CN112350064A - 非互易性相控阵天线单元、天线及控制方法 - Google Patents

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CN112350064A CN202010958875.8A CN202010958875A CN112350064A CN 112350064 A CN112350064 A CN 112350064A CN 202010958875 A CN202010958875 A CN 202010958875A CN 112350064 A CN112350064 A CN 112350064A
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Abstract

本发明提供了一种非互易性相控阵天线单元、天线及控制方法，该非互易性相控阵天线单元包括：分别印刷在介质基板两侧的顶层和底层，其中，顶层包括馈电网络和与馈电网络连为一体的谐振贴片，所述馈电网络包括分别设于馈电网络不同位置的第一馈电点、第二馈电点、第三馈电点和第四馈电点，所述馈电网络用于馈入射频信号；底层包括4个调制信号电路，每个调制信号电路包括共面波导，所述共面波导用于馈入低频调制信号；馈电网络的每个馈电点分别与一个调制信号电路连通，每个调制信号电路的共面波导馈入的低频调制信号用于加载至对应的馈电点。本发明可以在无磁性材料偏置的情况下实现极化和方向图的非互易性。

Description

非互易性相控阵天线单元、天线及控制方法
技术领域
本发明涉及相控阵天线领域，尤其涉及一种非互易性相控阵天线单元、天线及控制方法。
背景技术
相控阵天线通过控制供给至各天线单元的射频信号的相位，可以实现波束扫描。受限于时间反演对称性，传统的相控阵天线的发射方向图和接收方向图相同，并且发射状态时的极化与接收状态时的极化相同。
人们往往依赖于铁氧体等磁性材料和外加永磁铁的方式来实现电磁波的非互易性传输，设计实现诸如隔离器和环形器等非互易性器件。然而磁性材料与集成电路无法兼容，从而难以实现器件的集成化，同时外加永磁铁使这些器件存在体积大和损耗高等缺点。
因此，目前缺乏一种能够与集成电路兼容的非互易性相控阵天线，以实现极化和方向图的非互易性。
发明内容
本发明实施例提出一种非互易性相控阵天线单元，用以在无磁性材料偏置的情况下实现极化和方向图的非互易性，该非互易性相控阵天线单元包括：
分别印刷在介质基板两侧的顶层和底层，其中，
顶层包括馈电网络和与馈电网络连为一体的谐振贴片，所述馈电网络包括分别设于馈电网络不同位置的第一馈电点、第二馈电点、第三馈电点和第四馈电点，所述馈电网络用于馈入射频信号；
底层包括4个调制信号电路，每个调制信号电路包括共面波导，所述共面波导用于馈入低频调制信号；
馈电网络的每个馈电点分别与一个调制信号电路连通，每个调制信号电路的共面波导馈入的低频调制信号用于加载至对应的馈电点。
本发明实施例提出一种非互易性相控阵天线，用以在无磁性材料偏置的情况下实现极化和方向图的非互易性，该非互易性相控阵天线包括：多个上述的非互易性相控阵天线单元。
本发明实施例提出一种非互易性相控阵天线的控制方法，用以在无磁性材料偏置的情况下实现极化和方向图的非互易性，该控制方法用于上述非互易性相控阵天线，包括：
对所述天线中的每个天线单元，在第一馈电点处加载频率为fm和相位为α1的低频调制信号，在第二馈电点处加载频率为fm和相位为α2的低频调制信号，在第三馈电点处加载频率为fm和相位为α1+180°的低频调制信号，在第四馈电点处加载频率为fm和相位为α2+180°的低频调制信号，在馈电网路馈入频率为f0的射频信号；控制第一相位和第二相位，实现极化的非互易性；
对所述天线中的第i个天线单元，在第一馈电点处加载频率为fm和相位为α1+βi的低频调制信号，在第二馈电点处加载频率为fm和相位为α2+βi的低频调制信号，在第三馈电点处加载频率为fm和相位为α1+180°+βi的低频调制信号，在第四馈电点处加载频率为fm和相位为α2+180°+βi的低频调制信号，在馈电网路馈入频率为fm和相位为γi的射频信号；控制βi和γi，实现方向图的非互易性。
