CN111262023A - 一种基于近场空馈机制的低剖面新型相控阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于近场空馈机制的低剖面新型相控阵天线，属于天线技术领域。该天线包括：初级馈源，用于发射或者接收电磁波；匹配层，用于将调整馈源发出的电磁波，或者将接收的电磁波汇聚到所述初级馈源内；辐射层，用于将匹配层发出的电磁波转换为平面波，或者将平面波接收并汇到所述匹配层。初级馈源、匹配层和辐射层依次空间级联，且具有一定的空间间距。本发明天线与传统相控阵天线技术相比，具有集成度高、易共形、低剖面、低成本的特点。

Description

一种基于近场空馈机制的低剖面新型相控阵天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种基于近场耦合机制的低剖面透射式平面相控天线。
背景技术
高增益波束扫描天线在无线技术中是非常具有吸引力和实用性的，特别是在5G无线通信、无线功率传输和卫星通信等系统。最具有代表性的高增益波束扫描天线是传统相控阵天线，它是由多个辐射单元，多个移相器以及馈电网络组成，通过改变每个辐射单元的相位，在指定方向形成了聚焦波束。因具有灵活的波束扫描及波束捷变等功能，传统相控阵天线的应用较为广泛。然而，随着单元数目的增加，馈电网络的复杂度和损耗在高增益的应用中是不可忽视的，此外，收发组件的使用也导致了高成本和额外的损失。因此，高成本、低效率、系统复杂成为了传统相控阵天线的技术局限，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。
另一方面，电磁表面技术作为一种新型电磁调控技术，近年来得到了广泛的研究。该技术通过改变电磁表面单元的尺寸，在单元结构上实现了不同的电磁响应。为了进一步实现灵活的波束扫描性能，在电磁表面结构中加入可控元件或可调谐材料，构成了可重构电磁表面，该技术具有低成本、轻薄易共形的优点。
为了突破传统相控阵天线的技术局限，基于可重构电磁表面技术的空馈相控阵天线作为一种高增益波束扫描天线技术，近年来得到了广泛的研究。该技术通过在电磁表面单元结构中加入可控元件或可调谐材料，构成了相控电磁表面单元。在空馈相控阵天线系统中，为了实现较大效率的空间馈电，馈源是被放置在天线的远场辐射区。而对于空馈系统，通常采用增大口面尺寸的方法，实现高增益波束。空馈系统的焦径比通常是固定的，因此口面尺寸的增大会提高空馈系统的剖面，导致体积增大，而庞大的体积又会限制其推广应用。另外，天线系统根据波束出射方向分为反射式和透射式。相比于反射式系统，透射式系统没有馈源遮挡，系统集成度高，容易实现共形。
因此，亟需一种集成度高、易共形、低剖面、低成本的透射式平面相控天线。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于近场空馈机制的低剖面透射式平面相控天线，用于突破传统相控阵天线的技术局限，实现天线的高性能、低成本、平面易共形。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于近场空馈机制的低剖面新型相控阵天线，包括依次空间级联的初级馈源(100)、匹配层(200)和辐射层(300)；所述匹配层(200)包括多个匹配单元(210)；所述辐射层(300)包括多个相控单元(310)，每个相控单元(310)包括相控模块(311)、偏置模块(312)和辐射模块(313)；
所述初级馈源(100)用于发射和接收电磁波；所述匹配层(200)用于将从初级馈源(100)上接收到的电磁波转化为辐射层(300)的入射电磁波或从辐射层(300)上接收电磁波转化为初级馈源接收的电磁波；所述辐射层(300)用于将匹配层发出的电磁波转换为平面波，或者将平面波接收并汇到匹配层；所述辐射模块(313)用于提供能量辐射，所述偏置模块(312)用于为辐射模块(313)提供偏置电流，所述相控模块(311)用于控制相控单元(310)的相位；
所述初级馈源(100)与匹配层(200)的空间距离为D1,匹配层(200)和辐射层(300)的空间距离为D2，通过合理选择D1和D2的值，能够获得最佳的天线性能。
