CN110854551B - 一种基于数字相控技术的高增益平面相控阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于数字相控技术的高增益平面相控阵天线，属于天线技术领域。该天线包括依次连接的馈电端口、功分网络、数字相控馈电网络和数字相控辐射阵列；数字相控馈电网络包括多路馈电支路，每路馈电支路包括依次连接的传输模块、相控模块Ⅰ以及偏置模块Ⅰ；数字相控辐射阵列包括多个数字相控辐射单元，每个数字相控辐射单元包括依次连接的辐射模块、相控模块Ⅱ以及偏置模块Ⅱ。数字相控馈电网络和数字相控辐射阵列中的相控模块均通过集成数字控制器件实现相位控制。本发明通过采用成本低，易集成的数字控制器件，从而使得平面相控天线结构轻薄、辐射效率高、波束扫描速度快、阵列规模拓展性强、平面结构、重量轻、易共形和成本低。

Description

一种基于数字相控技术的高增益平面相控阵天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种基于数字相控技术的高增益平面相控阵天线。
背景技术
传统相控阵天线通常由辐射阵列、移相网络、馈电网络组成。作为传统相控阵天线的核心部件，收发组件可以提供灵活的幅相变化，使其具有波束捷变和波束扫描等功能。但大量的收发组件急剧提高了系统复杂度，造成系统成本高，效率低和功耗高的问题。随着现代无线通信和雷达系统的要求不断提高，5G移动通信大规模MIMO天线、毫米波安检成像等应用系统对具有快速波束扫描和灵活波束捷变功能的低成本、高性能、轻薄易共形的高增益平面相控天线的需求越发强烈，而高成本、低效率、系统复杂的传统相控阵天线已无法满足需求，突破传统相控阵天线的技术局限成了目前炙热的研究方向。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于数字相控技术的高增益平面相控阵天线，以较低的成本获得快速波束扫描性能。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于数字相控技术的高增益平面相控阵天线，包括依次连接的馈电端口(100)、功分网络(200)、数字相控馈电网络(300)和数字相控辐射阵列(400)；所述数字相控馈电网络(300)包括多路馈电支路(310)，每路馈电支路包括传输模块(311)、相控模块Ⅰ(312)以及偏置模块Ⅰ(313)；所述数字相控辐射阵列包括多个数字相控辐射单元(410)，每个数字相控辐射单元(410)包括辐射模块(411)、相控模块Ⅱ(412)以及偏置模块Ⅱ(413)；
所述馈电端口(100)用于给相控阵天线提供射频能量和接收相控阵天线的射频能量；
所述功分网络(200)包括多路传输支路(210)，用于将射频能量进行多路分配，实现射频能量的多路传输；
所述数字相控馈电网络(300)一方面为数字相控辐射阵列(400)提供射频能量或从数字相控辐射阵列上接收射频能量，另一方面为相控阵天线提供相位控制功能；所述每路馈电支路用于给数字相控辐射阵列(400)提供射频能量和接收射频能量；所述传输模块(311)用于将功分网络(200)的射频能量转化为辐射阵列的射频能量或将辐射阵列接收到的射频能量传输到功分网络；所述相控模块Ⅰ(312)一端与传输模块(311)连接，用于实现馈电支路(310)上的相位控制；所述偏置模块Ⅰ(313)与相控模块Ⅰ(312)另一端连接，给相控模块Ⅰ(312)提供偏置电流；
所述辐射模块(411)用于提供能量辐射；所述相控模块Ⅱ(412)用于控制辐射单元(410)的相位；所述偏置模块Ⅱ(413)用于为辐射模块(411)提供偏置电流。
进一步，所述相控模块Ⅰ(312)和相控模块Ⅱ(412)均通过集成数字控制器件实现相位的控制；所述数字控制器件包括PIN二极管、变容二极管或MEMS二极管等集总控制元件，以及微马达等电机控制器件。
进一步，所述的馈电端口(100)、功分网络(200)、数字相控馈电网络(300)和数字相控辐射阵列(400)均采用电气连接，这样的连接方式可以使天线结构平面化。
进一步，所述平面相控阵天线自上而下包括有第一金属层(1)、第一层介质板(2)、第二金属层(3)、第二层介质板(4)、第三金属层(5)、第三层介质板(6)、第四金属层(7)、第四层介质板(8)和第五金属层(9)；