本发明实施例还提出了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述非互易性相控阵天线的控制方法。
本发明实施例还提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述非互易性相控阵天线的控制方法的计算机程序。
在本发明实施例中，非互易性相控阵天线单元包括：分别印刷在介质基板两侧的顶层和底层，其中，顶层包括馈电网络和与馈电网络连为一体的谐振贴片，所述馈电网络包括分别设于馈电网络不同位置的第一馈电点、第二馈电点、第三馈电点和第四馈电点，所述馈电网络用于馈入射频信号；底层包括4个调制信号电路，每个调制信号电路包括共面波导，所述共面波导用于馈入低频调制信号；馈电网络的每个馈电点分别与一个调制信号电路连通，每个调制信号电路的共面波导馈入的低频调制信号用于加载至对应的馈电点。在上述结构中，所述馈电网络用于馈入射频信号，而所述共面波导用于馈入低频调制信号，因此，无需任何的磁性材料偏置，采用调制低频调制信号和射频信号就可以实现天线单元的非互易性，且该天线单元能够与集成电路工艺兼容，有助于设备集成化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本发明实施例中非互易性相控阵天线单元的结构示意图；
图2为本发明实施例中一种非互易性相控阵天线的控制方法的流程图；
图3为本发明实施例中正方形谐振贴片馈电点1相位和馈电点3相位差180度时横向电流分布示意图；
图4为本发明实施例中正方形谐振贴片馈电点2相位和馈电点4相位差180度时纵向电流分布示意图；
图5为本发明实施例中混频时前向频率转换相位关系示意图；
图6为本发明实施例中混频时后向频率转换相位关系示意图；
图7为本发明实施例中非互易性相控阵天线单元在发射状态时其极化特性为左旋圆极化的示意图；
图8为本发明实施例中非互易性相控阵天线单元在接收状态时其极化特性为右旋圆极化的示意图；
图9为本发明实施例中非互易性相控阵天线在发射状态时的方向图；
图10为本发明实施例中非互易性相控阵天线在接收状态时的方向图；
图11为本发明实施例中非互易性相控阵天线在
Figure BDA0002679650350000031
和
Figure BDA0002679650350000032
条件下发射状态和接收状态时的方向图；
图12为本发明实施例中计算机设备的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在本说明书的描述中，所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。参考术语“一个实施例”、“一个具体实施例”、“一些实施例”、“例如”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。各实施例中涉及的步骤顺序用于示意性说明本申请的实施，其中的步骤顺序不作限定，可根据需要作适当调整。
图1为本发明实施例中非互易性相控阵天线单元的结构示意图，如图1所示，该非互易性相控阵天线单元包括：
分别印刷在介质基板两侧的顶层和底层，其中，
顶层包括馈电网络6和与馈电网络6连为一体的谐振贴片5，所述馈电网络6包括分别为设于馈电网络6不同位置的第一馈电点1、第二馈电点2、第三馈电点3和第四馈电点4，所述馈电网络6用于馈入射频信号；
底层包括4个调制信号电路，每个调制信号电路包括共面波导7，所述共面波导7用于馈入低频调制信号；
馈电网络6的每个馈电点分别与一个调制信号电路连通，每个调制信号电路的共面波导7馈入的低频调制信号用于加载至对应的馈电点。
在上述结构中，所述馈电网络用于馈入射频信号，而所述共面波导用于馈入低频调制信号，因此，无需任何的磁性材料偏置，采用调制低频调制信号和射频信号就可以实现天线单元的非互易性，且该天线单元能够与集成电路工艺兼容，有助于设备集成化。
