CN111478028A - 一种ka波段低剖面透射阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种ka波段低剖面透射阵列天线，从下至上依次包括用于发射定向波束的贴片阵列和发射扫描波束的透射阵列，所述透射阵列由受编码单元控制的多个透射单元构成，所述编码单元用于对透射单元进行编码以改变透射单元相位，多个透射单元组合得到透射阵列后对应生成不同方向的照射波束；在所述贴片阵列底部设有功分馈电网络，通过所述功分馈电网络馈电以使贴片阵列口面发射平面波；贴片阵列向透射阵列发射定向波束，定向波束的传播方向由透射阵列中所有透射单元的编码决定。

Description

一种ka波段低剖面透射阵列天线
技术领域
本发明公开了一种ka波段低剖面可编程透射阵列天线，属于阵列天线技术领域。
背景技术
随着雷达技术的发展及电子设备集成度的提高，天线已经成为雷达系统中组成最为复杂、重量占比最大的单元，特别是机载雷达，随着技术发展已从机械扫描天线发展为相控阵天线以及机相扫天线。它们对于天线的体积和重量有极高的要求，这就要求系统复杂度要尽量简单。而相控阵天线由天线辐射单元、移相器、馈电网络、波束控制器和控制电路组成，其系统复杂度较高且体积占比仍然较大，难以实现小型化设计，对于诸如无人机等小型设备来说，不利于装配应用实现轻量化设计。
发明内容
本发明的目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种ka波段低剖面可编程透射阵列天线。
技术方案：本发明公开了一种ka波段低剖面透射阵列天线，从下至上依次包括用于发射定向波束的贴片阵列和发射扫描波束的透射阵列，所述透射阵列由受编码单元控制的多个透射单元构成，所述编码单元用于对透射单元进行编码以改变透射单元相位，多个透射单元组合得到透射阵列后对应生成不同方向的照射波束；在所述贴片阵列底部设有功分馈电网络，通过所述功分馈电网络馈电以使贴片阵列口面发射平面波；贴片阵列向透射阵列发射定向波束，定向波束的传播方向由透射阵列中所有透射单元的编码决定。
进一步的，所述透射阵列封装于贴片阵列的正上方，且两者之间存在间距。
进一步的，所述编码单元由两个二极管构成，通过对每个二极管的开关状态以改变透射单元相位。
进一步的，所述透射单元从上至下依次包括传输层、传输层介质、偏置层、固化片层、金属地、接收层介质和接收层，在所述传输层和接收层上设有馈电点，所述馈电点通过金属柱分别与偏置层和金属地连接。
进一步的，采用第一金属柱连接传输层和偏置层，采用第二金属柱连接接收层和金属地，采用第三金属柱贯穿整个透射单元连接传输层和接收层。
进一步的，采用第四金属柱贯穿通过接收层介质、金属地和固化片层连接偏置层和微带线。
进一步的，所述贴片阵列包括多个贴片单元，所述贴片单元从上至下依次包括金属贴片层、第一介质层、金属层、第二介质层和微带线，在所述金属贴片层上设有馈电点，所述馈电点通过一金属柱与微带线电连接，贴片单元通过微带线与功分馈电网络相连。
进一步的，所述功分馈电网络依据阻抗串并原理和1/4波长阻抗变换器工作原理设计得到。
有益效果：本发明的一种ka波段低剖面可编程透射阵列天线的贴片阵列用于产生定向波束，透射阵列置于微带贴片阵列上方，用于调控贴片阵列产生的定向波束，实现波束扫描功能，本发明的贴片阵列采用底部同轴馈电的方式，由底部的功分网络对每个贴片单元进行馈电，功分网络保证每个贴片单元的激励信号等幅同相，从而产生定向波束；每个透射单元集成了二个二极管，控制二极管的通断状态，可以控制透射单元的电磁响应状态，通过适当的设计所有透射单元的状态分布，即可实现波束的扫描控制；本发明通过对功分网络的设计能有效解决天线阵元互耦现象，实现定向对透射阵馈电，简化编码问题；本发明的透射阵列的厚度较薄，同时能通过对二极管编码实现波束扫描，以上结构可使本发明的封装实现小型化设计。
附图说明
图1为本发明的贴片单元结构示意图；
图2为本发明的透射单元结构示意图；
图3为本发明的贴片阵列的正面示意图；
图4为本发明的贴片阵列的反面示意图；
图5为本发明的贴片阵列的反射损耗仿真结果；
图6为本发明的贴片阵列的方向图极坐标形式示意图；
图7为本发明的贴片阵列的方向图二维形式示意图；
图8为本发明的贴片阵列的方向图三维形式示意图；
图9为本发明通过编码来生成不同方向的照射波束的分析图；
图10为本发明的阵列天线结构示意图；
图11为本发明的采用matlab仿真30度波束时的编码示意图；
图12为本发明的反射损耗示意图；
图13为本发明的极坐标方向图；
图14为本发明的二维方向图；
图15为本发明的三维方向图。
具体实施方式
现结合附图和实施例进一步阐述本发明的技术方案。
如图10所示，本实施例的一种ka波段低剖面可编程透射阵列天线从下至上依次包括用于发射定向波束的贴片阵列1和发射扫描波束的透射阵列2，透射阵列2封装于贴片阵列1的正上方，且两者之间具有一定距离。本实施例的透射阵列2由受编码单元控制的多个透射单元21构成，该编码单元用于对透射单元21进行编码以改变透射单元21相位，多个透射单元21组合得到透射阵列2后对应生成不同方向的照射波束，在一些实施例中，编码单元采用两个二极管集成在透射单元21上，通过对每个二极管的开关状态以改变透射单元21相位。在一些实施例中，参见图2，该透射单元21从上至下依次包括传输层211、传输层介质212、偏置层213、固化片层214、金属地215、接收层介质216和接收层217，在传输层211和接收层217上设有馈电点，馈电点通过金属柱分别与偏置层213和金属地215连接，具体的，采用第一金属柱a连接传输层212和偏置层213，采用第二金属柱b连接接收层217和金属地215，采用第三金属柱c贯穿整个透射单元连接传输层211和接收层217，采用第四金属柱d贯穿通过接收层介质216、金属地215和固化片层214连接偏置层213和微带线。在一些实施例中，参见图1、图3和图4，贴片阵列1包括多个贴片单元11，该贴片单元11从上至下依次包括金属贴片层111、第一介质层112、金属层113、第二介质层114和微带线，在金属贴片层111上设有馈电点，具体可依据中心频率设计其尺寸以及馈电点位置，该馈电点通过一金属柱与微带线电连接，依据微带线特性阻抗计算方法设计微带线的宽度，功分馈电网络设置在贴片单元底部，多个贴片单元11均通过微带线与功分馈电网络相连，实现等幅同相馈电。
本实施例通过设计透射单元的结构尺寸以及编码二极管的开关状态，并通过设计功分馈电网络，使得贴片阵列发射平面波激励透射阵列，同时透射阵列通过设计好的编码实现发射设计相位方向的波束，本实施例可通过周期性改变透射阵列超表面的编码，辐射波束的指向将会随之发生改变，实现波束扫描。本实施例的功分馈电网络依据阻抗串并原理和1/4波长阻抗变换器工作原理设计得到。图5为本实施例的贴片阵列的反射损耗S11仿真结果，观察可知在Ka波段其反射损耗小于-20dB，拥有良好的馈电性能。图6为贴片阵列的方向图极坐标形式，图7为贴片阵列的方向图二维形式，图8为贴片阵列的方向图三维形式，观察可知该天线主瓣增益大于20dB且副瓣较低，拥有良好的波束定向性。
参见图9，本实施例的透射阵列口面通过编码来生成不同方向的照射波束，由于贴片阵列发射平面波，与透射阵列接收的激励等幅同相，假定原点相位设置为0，扫描方向为
Figure BDA0002440122950000031
则位置矢量为
Figure BDA0002440122950000032
的单元的理论相位由下式计算：
Figure BDA0002440122950000033
本实施例使用的透射阵列超表面为1bit，故根据式(1)计算得到的相位按照就近原则归为0°或180°，即编码为0或1，由此得到每个二极管的开关状态。
以扫描波束转向30°为例，通过matlab仿真30°波束时的编码如图11所示，本实施例的可编程透射阵列天线的反射损耗S11如图12所示，由图可知在Ka波段下该天线的反射损耗小于-20dB，非常满足应用条件。其极坐标方向图如图13所示，二维方向图如图14所示，三维方向图如图15所示。根据该天线方向图可看出波束主瓣明显，有良好的定向性。