进一步，所述初级馈源(100)由馈电端口(110)、传输模块(120)和多个辐射单元(130)组成；
所述馈电端口(110)用于给初级馈源提供射频能量和将初级馈源接收到的电磁波转化为射频能量；所述传输模块(120)包括多路传输支路，用于将射频能量进行多路分配，实现射频能量的多路传输；所述辐射单元(130)用于将传输支路上的射频能量转化为自由空间的电磁波，或者将自由空间的电磁波转化为传输支路上的射频能量。
进一步，所述初级馈源(100)的极化形式为线极化或圆极化形式。
进一步，所述多个匹配单元(210)是周期性排列的，每个匹配单元由多层介质板组成，在每一个介质板上开方形空气孔，通过改变空气孔的尺寸来改变匹配层的相位和透射幅度。
进一步，所述相控模块(311)通过集成数字控制器件实现相位的数字控制；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，所述相控单元(310)自上而下具体包括：第一介质板(1)、第一金属层(2)、第二介质板(3)、第二金属层(4)、第三介质板(5)、第三金属层(6)、第四介质板(7)、第四金属层(8)、第五层介质板(9)和第五金属层(10)；所述第二金属层(4)通过第一导体连接杆与第三金属层(6)相连，通过第三导体连接杆与第五金属层(10)相连；所述第四金属层(8)通过第二导体连接杆与第五金属层(10)相连。
进一步，所述第二金属层(4)设置有L形微带耦合传输线(221)和两条多边形金属线(222)；所述L形微带耦合传输线(221)呈矩形，远离多边形金属线(222)的矩形边中间处设有宽边耦合线；靠近多边形金属线(222)的矩形边与两条多边形金属线(222)的一端连接，且在连接点之间设置有数字控制器件(223)，用于控制相位；所述多边形金属线(222)的另一端与第一导体连接杆相连，靠近多边形金属线(222)的矩形边的中点处连接有第三导体连接杆。
进一步，所述第一金属层(2)设置有矩形贴片(211)；
所述第三金属层(6)为金属地(231)，用于与电压源的地相连，同时起到降低发射和接收的能量互耦的作用；所述第三金属层(6)为第三导体连接杆预留有通孔。
进一步，所述第四金属层(8)为偏置电路，由扇形金属片(242)和金属线(241)组成；所述扇形金属片(242)的圆点与第二导体连接杆相连；所述金属线(241)一端与扇形金属片(242)连接，另一端与电压源的输出电压相连。
进一步，所述第五金属层(10)设置有U形槽贴片(251)和多边形金属线(252)；所述多边形金属线(252)一端连接U形槽贴片的金属边缘，另一端连接第二导体杆。
本发明的有益效果在于：本发明采用传统阵列天线作馈源，提高辐射效率；利用匹配层作为空间级联的枢纽，降低系统剖面和提高传输效率；利用辐射层，实现灵活的波束扫描和波束切换等功能；在辐射层集成数字控制器件，实现相位的数字控制，通过数字控制的方式调节每个辐射单元的相位，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、剖面低、平面易共形、成本低的优点，具体体现为：
(1)采用阵列天线作馈源，提高照射效率；
(2)馈源通过近场照射的方式实现能量的馈入，降低系统的剖面；
(3)基于可重构电磁表面技术的相控单元通过集成数字控制器件实现相位量化，降低系统成本和复杂度；
(4)在馈源与辐射层之间设计一层匹配层，提高空间传输的匹配度，提高传输效率。
(5)匹配层的相位分布可以有效地抑制相位量化引入的栅瓣效应；
(6)辐射采用透射设计，避免馈源遮挡带来的增益损失，提高天线的辐射性能；
(7)馈源、匹配层以及辐射层三部分通过空间级联的方式，构成紧凑的低剖面透射式平面相控天线系统，实现高效率的波束扫描性能。
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为本发明实施例的基于近场空馈机制的低剖面透射式平面相控天线系统框架图。
图2为本发明实施例的馈源结构图，其中图2(a)是馈源结构的立体效果示意图，图2(b)是馈源结构的辐射口面的俯视图，图2(c)是馈源结构的馈电端口的俯视图；
