CN111478029A - 一种辐射式阵列天线及电磁波辐射方向控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种辐射式阵列天线及电磁波辐射方向控制方法，包括由可编程贴片单元所组成的天线辐射口面和微带功分馈电网络；所述天线辐射口面中的每个贴片单元集成两个开关二极管，所述微带功分馈电网络置于贴片单元下方，用于对天线口面进行激励，使开关二极管导通或关断，通过设计贴片单元的编码分布和开关二极管的开关状态编码，使Ka波段低剖面可编程辐射式阵列天线发射指定相位方向的波束。

Description

一种辐射式阵列天线及电磁波辐射方向控制方法
技术领域
本发明公开了一种Ka波段低剖面可编程辐射式阵列天线及电磁波辐射方向控制方法，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：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波段低剖面可编程辐射式阵列天线及电磁波辐射方向控制方法。
技术方案：本发明公开了一种辐射式阵列天线，包括由可编程贴片单元所组成的天线辐射口面和微带功分馈电网络；所述天线辐射口面中的每个贴片单元集成两个开关二极管，所述微带功分馈电网络置于贴片单元下方，用于对天线口面进行激励，使开关二极管导通或关断，通过设计贴片单元的编码分布和开关二极管的开关状态编码，使Ka 波段低剖面可编程辐射式阵列天线发射指定相位方向的波束。
进一步的，所述贴片单元为辐射式贴片单元。
进一步的，所述贴片单元为微带线的馈电结构，其从上至下依次包括金属贴片、第一介质层、金属地层、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微带功分馈电网络相连。
进一步的，所述金属柱贯穿贴片单元的各层设置在贴片单元内部。
进一步的，所述微带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。
本发明还公开了一种电磁波辐射方向控制方法，包括以下步骤：
步骤1：指定辐射的相位方向，采用Matlab对贴片单元表面的开关二极管的排布进行编码；
步骤2：根据指定辐射的相位方向，对开关二极管的开关状态进行编码；
步骤3：根据步骤2的开关状态编码，采用微带功分馈电网络对天线口面进行激励，使开关二极管导通或关断，实现发射指定相位方向的波束。
进一步的，在执行步骤3之前，还包括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微带功分馈电网络。
进一步的，通过周期性改变贴片单元表面的开关二极管的排布编码和开关二极管的开关状态编码，实现波束扫描。
有益效果：本发明将开关二极管集成于辐射式贴片单元上，通过控制所有贴片单元的编码分布，可以直接控制天线的辐射波的传播方向，实现了天线波束的电子扫描。这种体制无需为每个辐射式贴片单元配置一个单独的收发通道，极大地降低了系统成本。此外，由于开关二极管直接于辐射式贴片单元集成，使得整个贴片阵列天线的剖面极低，有利于整个系统在实际应用场景中的使用。
附图说明
图1为本发明的贴片天线单元结构示意图；
图2为本发明的贴片天线阵列模型的结构示意图；
图3为本发明贴片阵列的整体反射损耗S11的仿真结果图；
图4为本发明贴片阵列的方向图极坐标形式仿真结果图；
图5为本发明贴片阵列的方向图二维形式仿真结果图；
图6为本发明贴片阵列的方向图三维形式仿真结果图；
图7为波束扫描原理图；
图8为10度角波束偏折Matlab编码图；
图9为10度偏折下的S11损耗图；
图10为10度偏折下的极坐标方向图；
图11为10度偏折下的二维方向图；
图12为10度偏折下的三维方向图；
图13为30度角波束偏折Matlab编码图；
图14为30度偏折下的S11损耗图；
图15为30度偏折下的极坐标方向图；
图16为30度偏折下的二维方向图；
图17为30度偏折下的三维方向图；
图18为50度角波束偏折Matlab编码图；
图19为50度偏折下的S11损耗图；
图20为50度偏折下的极坐标方向图；
图21为50度偏折下的二维方向图；
图22为50度偏折下的三维方向图。
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。
实施例1：
如图1和图2所示，本实施例公开了一种Ka波段低剖面可编程辐射式阵列天线包括由可编程贴片单元所组成的天线辐射口面和微带功分馈电网络，该天线辐射口面中的每个贴片单元1集成了两个开关二极管，微带功分馈电网络置于贴片单元1下方，对天线口面进行激励，使开关二极管导通或关断，通过设计贴片单元1的编码分布和开关二极管的开关状态编码，使Ka波段低剖面可编程辐射式阵列天线实现对电磁波辐射方向的控制。
本实施例的贴片单元1为辐射式贴片单元，具体的，该贴片单元1为微带线的馈电结构，其从上至下依次包括金属贴片11、第一介质层12、用于隔离介质层以及改变电压的金属地层13和第二介质层14，采用金属柱15贯穿整个贴片天线单元1以使贴片天线单元的馈电点16与微带线17相连；根据需要的工作频率来设计金属贴片11的尺寸及馈电位置，多个贴片单元1构成正方形的天线辐射口面；该微带功分馈电网络依据阻抗串并联变换原理和1/4波长阻抗变换器工作原理设计得到，用于连接各个贴片单元的微带线，实现等幅同相馈电。
对本实施例的阵列天线进行仿真，具体仿真结果如图3至图6所示，从仿真结果可知，本实施例的阵列天线可以正常工作。
实施例2：
在实施例1的基础上，本实施例提出了一种电磁波辐射方向控制方法，具体包括以下步骤：
步骤1：根据指定辐射的相位方向，采用Matlab对贴片单元表面的开关二极管的排布进行编码；
步骤2：根据指定辐射的相位方向，编码开关二极管的开关状态；
步骤3：根据步骤2的开关状态编码，采用微带功分馈电网络对天线口面进行激励，使开关二极管导通或关断，实现发射指定相位方向的波束。
在执行上述步骤之前，需根据实施例1的阵列天线设计贴片单元的结构、各参数的尺寸，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微带功分馈电网络。
通过对天线辐射口面进行编码实现不同方向的波束扫描，由于微带功分馈电网络与天线辐射口面直接相连，故天线辐射口面接收的激励等幅同相。参见图7假定原点相位设置为0，扫描方向为
Figure RE-GDA0002527987610000031
则位置矢量为
Figure RE-GDA0002527987610000032
的单元的理论相位由下式计算：
Figure RE-GDA0002527987610000033
式中，k为自由空间的传播常数。
本实施例中使用的辐射超表面为1bit，通过式(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，构成开关二极管的开关状态编码，0°归为编码0为二极管关闭状态，180°归为编码1为二极管导通状态。
本实施例通过Matlab对贴片单元表面的开关二极管排布的编码，来实现不同方向的波束扫描。
图8为10度角波束偏折Matlab编码图，由图9至图12可知，采用图8所示的编码图能够实现10度角波束发射。图13为30度角波束偏折Matlab编码图，由图14至图 17可知，采用图13所示的编码图能够实现30度角波束发射。图18为50度角波束偏折 Matlab编码图，由图19至图22可知，采用图18所示的编码图能够实现50度角波束发射。
实施例3：
本实施例在实施例1的基础上，通过周期性改变贴片单元表面的开关二极管的排布编码和开关二极管的开关状态编码，实现波束扫描。