Claims (8)

1.一种ka波段低剖面透射阵列天线，其特征在于：从下至上依次包括用于发射定向波束的贴片阵列和发射扫描波束的透射阵列，所述透射阵列由受编码单元控制的多个透射单元构成，所述编码单元用于对透射单元进行编码以改变透射单元相位，多个透射单元组合得到透射阵列后对应生成不同方向的照射波束；在所述贴片阵列底部设有功分馈电网络，通过所述功分馈电网络馈电以使贴片阵列口面发射平面波；贴片阵列向透射阵列发射定向波束，定向波束的传播方向由透射阵列中所有透射单元的编码决定。
2.根据权利要求1所述的一种ka波段低剖面透射阵列天线，其特征在于：所述透射阵列封装于贴片阵列的正上方，且两者之间存在间距。
3.根据权利要求1所述的一种ka波段低剖面透射阵列天线，其特征在于：所述编码单元由两个二极管构成，通过对每个二极管的开关状态以改变透射单元相位。
4.根据权利要求1所述的一种ka波段低剖面透射阵列天线，其特征在于：所述透射单元从上至下依次包括传输层、传输层介质、偏置层、固化片层、金属地、接收层介质和接收层，在所述传输层和接收层上设有馈电点，所述馈电点通过金属柱分别与偏置层和金属地连接。
5.根据权利要求4所述的一种ka波段低剖面透射阵列天线，其特征在于：采用第一金属柱连接传输层和偏置层，采用第二金属柱连接接收层和金属地，采用第三金属柱贯穿整个透射单元连接传输层和接收层。
6.根据权利要求5所述的一种ka波段低剖面透射阵列天线，其特征在于：采用第四金属柱贯穿通过接收层介质、金属地和固化片层连接偏置层和微带线。
7.根据权利要求1所述的一种ka波段低剖面透射阵列天线，其特征在于：所述贴片阵列包括多个贴片单元，所述贴片单元从上至下依次包括金属贴片层、第一介质层、金属层、第二介质层和微带线，在所述金属贴片层上设有馈电点，所述馈电点通过一金属柱与微带线电连接，该贴片单元通过微带线与功分馈电网络相连。
8.根据权利要求1或7所述的一种ka波段低剖面透射阵列天线，其特征在于：所述功分馈电网络依据阻抗串并原理和1/4波长阻抗变换器工作原理设计得到。
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