所述第一金属层(1)和第四金属层(7)之间设置有第一导体连接件连接，所述第一金属层(1)和第三金属层(5)之间设置有2个第二导体连接件，所述第二金属层(3)和第四金属层(7)之间设置有第三导体连接件，所述第三金属层(5)和第四层金属层(7)之间设置有第四导体连接件，所述第四层金属层(7)和第五金属层(9)之间设置有第五导体连接件；
所述第一导体连接件与第三金属层(5)规避隔开，所述第三导体连接件与第三金属层(5)规避隔开，所述第五导体连接件与第五金属层(9)规避隔开。
进一步，所述辐射模块(411)和相控模块Ⅱ(412)设置在第一金属层(1)上表面；所述相控模块Ⅱ(412)通过在辐射模块(411)上集成数字控制器件实现相位控制功能；
所述偏置模块Ⅱ(413)设置在第二金属层(3)上表面；所述偏置模块(413)由呈对称分布的两个方形金属片(31)和与电压源连接的金属线(32)组成，其中与电压源连接的金属线(32)与所述两个方形金属片(31)相连；所述两个方形金属片(31)分别与2个第二导体连接件连接；所述第二导体连接件分别与数字相控辐射单元(410)和方形金属片(31)连接。
进一步，所述传输模块(311)、相控模块Ⅰ(312)以及偏置模块Ⅰ(313)设置在第四层金属层(7)上表面；所述偏置模块Ⅰ(313)上设置有两条弯曲金属线，第一弯曲金属线与电压源连接，第二弯曲金属线与第二金属层(3)相连；在所述第二弯曲金属线和第三金属层(5)之间设置有第四导体连接件。
进一步，所述多个传输支路(210)均设置在第四金属层(7)上表面，与相控模块Ⅰ(312)连接。
进一步，所述馈电端口(100)采用射频连接器，给相控阵天线提供射频能量和接收相控阵天线的射频能量；所述第四金属层(7)通过第五导体连接件与射频连接器相接。
进一步，所述第一导体连接件、第二导体连接杆、第三导体连接杆、第四导体连接件和第五导体连接杆均为圆筒体结构。
进一步，所述方形金属片的中心与第二导体连接件的圆心重合。
本发明的有益效果在于：本发明利用功分网络实现射频能量的多路传输，降低系统剖面，实现平面结构设计；利用数字控制器件实现数字相位控制；通过数字控制的方式调节每个辐射单元和每路传输支路的相位，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、波束扫描速度快、阵列规模拓展性强、结构简单、轻薄平面、重量轻、易共形、成本低的优点。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明所述的基于数字相控技术的高增益平面相控阵天线的结构框图；
图2为本发明一个实施例基于数字相控技术的高增益平面相控阵天线示意图；
图3为本发明一个实施例的数字相控辐射单元结构图，其中图3(a)为数字相控辐射单元的立体效果示意图，图3(b)为图3(a)的侧视图，图3(c)为图3(a)中第一金属层的俯视图，图3(d)为图3(a)中第二金属层的俯视图，图3(e)为图3(a)中第三金属层的俯视图，图3(f)为图3(a)中第四金属层的俯视图；
图4为本发明一个实施例的数字相控馈电网络的馈电支路结构图，其中图4(a)馈电支路的立体效果示意图，图4(b)为图4(a)的侧视图，图4(c)为图4(a)中第二金属层的俯视图，图4(d)为图4(a)中第三金属层的俯视图；
图5为本发明一个实施例的功分网络传输支路结构图，其中图5(a)为功分网络传输支路的立体效果示意图，图5(b)为图5(a)的侧视图，图5(c)为图5(a)中第三金属层的俯视图；
图6为本发明一个实施例的基于数字相控技术的高增益平面相控阵天线工作在Ku频段的扫描波束结果图。
附图标记：100-馈电端口，200-功分网络，210传输支路，300-数字相控馈电网络，310-馈电支路，311-传输模块，312-相控模块Ⅰ，313-偏置模块Ⅰ，400-数字相控辐射阵列，410-数字相控辐射单元，411-辐射模块，412-相控模块Ⅱ，413-偏置模块Ⅱ；1-第一金属层，2-第一介质板，3-第二金属层，4-第二介质板，5-第三金属层，6-第三层介质板，7-第四金属层，8-第四层介质板，9-第五层金属，11-辐射贴片，12、72-PIN二极管，31-方形金属片，32-多边形金属线，33-多边形金属线，71-传输线，74-集成数字控制器件的π型移相电路，75、76-弯曲金属线，77-带状线，78-同轴馈电点。