CN111276804A - 一种基于数字编码超宽带天线阵及其高精度双波束扫描方法 - Google Patents

一种基于数字编码超宽带天线阵及其高精度双波束扫描方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111276804A
CN111276804A CN202010086718.2A CN202010086718A CN111276804A CN 111276804 A CN111276804 A CN 111276804A CN 202010086718 A CN202010086718 A CN 202010086718A CN 111276804 A CN111276804 A CN 111276804A
Authority
CN
China
Prior art keywords
ultra
antenna array
wideband
power distribution
distribution network
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010086718.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111276804B (zh
Inventor
蒋卫祥
王强
崔铁军
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southeast University
Original Assignee
Southeast University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southeast University filed Critical Southeast University
Priority to CN202010086718.2A priority Critical patent/CN111276804B/zh
Publication of CN111276804A publication Critical patent/CN111276804A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111276804B publication Critical patent/CN111276804B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/48—Earthing means; Earth screens; Counterpoises
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/50—Structural association of antennas with earthing switches, lead-in devices or lightning protectors

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于数字编码超宽带天线阵及其高精度双波束扫描方法，天线阵包括介质基板、Vivaldi天线阵、超宽带功分网络和超宽带功分网络的金属地，其中，Vivaldi天线阵和超宽带功分网络的金属地位于介质基板上表面，超宽带功分网络位于介质基板下表面，超宽带功分网络通过过孔与Vivaldi天线阵连接，并将电磁波耦合至Vivaldi天线阵。改变超宽带功分网络末端的扇形结构方向，使其馈入Vivaldi天线电流方向相反，实现一比特超宽带数字编码。本发明型具有超宽带、成本低、质量轻、低剖面、高增益、设计简单，双波束角度频率扫描精度高，在军用雷达上有着十分重要的应用前景。

