CN111244622B - 一种新体制的pcb集成电扫描天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新体制的PCB集成电扫描天线。阵列、上介质基板、地层、下介质基板和功分网络层从上到下依次布置，阵列是由多个阵元平行并排排列构成；每个阵元边缘有过孔，每个阵元下侧边缘经一根微带线和连接通孔电连接；功分网络层包括功分网络和移相组件，功分网络的输入端口和馈源连接，功分网络的输出端口均经移相组件的阵元移相连接线、射频开关和0/180°移相电路连接到连接通孔。本发明仅需控制射频开关即可实现一维波束扫描，具有极其简洁的结构和低廉的成本，同时具有较低旁瓣特性，非常有利于微波、特别是毫米波频段的应用。

Description

一种新体制的PCB集成电扫描天线
技术领域
本发明属电扫描天线领域的一种扫描天线，具体是涉及了一种新体制的PCB集成电扫描天线。
背景技术
相控阵天线因具备较大范围的电扫描功能，具有很大的应用优势。但传统相控阵天线依赖较大数目的移相器，新型有源相控阵天线则依赖较大数目的T/R组件，从而存在着造价高昂等缺陷，限制了进一步应用。
利用菲涅尔区板天线原理可以在省略功分移相网络，使用空馈的方式实现波束扫描等功能，可有效降低天线成本。但使用空馈的方式导致这类天线的剖面较高，给实际安装使用带来了困难。
如果借助菲涅尔区板天线原理设计电扫描天线，使用较简单的器件控制波束扫描，这样就可以在降低成本的同时降低天线剖面，有利于扩展天线使用范围。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明公开了一种新体制的PCB集成电扫描天线。
使用亚波长宽度的阵元组成的阵列实现一维波束扫描。为实现此目的，对于N个阵元，天线使用功分网络将输入功率等分为N路，在阵元与功分网络输出端口之使用射频开关进行0/180°移相的切换。通过开关切换，可以使得串馈阵列具有0/180°相位的阵元分布符合一维菲涅尔区板衍射图形的要求，从而得到向指定方向扫描波束的功能。本发明仅需控制射频开关即可实现一维波束扫描，具有极其简洁的结构和低廉的成本，同时具有低旁瓣特性，非常有利于微波、特别是毫米波频段的应用。
本发明采用的技术方案是：
所述的PCB集成电扫描天线包括阵列、射频开关、0/180°移相电路、连接通孔、上介质基板、阵元移相连接线、微带线、下介质基板和地层；阵列、上介质基板、地层、下介质基板和功分网络层从上到下依次布置，阵列是由多个阵元平行并排排列构成，阵元使用缝隙辐射电磁波，每个阵元的长度大于天线工作频率的亚波长尺度，宽度为天线工作频率的亚波长尺度；每个阵元的左右两侧边缘和上侧边缘均开设有间隔均布的过孔，过孔穿过上介质基板后和地层电连接；每个阵元下侧边缘未开设过孔，每个阵元下侧边缘经一根微带线和连接通孔电连接，连接通孔穿过上介质基板、地层、下介质基板后和功分网络层连接；功分网络层包括功分网络和移相组件，功分网络的输入端口和馈源连接，功分网络的输出端口均经移相组件连接通孔，每个移相组件包括射频开关、阵元移相连接线和0/180°移相电路；阵元移相连接线一端连接到功分网络的输出端口，另一端连接到射频开关的总端口，0/180°移相电路包括0°移相线和180°移相线，射频开关的两个切换端口分别连接0°移相线和180°移相线的一端，0°移相线和180°移相线的另一端均连接到连接通孔。
本发明的PCB集成电扫描天线使用亚波长宽度的阵元组成的阵列实现一维波束扫描。根据一维菲涅尔区板衍射图形的要求，通过开关切换，就可以实现0/180°相位切换，进而实现一维波束扫描。
本发明仅需控制射频开关即可实现一维波束扫描，具有极其简洁的结构和低廉的成本，同时具有较低旁瓣特性，非常有利于微波、特别是毫米波频段的应用。
所述的0°移相线和180°移相线的长度不同，使得经过的电信号的传输时延不同，导致0°移相线和180°移相线两路传输相位不同。
所述的功分网络的输出端口的数量和阵列中阵元的数量相同。
所述的阵元采用介质板波导天线。
所有阵元移相连接线中的传输相位各不相同，当所有射频开关控制连接到0/180°移相电路中的同一种移相线时，通过设置各个阵元移相连接线中的传输相位使得PCB集成电扫描天线的辐射出的阵列电磁波为柱面波。