图3为本发明实施例的匹配结构图，其中图3(a)是匹配传输结构的立体效果示意图；图3(b)是图3(a)的接收面俯视图；
图4为本发明实施例的匹配单元结构图，其中图4(a)是匹配单元的立体效果示意图，图4(b)是匹配单元的侧视图，图4(c)是图4(a)的第一介质板俯视图，图4(d)是图4(a)的第二介质板俯视图，图4(e)是图4(a)的第三介质板俯视图；
图5为本发明实施例的辐射层结构图，其中图5(a)是相控辐射结构的立体效果示意图，图5(b)是图5(a)的接收面俯视图，图5(c)是图5(a)的传输面俯视图；
图6为本发明实施例的相控单元结构图，其中图6(a)是相控单元结构的立体效果示意图，图6(b)是相控单元结构的侧视图，图6(c)～(g)是图6(a)相控单元的第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层和第五金属层的俯视图，图6(h)是改进L形馈电贴片结构，图6(i)是U形槽贴片结构；
图7为本发明实施例的基于近场空馈机制的低剖面透射式平面相控天线系统结构图。
图8为本发明实施例中，全波仿真得到的0°，30°，60°波束三维方向图。
附图标记：100-初级馈源，110-馈电端口，120-传输支路，130-辐射单元，200-匹配层，210-匹配单元，300-辐射层，310-相控单元，311-相控模块，312-偏置模块，313-辐射模块；1’-第一层介质板，2’-第二层介质板，3’-第三层介质板，1-第一介质板，2-第一金属层，3-第二介质板，4-第二金属层，5-第三介质板，6-第三金属层，7-第四介质板，8-第四金属层，9-第四介质板，10-第五金属层，211-矩形贴片，221-L形微带耦合传输线，222-多边形金属线，223-数字控制器件(如PIN二极管)，231-金属地，242-扇形金属片，241-金属线，251-U形槽贴片，252-多边形金属线。
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8，图1是本发明优选实施例的一种基于近场空馈机制的低剖面透射式平面相控天线系统框架图，如图1所示，该天线包括依次空间级联的初级馈源100、匹配层200和辐射层300。该天线工作在Ku频段，中心频点为12.5GHz。初级馈源100、匹配层200和辐射层300三者的有效口径面尺寸相同(本实施例采用192mm×192mm的尺寸)，且采用空间级联的方式，构成紧凑型低剖面系统。通过设计初级馈源100、匹配层200和辐射层300三者间的距离D1和D2，天线系统可以实现最佳的辐射性能。
初级馈源100采用波导缝隙阵设计，如图2(a～c)所示，波导缝隙阵的口径面场分布采用等幅同相设计，降低系统剖面，提高辐射效率。初级馈源100具有一定的物理厚度，本实施例采用1.51波长厚度。初级馈源的极化形式为y向线极化，但不局限于该极化形式，还可以是x向线极化。通过在初级馈源开x个缝隙槽实现，实现有效的辐射，x取值根据应用需要确定，在本实施例中，x取值为144(12×12)。
匹配层200上雕刻有设计的电路，该电路由k个准周期性排列的匹配单元210结构构成。k取值根据应用需要确定，在本实施例中，k取值为256(16×16)，如图3(a～b)所示。匹配层200具有一定的物理厚度，其厚度为一个波长。匹配单元210由三种介质板压合而成，如图4(a～e)所示，匹配单元的电尺寸厚度选取为一个波长。匹配单元自上而下包括第一层介质板1’、第二层介质板2’和第三层介质板3’；采用在每一个介质板上开方形空气孔，为了提高与接触空气的匹配度，第一层介质板1’与第三层介质板3’开空气孔的尺寸一致的。通过设计空气孔的尺寸，匹配单元实现不同的传输幅度和相位。在可变空气孔尺寸范围下，所有的匹配单元相位可以覆盖360°，同时具有良好的透射幅度。通过合理设计匹配层200的相位分布，可以降低相位量化引入的栅瓣效应。