Description

一种基于数字编码超宽带天线阵及其高精度双波束扫描方法
技术领域
本发明属于新型人工电磁材料应用领域，涉及一种基于数字表面超宽带天线阵及其高精度双波束扫描方法。
背景技术
超材料是由一系列亚波长周期结构排布组成，能够实现许多奇特的自然界材料无法实现的电磁波现象，如全息成像、完美吸波、负折射、高精度传感等特性。但是，由于传统的天线对单元相位与幅度的控制，其需要连续的相位进行控制，需要大量的移相器与衰减器TR组件，会造成高额的成本。通过对超表面数字编码的思想，可以将原来模拟的相位分布，进行数字式离散分布，使用数字bit位数就可以表征原来模拟的相位变化，同时也不需要更精细的变化。如一比特数字编码，0～2π中，每个离散的相位单位刻度为2π/2N，N为比特数，即表示数字单元“0”与“1”可以表示0与π，用该离散化相位对超表面进行数字编码，实现对电磁波散射，偏折，极化等状态的调控，当然比特位数越多，所实现的精度会越高。通过有源器件对相位或者幅度编码调控，达到实现简化控制电磁波的效果。
数字编码方式目前被应用各种各样的超材料表面，能够简化并且实现所需要的单元相位。与现有的技术控制主动辐射天线相比，目前主动辐射受结构的局限，使用数字式编码通常是窄带的，基本没有通过数字实现超宽带编码。我们通过选择超宽带Vivaldi 天线单元进行超宽带数字式编码来调控电磁波。Vivaldi天线单元是一种非频变行波天线，具有超宽带、增益高、高精度双波束扫描等优点。将其与数字编码的方式相结合，对电磁波波束进行操控，形成超宽带天线阵波束控制。
发明内容
发明目的：本发明提供了一款成本低、超宽带、高增益、低剖面基于数字编码超宽带天线阵及其高精度双波束扫描方法。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于数字编码超宽带天线阵，包括介质基板、Vivaldi天线阵、超宽带功分网络和超宽带功分网络的金属地，其中，Vivaldi天线阵和超宽带功分网络的金属地位于介质基板上表面，超宽带功分网络位于介质基板下表面，超宽带功分网络通过过孔与Vivaldi天线阵连接，并将电磁波耦合至Vivaldi天线阵。
可选的，天线阵包括m×n个Vivaldi天线单元，m代表行，n代表列，每列Vivaldi 天线单元均通过一个过孔与介质基板背面的超宽带功分网络耦合连接。选择由Vivaldi 天线单元组成天线阵，是因为其具有超宽带高增益，即非频变天线。理论上具有无限带宽，通过简单刻蚀在印制电路板上，起到辐射的电磁波的作用。
可选的，Vivaldi天线单元采用指数函数y＝C1e(αx)+C2进行开口，函数形式不唯一，激励方式采取电磁波耦合馈电方式。
可选的，Vivaldi天线单元间距在0.5λ0～λ0之间，λ0为工作中心频段的真空波长，天线单元间距过小会造成增益过低，过宽会出现栅瓣，两者都会降低天线性能。
可选的，超宽带功分网络包括m×n个馈电端口激励，且馈电端口激励采用k节四分之一波长微带枝节进行匹配，k越大其工作带宽越宽。
可选的，馈电端口激励为扇形结构。Vivaldi天线单元通过超宽带功分网络末端的扇形结构，从下至上通过圆形过孔将电磁波耦合至Vivaldi天线单元，超宽带功分网络末端开路处由原来的采用切比雪夫方法四分之一波长结构进行阻抗匹配，变为扇形的形状结构，减少整体尺寸。
可选的，介质基板型号为FR4B，为上下两层提供支撑。
本发明还提供了一种上述基于数字编码超宽带天线阵的高精度双波束扫描方法，在工作设计频段内，改变每个超宽带功分网络末端的扇形结构方向，使馈入耦合Vivaldi天线单元端口的电流相位反相，此时与不改变超宽带功分网络末端的扇形结构方向的Vivaldi天线单元会呈现180°的两种不同转态；假定，不改变超宽带功分网络末端的扇形结构方向用数字“0”表示，改变超宽带功分网络末端的扇形结构方向用数字“1”表示，通过“0”与“1”两种数字进行一比特编码，从而实现双波束高精度扫描。在4～10GHz 能够实现高精度双波束方向图扫描。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
现有的数字式编码天线阵基本都是窄带，工作频段比较窄，通常在相对工作带宽的 10％以下，这对与通信设备是十分受限的，根据香农定理C＝B×log2(1+S/N)，天线终端的带宽直接决定通信的容量，特别是针对目前5G通信天线MIMO技术需要，通过实现超宽带与数字编码相结合，实现高速率通信。
本发明构建了一种基于数字编码超宽带天线阵，与现有的数字编码天线，其优势在于有着非常宽的带宽和双波束都可以达到高精度扫描，可以达到100％相对工作带宽。并且可以应用在整个毫米波频段，通过印刷电路板(PCB)结构具有低剖面、加工成本低。
本发明的一种基于数字编码超宽带天线阵，与传统波束控制天线阵相比，具有低成本与低损耗和双波束高精度，同时超宽带，这是目前相控阵与MEMS技术无法比拟的，离散的数字编码能够大大降低系统的复杂度。
