正方形外围的菱形框由外接圆半径分别为1.3a、1.1a的菱形相减而得，最外围八角环由边长为2.6a的正方形和外接圆半径为1.7a的菱形融合后减去外接圆半径为1.45a的菱形而得。
如图3、图7所示，单元结构二由中心“十”字形和两个正方形环构成。其中心“十”字结构由两个长边为1.6a、短边为0.2a的长方形组合而成，小正方形环由边长为a、0.6a的正方形相减而得，大正方形环由边长为2a、1.7a的正方形相减而得。
如图5所示，介质基板是长、宽都为12mm，厚度为3mm的长方体，其材料为FR4_epoxy，介电常数为4.4，损耗角正切值为0.02。阵列单元的底部为铜质底板，长和宽也为12mm，厚度忽略不计。
固态等离子体由GaAs-PIN单元组成的阵列实现，当半导体GaAs-PIN单元处于未激发的本征状态时，不具有能够传输电磁波信号的特性，相当于介质。当半导体GaAs-PIN单元中的载流子浓度达到1018cm-3时，单元表现为类金属特性，可用作天线的基础辐射单元。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，即通过控制电压可以选择性激励不同位置的GaAs-PIN单元，并且能够快速加载可重构单元组成的单元结构，实现了波束在空间中的可重构。
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，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。
其中贴片单元由固态等离子体构成，GaAs-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。GaAs-PIN单元未激励时，固态等离子体表现出介质特性，即为未激励状态；类似地，激励时表现为金属特性，即为激励状态。贴片单元分别通过等离子体激励源进行激励，等离子体激励源的通断状态通过编程来实现控制。
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。
如图8、图9所示，使用同一阵列构建了三个工作于10.6GHz的反射阵列，在第一种工作状态下，所设计的天线最大波束在水平方向角为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°和15°(如图8中(a)所示)，仿真结果最大波束指向-15°和15°(如图9中(a)所示)，可以看出在该角度下波束的指向性比较好；同样，第二种工作状态下，所设计天线的最大波束在yoz平面内指向-30°和20°(如图8中(b)所示)，仿真结果最大波束指向-30°和19°(如图9中(b)所示)；第三种工作状态下，所设计天线的最大波束在yoz平面内指向-10°和30°(如图8中(b)所示)，仿真结果最大波束指向-10°和29°(如图9中(b)所示)。从上述结果可以看出本发明从功能上实现了多波束可重构。
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频段内形成任意一个或两个空间方向的反射波束，即实现在不同时刻，针对不同空间指向的反射波束，实现多波束的全空间扫描效果。本发明设计简单，经过合理的设计，可工作于整个X波段，能够对全空域进行扫描，并且可编程、可调谐，属于高性能可重构的天线。
以上展示和描述了本发明的实现原理、主要特征和优点。上述的实例和说明书中的描述只是为了说明本发明的原理，本发明不受上述具体实例的限制，在不脱离原理和基本实现方法的范围内，本发明还会有其他的变化和改进，这些变化和改进都在要求保护的本发明范围内。

Claims (9)

1.一种基于固态等离子体的多波束扫描阵列天线，其特征在于：包括工作在X波段的馈源喇叭，表面具有可重构性的固态等离子体的阵列单元构成的单层反射阵列，以及控制固态等离子体的激励模块，每个反射阵列单元的底层为铜质底板，中间层为介质基板，最上层为固态等离子体；
所述单层反射阵列由48×24即1152个经过计算得到的反射阵列单元组成，中心间隔14mm，将阵列均分为两部分，阵列单元的上层贴片由固态等离子体区域构成，其中，阵列左半部分激励为单元结构一、右半部分激励为单元结构二。
2.根据权利要求1所述的基于固态等离子体的多波束扫描阵列天线，其特征在于：所述单元结构一包括中心的正方形结构，所述正方形结构的外部为菱形框和八角环构成；所述正方形结构置于单元结构一的中心位置，其中线与外部菱形框的对角线相重合，所述正方形结构的边长为a，所述菱形框由外接圆半径分别为1.3a、1.1a的菱形相减而得，最外围八角环由边长为2.6a的正方形和外接圆半径为1.7a的菱形融合后减去外接圆半径为1.45a的菱形而得。
3.根据权利要求1所述的基于固态等离子体的多波束扫描阵列天线，其特征在于：所述单元结构二由中心“十”字形和外部的两个正方形环构成；所述中心“十”字结构由两个长边为1.6a、短边为0.2a的长方形组合而成，小正方形环由边长为a、0.6a的正方形相减而得，大正方形环由边长为2a、1.7a的正方形相减而得。
4.根据权利要求1所述的基于固态等离子体的多波束扫描阵列天线，其特征在于：所述固态等离子体由GaAs-PIN单元组成的阵列实现，当半导体GaAs-PIN单元处于未激发的本征状态时，不具有能够传输电磁波信号的特性，相当于介质；当半导体GaAs-PIN单元中的载流子浓度达到1018cm-3时，单元表现为类金属特性，可用作天线的基础辐射单元。
5.根据权利要求1所述的基于固态等离子体的多波束扫描阵列天线，其特征在于：所述激励模块控制激发每一个可重构像素以组成不同尺寸、位置的反射阵列单元，即通过激励不同位置的GaAs-PIN单元，快速加载可重构单元组成的单元结构，实现波束在空间中的波束扫描。
6.根据权利要求1所述的基于固态等离子体的多波束扫描阵列天线，其特征在于：每个单元最上层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，所述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。
7.根据权利要求5所述的基于固态等离子体的多波束扫描阵列天线，其特征在于：所述贴片单元由固态等离子体构成，GaAs-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；GaAs-PIN单元未激励时，固态等离子体表现出介质特性，即为未激励状态；GaAs-PIN单元激励时表现为金属特性，即为激励状态；贴片单元分别通过等离子体激励源进行激励，等离子体激励源的通断状态通过编程来实现控制。
8.根据权利要求1所述的基于固态等离子体的多波束扫描阵列天线，其特征在于：所述介质基板是长、宽都为12mm，厚度为3mm的长方体，其材料为FR4_epoxy，介电常数为4.4，损耗角正切值为0.02；阵列单元的底部为铜质底板，长和宽也为12mm。
9.根据权利要求1所述的基于固态等离子体的多波束扫描阵列天线，其特征在于：所述馈源喇叭的工作频段为X波段，馈源喇叭位于反射阵列中心的正上方距反射阵列表面288mm处。
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