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图5，图1为一种本发明所述基于数字相控技术的高增益平面相控阵天线的结构框图。如图1所示，一种基于数字相控技术的高增益平面相控阵天线，包括馈电端口100、功分网络200、数字相控馈电网络300和数字相控辐射阵列400。其中，馈电端口100用于为功分网络200提供射频能量和接收功分网络200上的射频能量。功分网络200通过多路传输支路210给数字相控馈电网络300提供射频能量和接收数字相控馈电网络300上的射频能量。数字相控馈电网络300为数字相控辐射阵列400提供相控的射频能量和接收数字相控辐射阵列400上的射频能量，馈电支路310通过集成数字控制器件对传输相位进行控制。数字相控辐射阵列400提供射频辐射或从自由空间中接收射频能量。数字相控辐射单元410通过集成数字控制器件实现相位控制。馈电端口100、功分网络200、数字相控馈电网络300及数字相控辐射阵列400采用电气连接进行射频能量传输。
数字相控馈电网络300包括多路馈电支路310，每路馈电支路包括传输模块311、相控模块Ⅰ312以及偏置模块Ⅰ313。数字相控辐射阵列400包括多个辐射单元410，每个辐射单元410包括：辐射模块411、相控模块Ⅱ412和偏置模块Ⅱ413。
本发明的优选实施例：
馈电端口100用于给相控阵天线提供射频能量和接收相控阵天线的射频能量。馈电110为普通的SMA连接器，但并不局限于SMA连接器，也可以是其他形式的射频连接器，如SMP连接器。
功分网络200实现射频能量的多路传输。功分网络200采用多路的带状传输线，但并不局限于带状传输线，也可以是其他形式的传输结构，如波导，介质集成波导。
具体地，功分网络200包括x路传输支路210，x取值根据应用需要确定。在本实施例中，每路传输支路实现16路的能量分配，因此x取值为100(1600/16＝100)。一个传输支路210的16路端口采用等幅同相设计，但传输支路设计并不局限于等幅同相，可以是等幅不同相，不等幅不同相，不等幅同相。
数字相控馈电网络300中的每路馈电支路310采用带状线结构，相控模块Ⅰ312是具有相控功能的π型移相电路74，通过在π型移相电路集成数字控制器件12，实现了0°和90°的相位控制，但并不局限于π型移相电路，也可以是其他形式的移相电路，如多路支节线，反射型移相电路。
具体地，数字相控馈电网络300是由k路馈电支路310构成，k取值根据应用需要确定。在本实施例中，k取值为1600(40×40＝1600)。相控模块Ⅰ312一端与传输模块311连接，实现对传输相位的控制。偏置模块Ⅰ313与相控模块Ⅰ312连接，用于为相控模块提供偏置电流。相控模块Ⅰ312是通过集成了数字控制器件的π型移相电路74实现相控功能。
数字相控辐射阵列400是由多个相控辐射单元410构成，数字相控辐射单元410中的辐射模块411采用O型槽贴片，实现能量辐射，但辐射结构并不局限于O型槽贴片，也可以是其他形式，如加载支节线的方形贴片，环形贴片，E型贴片，磁电偶极子型结构。相控模块Ⅱ412是通过在辐射模块上集成数字控制器件(如PIN二极管12)，实现了0°和180°的相位控制。数字控制器件不局限于PIN二极管，还可以是变容二极管、MEMS二极管。
具体地，数字相控辐射阵列400是由n×m个辐射单元410构成，n、m的取值根据应用需要确定。在本实施例中，m和n取值为40，但m，n的取值并不局限于40，也可以是其他值，如m＝20，n＝20，或m＝40，n＝60。相控模块Ⅱ412与辐射模块411连接，相控模块412通过集成数字控制器件12(如PIN二极管)，实现相位控制。偏置模块Ⅱ413与相控模块Ⅱ412相连，用于为相控模块Ⅱ412提供偏置电流；数字控制器件(如PIN二极管12)，集成在相控模块Ⅱ412上，用于在不同直流偏置情况下调节辐射模块的相位。
图3是本发明实施例1的数字相控辐射单元结构图。如图3所示，在本实施例中，数字相控辐射阵列单元410自上而下包括第一金属层1、第一层介质板2、第二金属层3、第二层介质板4、第三金属层5、第三层介质板6、第四金属层7、第四层介质板8和第五金属层9。其中，金属层1设置有辐射贴片11和PIN二极管12。第二金属层3是偏置电路层，包括方形金属片31和多边形金属线32。方形金属片31的中心与第二导体连接杆的圆心重合。多边形金属线32一端与方形金属片31相连，另一端可沿任意走向任意边沿位置，仅需与电压源连接即可。第三金属层5是金属地，用于与电压源的地相连。第四金属层7是馈电金属层，包括传输线71，用于与馈电网络300相连。端口e1与馈电支路310的端口s2相连，提供射频能量或者接收射频能量。