本发明的一种基于数字编码超宽带天线阵，设计简单，通过简单已有的Vivaldi天线单元与切比雪夫函数多枝节匹配超宽带功分网络，通过简单改变超宽带功分网络末端的扇形结构方向，即可实现多波束的操控，具有良好的通用性，可以应用在未来毫米波通信与雷达探测扫描中。
附图说明
图1为本发明实施例中一种基于数字编码超宽带天线阵的整体结构正面示意图；
图2(a)为本发明实施例中一种基于数字编码超宽带天线阵的整体结构背面示意图即超宽带功分网络示意图；
图2(b)为扇型结构示意图；
图2(c)切比雪夫枝节匹配方法结构示意图；
图3是为本发明实施例中一种基于数字编码超宽带天线阵数值仿真与测试图；
图4(a)是本发明实施例中一种基于数字编码超宽带天线阵数值方向图仿真；
图4(b)是本发明实施例中一种基于数字编码超宽带天线阵测试方向图。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明的技术方案作进一步的说明。
本发明设计并制作了一种基于数字编码超宽带天线阵，通过改变超宽带功分网络末端的扇形结构方向，可以实现超宽带数字编码。该基于数字编码超宽带天线阵包括介质基板、Vivaldi天线阵、超宽带功分网络和超宽带功分网络的金属地，其中，通过印刷电路板刻蚀工艺，Vivaldi天线阵和超宽带功分网络的金属地位于介质基板上表面，超宽带功分网络位于介质基板下表面，超宽带功分网络通过过孔与Vivaldi天线阵连接，并将电磁波耦合至Vivaldi天线阵。
Vivaldi天线阵包括m×n个Vivaldi天线单元，m代表行，n代表列，每列Vivaldi 天线单元均通过一个过孔与介质基板背面的超宽带功分网络耦合连接。Vivaldi天线单元采用指数函数y＝C1e(αx)+C2进行开口。Vivaldi天线单元间距在0.5λ0～λ0之间，λ0为工作中心频段的真空波长。超宽带功分网络包括m×n个馈电端口激励，且馈电端口激励采用k节四分之一波长微带枝节进行匹配，k越大其工作带宽越宽。馈电端口激励为扇形结构。
如图1、图2(a)-(c)所示，本实施例的一种基于数字编码超宽带天线阵，以m＝1,n＝8 为例；即1行8列。分别由1×8超宽带功分网络和8个Vivaldi天线单元组成了一维端射天线阵。包括1×8排布的Vivaldi天线单元1，其中1×8分别为Vivaldi天线单元1 的行数和列数；通过超宽带功分网络2为天线阵提供馈电，介质基板背面还设置有超宽带功分网络的金属地6，材质均为铜，超宽带功分网络2由一路分为八路，所有分路的位置处均采用3节切比雪夫方法四分之一波长微带枝节7进行阻抗匹配；3为介质基板，为上下两层提供支撑；电磁波信号经过超宽带功分网络2末端的扇形结构4通过过孔5 从下层往上层耦合至Vivaldi天线单元1。通过左右旋转180°调整超宽带功分网络2末端的扇形结构4，形成180°相差的两种不同转态，与初始状态相差180°状态用数码“1”表示。每个超宽带功分网络2末端的扇形结构4代表一列Vivaldi天线单元，8为一对编码“0”和“1”单元。例如通过超宽带功分网络2的扇形结构4对奇数列1、3、5、7 列朝同一方向表示编码“0”，对偶数列2、4、6、8列方向旋转180°表示编码“1”，从而形成1Bit数字编码，达到对超宽带双波束高精度扫描。
本实施例中，介质基板型号为FR4B，为上下层提供支撑；Vivaldi天线单元开口为函数y＝C1e(αx)+C2，材质为金属铜。
如图1所示，本实施例中，一种基于数字编码超宽带天线阵包括1×8个Vivaldi天线单元1；如图2(a)-(c)所示，每个Vivaldi天线单元1由1分8超宽带功分网络2 末端的扇形结构4进行上下耦合馈电。
通过改变超宽带功分网络末端的扇形结构4的方向形成180°馈电电流相位差，即01编码状态，即结构8；依次为“10101010”；为了验证本发明所设计的一种基于数字编码超宽带天线阵可行性，通过数值仿真CST软件进行了仿真和微波暗室测试。如图3为仿真和测试一种基于数字编码超宽带天线阵的S参数，可以看到在4～10GHz 超宽带频段内，S11均在-10dB以下，满足设计与使用要求。如图4(a)为一种基于数字编码超宽带天线阵“10101010”的二维远场高精度频扫双波束方向图结果，在4～10GHz 分裂为两个均匀大小的波束；如图4(b)为实测二维编码方向图，实线表示的仿真结果吻合良好，进一步验证了一种基于数字编码超宽带天线阵技术的可行性和正确性。
本发明通过超宽带功分网络末端的扇形结构耦合电磁波至Vivaldi天线单元，改变超宽带功分网络末端的扇形结构方向，使其馈入Vivaldi天线电流方向相反，实现一比特超宽带数字编码。该天线阵工作在一个宽带4～10GHz，相对带宽达到了85.7％，并且回波反射系数S11均在-10dB以下。解决了现有数字式天线阵带宽不足，控制馈电网络复杂等问题，降低系统设计的复杂度，具有超宽带、成本低、质量轻、损耗小、低剖面、耐腐蚀、高增益、设计简单、波束角度频率扫描精度高等优点，在雷达，无线卫星通信，全息成像等方面都有十分巨大的应用前景。