辐射层300由m个周期性排列的单元结构构成，m取值根据应用需要确定，在本实施例中，m取值为256(16×16)，如图5(a～c)所示。辐射层300具有一定的物理厚度，其厚度为0.21个波长。辐射层300上雕刻有设计的电路，由多个周期性排列的相控单元310结构构成，相控单元310包括相控模块311、偏置模块312和辐射模块313，其中，辐射模块313用于提供能量辐射；偏置模块312用于为辐射模块313提供偏置电流；相控模块311用于控制相控单元310的相位。
本实施例中，相控单元310是由改进的L形馈电贴片和U形槽贴片构成的，如图6所示。但相控单元的设计并不局限这样设计，可以是其他结构。改进的L形馈电贴片被用作接收结构，和U形槽贴片被用作辐射结构，两者的相对位置并不局限，还可以是U形槽贴片被用作接收结构和改进L形馈电贴片被用作辐射结构。具体的，相控单元310通过在改进L形馈电线上加载数字控制元件，实现对相位的灵活控制。数字控制器件采用PIN二极管，但并不局限于PIN二极管，也可以是其他控制元件，如MEMS开关。
在本发明的一个实施例中，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，匹配层的每一介质板材料是FR4，辐射层的每一介质板是Taconic TLX-8或泡沫。具体地，第二介质板3为泡沫，其他都是Taconic TLX-8。设计并不局限于这些板材，也可以是其他板材，如Rogers RT5880。
本发明的一个实施例中，如图6(a～i)所示，相控单元310自上而下包括第一介质板1、第一金属层2、第二介质板3、第二金属层4、第三介质板5、第三层金属层6、第四介质板7、第四层金属层8、第五层介质板9和第五层金属层10。其中，第一金属层2设置有矩形贴片211。第二介质板3的材料设置需要为数字控制器件223的安装提供空间。第二金属层4为L形微带耦合传输线221和多边形金属线222。多边形金属线222一端与L形微带耦合传输线221的中心相连，另一端与第一导体连接杆相连。第三金属层6为金属地231，用于与电压源的地相连，同时起到降低发射和接收的能量互耦的作用。第四金属层8为偏置电路，包括扇形金属片242与金属线241。扇形金属片242的圆点与第二导体连接杆相连。金属线241，用于与电压源的输出电压相连，为数字控制器件223提供偏置电流。第五金属层10设置有U形槽贴片251和多边形金属线252。多边形252一端连接U形槽贴片的金属边缘，另一端连接第二导体杆。第二金属层4通过第三导体连接件与第五金属层10相连。第一导体连接件、第二导体连接杆和第三导体连接杆均为圆筒体结构。第三导体连接件与第三金属层应规避隔开。
为了验证以上设计的正确性，设计一款中心频率为12.5GHz的天线。如图7所示，馈源的极化方向沿着y方向。天线系统由初级馈源，匹配层和辐射层经空间级联而成。其中，初级馈源采用等辐同相馈电。匹配层采用不等相分布，降低相位量化引入的栅瓣效应。辐射层由集成数字集成器件的相控单元组成，具有灵活的相位控制特性。初级馈源、匹配层和辐射层之间距离为12mm(D1)和5mm(D2)，此时效率最佳。
图8为本发明实施例的全波仿真的0°、30°、60°波束三维方向图。在0°波束最大增益为23.7dBi，实现30.8％的口面效率，当扫描波束指向60°时，增益损耗为4.8dB，整个系统剖面高度为2.72λ。相比于以往的空馈透射相位可重构系统，该技术方案提高天线系统的辐射性能，降低空馈系统的剖面。上述仿真模型验证技术方案的可行性，通过将模拟平面波馈源，介质匹配层和1比特相控辐射层三部分以空间级联的方式，实现低剖面透射式平面相控天线。采用近场空馈方式，极大地降低剖面，在辐射层采用可重构表面技术，降低成本和系统复杂度，为了抑制低比特相位量化引入的栅瓣效应，在传输空间中加入匹配层。整个系统设计具有低剖面，低成本，平面且易共形的特点。
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 (10)

1.一种基于近场空馈机制的低剖面新型相控阵天线，其特征在于，该天线包括依次空间级联的初级馈源(100)、匹配层(200)和辐射层(300)；所述匹配层(200)包括多个匹配单元(210)；所述辐射层(300)包括多个相控单元(310)，每个相控单元(310)包括相控模块(311)、偏置模块(312)和辐射模块(313)；