图4是本发明实施例2的数字相控馈电网络的馈电支路310。如图4所示，在本实施例中，馈电支路310自上而下包括第二金属层3、第二介质板4、第三金属层5、第三层介质板6、第四金属层7、第四层介质板8和第五金属层9。其中，第二金属层3设置有多边形金属线33，多边形金属线33一端与弯曲金属线75相连，另一端可沿任意走向任意边沿位置，仅需与电压源连接即可。第四金属层7设置了相控模块Ⅱ412和偏置模块Ⅱ413。相控模块Ⅱ412采用在π型移相电路集成数字控制器件(如PIN二极管72)，实现相控功能。射频从端口s1输入再从端口s2输出，或从端口s2输入射频能量再从端口s1输出。馈电支路310上的端口s2与辐射单元上的端口e1相连。弯曲金属线75一端与第二金属层33相连，另一端连接第四金属层7。弯曲金属线76一端与第三金属层相连，另一端连接带状传输线。
根据等效电路理论，当PIN二极管正极加载开关电压时，其可等效为不同的电路，因此整个等效电路将相应改变，数字相控辐射单元410和馈电支路310对射频的响应也将变化。利用这一特点，适当优化参数，参数包括辐射贴片11的尺寸、相控模块Ⅱ412的尺寸和各介质层的高度，通过设置上述参数即可在需要的频率分别在数字相控辐射单元410和馈电支路310上得到两个数字可控的相位值。在本实施例中，数字相控辐射单元410实现了0°和180°的相位控制，馈电支路310实现了0°和90°的相位控制，因此通过分别调节馈电支路310和数字相控辐射单元410的偏置电流，辐射相位可实现四个状态的切换：0°、90°、180°和270°。
图5是实施例3的功分网络传输支路210结构图，每一路传输支路210是由16路带状线77构成。如图5所示，在本实施例中，传输支路210自上而下包括第三金属层5、第三介质板6、第四金属层7、第四介质板8和第五金属层9。其中，金属层7设置有16路带状传输线，实现等幅同相输出。将传输支路210的16路端口与16路馈电支路310中的相控模块312的端口s1相连。第四金属层通过第五导体连接件与射频连接器相接。第五个导体连接件与第五金属层应规避隔开。第五导体连接件为圆筒体结构。
在本发明的实施例中，PIN二极管均为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。
在本发明的实施例中，各层介质板为Taconic TLX-8，相对介电常数为2.55，但不局限于该电磁参数的板材，也可以是其他板材，如Rogers RT5880。
图6是本发明一个实施例的基于数字相控技术的高增益平面相控阵天线工作在Ku频段的扫描波束结果图。其中，天线包含1600(40×40)个数字相控单元，1600(40×40)路馈电支路，100(10×10)个功分传输支路和100(10×10)个馈电端口。天线工作在12.5GHz。从图6中可以看出：该实施例实现了高增益聚焦波束的空间扫描，其中，图6示的天线实现了±60°扫描。
本发明实施例的基于数字相控技术的高增益平面相控阵天线，利用集成的数字控制器件直接调节辐射单元和馈电支路的相位，实现了四个相位状态的切换。馈电网络和功分网络采用具有高集成度的带状线结构，在平面结构上获得高增益聚焦的动态扫描波束和捷变波束。这种高增益波束扫描天线的设计方法，结合了常见抛物面天线和相控阵天线的优点，同时克服了两者的不足，具有非常突出的性能、成本及推广使用优势。具体表现为：馈电损耗小、辐射效率高、波束扫描速度快、阵列规模拓展性强、结构简单、重量轻、易共形、成本低等。
另外，本发明实施例的基于数字相控技术的高增益平面相控阵天线的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于数字相控技术的高增益平面相控阵天线，其特征在于，该天线包括依次连接的馈电端口（100）、功分网络（200）、数字相控馈电网络（300）和数字相控辐射阵列（400）；所述数字相控馈电网络（300）包括多路馈电支路（310），每路馈电支路包括依次连接的传输模块（311）、相控模块Ⅰ（312）以及偏置模块Ⅰ（313）；所述数字相控辐射阵列包括多个数字相控辐射单元（410），每个数字相控辐射单元（410）包括依次连接的辐射模块（411）、相控模块Ⅱ（412）以及偏置模块Ⅱ（413）；所述馈电端口（100）用于给相控阵天线提供射频能量和接收相控阵天线的射频能量；