阵列中的各个阵元的相位分布按照以下方式布置：阵列中的一处阵元作为当前阵元，调整当前阵元的尺寸等参数使得当前阵元到阵列中心位置的阵元之间的相位差设置为sk-gk，且k＝2πf/c，其中，f表示PCB集成电扫描天线的工作频率，c是光速，s表示当前阵元到阵列中心位置的阵元之间的距离，g表示PCB集成电扫描天线所连接的馈源的相位中心点到阵列中心位置的阵元之间的距离。
相邻两个阵元左右侧边缘在边界上共用过孔。
本发明仅需控制射频开关即可实现一维波束扫描，具有极其简洁的结构和低廉的成本，同时具有较低旁瓣特性，非常有利于微波、特别是毫米波频段的应用。
本发明具有的有益效果：
本发明仅需控制射频开关即可实现一维波束扫描，具有极其简洁的结构和低廉的成本，同时具有较低旁瓣特性，非常有利于微波、特别是毫米波频段的应用。
天线在工作频率内可以实现一维波束扫描。
附图说明
图1是本发明PCB集成电扫描天线的层结构图。
图2是本发明的PCB集成电扫描天线正面示意图。
图3是电扫描天线背面示意图。
图4是电扫描天线控制原理示意图。
图5是电扫描天线波束扫描示意图。
图中：1.PCB集成电扫描天线，2.阵元，3.阵列，4.功分网络，5.射频开关，6.0/180°移相电路，7.连接通孔，8.上介质基板，9.阵元移相连接线，10.微带线，11.下介质基板，12.地层，13，过孔，14，缝隙。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明做进一步说明。
如图1-图3所示，具体实施的PCB集成电扫描天线1包括阵列3、射频开关5、0/180°移相电路6、连接通孔7、上介质基板8、阵元移相连接线9、微带线10、下介质基板11和地层12。
如图1所示，阵列3、上介质基板8、地层12、下介质基板11和功分网络层从上到下依次布置。
如图2所示，阵列3是由多个阵元2平行并排排列构成，阵元2使用缝隙13辐射电磁波，每个阵元2的长度大于天线工作频率的亚波长尺度，宽度为天线工作频率的亚波长尺度，组成的阵列3可实现一维扫描；每个阵元2的左右两侧边缘和上侧边缘均开设有间隔均布的过孔14，相邻两个阵元2左右侧边缘在边界上共用过孔14。过孔穿过上介质基板8后和地层12电连接；每个阵元2下侧边缘未开设过孔，每个阵元2下侧边缘经一根微带线10和连接通孔7电连接，连接通孔7穿过上介质基板8、地层12、下介质基板11后和功分网络层连接，连接通孔7不与地层12电连接。
如图3所示，功分网络层包括功分网络4和移相组件，功分网络4布置在下介质基板11表面的上部，功分网络4上端的输入端口和馈源连接，功分网络4的输出端口的数量和阵列3中阵元2的数量相同，功分网络4的输出端口均经移相组件连接通孔7，每个移相组件包括射频开关5、阵元移相连接线9和0/180°移相电路6；阵元移相连接线9一端连接到功分网络4的输出端口，另一端连接到射频开关5的总端口，0/180°移相电路6包括0°移相线和180°移相线，射频开关5的两个切换端口分别连接0°移相线和180°移相线的一端，0°移相线和180°移相线的另一端均连接到连接通孔7，这样使得一个阵列3经各自的微带线10、连接通孔7、移相组件后和功分网络4的一个输出端口。
本发明的PCB集成电扫描天线1使用亚波长宽度的阵元2组成的阵列3实现一维波束扫描。
0°移相线和180°移相线的长度不同，使得经过的电信号的传输时延不同，导致0°移相线和180°移相线两路传输相位不同。
当阵元2经0°移相线导通于功分网络4，则阵元2接收来自功分网络4输出端口传输的能量，传输相位设为0°。
当阵元2经180°移相线导通于功分网络4，则阵元2接收来自功分网络4输出端口传输的能量，传输相位与经过0°移相线的结果相比，相位落后180°。
对于N个阵元2，将功分网络4输入端口也等分为N路，在阵元2与功分网络4输出端口之间使用射频开关5进行0/180°移相6的切换。通过射频开关5在0°移相线和180°移相线之间切换，使得阵元2经0°移相线导通于功分网络4，或者阵元2经180°移相线导通于功分网络4，使得阵列3具有0/180°相位的阵元2分布符合一维菲涅尔区板衍射图形，从而得到向指定方向扫描波束的功能。
这样，本发明仅需控制射频开关5即可实现一维波束扫描，具有极其简洁的结构和低廉的成本，同时具有低旁瓣特性，非常有利于微波、特别是毫米波频段的应用。
具体实施的阵元2采用介质板波导天线。具体每个阵元2由一块金属板和开设在金属板上的多个条形缝隙构成。阵元2可以使用其他基于PCB工艺的天线，例如串馈微带天线等。
所有阵元移相连接线中的传输相位各不相同，当所有射频开关5控制连接到0/180°移相电路6中的同一种移相线时，通过设置各个阵元移相连接线中的传输相位使得PCB集成电扫描天线的辐射出的阵列3电磁波为柱面波。
具体地，阵列3中的各个阵元2的相位分布按照以下方式布置：阵列3中的一处阵元2作为当前阵元，调整当前阵元的尺寸等参数使得当前阵元到阵列3中心位置的阵元2之间的相位差设置为sk-gk，且k＝2πf/c，其中，f表示PCB集成电扫描天线1的工作频率，c是光速，s表示当前阵元到阵列3中心位置的阵元2之间的距离，g表示PCB集成电扫描天线1所连接的馈源的相位中心点到阵列3中心位置的阵元2之间的距离。
本发明的具体实施例如下：
整个电扫描天线的阵元2的宽度满足亚波长尺寸要求。如果选用较高介电常数的介质基板，则选用诸如介质板波导天线或者串馈微带天线等宽度较窄的天线作为阵元，进而达到亚波长尺度要求。阵元2数目为N，阵元2通过连接通孔7与下介质基板11背面的馈电电路(馈源)相连。
如图3所示，馈源从功分网络输入信号，通过一分N功分网络分配到N路输出。每一路输出信号通过每一个阵元所需的阵元移相连接线做相应的相位延迟，然后输入到一分二射频开关中。射频开关的两路输出分别对应着相位延迟相差180°的微带线，两段微带线最终合路与通孔相连与正面的天线阵元相连。
如图4所示，根据一维菲涅尔区板衍射图形的要求，假定可以辐射的柱面波馈源的相位中心点在A点，AB是馈源相位中心点到天线阵列中心的间距，是为g。那么每一个阵元到相位中心点的距离s就可以确定。因此根据工作频率f，就可以得到从A点到B点的路径对应的相位就是gk，其中k＝2πf/c，c是光速。
因此每一个阵元到馈源额相位中心点的间距AC对应的相位就是sk，因此C点与B点存在的相位差就是sk-gk。因而每一个阵元对应的阵元移相连接线的移相值即为sk-gk。如果每个阵元对应的射频开关均与相同的移相线相连，那么此时天线阵列将辐射出相位中心点位于A点的一维柱面波。
以路径AP为预设的出射方向，AP与AB的夹角
Figure BDA0002372643060000053
为预设的扫描方向。位于Q点的阵元与A点的连线与AB的夹角为β，BQ的间距为x，Q点与AP的相位差
Figure BDA0002372643060000054
有：
Figure BDA0002372643060000051
Figure BDA0002372643060000052
根据相位差
Figure BDA0002372643060000056
做以下划分：若
Figure BDA0002372643060000055
的阵元，射频开关与0°移相相连；若
Figure BDA0002372643060000057
射频开关与180°移相相连，其中m＝0,1,2,…。这样出射波会在AP方向上叠加增强，实现波束向
Figure BDA0002372643060000058
方向偏转的目的。
为了进一步说明其相位调制原理，现提供一实例来说明。设定工作频率为10GHz，假定的g为150mm，每一个阵元宽度为7.5mm，长度为150mm，设置32个阵元组成阵列。功分网络选择使用一分二T型节逐级等分。
由此根据上述公式可以得知从边缘阵元的阵元移相连接线的移相值分别是475°、420°、365°、320°、274°、230°、190°、153°、120°、89°、63°、42°、22°、11°、8°、0°、0°、8°、11°、22°、42°、63°、89°、120°、153°、190°、230°、274°、320°、365°、420°、475°。
阵元选择使用基于相对介电常数为6.15的ROGERS RO3006的介质基板，天线类型是基于缝隙阵列的介质板波导天线，边缘孔间距是1.6mm，孔的直径是0.6mm，缝隙阵列由十条缝隙偏心交互排列组成，缝隙长8.68mm，宽0.13mm，与阵元中心线偏离0.114mm，相邻缝隙间距10.7mm。
0/180°移相电路分别选用λg/2与λg的长度，其中λg是微带线传输一个波长所需的长度，射频开关可选用HMC1118。
0°扫描时，从边缘阵元算起，每一个阵元需要的移相幅度分别是180°、0°、0°、0°、0°、180°、180°、180°、180°、0°、0°、0°、0°、0°、0°、0°、0°、0°、0°、0°、0°、0°、0°、180°、180°、180°、180°、0°、0°、0°、0°、180°。