Claims (8)

1.一种辐射式阵列天线，其特征在于：包括由可编程贴片单元所组成的天线辐射口面和微带功分馈电网络；所述天线辐射口面中的每个贴片单元集成两个开关二极管，所述微带功分馈电网络置于贴片单元下方，用于对天线口面进行激励，使开关二极管导通或关闭，通过设计贴片单元的编码分布和开关二极管的开关状态编码，使Ka波段低剖面可编程辐射式阵列天线发射指定相位方向的波束。
2.根据权利要求1所述的一种辐射式阵列天线，其特征在于：所述贴片单元为辐射式贴片单元。
3.根据权利要求1所述的一种辐射式阵列天线，其特征在于：所述贴片单元为微带线的馈电结构，其从上至下依次包括金属贴片、第一介质层、金属地层、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微带功分馈电网络相连。
4.根据权利要求3所述的一种辐射式阵列天线，其特征在于：所述金属柱贯穿贴片单元的各层设置在贴片单元内部。
5.根据权利要求1所述的一种辐射式阵列天线，其特征在于：所述微带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。
6.基于权利要求1至5任意一项所述的一种辐射式阵列天线的电磁波辐射方向控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：指定辐射的相位方向，采用Matlab对贴片单元表面的开关二极管的排布进行编码；
步骤2：根据指定辐射的相位方向，对开关二极管的开关状态进行编码；
步骤3：根据步骤2的开关状态编码，采用微带功分馈电网络对天线口面进行激励，使开关二极管导通或关断，实现发射指定相位方向的波束。
7.根据权利要求6所述的电磁波辐射方向控制方法，其特征在于：在执行步骤3之前，还包括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微带功分馈电网络。
8.基于权利要求6所述的电磁波辐射方向控制方法，其特征在于：通过周期性改变贴片单元表面的开关二极管的排布编码和开关二极管的开关状态编码，实现波束扫描。
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