CN111211414B - 一种可重构单脉冲天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可重构单脉冲天线，它包括由M×M个方形切角贴片天线单元组合而成的方形切角贴片天线阵列，以及可重构单脉冲比较器；可重构单脉冲比较器通过多根同轴线自各个方形切角贴片天线单元的下方馈入，形成多个馈电端口；多个馈电端口根据可重构单脉冲比较器上的PIN二极管开关状态的切换而改变相位差的同时保持馈电端口之间的幅值相等，进而改变组合方式实现方向图的可重构性能。本发明的优点在于：通过采用微带天线组成天线阵，利用4个馈电端口，根据PIN二极管状态的切换而改变相位差的同时保持幅值相等，改变组合方式可实现方向图的可重构性能。

Description

一种可重构单脉冲天线
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种可重构单脉冲天线。
背景技术
天线作为无线设备中发射与接收的装置已广泛应用于通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗等领域。单脉冲天线作为天线阵列中的一个分支，具有增益高的优点，通过改变不同象限辐射单元的相位来实现。广泛应用于微波、毫米波跟踪、探测、通信、测量、天文观测等系统。
但是传统的单脉冲天线七单元大多采用卡塞格伦天线结构，具有增益高且较深的零深度，但是其结构复杂且成本较高，比较器网络也多采用波导结构形式，不能达到可重构的特点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种可重构单脉冲天线，实现天线整体结构上多个方向的对称，该可重构单脉冲天线的天线部分具有4个馈电端口，可根据PIN二极管状态的切换而改变相位差的同时保持端口之间幅值相等，进而实现方向图状态的切换。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种可重构单脉冲天线，它包括由M×M个方形切角贴片天线单元组合而成的方形切角贴片天线阵列，以及可重构单脉冲比较器；可重构单脉冲比较器通过多根同轴线自各个方形切角贴片天线单元的下方馈入，形成多个馈电端口；多个馈电端口根据可重构单脉冲比较器上的PIN二极管开关状态的切换而改变相位差的同时保持馈电端口之间的幅值相等，进而改变组合方式实现方向图的可重构性能。
所述方形切角贴片天线单元上设置有圆形结构，所述可重构单脉冲比较器通过多根同轴线连接到各个方形切角贴片天线单元的圆形结构处。
还包括上介质基板、下介质基板和位于上介质基板和下介质基板之间的金属接地板；所述方形切角贴片天线单元设置于所述上介质基板的上表面，所述可重构单脉冲比较器设置于所述下介质基板的下表面。
所述同轴线的同轴线内径通过圆形结构与所述方形切角贴片天线单元上的馈电点连接，同轴线外径与所述金属接地板连接。
所述多个馈电端口的馈电相位差根据多个馈电端口的多种状态的不同在0°和180°之间进行切换。
所述多个方形切角贴片天线单元的宽度相同，并且对每个方形切角贴片天线单元的左上角和右下角进行切角以产生圆极化性能。
所述可重构单脉冲比较器包括一相位转换器，通过控制相位转换器中的PIN二极管开关状态的切换而改变相位差的同时保持馈电端口之间的幅值相等，进而改变组合方式实现方向图的可重构性能。
所述相位转换器包括四条四分之一波长的微带线，LN的特征阻抗为Z1，LM1、LM2、LM3的特征阻抗均为Z2；开关S1-S4用于控制节点C和D的状态，利用每个节点上的两个PIN二极管可以获得更好的切换性能。
所述PIN二极管开关状态的切换而改变相位差的同时保持馈电端口之间的幅值相等包括：
当开关S1-S4处于正向导通状态时，线路LM1和LM3分别视为与节点A和B断开，只剩下线路LN，节点A和B之间对应的特征阻抗和相位延迟可以等于，；
当开关S1-S4处于反向截止状态时，整个变换器为线路L N，与线路L M1、L M2、L M3并联，节点A和B之间的等效特性阻抗和相位延迟分别为Zc_off = Z1×Z2 / |Z1-Z2|, 。
当调节相位变换器C1、C2和C3的状态时，可重构单脉冲比较器输出端口1、2、3和4的信号幅值不变，相位值可改变180o，可以提供P1+P2+P3+P4、P1+P2-P3-P4、P1-P2+P3-P4和P1-P2-P3+P4四种不同的信号输出。
本发明具有以下优点：一种可重构单脉冲天线，通过采用微带天线组成天线阵，利用4个馈电端口，根据PIN二极管状态的切换而改变相位差的同时保持幅值相等，改变组合方式可实现方向图的可重构性能。
附图说明
图1 为本发明的结构示意图；
图2 为本发明相位转换器的结构示意图；
图3为本发明可重构单脉冲比较器网络的结构示意图；
图4为3个相位转换器上的PIN二极管开关（S1～S12）处于正向导通状态时时，XZ平面内的和波束方向图；
图5为相位转换器C1上的PIN二极管开关（S1～S4）处于反向截止状态,相位转换器C2和C3上的PIN二极管开关（S5～S12）处于正向导通状态时，YZ平面内的方位面差波束方向图；
图6为相位转换器C1上的PIN二极管开关（S1～S4）处于正向导通状态,相位转换器C2和C3上的PIN二极管开关（S5～S12）处于反向截止状态时，XZ平面内的俯仰面差波束方向图；
图7为3个相位转换器上的PIN二极管开关（S1～S12）处于反向截止状态时时，Phi =45°平面内的双差波束方向图；
图中：1-上介质基板，2-下介质基板，3-方形切角贴片天线单元，4-圆形结构，5-同轴线内径，6-可重构单脉冲比较器，7-金属接地板。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例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例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“内”、“外”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，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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，因此不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，本发明实施方式中，采用2×2个方形切角贴片天线单元3组合而成的方形切角贴片天线阵列，以及可重构单脉冲比较器6；可重构单脉冲比较器6通过四根同轴线自各个方形切角贴片天线单元3的下方馈入，形成四个馈电端口；四个馈电端口根据可重构单脉冲比较器6上的PIN二极管开关状态的切换而改变相位差的同时保持馈电端口之间的幅值相等，进而改变组合方式实现方向图的可重构性能。
进一步地，所述方形切角贴片天线单元3上设置有圆形结构4，所述可重构单脉冲比较器6通过四根同轴线连接到各个方形切角贴片天线单元3的圆形结构4处；
还包括上介质基板1、下介质基板2和位于上介质基板1和下介质基板2之间的金属接地板7；所述方形切角贴片天线单元3设置于所述上介质基板1的上表面，所述可重构单脉冲比较器6设置于所述下介质基板2的下表面。上介质基板1、下介质基板2和金属接地板7结构同样为正方形，且摆放位置与方向切角贴片天线单元3各边平行。
进一步地，上介质基板1的相对介电常数为4.4，厚度为1.6mm以及下介质基板2的相对介电常数为4.4，厚度为0.4mm。
所述同轴线的同轴线内径5通过圆形结构4与所述方形切角贴片天线单元3上的馈电点连接，同轴线外径与所述金属接地板7连接。
所述四个馈电端口的馈电相位差根据四个馈电端口的多种状态的不同在0°和180°之间进行切换。
四个方形切角贴片天线单元3的宽度相同，并且对每个方形切角贴片天线单元3的左上角和右下角进行切角以产生圆极化性能。
进一步地，方形切角贴片天线单元3的之间的距离为0.75λ，其中λ为所述新型可重构单脉冲天线中心频率所对应的自由空间波长。
如图2所示，所述可重构单脉冲比较器3包括一相位转换器，通过控制相位转换器中的PIN二极管开关状态的切换而改变相位差的同时保持馈电端口之间的幅值相等，进而改变组合方式实现方向图的可重构性能。
所述相位转换器包括四条四分之一波长的微带线，LN的特征阻抗为Z1，LM1、LM2、LM3的特征阻抗均为Z2；开关S1-S4用于控制节点C和D的状态，利用每个节点上的两个PIN二极管可以获得更好的切换性能。
所述PIN二极管开关状态的切换而改变相位差的同时保持馈电端口之间的幅值相等包括：
当开关S1-S4处于正向导通状态时，线路LM1和LM3分别视为与节点A和B断开，只剩下线路LN，节点A和B之间对应的特征阻抗和相位延迟可以等于，；
当开关S1-S4处于反向截止状态时，整个变换器为线路L N，与线路L M1、L M2、L M3并联，节点A和B之间的等效特性阻抗和相位延迟分别为Zc_off = Z1×Z2 / |Z1-Z2|, 。
从上述公式可以得知，如果Z1 = 50Ω并且Z2 = 25Ω,那么两个特征阻抗Zc_on和Zc_off 都为50Ω。因此,图1中的电路可以被视为一个相位延迟可以在90°和-90°之间进行切换的相位转换器，而不改变其特性阻抗50Ω。
当调节相位变换器C1、C2和C3的状态时，可重构单脉冲比较器输出端口1、2、3和4的信号幅值不变，相位值可改变180o，可以提供P1+P2+P3+P4、P1+P2-P3-P4、P1-P2+P3-P4和P1-P2-P3+P4四种不同的信号输出。
实施例一
在本实施例中，天线阵列结构如图1所示，为便于理解馈电端口位置，采用圆盘结构4来指示四个馈电端口的位置。具体实现方向图可重构的方式可理解如下：在状态I时，相位转换器C1、C2和C3上的开关S1-S12开关全部处于正向导通状态。因此，输入功率以相同的相位延迟均匀地传递到4个馈电端口，由此产生和波束，如图4所示。
实施例二
本实施例的天线阵列结构与实施例一相类似，其不同在于：
馈电时，根据状态I，如果相位转换器C1的开关S1-S4处于反向截止状态，而C2和C3上的PIN二极管S5-S12处于正向导通的状态时，则左边两个方形切角贴片天线单元上的馈电端口的输出相位将调整180°，即状态II，提供方位角差波束，如图5所示。
实施例三
本实施例的天线阵列结构与实施例一相类似，其不同在于：
馈电时，同样根据状态I,如果C1的开关S1-S4保持正向导通状态,但C2和C3上的PIN开关二极管S5-S12处于反向截止的状态时, 图3中的输出端口1和2的输出相位将调整180°,从而实现俯仰面差波束的方向图，如图6所示。而当在状态IV时，所有的开关都处于反向截止状态，比较器给出双差输出从而实现双差波束的方向图，如图7所示。
本发明的工作原理是：通过设计可调180o移相器，构造了可重构单脉冲比较器。用可重构单脉冲比较器与2×2的天线阵列合并，得到可重构单脉冲天线，从而实现了方向图可重构。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种可重构单脉冲天线，其特征在于：它包括由M×M个方形切角贴片天线单元（3）组合而成的方形切角贴片天线阵列，以及可重构单脉冲比较器（6）；可重构单脉冲比较器（6）通过多根同轴线自各个方形切角贴片天线单元（3）的下方馈入，形成多个馈电端口；多个馈电端口根据可重构单脉冲比较器（6）上的PIN二极管开关状态的切换而改变相位差的同时保持馈电端口之间的幅值相等，进而改变组合方式实现方向图的可重构性能；
所述可重构单脉冲比较器（6）包括多个相位转换器，所述相位转换器的每个节点上设置两个开关，所述可重构单脉冲比较器（6）还包括一个输入端口和四个输出端口；
所述多个相位转换器包括第一相位转换器C1、第二相位转换器C2和第三相位转换器C3，所述第一相位转换器C1、第二相位转换器C2和第三相位转换器C3均包括4个开关、四条四分之一波长的微带线L N、LM1、LM2、LM3，所述L N、LM1、LM2、LM3环形连接，L N和LM1的公共连接点即节点A为输入端，L N和LM3的公共连接点即节点B为输出端，LM1和LM2的公共连接点即节点C分别通过开关S1接地、通过开关S2接地，LM2和LM3的公共连接点即节点D分别通过开关S3接地、通过开关S4接地；
当开关S1-S4处于正向导通状态时，或当开关S1-S4处于反向截止状态时，所述相位转换器的特征阻抗保持不变；
所述可重构单脉冲比较器（6）还包括多个特性阻抗、多条传输线，输入端口通过第一特性阻抗分别与第一传输线的输入端和第一相位转换器C1的输入端连接，所述第一传输线的输出端分别与第二传输线的输入端和第三相位转换器C3的输入端连接，所述第二传输线的输出端与第二特性阻抗的输入端连接，第二特性阻抗的输出端为第一输出端口输出相位为P1的信号；
第三相位转换器C3的输出端与第三特性阻抗的输入端连接，第三特性阻抗的输出端为第四输出端口输出相位为P4的信号；
第一相位转换器C1的输出端分别与第三传输线的输入端和第二相位转换器C2的输入端连接，所述第三传输线的输出端与第四特性阻抗的输入端连接，第四特性阻抗的输出端为第二输出端口输出相位为P2的信号；
第二相位转换器C2的输出端与第五特性阻抗的输入端连接，第五特性阻抗的输出端为第三输出端口输出相位为P3的信号；
当调节第一相位转换器C1、第二相位转换器C2和第三相位转换器C3的开关状态时，可重构单脉冲比较器（6）的输出端口的信号幅值不变，相位值可改变180o，可以提供P1+P2+P3+P4、P1+P2-P3-P4、P1-P2+P3-P4和P1-P2-P3+P4四种不同相位的信号输出。
2.根据权利要求1所述的一种可重构单脉冲天线，其特征在于：所述方形切角贴片天线单元（3）上设置有圆形结构（4），所述圆形结构（4）为所述方形切角贴片天线单元（3）的馈电点，所述可重构单脉冲比较器（6）通过多根同轴线连接到各个方形切角贴片天线单元（3）的圆形结构（4）处。
3.根据权利要求2所述的一种可重构单脉冲天线，其特征在于：还包括上介质基板（1）、下介质基板（2）和位于上介质基板（1）和下介质基板（2）之间的金属接地板（7）；所述方形切角贴片天线单元（3）设置于所述上介质基板（1）的上表面，所述可重构单脉冲比较器（6）设置于所述下介质基板（2）的下表面。
4.根据权利要求3所述的一种可重构单脉冲天线，其特征在于：所述同轴线的同轴线内径（5）通过圆形结构（4）与所述方形切角贴片天线单元（3）上的馈电点连接，同轴线外径与所述金属接地板（7）连接。
5.根据权利要求1所述的一种可重构单脉冲天线，其特征在于：所述多个馈电端口的馈电相位差根据多个馈电端口的多种状态的不同在0°和180°之间进行切换。
6.根据权利要求1所述的一种可重构单脉冲天线，其特征在于：所述多个方形切角贴片天线单元（3）的宽度相同，并且对每个方形切角贴片天线单元（3）的左上角和右下角进行切角以产生圆极化性能。
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