Claims (8)

1.一种基于数字编码超宽带天线阵，其特征在于：包括介质基板、Vivaldi天线阵、超宽带功分网络和超宽带功分网络的金属地，其中，Vivaldi天线阵和超宽带功分网络的金属地位于介质基板上表面，超宽带功分网络位于介质基板下表面，超宽带功分网络通过过孔与Vivaldi天线阵连接，并将电磁波耦合至Vivaldi天线阵。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字编码超宽带天线阵，其特征在于：Vivaldi天线阵包括m×n个Vivaldi天线单元，m代表行，n代表列，每列Vivaldi天线单元均通过一个过孔与介质基板背面的超宽带功分网络耦合连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于数字编码超宽带天线阵，其特征在于：Vivaldi天线单元采用指数函数y＝C1e(αx)+C2进行开口。
4.根据权利要求2所述的一种基于数字编码超宽带天线阵，其特征在于：Vivaldi天线单元间距在0.5λ0～λ0之间，λ0为工作中心频段的真空波长。
5.根据权利要求1所述的一种基于数字编码超宽带天线阵，其特征在于：超宽带功分网络包括m×n个馈电端口激励，且馈电端口激励采用k节四分之一波长微带枝节进行匹配，k越大其工作带宽越宽。
6.根据权利要求5所述的一种基于数字编码超宽带天线阵，其特征在于：馈电端口激励为扇形结构。
7.根据权利要求1所述的一种基于数字编码超宽带天线阵，其特征在于：介质基板型号为FR4B，为上下两层提供支撑。
8.一种权利要求1-7任一项所述基于数字编码超宽带天线阵的高精度双波束扫描方法，其特征在于，在工作设计频段内，改变每个超宽带功分网络末端的扇形结构方向，使馈入耦合Vivaldi天线单元端口的电流相位反相，此时与不改变超宽带功分网络末端的扇形结构方向的Vivaldi天线单元会呈现180°的两种不同转态；假定，不改变超宽带功分网络末端的扇形结构方向用数字“0”表示，改变超宽带功分网络末端的扇形结构方向用数字“1”表示，通过“0”与“1”两种数字进行一比特编码，从而实现双波束高精度扫描。
CN202010086718.2A 2020-02-11 2020-02-11 一种基于数字编码超宽带天线阵及其高精度双波束扫描方法 Active CN111276804B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010086718.2A CN111276804B (zh) 2020-02-11 2020-02-11 一种基于数字编码超宽带天线阵及其高精度双波束扫描方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010086718.2A CN111276804B (zh) 2020-02-11 2020-02-11 一种基于数字编码超宽带天线阵及其高精度双波束扫描方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111276804A true CN111276804A (zh) 2020-06-12
CN111276804B CN111276804B (zh) 2022-09-23

Family

ID=71003754

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010086718.2A Active CN111276804B (zh) 2020-02-11 2020-02-11 一种基于数字编码超宽带天线阵及其高精度双波束扫描方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111276804B (zh)

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2079131A1 (fr) * 2008-01-11 2009-07-15 THOMSON Licensing Perfectionnement aux antennes planaires comportant au moins un élément rayonnant de type fente à rayonnnement longitudinal
CN104659482A (zh) * 2015-03-09 2015-05-27 西北工业大学 一种方向图对称的vivaldi天线阵列
CN105428825A (zh) * 2015-11-17 2016-03-23 复旦大学 一种基于超表面的变极化多功能微带阵天线
CN107645049A (zh) * 2017-08-16 2018-01-30 电子科技大学 一种超宽带平面相控阵天线及其波束扫描方法
CN108493625A (zh) * 2018-03-12 2018-09-04 电子科技大学 改进型低剖面低散射强耦合超宽带相控阵
CN108808227A (zh) * 2018-08-14 2018-11-13 中国电子科技集团公司第三十八研究所 一种双极化超宽带宽角扫描Vivaldi天线阵列
CN109088175A (zh) * 2018-08-06 2018-12-25 钟祥博谦信息科技有限公司 一种空间探测用Vivaldi宽带天线阵列系统
CN110148838A (zh) * 2019-04-29 2019-08-20 东南大学 一种基于数字编码表征的方向图可重构平面阵列天线及其控制方法
CN110718757A (zh) * 2019-10-18 2020-01-21 西安电子科技大学昆山创新研究院 一种用于安防领域的新型宽角高增益覆盖安防雷达天线
CN110767999A (zh) * 2019-09-23 2020-02-07 上海航天电子有限公司 一种一比特数字编码天线单元以及数字式相控阵天线系统

