CN111106451B - 一种一维电控波束扫描圆极化天线及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种天线，尤其涉及一种以电控方式实现波束扫描的一维圆极化天线及其控制方法。一种以电控方式实现波束扫描的一维圆极化天线，包括圆极化辐射单元阵列、第一介质基片、半固化片以及行波馈电结构；所述半固化片设置在行波馈电结构上，所述第一介质基片设置在半固化片上，圆极化辐射单元阵列设置在第一介质基片上；其中圆极化辐射单元阵列包含两排圆极化单元，行波馈电结构包括行波波导结构，所述行波波导结构上开设有缝隙阵列，所述行波波导结构上还设有二极管阵列。本发明具有低成本、高增益、宽角扫描、圆极化的特点。

Description

一种一维电控波束扫描圆极化天线及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种天线，尤其涉及一种以电控方式实现波束扫描的一维圆极化天线及其控制方法。

背景技术

电控波束扫描天线可满足有波束赋形需求的多种应用场景，例如卫星通信(包括动中通)、无人机、无人驾驶汽车、5G移动通信、智能物流等领域。当前大多数波束扫描天线采用的都是有源相控阵的天线形式，虽然功能很强大，但因为采用了大量T/R组件，导致系统复杂、造价高昂，限制了其大规模应用。近年来，实现电控波束扫描的方法主要包括基于加载有源电子开关或可调谐材料的各类可重构方法，例如PIN二极管、变容二极管、微电机系统、光敏开关等。

圆极化天线具备高极化适应度和抗干扰度，因而在卫星通信等很多场景下更加实用。但目前常见的圆极化波束扫描天线，仍以有源相控阵为主。另有一些文献提出了基于可重构技术的圆极化波束扫描天线，但也存在扫描角度不大、增益不高的缺点。

文献1(H.Al-Saedi,S.Gigoyan,W.M.Abdel-Wahab,and S.S.Naeini,“A Low costKa-Band Circularly Polarized Passive Phased-Array Antenna for MobileSatellite Applications,”in IEEE Transaction on Antennas Propagation,vol.67,no.1,pp.221-231,Jan.2019.)涉及到应用于Ka波段的圆极化相控阵天线，在29.5-30.5GHz的区间实现了0°到±38°的圆极化波束扫描以及60％以上的天线辐射效率。但天线基于相控阵的结构框架，成本较高。

文献2(D.K.Karmokar,K.P.Esselle,and S.G.Hay,“Fixed-frequency beamsteering of microstrip leaky-wave antennas using binary switches,”in IEEETransaction on Antennas Propagation,vol.64,no.6,pp.2146-2154,Jun.2016.)提出了一种微带线传输的天线阵列，通过切换加载二极管的通断改变辐射单元的状态，在6GHz实现了定频波束扫描，但扫描角度有限，只有31°到60°。

文献3(J.H.Fu,A.Li,W.Chen,B.Lv,Z.J.Wang,P.Li,and Q.Wu,“An electricallycontrolled CRLH-inspired circularly polarized leaky-wave antenna,”IEEEAntennas Wireless Propag.Lett.,vol.16,pp.760–763,2017.)提出了一种基于左右手结构漏波天线的电控波束扫描圆极化天线，但扫描角度有限，只有58°，且增益不高。

文献4(Z.Li,Y.J.Guo,S.L.Chen,and J.H.Wang,“A period-reconfigurableleaky-wave antenna with fixed-frequency and wide-angle beam scanning,”IEEETransactions on Antennas and Propagation,vol.67,no.6,pp.3720-3732,Jun.2019.)提出了一种电控波束扫描漏波天线，但只能实现线极化辐射，且增益不高。

发明内容

本发明提供一种一维电控波束扫描圆极化天线，其具有低成本、高增益、宽角扫描、圆极化的特点。

本发明采用下述技术方案：

一种一维电控波束扫描圆极化天线，其特殊之处在于：

包括圆极化辐射单元阵列、第一介质基片、半固化片以及行波馈电结构；

所述半固化片设置在行波馈电结构上，所述第一介质基片设置在半固化片上，圆极化辐射单元阵列设置在第一介质基片上；

其中圆极化辐射单元阵列包含两排圆极化单元，行波馈电结构包括行波波导结构，所述行波波导结构上开设有缝隙阵列，所述行波波导结构上还设有二极管阵列。

优选地，上述缝隙阵列位于行波波导结构的上表面，缝隙阵列包括多个缝隙，缝隙的数量与圆极化辐射单元的数量相同，每个缝隙位于其对应的圆极化辐射单元的正下方。

优选地，上述每一个缝隙上跨接有一对PIN二极管，构成二极管阵列，一对PIN二极管分别为第一PIN二极管D1和第二PIN二极管D2。

优选地，当第一PIN二极管D1和第二PIN二极管D2导通时，缝隙被短路，对应的圆极化单元不工作，不辐射圆极化波，用数字“0”表示；当第一PIN二极管D1和第二PIN二极管D2未导通时，对应的圆极化单元工作，辐射圆极化波，用数字“1”表示。