所述初级馈源(100)用于发射和接收电磁波；所述匹配层(200)用于将从初级馈源(100)上接收到的电磁波转化为辐射层(300)的入射电磁波或从辐射层(300)上接收电磁波转化为初级馈源接收的电磁波；所述辐射层(300)用于将匹配层发出的电磁波转换为平面波，或者将平面波接收并汇到匹配层；所述辐射模块(313)用于提供能量辐射，所述偏置模块(312)用于为辐射模块(313)提供偏置电流，所述相控模块(311)用于控制相控单元(310)的相位；
所述初级馈源(100)与匹配层(200)的空间距离为D1,匹配层(200)和辐射层(300)的空间距离为D2，通过合理选择D1和D2的值，能够获得最佳的天线性能。
2.根据权利要求1所述的基于近场空馈机制的低剖面新型相控阵天线，其特征在于，所述初级馈源(100)由馈电端口(110)、传输模块(120)和多个辐射单元(130)组成；
所述馈电端口(110)用于给初级馈源提供射频能量和将初级馈源接收到的电磁波转化为射频能量；所述传输模块(120)包括多路传输支路，用于将射频能量进行多路分配，实现射频能量的多路传输；所述辐射单元(130)用于将传输支路上的射频能量转化为自由空间的电磁波，或者将自由空间的电磁波转化为传输支路上的射频能量。
3.根据权利要求1所述的基于近场空馈机制的低剖面新型相控阵天线，其特征在于，所述初级馈源(100)的极化形式为线极化或圆极化形式。
4.根据权利要求1所述的基于近场空馈机制的低剖面新型相控阵天线，其特征在于，所述多个匹配单元(210)是周期性排列的，每个匹配单元由多层介质板组成，在每一个介质板上开方形空气孔，通过改变空气孔的尺寸来改变匹配层的相位和透射幅度。
5.根据权利要求1所述的基于近场空馈机制的低剖面新型相控阵天线，其特征在于，所述相控模块(311)通过集成数字控制器件实现相位的数字控制；所述数字控制器件包括PIN二极管、变容二极管或MEMS二极管的集总控制元件，以及电机控制器件。
6.根据权利要求1或5所述的基于近场空馈机制的低剖面新型相控阵天线，其特征在于，所述相控单元(310)自上而下具体包括：第一介质板(1)、第一金属层(2)、第二介质板(3)、第二金属层(4)、第三介质板(5)、第三金属层(6)、第四介质板(7)、第四金属层(8)、第五层介质板(9)和第五金属层(10)；所述第二金属层(4)通过第一导体连接杆与第三金属层(6)相连，通过第三导体连接杆与第五金属层(10)相连；所述第四金属层(8)通过第二导体连接杆与第五金属层(10)相连。
7.根据权利要求6所述的基于近场空馈机制的低剖面新型相控阵天线，其特征在于，所述第二金属层(4)设置有L形微带耦合传输线(221)和两条多边形金属线(222)；所述L形微带耦合传输线(221)呈矩形，远离多边形金属线(222)的矩形边中间处设有宽边耦合线；靠近多边形金属线(222)的矩形边与两条多边形金属线(222)的一端连接，且在连接点之间设置有数字控制器件(223)，用于控制相位；所述多边形金属线(222)的另一端与第一导体连接杆相连，靠近多边形金属线(222)的矩形边的中点处连接有第三导体连接杆。
8.根据权利要求6所述的基于近场空馈机制的低剖面新型相控阵天线，其特征在于，所述第一金属层(2)设置有矩形贴片(211)；
所述第三金属层(6)为金属地(231)，用于与电压源的地相连，同时起到降低发射和接收的能量互耦的作用；所述第三金属层(6)为第三导体连接杆预留有通孔。
9.根据权利要求6所述的基于近场空馈机制的低剖面新型相控阵天线，其特征在于，所述第四金属层(8)为偏置电路，由扇形金属片(242)和金属线(241)组成；所述扇形金属片(242)的圆点与第二导体连接杆相连；所述金属线(241)一端与扇形金属片(242)连接，另一端与电压源的输出电压相连。
10.根据权利要求6所述的基于近场空馈机制的低剖面新型相控阵天线，其特征在于，所述第五金属层(10)设置有U形槽贴片(251)和多边形金属线(252)；所述多边形金属线(252)一端连接U形槽贴片的金属边缘，另一端连接第二导体杆。
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