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2079131A1 (fr) * 2008-01-11 2009-07-15 THOMSON Licensing Perfectionnement aux antennes planaires comportant au moins un élément rayonnant de type fente à rayonnnement longitudinal
CN104659482A (zh) * 2015-03-09 2015-05-27 西北工业大学 一种方向图对称的vivaldi天线阵列
CN105428825A (zh) * 2015-11-17 2016-03-23 复旦大学 一种基于超表面的变极化多功能微带阵天线
CN107645049A (zh) * 2017-08-16 2018-01-30 电子科技大学 一种超宽带平面相控阵天线及其波束扫描方法
CN108493625A (zh) * 2018-03-12 2018-09-04 电子科技大学 改进型低剖面低散射强耦合超宽带相控阵
CN109088175A (zh) * 2018-08-06 2018-12-25 钟祥博谦信息科技有限公司 一种空间探测用Vivaldi宽带天线阵列系统
CN108808227A (zh) * 2018-08-14 2018-11-13 中国电子科技集团公司第三十八研究所 一种双极化超宽带宽角扫描Vivaldi天线阵列
CN110148838A (zh) * 2019-04-29 2019-08-20 东南大学 一种基于数字编码表征的方向图可重构平面阵列天线及其控制方法
CN110767999A (zh) * 2019-09-23 2020-02-07 上海航天电子有限公司 一种一比特数字编码天线单元以及数字式相控阵天线系统
CN110718757A (zh) * 2019-10-18 2020-01-21 西安电子科技大学昆山创新研究院 一种用于安防领域的新型宽角高增益覆盖安防雷达天线

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
WEI XIANG JIANG等: "Low-profile coding microstrip antenna arrays", 《2018 IEEE ASIA-PACIFIC CONFERENCE ON ANTENNAS AND PROPAGATION (APCAP)》 *
YAZHOU WANG等: "Ultra-wideband Vivaldi arrays for see-through-wall imaging radar applications", 《2009 IEEE ANTENNAS AND PROPAGATION SOCIETY INTERNATIONAL SYMPOSIUM》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN111276804B (zh) 2022-09-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111769359B (zh) 一种基于数字编码液晶THz超表面天线及其波束重构方法
Zhang et al. Electronically radiation pattern steerable antennas using active frequency selective surfaces
US20040227667A1 (en) Meta-element antenna and array
CN111585028B (zh) 一种数字编码全息天线及其调控方法
CN111817001B (zh) 一种Ka波段基于液晶反射式移相器的1×4平面相控阵
CN109755757A (zh) 基于亚波长单层反射单元的宽带编码折叠反射阵天线
CN110911830B (zh) 无源频率扫描Fabry-Perot谐振腔天线
CN112701495B (zh) 基于强耦合效应的锥台载二维共形低散射超宽带相控阵
CN115579649A (zh) 具有低成本和低剖面的二维宽角扫描可编程比特阵列天线
Bansal et al. Millimeter-wave beam steerable slot array antenna using an inter-digitated capacitor based corrugated SIW
CN113594680A (zh) 一种圆极化倍频程超宽带天线单元及阵列
Akbar et al. Use of subarrays in linear array for improving wide angular scanning performance
Kapusuz et al. Millimeter wave phased array antenna for modern wireless communication systems
CN110165406B (zh) 一种方向图可重构天线单元及相控阵
CN111276804B (zh) 一种基于数字编码超宽带天线阵及其高精度双波束扫描方法
CN115084872B (zh) 一种超宽带宽扫描角紧耦合相控阵天线
CN114282432B (zh) 基于遗传算法的多频带漫散射可激励编码超构表面系统
CN113067139B (zh) 基于非周期性分布电阻加载的低散射超宽带共形相控阵
Merola et al. Massive MIMO beamforming on a chip
Liao et al. Unequally spaced resonant slotted-waveguide antenna array based on the infinite wavelength propagation property of composite right/left-handed waveguide
CN212412210U (zh) 一种数字编码全息天线
Sangmahamd et al. A Metasurface-Based Electronically Reconfigurable and Dual-Polarized Reflectarray Antenna for Beam-Steering Applications
CN113506995A (zh) 一种适用于平面波的单波束调控超表面
Shehata et al. Design of a beam-steering metamaterial inspired LPDA array for 5G applications
Elmansouri et al. Wide-Angle Flattened Luneburg Lens for Millimeter-Wave Beam Steering Applications

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant