CN111262028A - 一种基于改进l形探针馈电结构的新型透射式相控阵天线 - Google Patents

一种基于改进l形探针馈电结构的新型透射式相控阵天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于改进L形探针馈电结构的新型透射式相控阵天线，属于天线技术领域。该天线包括：初级馈源、天线支撑结构和天线阵面，天线阵面由多个周期性排列的相控单元构成，相控单元自上而下包括第一介质板、第一金属层、第二介质板、第二金属层、第三介质板、第三金属层、第四介质板、第四金属层、第五层介质板和第五金属层；第二金属层通过第一导体连接杆与第三金属层相连，通过第三导体连接杆与第五金属层相连；第四金属层通过第二导体连接杆与第五金属层相连。本发明减小扫描波束的增益损耗，提高了天线的辐射性能，降低了波束扫描系统的成本。

Description

一种基于改进L形探针馈电结构的新型透射式相控阵天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种基于改进L形探针馈电结构的新型透射式相控阵天线。
背景技术
新型透射式相控阵天线作为一种高增益相控天线，由于相位控制机制简单，已成为研究热点之一。相控单元通过集成可控元件，如PIN二极管、射频MEMS开关和变容二极管，形成动态的相位控制机制，具有相位补偿能力。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。
在新型透射式相控阵天线相控单元设计中，基于变容二极管的连续相位设计或基于开关型元件的多比特相位设计具有高的相位量化精度，相位误差小。多比特相控(N≥3)或连续相控通常需要在有限的相控单元尺寸下(通常为半波长)集成多个控制元件，增加了系统的复杂性、成本以及损耗，对于毫米波和更高频段，系统设计难度会更大。对于大口径的相控阵天线来言，偏置电路的设计是极具挑战性的，因此天线相控单元设计采用1比特相位量化被认为是辐射性能和复杂性、成本的较好权衡。
在已发表的1比特新型透射式相控阵天线设计中，相控单元设计复杂，损耗大，带宽窄。此外，样机存在口面效率低以及旁瓣电平高等问题。为了改善相控单元性能以及提高天线的辐射性能，本发明提出一种全新的相控单元设计方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于改进L形探针馈电结构的新型透射式相控阵天线，突破传统相控阵天线的技术局限，实现快速波束扫描和灵活波束捷变等功能，从而实现高性能、低成本、轻薄易共形的新型透射式相控阵天线。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于改进L形探针馈电结构的新型透射式相控阵天线，包括：
初级馈源，用于发射或者接收电磁波；
天线阵面，由多个周期性排列的相控单元构成，用于将馈源发出的球面波转换为平面波，或者将平面波接收并汇聚到初级馈源内；
天线支撑结构，位于波纹喇叭与天线阵面之间，用于固定初级馈源与天线阵面的相对位置；
所述相控单元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)。
进一步，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，其他层为高频微波板。
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，为数字控制器件(223)提供偏置电流。
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。
进一步，所述初级馈源采用传统抛物面天线的馈源天线作为馈源，包括有：角锥喇叭、圆喇叭或者波纹喇叭天线。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明的相控单元采用半波长设计，降低了偏置电路的复杂性；
(2)本发明的相控单元采用收发结构设计，实现能量的高效传输；
(3)本发明的收发结构采用金属通孔实现能量的透射，降低了结构的复杂性；
(4)本发明收发结构中的发射结构采用改进L形馈电贴片结构，提高相控单元的频率带宽，减小扫描波束的增益损耗；
(5)本发明的相控单元通过在改进L形微带线上集成数字控制器件，改变电流方向，实现相位控制，从而降低波束扫描系统的成本。
(6)本发明采用透射式系统设计，避免了馈源遮挡带来的增益损失，提高天线的辐射性能。
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改进L形探针馈电结构的新型透射式相控阵天线结构示意图；
