CN111490351B - 一种多bit位量化的数字相控阵天线 - Google Patents

一种多bit位量化的数字相控阵天线 Download PDF

Info

Publication number
CN111490351B
CN111490351B CN202010190666.3A CN202010190666A CN111490351B CN 111490351 B CN111490351 B CN 111490351B CN 202010190666 A CN202010190666 A CN 202010190666A CN 111490351 B CN111490351 B CN 111490351B
Authority
CN
China
Prior art keywords
degree phase
phase shift
shift unit
layer
unit layer
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.)
Expired - Fee Related
Application number
CN202010190666.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111490351A (zh
Inventor
王鹏程
朱劼
叶明星
王正斌
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.)
Nanjing Xingteng Communication Technology Co ltd
Original Assignee
Nanjing Xingteng Communication Technology Co ltd
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 Nanjing Xingteng Communication Technology Co ltd filed Critical Nanjing Xingteng Communication Technology Co ltd
Priority to CN202010190666.3A priority Critical patent/CN111490351B/zh
Publication of CN111490351A publication Critical patent/CN111490351A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111490351B publication Critical patent/CN111490351B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • 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
    • 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
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0006—Particular feeding systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/30—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array
    • H01Q3/34—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means
    • H01Q3/36—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means with variable phase-shifters
    • H01Q3/38—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means with variable phase-shifters the phase-shifters being digital

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

本发明涉及一种多bit位量化的数字相控阵天线，包括矩阵排布的多个天线子阵，以及设置在天线子阵下方的多个馈电结构层，每个所述馈电结构层对相邻的多个天线子阵馈电，每个天线子阵只接收一个馈电结构层的馈电，所述天线子阵从上到下依次包括180°相移单元层，90°相移单元层和45°相移单元层，所述180°相移单元层和90°相移单元层、90°相移单元层和45°相移单元层依次通过各自的金属通孔结构连接。本发明通过上下层叠、级联的方式集成了三个开关移相器（其中辐射层同时也能实现相移功能），既实现了3bit量化数字的相位控制，又有效降低了级联损耗。

Description

一种多bit位量化的数字相控阵天线
技术领域
本发明涉及一种多bit位量化的数字相控阵天线，属于相控阵天线技术领域。
背景技术
无线通信技术的快速发展极大便利了人们的生活，同时也刺激了更多的创新应用，使得人们对数据业务的需求不断增加。下一代移动通信无线技术将进一步把地面无线通信网络与星载天基宽带全球移动互联网络相结合，达到全域覆盖、全时可用。其中，低轨道（Low Earth Orbit, LEO)卫星星座已经成为大国无线通信技术竞争的又一个重要领域。例如，美国SpaceX公司提出了星链计划，中国航天科技集团提出了鸿雁星座计划，中国航天科工集团则给出了虹云工程计划。
星通信系统的核心技术之一就是天线技术，卫星天线的形式包括反射面天线、平板波导阵列天线、透镜天线（Lens antenna）和有源相控阵天线等。在地面上要跟踪快速运动的低轨道卫星，尤其是在地面上高速移动的载体上保证通信质量，不仅仅要求天线有很高的增益，同时要求系统有极高的寻星速度和对星精度。传统的反射面天线的主要缺点是体积和重量较大，高速移动状态下风阻很大、对星速度慢；平板波导阵列天线和透镜扫描天线也都依赖于相应的机械伺服系统，难以做到极低剖面和极轻重量。
相控阵卫星天线是从雷达天线设计技术延伸出来的天线实现技术，是用电子方法实现天线波束指向在空间转动或扫描。相控阵卫星天线的外形结构可根据运动平台要求进行设计, 高度极低，响应速度快，辐射波束可赋形, 满足各种辐射方向图设计要求。但因为要用到调幅调相的发射/接收（T/R）组件，技术复杂，实现成本相对最高。
目前的相控阵卫星天线有全模拟相控阵、全数字相控阵，以及模拟和数字混合的天线子阵架构。其中，全模拟相控阵的每个天线单元仅支持模拟调幅和调相，移相值可在0°～360°范围内连续变化，而模拟调幅和调相采用逐步扫描的方式来对齐目标，实际过程既耗时且精度又低。全数字相控阵的每个天线单元都接有数模转换(Digital to AnalogConverter，DAC)和模数转换(Analog to Digital Converter，ADC)单元，在数字域实现天线单元的调幅和调相，能够实现快速连续扫描。数字式移相器的移相值是跃变的，只能是360°/(2^n)的整数倍，其中n即是数字式移相器的位数（bit数），扫描精度与bit位数密切相关。数字位数越高，扫描精度越高，相应的DAC、ADC单元的成本也越高，因此，全数字相控阵的成本很高。模拟和数字混合的卫星天线子阵架构综合了全模拟相控阵和全数字相控阵的优点，将若干模拟调幅调相的天线单元组成一个子阵，然后在子阵上基础上再用T/R组件实现幅度和相位的调节，若干个这样的子阵再构成总的天线阵列。但该方案存在子阵的模拟部分会被统一的T/R组件数字部分影响的问题，有可能导致天线阵列方向图出现严重栅瓣。另外，模拟部分的权重设置完成后，T/R数字部分无法准确估计目标信号和干扰信号的方向，从而难以达到很好的干扰抑制效果。华为技术有限公司在2017年的PCT专利(WO/2017/066903)中公开了一种模拟数字混合阵列天线，该阵列天线的每个空间的维度上包括至少三个天线单元，每一天线单元分别与一个对应的模拟收发通道连接，相邻的天线单元与一个对应的子数字接收通道连接。该方案在扫描精度、干扰抑制方面有很大进步，但是技术复杂度更高，成本也更高。2015年中国发明专利CN104716418 A公开了一种基于十字形PIN二极管的可编程控制的可重构天线，包括伺服电路、可编程直流偏置电压源，以及天线阵，实现了可编程控制的频率可重构、方向图可重构，以及可编程控制的直线阵或平面阵天线。该方案利用二极管的通断实现了天线有效长度或有效面积的改变，但是无法实现相控阵天线的波束连续扫描功能。华为技术有限公司在2017年的中国发明专利CN 106684562 A公开了一种可重构天线，包括馈电层和两层介质板，其主要贡献是通过寄生单元、寄生贴片，以及开关组件实现了更好的单元隔离度，但其只实现了频率及方向图的小范围内可重构。清华大学的发明专利CN 106848588 A公开了一种基于数字相控电磁表面的相控阵天线，包括进行空馈的馈源天线和数字相控电磁表面，数字控制器件集成在辐射表面上，但其只能实现0°/180°的1bit的数字切换，相位调控精度不足以支持精确的波束扫描。厦门大学的发明专利CN 107565228 A公开了一种基于FPGA控制的计划可编程天线与设计方案，包括圆形辐射贴片和可切换馈电网络，通过控制馈电网络中7个PIN管的通断实现天线的极化方向调控，但是不能实现波束方向调控。
综上所述，传统的全模拟阵列和全数字阵列天线在成本或者扫描精度方面不尽人意，而混合模拟和数字子阵架构也在干扰抑制方面存在问题，因此，设计出成本、扫描精度、干扰抑制方面都更优的阵列天线，是目前亟待解决的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种多bit位量化的数字相控阵天线，尤其适用于固定或者移动载体（如车载、机载、船载等）装配的卫星通信天线，其具体技术方案如下：
一种多bit位量化的数字相控阵天线，包括矩阵排布的多个天线子阵，以及设置在天线子阵下方的多个馈电结构层，每个所述馈电结构层对相邻的多个天线子阵馈电，每个天线子阵只接收一个馈电结构层的馈电，所述天线子阵从上到下依次包括180°相移单元层，90°相移单元层和45°相移单元层，所述180°相移单元层和90°相移单元层、90°相移单元层和45°相移单元层依次通过各自的金属通孔结构连接。
进一步的，所述90°相移单元层朝向45°相移单元层一侧形成空气腔Ⅰ，所述45°相移单元层朝向90°相移单元层一侧形成空气腔Ⅱ，所述90°相移单元层和45°相移单元层之间通过与其垂直的射频信号传输结构连接，所述空气腔Ⅰ和空气腔Ⅱ叠置于射频信号传输结构旁边。
进一步的，所述180°相移单元层包括介质板，所述介质板的一面朝上，另一面与90°相移单元层贴合，介质板朝上一面的中心铺设有“回”字形的辐射贴片，所述辐射贴片包括“口”字形的封闭的边框贴片和位于边框中心的中心贴片，中心贴片的一组相对边和与其邻近的边框贴片之间连接铺设有集总元件，
所述中心贴片的另一组相对边邻近的边框贴片的中心贯穿介质板开设有偏置线连接通孔，
所述中心贴片的中心贯穿介质板开通有射频信号传输孔，
所述介质板朝向90°相移单元层的一侧表面从内到外依次为金属接地层、直流偏置线板材，所述直流偏置线板材朝向90°相移单元层的一侧表面印制有直流偏置线，所述直流偏置线与偏置线连接通孔连接。
进一步的，所述90°相移单元层包括介质板，所述介质板朝向180°相移单元层一侧铺设金属接地层，金属接地层与180°相移单元层之间印制有直流偏置线，
所述介质板朝向45°相移单元层一面印制有90°移相器，所述90°移相器中印制有集总元件；
所述介质板开设金属化通孔，90°移相器通过金属化通孔与金属接地层连接，
所述金属接地层和介质板的中心开设有射频信号传输孔，所述射频信号传输孔中设置有射频信号传输结构，所述射频信号传输结构的上端延伸到180°相移单元层的中心贴片。
进一步的，所述金属接地层上铺设有直流偏置板材，所述直流偏置线印制于直流偏置板材朝向180°相移单元层的一面。
进一步的，所述45°相移单元层包括介质板，所述介质板朝向90°相移单元层铺设有45°移相器，所述45°移相器中印制有集总元件，
所述介质板的下方铺设有金属接地层和直流偏置板材，所述直流偏置板材印制有直流偏置线，贯通介质板、金属接地层和介质板板材开通了偏置线通孔，所述直流偏置线通过偏置线通孔与45°移相器的中心连接；
贯通介质板、金属接地层和直流偏置板材还开通了金属化孔，所述45°移相器的一端通过金属线贯穿金属化孔。
进一步的，所述90°移相器包括两段，通过两个对称的集总元件连接；所述45°移相器包括两段，通过两个对称的集总元件连接。
进一步的，所述90°相移单元层和45°相移单元层之间的射频信号传输结构连接90°移相器和45°移相器垂直相对的一个引脚，所述90°相移单元层和45°相移单元层的直流偏置线分别位于90°移相器和45°移相器的另一段。
本发明的有益效果是：
本发明通过上下层叠、级联的方式集成了三个开关移相器（其中辐射层同时也能实现相移功能），既实现了3bit量化数字的相位控制，又有效降低了级联损耗。
本发明中层叠级联的集成方式适用于PCB印刷电路板工艺和电子开关元件（如PIN管、MEMS、变容二极管等）表贴工艺，非常成熟，既降低了系统的轮廓高度，又大大降低了相控阵天线的生产成本。
本发明中所提方案既可以减少级联层级，实现低数字位的相控阵天线，如1bit位、2bit位，也可以增加级联层级，实现高数字位的相控阵天线，如4bit位、5bit位等。
本发明中所提方案的工作带宽主要由天线辐射单元和相移单元决定，因此，通过优化辐射单元和相移单元的结构，甚至采用其他形式的相移结构，如液晶移相器等，可以进一步增加工作带宽。
附图说明
图1是本发明实施例相控阵天线8×8子阵的整体结构示意图，
图2是图1的侧视图，
图1和2中的附图标记：1—180°移相单元层，2—90°移相单元层，3—45°移相单元层，4—波导馈电层。
图3是本发明的天线子阵示意图，
图4是图3的分解图，
图3中的附图标记：100—阵列天线单元结构， 11—辐射贴片， 21—90°移相器，23—空气腔Ⅰ， 203—射频信号传输结构，31—45°移相器， 33—空气腔Ⅱ；
图4中的附图标记：100—阵列天线单元结构，11—辐射层的辐射贴片，12—低损耗正切的传输介质板（Rogers 5880板材），13—辐射层偏置线连接通孔，16—辐射层直流偏置线，15—辐射层直流偏置线板材，14—辐射层的金属接地，21—90°移相器，22—90°移相层低损耗正切传输介质板（例如Rogers 5880），24—90°移相器的直流偏置线，25—90°移相器的直流偏置线所在板材层，26—90°移相器的金属接地，203—90°移相器和45°移相器之间射频信号传输结构，31—45°移相器，32—45°移相器低损耗正切传输介质板（例如Rogers5880）34—45°移相器的直流偏置线，35—45°移相器直流偏置线所在板层，36—45°移相器的金属接地。
图5是本发明的180°相移单元层的结构示意图，
图6是图5的分解图，
图5和6中的附图标记：10—集总元件，102—射频信号传输结构，11—辐射贴片，12—介质板，13—偏置线连接通孔，14—金属接地层，15—直流偏置线板材，16—直流偏置线。
图7是本发明的90°相移单元层的分解图，
图7中的附图标记：20—集总元件，21—90°移相器，22—介质板， 24—直流偏置线，25—直流偏置板材，26—金属接地层，102—射频信号传输结构。
图8是本发明的45°相移单元层的结构示意图，
图9是图8的分解图，
图8和9中的附图标记：30—集总元件，31—45°移相器，32—介质板，34—直流偏置线，35—直流偏置板材，36—金属接地层。
图10实施例中3bit的8×8相控阵列天线阵列的反射系数S11。
图11实施例中3bit的8×8相控阵列天线的E面方向图偏转角度。
图12实施例中3bit的8×8相控阵列天线的H面方向图偏转角度。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1和2所示，以8×8天线子阵为例，说明本发明的一个具体应用。该8×8天线子阵总体可分为四层，如图1所示，其中上面三层是开关移相器，最下面一层是波导馈电结构4。从上至下的移相器分别为180°移相单元层1（180°移相层1具有辐射功能，也叫辐射单元层，辐射单元层贴于直线偏置线层上），90°移相单元层2和45°移相单元层3，波导馈电层4将入射的射频微波信号等幅同相地分配给8×8阵列天线的每一个阵元。
图3是本发明的天线子阵（即阵列天线单元结构100）示意图，图4是图3的分解图，结合图3可见，90°相移单元层2朝向45°相移单元层3一侧形成空气腔Ⅰ23， 45°相移单元层3朝向90°相移单元层2一侧形成空气腔Ⅱ33， 90°相移单元层2和45°相移单元层3之间通过与其垂直的射频信号传输结构203连接，所述空气腔Ⅰ23和空气腔Ⅱ33叠置于射频信号传输结构203旁边。
结合图4可见，图4中的附图标记依次为：阵列天线单元结构100，辐射层的辐射贴片11，低损耗正切的传输介质板12（Rogers 5880板材），辐射层偏置线连接通孔13，辐射层直流偏置线16，辐射层直流偏置线板材15，辐射层的金属接地14， 90°移相器21， 90°移相层低损耗正切传输介质板22（例如Rogers 5880），90°移相器的直流偏置线24—， 90°移相器的直流偏置线所在板材层25—， 90°移相器的金属接地26—， 90°移相器和45°移相器之间射频信号传输结构203—， 45°移相器31—， 45°移相器低损耗正切传输介质板32（例如Rogers 5880），45°移相器的直流偏置线34， 45°移相器直流偏置线所在板层35， 45°移相器的金属接地36。本发明单个天线子阵的分解状态，由图可见，180°移相单元层1、90°移相单元层2和45°移相单元层3之间的垂直金属通孔连接结构。本发明的实施例中的90°移相单元层2和45°移相单元层3都采用“π”形传输线加载电子开关（MEMS或者Pin）的结构形式，同样地通过直流偏置线来改变相应的集总元件（电子开关）两侧的电压，控制移相器的开关，实现相应的90°或45°相位跳变。在辐射层和90°移相单元层之间有射频信号传输结构102，在90°移相器和45°移相器之间也存在着射频信号传输结构203，本实施例中采用了毛纽扣，其传输损耗优于-0.05dB。
结合图5和6，180°相移单元层包括辐射贴片11和集总元件10（可以是PIN管、MEMS开关或者变容二极管等），支撑辐射贴片的低损耗介质板12（如Rogers 5880等），对集总元件10进行直流偏置的金属通孔，辐射单元层的金属接地层14，辐射单元层的直流偏置线所在板材层，以及其下面的直流偏置线层。辐射单元层既能够实现电磁波的辐射和接收，同时也能通过直流偏置电压控制集总元件实现0°/180°的相位变换。
具体为：介质板12朝上一面的中心铺设有“回”字形的辐射贴片11，辐射贴片11包括“口”字形的封闭的边框贴片和位于边框中心的中心贴片，中心贴片的一组相对边和与其邻近的边框贴片之间连接铺设有集总元件10（集总元件可选用PIN二极管、MEMS开关或者变容二极管等），中心贴片的另一组相对边邻近的边框贴片的中心贯穿介质板开设有偏置线连接通孔，中心贴片的中心贯穿介质板开通有射频信号传输孔，介质板朝下一侧表面从内到外依次为金属接地层、直流偏置线板材，直流偏置线板材朝下一侧表面印制有直流偏置线，直流偏置线与偏置线连接通孔连接。
180°移相单元层通过直流偏置线改变集总元件（集总元件即电子开关，可选用MEMS或者Pin管等）两侧电压来控制开关移相器的相位跳变，本实施例中的180°移相器除了移相功能还具有射频信号辐射和接收功能，将两种功能集中在一层器件上，可以大大降低设计的复杂度和轮廓高度。
结合图7， 90°相移单元层由上至下主要包括：金属偏置线层26（该层与辐射单元直流偏置线层是同一层，也可以再增加一层介质板22，将辐射单元层与90°相移单元层的直流偏置线分成两层），支撑直流偏置线层的低损耗介质板偏置板材（如Rogers 5880等），90°移相器的金属接地层，低损耗介质板，“π”形90°移相器结构层（也可以是其他形状的移相器），以及联通下层射频信号的同轴传输结构层。同轴传输结构层可以采用同心圆柱的通孔结构，也可以采用其他形式的波导结构，如毛纽扣等。90°相移单元通过直流偏置电压控制集总元件实现0°/90°的相位变换。
具体为：介质板22朝上一侧铺设金属接地层，金属接地层26与180°相移单元层之间印制有直流偏置线24（直流偏置线与辐射单元直流偏置线层是同一层，也可以再增加一层介质板，将辐射单元层与90°相移单元层的直流偏置线分成两层），介质板22朝下一面印制有90°移相器， 90°移相器中印制有集总元件20；介质板22开设金属化通孔，90°移相器通过金属化通孔与金属接地层26连接，金属接地层26和介质板22的中心开设有射频信号传输孔，射频信号传输孔中设置有射频信号传输结构102，射频信号传输结构102的上端延伸到180°相移单元层的中心贴片。
结合图8和9，45°移相器单元层3由上至下主要包括：“π”形45°移相器结构层31（也可以是其他形状的移相器），支撑移相器结构层的低损耗介质板32（如Rogers 5880等），45°移相器的金属接地层36，直流偏置板材35，以及45°移相器直流偏置线层34。45°相移单元通过直流偏置电压控制集总元件30实现0°/45°的相位变换。
具体为：介质板32朝上一面铺设有45°移相器， 45°移相器中印制有集总元件30，介质板32的下方铺设有金属接地层和直流偏置板材35，直流偏置板材35印制有直流偏置线34，贯通介质板32、金属接地层36和介质板32板材开通了偏置线通孔，直流偏置线34通过偏置线通孔与45°移相器的中心连接；贯通介质板32、金属接地层和36直流偏置板材35还开通了金属化孔， 45°移相器的一端通过金属线贯穿金属化孔。
本发明相控阵列天线的馈电结构层采用了波导转同轴的馈电结构，每个波导单元通过一分四的功分网络对四个上层单元进行馈电。为了进一步降低新型相控阵列天线的轮廓高度，可以采用其他形式的电结构层，如微带线结构、带状线结构，基片集成波导（SIW）等的馈源天线，但是其代价是天线系统的损耗会增加。
本发明相控阵列天线通过单片机或者FPGA来控制各层的直流偏置电压，即可控制180°移相单元层（辐射单元层）、90°移相单元层、45°移相单元层的集总器件的开关，进而实现3bit量化（0°/45°/90°/135°/180°/225°/270°/315°）的精确相位调控。
本发明相控阵列天线采用层叠、级联的方式集成了多个开关移相器，仿真和测试结果表明，整个天馈系统的反射很小，射频通道的信号损耗也很小，能够满足系统的需求。
本发明公开的3bit量化相控阵设计方案可以层叠更多的相移层，进一步实现更多bit位的相位精确调控，如4bit量化相控阵天线，5bit量化相控阵天线等。
最后8×8天线子阵的实验结果证明，本发明实施例在17.5 GHz-20.5 GHz内的整体反射系数S11<-10dB，如图10所示。图10实施例中3bit的8×8相控阵列天线这列的反射系数S11，这里的X代表主波束向x方向偏转，Y代表主波束向Y方向偏转，0°/15°/30°/45°/60°分别代表着主波束的偏转角度，从结果可以看出本发明相控阵天线的整体反射系数在17.5GHz-20.5GHz内都小于-10dB，S11结果较好。
图11为实施例中3bit的8×8相控阵列天线的E面方向图偏转角度，图中的0°/15°/30°/45°/60°分别代表着希望19.1GHz时的主波束偏转角度，实际的偏转角度与预期的相差不大，满足设计要求。图12为实施例中3bit的8×8相控阵列天线的H面方向图偏转角度，图中的0°/15°/30°/45°/60°分别代表着在19.1GHz时的主波束偏转角度，实际的偏转角度与预期的相差不大，满足设计要求。
图11和图12所示为天线子阵的E面和H面方向图，实验结果表明该阵列天线的主波束在正方向的增益为21dB，可实现±60度的波束扫描，在最大扫描角时仍有约17dB的增益，与理论结果吻合良好，满足设计指标。
本发明实施例中90°和45°开关移相器单元采用了“π”形结构，也可以使用其他结构形式，如三支节传输线结构等。
为了降低传输损耗，实现上下层更好的级联，微波射频信号从45°移相器输出端传输到90°移相器中需要经过一个额外的连接机构203，本发明实施例中采用了毛纽扣，其传输损耗优于-0.05 dB，也可以采用其他导波结构。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (3)

1.一种多bit位量化的数字相控阵天线，其特征在于：包括矩阵排布的多个天线子阵，以及设置在天线子阵下方的多个馈电结构层（4），每个所述馈电结构层（4）对相邻的多个天线子阵馈电，每个天线子阵只接收一个馈电结构层（4）的馈电，所述天线子阵从上到下依次包括180°相移单元层（1）、90°相移单元层（2）和45°相移单元层（3），所述180°相移单元层（1）和90°相移单元层（2）、90°相移单元层（2）和45°相移单元层（3）依次通过各自的金属通孔结构连接；
所述180°相移单元层（1）包括介质板Ⅰ，所述介质板Ⅰ的一面朝上，另一面与90°相移单元层（2）贴合，介质板Ⅰ朝上一面的中心铺设有“回”字形的辐射贴片（11），所述辐射贴片（11）包括“口”字形的封闭的边框贴片和位于边框中心的中心贴片Ⅰ，中心贴片Ⅰ的一组相对边和与其邻近的边框贴片之间连接铺设有集总元件Ⅰ，
所述中心贴片Ⅰ的另一组相对边邻近的边框贴片的中心贯穿介质板Ⅰ开设有偏置线连接通孔Ⅰ（13），
所述中心贴片Ⅰ的中心贯穿介质板Ⅰ开通有射频信号传输孔Ⅰ，
所述介质板Ⅰ朝向90°相移单元层（2）的一侧表面从内到外依次为金属接地层Ⅰ、直流偏置线板材Ⅰ（15），所述直流偏置线板材Ⅰ（15）朝向90°相移单元层（2）的一侧表面印制有直流偏置线Ⅰ，所述直流偏置线Ⅰ与偏置线连接通孔Ⅰ（13）连接；
所述90°相移单元层（2）朝向45°相移单元层（3）一侧形成空气腔Ⅰ（23），所述45°相移单元层（3）朝向90°相移单元层（2）一侧形成空气腔Ⅱ（33），所述90°相移单元层（2）和45°相移单元层（3）之间通过与其垂直的射频信号传输结构Ⅰ连接，所述空气腔Ⅰ（23）和空气腔Ⅱ（33）叠置于射频信号传输结构旁边；
所述90°相移单元层（2）包括介质板Ⅱ，所述介质板Ⅱ朝向180°相移单元层（1）一侧铺设金属接地层Ⅱ，金属接地层Ⅱ与180°相移单元层（1）之间印制有直流偏置线Ⅱ，
所述介质板Ⅱ朝向45°相移单元层（3）一面印制有90°移相器（21），所述90°移相器（21）中印制有集总元件Ⅱ；
所述介质板Ⅱ开设金属化通孔Ⅱ，90°移相器（21）通过金属化通孔Ⅱ与金属接地层Ⅱ连接，
所述金属接地层Ⅱ和介质板Ⅱ的中心开设有射频信号传输孔Ⅱ，所述射频信号传输孔Ⅱ中设置有射频信号传输结构Ⅱ，所述射频信号传输结构Ⅱ的上端延伸到180°相移单元层（1）的中心贴片Ⅰ，
所述金属接地层Ⅱ上铺设有直流偏置板材Ⅱ，所述直流偏置线Ⅱ印制于直流偏置板材Ⅱ朝向180°相移单元层（1）的一面；
所述45°相移单元层（3）包括介质板Ⅲ，所述介质板Ⅲ朝向90°相移单元层（2）铺设有45°移相器（31），所述45°移相器（31）中印制有集总元件Ⅲ，
所述介质板Ⅲ的下方铺设有金属接地层Ⅲ和直流偏置板材Ⅲ，所述直流偏置板材Ⅲ印制有直流偏置线Ⅲ，贯通介质板Ⅲ、金属接地层Ⅲ和直流偏置板材Ⅲ开通了偏置线通孔Ⅲ，所述直流偏置线Ⅲ通过偏置线通孔Ⅲ与45°移相器（31）的中心连接；
贯通介质板Ⅲ、金属接地层Ⅲ和直流偏置板材Ⅲ还开通了金属化孔Ⅲ，所述45°移相器（31）的一端通过金属线贯穿金属化孔Ⅲ。
2.根据权利要求1所述的多bit位量化的数字相控阵天线，其特征在于：所述90°移相器（21）包括两段，通过两个对称的集总元件连接；所述45°移相器（31）包括两段，通过两个对称的集总元件连接。
3.根据权利要求2所述的多bit位量化的数字相控阵天线，其特征在于：所述90°相移单元层（2）和45°相移单元层（3）之间的射频信号传输结构连接90°移相器（21）和45°移相器（31）垂直相对的一个引脚，所述90°相移单元层（2）和45°相移单元层（3）的直流偏置线分别位于90°移相器（21）和45°移相器（31）的另一段。
CN202010190666.3A 2020-03-18 2020-03-18 一种多bit位量化的数字相控阵天线 Expired - Fee Related CN111490351B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010190666.3A CN111490351B (zh) 2020-03-18 2020-03-18 一种多bit位量化的数字相控阵天线

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010190666.3A CN111490351B (zh) 2020-03-18 2020-03-18 一种多bit位量化的数字相控阵天线

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111490351A CN111490351A (zh) 2020-08-04
CN111490351B true CN111490351B (zh) 2021-07-16

Family

ID=71797750

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010190666.3A Expired - Fee Related CN111490351B (zh) 2020-03-18 2020-03-18 一种多bit位量化的数字相控阵天线

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111490351B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116325364A (zh) * 2020-09-28 2023-06-23 华为技术有限公司 一种天线阵列、装置及无线通信设备
CN112909572B (zh) * 2021-03-18 2022-07-19 电子科技大学长三角研究院(湖州) 一种3比特相位可调的微带反射单元
CN114678702B (zh) * 2022-04-07 2023-06-16 中国电子科技集团公司第十研究所 一种基于1-bit数字相控技术的零栅瓣平面相控阵天线
CN117293544A (zh) * 2022-06-16 2023-12-26 华为技术有限公司 天线单元、天线及通信装置
CN115425415B (zh) * 2022-09-02 2023-09-12 江西中烟工业有限责任公司 一种基于短路针和二极管加载的毫米波频率可调贴片天线

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
CN110854551A (zh) * 2019-11-26 2020-02-28 重庆邮电大学 一种基于数字相控技术的高增益平面相控阵天线

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3065329B1 (fr) * 2017-04-14 2019-07-05 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Cellule elementaire d'un reseau transmetteur pour une antenne reconfigurable

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
CN110854551A (zh) * 2019-11-26 2020-02-28 重庆邮电大学 一种基于数字相控技术的高增益平面相控阵天线

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A Multi-bit Reconfigurable Transmitarray Design Approach Using Cascaded Spatial Phase Shifters;Yu Wang等;《2018 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting》;20190114;第483-484页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN111490351A (zh) 2020-08-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111490351B (zh) 一种多bit位量化的数字相控阵天线
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
Xiao et al. Design and implementation of a wideband 1-bit transmitarray based on a Yagi–Vivaldi unit cell
CN110148838B (zh) 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
Zhou et al. A wideband 1-bit reconfigurable reflectarray antenna at Ku-band
CN115117615B (zh) 一种基于2bit相位数字化的双圆极化平板电扫天线
CN211829201U (zh) 一种低成本的多bit数字式相控阵列天线
US10396461B2 (en) Low profile, ultra-wide band, low frequency modular phased array antenna with coincident phase center
Kaouach et al. Design and demonstration of 1-bit and 2-bit transmit-arrays at X-band frequencies
CN115064875A (zh) 工作在Ku波段的低成本高性能5-bit可编程相控阵天线
CN115036684B (zh) 一种基于液晶的Ka波段二维波束扫描反射阵天线
CN114678702B (zh) 一种基于1-bit数字相控技术的零栅瓣平面相控阵天线
Di Palma et al. 1-bit unit-cell for transmitarray applications in Ka-band
CN115632245A (zh) 一种波导结构电磁表面波束扫描阵列
US20220294112A1 (en) Unit cell for a reconfigurable antenna
Sorrentino et al. Electronic steerable MEMS antennas
Boutayeb et al. 28GHz dual polarized beam steering antenna with substrate integrated frequency selective structure
Abumunshar et al. Millimeter-Wave Tightly-Coupled Phased Array with Integrated MEMS Phase Shifters.
Encinar et al. Analysis, design and prototyping of reflectarray antennas for space applications
Carrasco et al. Recent Developments of Reflectarray Antennas for Reconfigurable Beams Using Surface‐Mounted RF‐MEMS
CN216529345U (zh) 一种圆极化多层微带天线单元及其立体阵
CN113964550B (zh) 一种基于串行馈电的低成本波束扫描天线
Albani et al. A 2-D electronic beam steering phased array for point-multipoint communication applications
Luo et al. A broadband pattern reconfigurable patch antenna for 60GHz wireless communication
Ma et al. Ultra-wideband 1-bit reconfigurable reflectarray antenna using tightly coupled elements

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
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20210716