所述功分网络（200）包括多路传输支路（210），用于将射频能量进行多路分配，实现射频能量的多路传输；
所述数字相控馈电网络（300）一方面为数字相控辐射阵列（400）提供射频能量或从数字相控辐射阵列上接收射频能量，另一方面为相控阵天线提供相位控制功能；所述每路馈电支路用于给数字相控辐射阵列（400）提供射频能量和接收射频能量；所述传输模块（311）用于将功分网络（200）的射频能量转化为辐射阵列的射频能量或将辐射阵列接收到的射频能量传输到功分网络；所述相控模块Ⅰ（312）一端与传输模块（311）连接，用于实现馈电支路（310）上的相位控制；所述偏置模块Ⅰ（313）与相控模块Ⅰ（312）另一端连接，给相控模块Ⅰ（312）提供偏置电流；
所述辐射模块（411）用于提供能量辐射；所述相控模块Ⅱ（412）用于数字相控辐射单元（410）的相位；所述偏置模块Ⅱ（413）用于为辐射模块（411）提供偏置电流；
所述平面相控阵天线自上而下包括有第一金属层（1）、第一层介质板（2）、第二金属层（3）、第二层介质板（4）、第三金属层（5）、第三层介质板（6）、第四金属层（7）、第四层介质板（8）和第五金属层（9）；所述第一金属层（1）和第四金属层（7）之间设置有第一导体连接件连接，所述第一金属层（1）和第三金属层（5）之间设置有2个第二导体连接件，所述第二金属层（3）和第四金属层（7）之间设置有第三导体连接件，所述第三金属层（5）和第四层金属层（7）之间设置有第四导体连接件，所述第四层金属层（7）和第五金属层（9）之间设置有第五导体连接件；所述第一导体连接件与第三金属层（5）规避隔开，所述第三导体连接件与第三金属层（5）规避隔开，所述第五导体连接件与第五金属层（9）规避隔开；
所述辐射模块（411）和相控模块Ⅱ（412）设置在第一金属层（1）上表面；所述相控模块Ⅱ（412）通过在辐射模块（411）上集成数字控制器件实现相位控制功能；
所述偏置模块Ⅱ（413）设置在第二金属层（3）上表面；所述偏置模块Ⅱ（413）由呈对称分布的两个方形金属片（31）和与电压源连接的金属线（32）组成，其中与电压源连接的金属线（32）与所述两个方形金属片（31）相连；所述两个方形金属片（31）分别与2个第二导体连接件连接；所述第二导体连接件分别与数字相控辐射单元（410）和方形金属片（31）连接；
所述传输模块（311）、相控模块Ⅰ（312）以及偏置模块Ⅰ（313）设置在第四层金属层（7）上表面；所述偏置模块Ⅰ（313）上设置有两条弯曲金属线，第一弯曲金属线与电压源连接，第二弯曲金属线与第二金属层（3）相连；在所述第二弯曲金属线和第三金属层（5）之间设置有第四导体连接件；
所述多个传输支路（210）均设置在第四金属层（7）上表面，与相控模块Ⅰ（312）连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字相控技术的高增益平面相控阵天线，其特征在于，所述相控模块Ⅰ（312）和相控模块Ⅱ（412）均通过集成数字控制器件实现相位的控制；所述数字控制器件包括PIN二极管、变容二极管或MEMS二极管，以及微马达电机控制器件。
3.根据权利要求1所述的一种基于数字相控技术的高增益平面相控阵天线，其特征在于，所述的馈电端口（100）、功分网络（200）、数字相控馈电网络（300）和数字相控辐射阵列（400）均采用电气连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字相控技术的高增益平面相控阵天线，其特征在于，所述馈电端口（100）采用射频连接器，给相控阵天线提供射频能量和接收相控阵天线的射频能量；所述第四金属层（7）通过第五导体连接件与射频连接器相接。
5.根据权利要求1所述的一种基于数字相控技术的高增益平面相控阵天线，其特征在于，所述第一导体连接件、第二导体连接杆、第三导体连接杆、第四导体连接件和第五导体连接杆均为圆筒体结构。
6.根据权利要求1所述的一种基于数字相控技术的高增益平面相控阵天线，其特征在于，所述方形金属片的中心与第二导体连接件的圆心重合。
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