图2为本发明实施例的调相相控单元示意图，其中图2(a)相控单元结构图，图2(b)为图2(a)的侧视图，图2(c)～(g)是图2(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2(h)是改进L形馈电贴片结构，图2(i)是U形槽贴片结构；
图3为本发明实施例的调相相控单元仿真结果，图3(a)是相控单元的透射幅度，图3(b)是相控单元的透射相位；
图4为本发明实施例的相控单元组成的阵列，用于加工和仿真的AutoCAD示意图，图4(a)是改进L形馈电贴片结构组成的发射面，图4(b)是U形槽贴片结构组成的接收面；
图5为本发明实施例中当馈源极化方向为y方向极化时，0°透射波束的辐射方向图，图5(a)为0°透射波束主极化分量，图5(b)为0°透射波束交叉极化分量；
图6为本发明实施例中当馈源极化方向为y方向极化时，透射y极化波束从0°扫描到60°的主极化测试结果；
附图标记：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-第五层介质板，10-第五金属层，100-初级馈源，200-天线阵面，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，231-金属地，241-金属线，242-扇形金属片，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6，图1为本发明实施例的一种基于改进L形探针馈电结构的新型透射式相控阵天线结构示意图；如图1所示，一种基于改进L形探针馈电结构的新型透射式相控阵天线，包括初级馈源100、天线阵面200。其中，初级馈源100用于发射和接收电磁波。具体的，初级馈源100可以采用正馈、偏馈两种形式，图1示意图为正馈形式。首先需要确定馈源位置，反射阵物理口面大小，以及主波束出射方向。其中一般馈源位置以天线效率最高为最佳。天线阵面200是由多层介质板压合而成，实现能量高效的传输。压合后的多层介质板，其电尺寸厚度选取为0.21波长。多层介质板上雕刻有设计的电路，该电路由多个周期性排列的相控单元结构构成，并在每个相控单元结构上加载数字控制器件，通过切换数字控制器件，实现了1比特相位量化(1比特量化对应着两个相位状态(状态1和状态2)，这两个相位状态相差180°相位)，并不局限于1比特，也可以是2比特，3比特。
初级馈源100采用波纹喇叭天线作为馈源，其极化形式为y向线极化，但不局限于该极化形式，还可以是x向线极化。
天线阵面200是由多个周期性排列的相控单元构成，具体地，天线阵面200是由n×m个相控单元构成，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16，但m，n的取值并不局限于16，也可以是其他值，如m＝40，n＝40。
如图2是一个相控单元结构图，相控单元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。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，其他层为高频微波板。第二金属层4为改进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，用于与电压源的地相连，同时起到了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通过第三导体连接杆与第五金属层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。
控制相位的数字控制器件是PIN二极管，并不局限于PIN二极管，也可以是其他数字控制器件，如MEMS开关，变容管。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，第二介质板3为泡沫，相对介电常数为1.07，但不局限于该材料，也可以是空气。其他层为高频微波板，高频微波板为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。
在本发明的实施例中，天线阵面距离馈源口面中心的距离为0.156米，此时效率最佳，如图1所示。
图2所示相控单元为本发明的一个实施例中所使用的调相相控单元。图2(a)和图2(b)分别为相控单元的结构图和侧视图，图2(c)～(g)是图2(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，相控单元结构自上而下由加载两个PIN二极管的改进L形馈电贴片结构(如图2(h))和U形槽贴片结构(如图2(i))组成，这里的接收结构采用U形槽贴片，但接收结构并不局限于U形槽贴片，也可以是其他具有宽带和宽波束特性的结构，如E形贴片或者磁电偶极子。
图3所示为本发明实施例中调相相控单元的仿真结果。图3(a)和图3(b)分别为相控单元仿真的透射幅度和透射相位。该相控单元结构实现3-dB传输带宽为16.0％(11.5GHz-13.5GHz)。与以往的仿真结果对比，基于改进L形馈电贴片结构的相控单元在频率带宽有了明显提高。
图4为本发明实施例中，当利用图2所示的调相相控单元进行组阵时所生成的用于加工和仿真的AutoCAD示意图，可以看到，阵面上相控单元是呈周期排布的。如图4(a)所示，天线阵面采用改进L形馈电贴片用作发射结构，改进L形馈电贴片结构是在传统L形馈电贴片基础上通过采用阶跃阻抗匹配技术进行改进得到，具有宽带和宽波束特性。如图4(b)所示，天线阵面采用U形槽贴片用作接收结构，接收结构是放置在馈源照射面；接收结构并不局限于U形槽贴片，也可以是其他具有宽带和宽波束特性的结构，如E形贴片或者磁电偶极子。考虑到天线的互易性，接收结构和发射结构并不局限于这样的形式，发射结构和接收结构可以互换，即改进L形馈电贴片作接收结构，U形槽贴片作发射结构。
本实施例天线的相位控制，是由加载在改进L形馈电贴片结构上的数字控制器件实现的，通过改变数字控制器件的状态，在微带线上激励起不同的电流方向，从而实现1比特相位量化。
为了验证以上设计的正确性，本实施例加工了一款0.192米×0.192米(16×16单元)，中心频率为12.5GHz的样机。天线支撑结构位于波纹喇叭与天线阵面之间，为了减小支撑部分对辐射性能的影响，本样机采用在亚克力板和天线阵面安装8根塑料柱，作为支撑馈源和天线面的结构，支撑结构并不局限于该设计，也可以是其他形式的支撑结构，如在亚克力板安装炭纤维杆用以固定天线阵面和馈源。馈源的极化方向沿着y方向。天线阵面由物理厚度为不同厚度的Taconic TLX-8和1.4mm的泡沫压合而成，后期在天线阵面上焊接512个PIN二极管。天线阵面采用改进L形馈电贴片用作发射结构和U形槽贴片用作接收结构。经过阵列法优化，计算得到馈源口面中心与阵面中心相距0.156米时，口面效率最大。
图5是当极化方向为y方向极化的馈源照射图4所示的阵列时，所形成的0°透射波束的辐射方向图。图5(a)和图5(b)所示为0°波束辐射的主极化方向图和交叉极化方向图，0°波束最大增益值为23.1dBi，对应的口面效率为26.7％，测试的旁瓣电平和交叉极化分别低于-13.5dB和-27.4dB，两个主平面的半功率波束宽度分别为6.5°和7°。由于天线结构具有对称性，这里只展示半平面内的波束扫描结果。如图6所示，天线在yoz面实现了+60°范围内的波束扫描，波束由0°扫描至60°时，增益下降4.5dB。与以往的测试结果对比，测试结果验证基于改进L形馈电贴片结构的样机设计提高了天线的辐射性能。
本发明实施例的基于改进L形探针馈电结构的新型透射式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 (8)

1.一种基于改进L形探针馈电结构的新型透射式相控阵天线，其特征在于，该天线包括：
初级馈源，用于发射或者接收电磁波；
天线阵面，由多个周期性排列的相控单元构成，用于将馈源发出的球面波转换为平面波，或者将平面波接收并汇聚到初级馈源内；
天线支撑结构，位于波纹喇叭与天线阵面之间，用于固定初级馈源与天线阵面的相对位置；
所述相控单元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。
2.根据权利要求1所述的基于改进L形探针馈电结构的新型透射式相控阵天线，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。
3.根据权利要求1所述的基于改进L形探针馈电结构的新型透射式相控阵天线，其特征在于，所述第一金属层(2)设置有矩形贴片(211)。
4.根据权利要求1所述的基于改进L形探针馈电结构的新型透射式相控阵天线，其特征在于，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。
5.根据权利要求2所述的基于改进L形探针馈电结构的新型透射式相控阵天线，其特征在于，所述第二介质板(3)的材料设置需要为数字控制器件(223)的安装提供空间，其他层为高频微波板。
6.根据权利要求1所述的基于改进L形探针馈电结构的新型透射式相控阵天线，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。
7.根据权利要求1所述的基于改进L形探针馈电结构的新型透射式相控阵天线，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。
8.根据权利要求1所述的基于改进L形探针馈电结构的新型透射式相控阵天线，其特征在于，所述初级馈源采用传统抛物面天线的馈源天线作为馈源，包括有：角锥喇叭、圆喇叭或者波纹喇叭天线。
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