优选地，上述圆极化单元可以采用切角贴片形式设置。

优选地，上述两排圆极化单元可以交错排列，也可以正对排列。

优选地，上述第一介质基片采用Rogers 5880，厚度为0.787mm。

优选地，上述行波波导结构可以是矩形波导、圆波导、基片集成波导、间隙波导、微带线、带状线等波导结构中的任意一种，填充介质为低损耗介质或空气介质。

优选地，上述半固化片为Rogers 4450F，厚度为0.101mm。

优选地，上述当行波波导结构采用间隙波导，包括金属底座、金属销钉阵列、梳状金属脊和盖板，梳状金属脊位于金属底座中心，其中金属销钉阵列位于梳状金属脊的两侧，金属销钉阵列包括多个金属销钉；盖板包括金属层和第二介质基片，金属层位于第二介质基片之上，缝隙阵列设置在金属层上。

另外，本发明还提供了基于上述一种一维电控波束扫描圆极化天线的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)每个圆极化辐射单元的工作状态仅包含“0”和“1”两种数字状态，且数字状态独立可调，通过独立地控制每个圆极化辐射单元的“0”、“1”数字状态，形成天线的数字编码方案；

2)通过对天线的数字编码方案进行调控，进而控制天线辐射方向图中的波束指向，在同一特定频率下实现需要的辐射方向图。

本发明的优点：

1)传统的有源相控阵的天线采用了大量T/R组件，导致系统复杂、造价高昂，本发明采用行波馈电和加载有源电子开关，避免了T/R组件的使用，实现了电控波束扫描天线成本的大幅降低；

2)相比于现有的基于可重构技术的电控波束扫描天线，本发明通过构造圆极化单元阵列并采用编码方式控制圆极化单元的工作状态，实现了更宽的扫描角度；

3)本发明通过把有源电子开关加载在耦合缝隙上，而不是加载在圆极化单元上，实现了更好的圆极化辐射性能；

4)本发明通过采用低损耗介质或空气波导，实现了更低的损耗和更高的增益。

附图说明

图1为本发明所述一维电控波束扫描圆极化天线的整体结构示意图；

图2为本发明实施例中的基于间隙波导的一维电控波束扫描圆极化天线的整体结构示意图；

图3为本发明实施例中的基于间隙波导的一维电控波束扫描圆极化天线的分层结构示意图；

图4为本发明实施例中的圆极化辐射单元阵列结构示意图之一；

图5为本发明实施例中的圆极化辐射单元阵列结构示意图之二；

图6为本发明实施例中的圆极化单元结构示意图之一；

图7为本发明实施例中的圆极化单元结构示意图之二；

图8为本发明实施例中的间隙波导的结构示意图；

图9为本发明实施例中的缝隙阵列的结构示意图；

图10为本发明中缝隙加载PIN二极管的结构示意图；

图11为本发明所述天线在三种典型编码方案下的传输系数与反射系数随频率变化曲线图；

图12为本发明所述天线在表1所示各个编码方案下的归一化辐射方向图；

图13为本发明所述天线在表1所示各个编码方案下的主瓣增益及轴比。

其中，1、圆极化辐射单元阵列；2、第一介质基片；3、半固化片；4、行波馈电结构；6、缝隙偏置结构；11、圆极化单元；41、行波波导结构；42、缝隙阵列；43、二极管阵列；421、缝隙；51、金属底座；52、金属销钉阵列；53、梳状金属脊；54、盖板；541、金属层；542、第二介质基片；61，小焊盘；62、大焊盘；63、金属盲孔。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的表格和附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

本发明设计了一种一维电控波束扫描圆极化天线及其控制方法，采用行波馈电结构，为圆极化辐射单元阵列馈电，每一个圆极化单元通过缝隙从行波馈电结构中耦合获取电磁功率，通过PIN二极管的“导通”和“断开”，控制缝隙的短路和不短路，使圆极化单元具有“0”、“1”两种数字编码状态。通过对阵列中每个圆极化单元的“0”、“1”状态进行控制，形成天线的数字编码方案，进而控制天线辐射方向图中的波束指向，在同一特定频率下实现需要的辐射方向图。

图1是天线的整体结构示意图，包括圆极化辐射单元阵列1、第一介质基片2、半固化片3以及行波馈电结构4，其中行波馈电结构4包括行波波导结构41、缝隙阵列42和二极管阵列43。行波波导结构41可以是矩形波导、圆波导、基片集成波导、间隙波导、微带线、带状线等波导结构中的任意一种，填充介质为低损耗介质或空气介质，低损耗介质指损耗角正切较小的介质，如Rogers 5880等，以此实现更低的介质损耗和更高的增益。

图2为行波波导结构41采用间隙波导的形式时，得到的天线整体结构示意图。

图3为行波波导结构41采用间隙波导的形式时，得到的天线分层结构示意图。其中第一介质基片2采用Rogers 5880介质基片，厚度为0.787mm；半固化片3为Rogers 4450F，厚度为0.101mm。

图4、图5为圆极化辐射单元阵列结构示意图。该阵列包含两排圆极化单元，两排的距离为4mm，同一排内相邻单元的中心到中心距离为3.6mm。图4给出了两排正对排布时的结构图，图5给出了两排错位排布时的结构图，错位的位移为1.8mm。以下实施例中采用图5的错位排布结构。

图6、图7为本发明实施例中圆极化单元结构示意图。圆极化单元11采用切角贴片形式，贴片的尺寸为2.6mm*2.6mm，切角为等腰直角三角形，直角边长为1.3mm。图6中切角位于贴片的左上、右下，形成右旋圆极化；图7中切角位于贴片的右上、左下，形成左旋圆极化。以下实施例中采用图6的切角方式，形成右旋圆极化。

图8为本发明实施例中的间隙波导的结构示意图。该间隙波导包括金属底座51、金属销钉阵列52、梳状金属脊53和盖板54。其中金属销钉阵列52位于金属底座51两侧，包括两排的金属销钉，每个销钉尺寸为1.6mm*1.6mm*3.3mm，排列周期长度为3.6mm；梳状金属脊53位于金属底座51中心，包括一排短销钉，每个销钉尺寸为0.8mm*1mm*1.5mm，排列周期长度为1.8mm；盖板54包括带有缝隙阵列42的金属层541和第二介质基片542，第二介质基片542采用Rogers 5880介质基片，厚度为0.254mm。

图9为本发明实施例中的缝隙阵列的结构示意图。缝隙阵列42中包括两排缝隙，缝隙的位置与图5中错位排布的圆极化辐射单元阵列一致，两排缝隙的距离为1.8mm，同一排内相邻缝隙的中心到中心距离为3.6mm，两排缝隙的错位位移为1.8mm。

图10为本发明中缝隙加载PIN二极管的结构示意图。在第二介质基片542的下表面刻蚀有缝隙偏置结构6，包含缝隙正下方的小焊盘61、相邻的两个大焊盘62、金属盲孔63以及一对PIN二极管(第一PIN二极管D1和第二PIN二极管D2)。小焊盘61尺寸为1mm×1mm，作为直流偏置电压的正极引入点；大焊盘62的尺寸为2mm×2mm，通过金属盲孔63(图10中给出4个金属盲孔，直径为0.2mm，也可以采用其它数量和直径的金属盲孔)与金属层541相连，偏置电压负极连接到541。当焊盘61上施加偏置电压时，第一PIN二极管D1和第二PIN二极管D2都被导通，缝隙421被短路，对应的圆极化单元11不工作，不辐射圆极化波，用数字“0”表示；当第一PIN二极管D1和第二PIN二极管D2未导通时，对应的圆极化单元11工作，辐射圆极化波，用数字“1”表示。

通过独立地控制每个圆极化辐射单元11的“0”、“1”数字状态，形成天线的数字编码方案，表1给出了25种编码方案，每一种编码方案对应一种天线辐射方向图。通过采用FPGA等控制模块，输出不同的偏置电压组合，对应不同的数字编码方案。通过在不同的数字编码方案之间进行切换，来控制天线辐射方向图中的波束指向，在同一频率下实现波束的扫描。

表1

图11为本发明所述天线在三种典型编码方案下的传输系数与反射系数随频率变化曲线图，分别是编码方案1、13和25。从图中可知，本发明设计的天线可工作于Ka波段，定频波束扫描圆极化周期漏波天线在三种编码方案下从29GHz到35GHz的反射系数均低于-10dB，在30GHz到33GHz的传输系数大部分低于-5dB，实现了有效的辐射。

图12为本发明所述天线在表1所示各个编码方案下的归一化辐射方向图。从图中可知，本发明设计的天线在表1给出的编码方案下，在30GHz时实现了从-44°到+44°的波束扫描。

图13为本发明所述天线在表1所示各个编码方案下的仿真以及测试主瓣增益及轴比。从图中可知，本发明设计的天线在表1给出的编码方案下，在30GHz下测试的主瓣增益大于14.3dBic，峰值增益为17dBic；25种编码状态中，大多数编码状态对应的轴比小于3dB。

总体来说，该天线表现出良好的圆极化特性以及稳定的高增益性能。

综上所述，本发明实施例实现了一种工作于Ka波段的一维电控波束扫描圆极化天线，并给出相应的控制方法，实现了较大角度的电控波束扫描性能，同时具备圆极化和高增益的特点，抗干扰度高，稳定性良好，适应于卫星通信和移动通信系统等场景。

以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种一维电控波束扫描圆极化天线，其特征在于：

包括圆极化辐射单元阵列(1)、第一介质基片(2)、半固化片(3)以及行波馈电结构(4)；

所述半固化片(3)设置在行波馈电结构(4)上，所述第一介质基片(2)设置在半固化片(3)上，圆极化辐射单元阵列(1)设置在第一介质基片(2)上；

其中圆极化辐射单元阵列(1)包含两排圆极化单元(11)，行波馈电结构(4)包括行波波导结构(41)，所述行波波导结构(41)上开设有缝隙阵列(42)，所述行波波导结构(41)的缝隙阵列(42)上还设有二极管阵列(43)。

2.根据权利要求1所述的一种一维电控波束扫描圆极化天线，其特征在于：

所述缝隙阵列(42)位于行波波导结构(41)的上表面，缝隙阵列(42)包括多个缝隙(421)，缝隙(421)的数量与圆极化辐射单元(11)的数量相同，每个缝隙(421)位于其对应的圆极化辐射单元(11)的正下方。

3.根据权利要求2所述的一种一维电控波束扫描圆极化天线，其特征在于：

每一个所述缝隙(421)上跨接有一对PIN二极管，构成二极管阵列(43)，一对PIN二极管分别为第一PIN二极管D1和第二PIN二极管D2。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种一维电控波束扫描圆极化天线，其特征在于：

所述圆极化单元(11)采用切角贴片形式设置。

5.根据权利要求4所述的一种一维电控波束扫描圆极化天线，其特征在于：

所述两排圆极化单元(11)交错排列或者正对排列。

6.根据权利要求5所述的一种一维电控波束扫描圆极化天线，其特征在于：

所述第一介质基片(2)采用Rogers 5880，厚度为0.787mm。

7.根据权利要求6所述的一种一维电控波束扫描圆极化天线，其特征在于：

所述行波波导结构(41)为矩形波导、圆波导、基片集成波导、间隙波导、微带线或带状线波导结构。

8.根据权利要求7所述的一种一维电控波束扫描圆极化天线，其特征在于：

所述半固化片(3)为Rogers 4450F，厚度为0.101mm。

9.根据权利要求8所述的一种一维电控波束扫描圆极化天线，其特征在于：

当所述行波波导结构(41)采用间隙波导，包括金属底座(51)、金属销钉阵列(52)、梳状金属脊(53)和盖板(54)，梳状金属脊(53)位于金属底座(51)中心，其中金属销钉阵列(52)位于梳状金属脊(53)的两侧，金属销钉阵列(52)包括多个金属销钉；盖板(54)包括金属层(541)和第二介质基片(542)，金属层(541)位于第二介质基片(542)之上，缝隙阵列(42)设置在金属层(541)上。

10.一种一维电控波束扫描圆极化天线的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)每个圆极化辐射单元(11)的工作状态仅包含“0”和“1”两种数字状态，且数字状态独立可调，通过独立地控制每个圆极化辐射单元(11)的“0”、“1”数字状态，形成天线的数字编码方案；

2)通过对天线的数字编码方案进行调控，进而控制天线辐射方向图中的波束指向，在同一特定频率下实现需要的辐射方向图。

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