30°扫描时，从边缘阵元算起，每一个阵元需要的移相幅度分别是0°、0°、0°、0°、0°、0°、0°、0°、0°、0°、0°、0°、180°、180°、180°、180°、180°、0°、0°、0°、180°、180°、180°、0°、0°、180°、180°、0°、0°、180°、180°、0°。
相应的波束扫描结果如图5所示，可以看到0°扫描的波束指向0°，与设计值一致，旁瓣电平在-10dB；而当扫描角度变成30°，此时波束指向亦为30°，与设计值一样，旁瓣电平也为-10°。并且此旁瓣电平包括后瓣辐射，与采用空馈的菲涅尔区板天线相比，旁瓣电平有了较为明显的控制。
本实例的工作频率为10GHz，如果要工作在其他频段，则需要根据工作波长适当调整。

Claims (4)

1.一种新体制的PCB集成电扫描天线，其特征在于：所述的PCB集成电扫描天线(1)包括阵列(3)、射频开关(5)、0/180°移相电路(6)、连接通孔(7)、上介质基板(8)、阵元移相连接线(9)、微带线(10)、下介质基板(11)和地层(12)；阵列(3)、上介质基板(8)、地层(12)、下介质基板(11)和功分网络层从上到下依次布置，阵列(3)是由多个阵元(2)平行并排排列构成，阵元(2)使用缝隙(13)辐射电磁波，每个阵元(2)的长度大于天线工作频率的亚波长尺度，宽度为天线工作频率的亚波长尺度；每个阵元(2)的左右两侧边缘和上侧边缘均开设有间隔均匀分布的过孔(14)，过孔(14)穿过上介质基板(8)后和地层(12)电连接；每个阵元(2)下侧边缘未开设过孔，每个阵元(2)下侧边缘经一根微带线(10)和连接通孔(7)电连接，连接通孔(7)穿过上介质基板(8)、地层(12)、下介质基板(11)后和功分网络层连接；
功分网络层包括功分网络(4)和移相组件，功分网络(4)的输入端口和馈源连接，功分网络(4)的输出端口均经移相组件连接通孔(7)，每个移相组件包括射频开关(5)、阵元移相连接线(9)和0/180°移相电路(6)；阵元移相连接线(9)一端连接到功分网络(4)的输出端口，另一端连接到射频开关(5)的总端口，0/180°移相电路(6)包括0°移相线和180°移相线，射频开关(5)的两个切换端口分别连接0°移相线和180°移相线的一端，0°移相线和180°移相线的另一端均连接到连接通孔(7)；
所述的阵元(2)采用基于缝隙阵列的介质板波导天线，缝隙阵列由十条缝隙偏心交互排列组成；相邻两个阵元(2)左右侧边缘在边界上共用过孔；
所有阵元移相连接线中的传输相位各不相同，当所有射频开关(5)控制连接到0/180°移相电路(6)中的同一种移相线时，通过设置各个阵元移相连接线中的传输相位使得PCB集成电扫描天线辐射出的阵列(3)电磁波为柱面波。
2.根据权利要求1所述的一种新体制的PCB集成电扫描天线，其特征在于：
所述的0°移相线和180°移相线的长度不同，使得经过的电信号的传输时延不同，导致0°移相线和180°移相线两路传输相位不同。
3.根据权利要求1所述的一种新体制的PCB集成电扫描天线，其特征在于：
所述的功分网络(4)的输出端口的数量和阵列(3)中阵元(2)的数量相同。
4.根据权利要求1所述的一种新体制的PCB集成电扫描天线，其特征在于：
所述的阵列(3)中的各个阵元(2)的相位分布按照以下方式布置：阵列(3)中的一处阵元(2)作为当前阵元，调整当前阵元的尺寸等参数使得当前阵元到阵列(3)中心位置的阵元(2)之间的相位差设置为sk-gk，且k＝2πf/c，其中，f表示PCB集成电扫描天线(1)的工作频率，c是光速，s表示当前阵元到阵列(3)中心位置的阵元(2)之间的距离，g表示PCB集成电扫描天线(1)所连接的馈源的相位中心点到阵列(3)中心位置的阵元(2)之间的距离。
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Slotted-Waveguide Antenna Arrays with Frequency-Phase Scanning;V. I. Kalinichev、V. A. Kaloshin、E. V. Frolova;《2017 Radiation and Scattering of Electromagnetic waves RSEMW》;20171113;全文 *
基于菲涅尔半波板的毫米波扫描天线及其馈源系统设计;邓明罡;《2019年全国天线年会论文集（中册）》;20190722;全文 *

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