具体实施时，图1中(a)为非互易性相控阵天线单元的顶层的结构图，图1中(b)为非互易性相控阵天线单元的底层单调制信号电路馈电的结构图，在一实施例中，所述谐振贴片5的形状为正方形，可与第一馈电点1、第二馈电点2、第三馈电点3和第四馈电点4完美适配，布局更加合理，这四个馈电点与正方形谐振贴片5连为一体。
在一实施例中，所述谐振贴片5尺寸在0.4倍介质波长至0.6倍介质波长范围内，即所述谐振贴片5尺寸约为二分之一介质波长，可以起到半波长谐振器的作用，可以提高混频时前向频率转换和后向频率转换的能量效率。
馈电网络6包括三个T形结，如图1所示三个一分二的枝节结构，可以起到能量一分二的作用，具体来说是可以将电磁能量等分为二输出，经过三个T形结后使四个馈电点获得相同的能量分配。
在一实施例中，每个馈电点与谐振贴片5连接处设有两个开槽，起到阻抗匹配的作用。
在一实施例中，所述开槽的形状为长方形，可以更好地适配谐振贴片5，具体地，长方形的长度可以为谐振贴片5尺寸的0.1倍至0.2倍，宽度为长度尺寸的0.2至0.4倍。
在一实施例中，所述馈电网络6还包括变容二极管8、分别与共面波导7和变容二极管8连接的电感9，其中，电感9起到堵塞隔离的作用，可以提高射频信号和低频调制信号之间的隔离度。
在一实施例中，所述变容二极管8在工作时处于反向偏置状态，从而起到电容的作用。
在一实施例中，所述共面波导7还用于馈入直流偏置电压；
处于反向偏置状态的变容二极管8的电容值由直流偏置电压的数值确定。
在一实施例中，馈电网络6的每个馈电点经由金属化过孔分别与一个调制信号电路连通。
在上述实施例中，谐振贴片5和馈电网路6位于介质基板顶层，为使得天线单元结构紧凑并且减小调制信号电路引入的电磁干扰，故将调制信号电路置于介质基板的底层，并通过金属化过孔连通，实现电连接。
本发明实施例还提出一种非互易性相控阵天线，包括上述多个非互易性相控阵天线单元，可以采用阵列的方式。
本发明实施例还提出一种非互易性相控阵天线的控制方法，用于控制非互易性相控阵天线，图2为本发明实施例中一种非互易性相控阵天线的控制方法的流程图，如图2所示，包括：
步骤201，对所述天线中的每个天线单元，在第一馈电点1处加载频率为fm和相位为α1的低频调制信号，在第二馈电点2处加载频率为fm和相位为α2的低频调制信号，在第三馈电点3处加载频率为fm和相位为α1+180°的低频调制信号，在第四馈电点4处加载频率为fm和相位为α2+180°的低频调制信号，在馈电网路6馈入频率为f0的射频信号；图3为本发明实施例中正方形谐振贴片馈电点1相位和馈电点3相位差180度时横向电流分布示意图，此时可以高效辐射或者接收能量，图4为本发明实施例中正方形谐振贴片馈电点2相位和馈电点4相位差180度时纵向电流分布示意图，此时也可以高效辐射或者接收能量。
步骤202，控制α1和α2，实现极化的非互易性；
步骤203，对所述天线中的第i个天线单元，在第一馈电点1处加载频率为fm和相位为α1+βi的低频调制信号，在第二馈电点2处加载频率为fm和相位为α2+βi的低频调制信号，在第三馈电点3处加载频率为fm和相位为α1+180°+βi的低频调制信号，在第四馈电点4处加载频率为fm和相位为α2+180°+βi的低频调制信号，在馈电网路6馈入频率为f0和相位为γi的射频信号；
步骤204，控制βi和γi，实现方向图的非互易性。
在上述步骤中，步骤201和步骤202为通过控制相控阵天线单元内四个馈电点处低频调制信号的相位实现天线发射和接收状态的极化非互易性。其中，在发射状态时，在频率fm低频调制信号作用下，天线将频率为f0的射频信号前向频率转换为一次谐波f0+fm(电场横向和纵向分量相位分别正比于α1和α2)并辐射到空间中；在接收状态时，在频率为fm的低频调制信号作用下，天线将空间中来波信号f0+fm后向频率转换为一次谐波f0(电场横向和纵向分量相位分别负比于α1和α2)接收，控制α1和α2便可以实现天线发射和接收状态的极化非互易性。其原理是，射频信号频率为f0和相位为
Figure BDA0002679650350000061
低频调制信号频率为fm和相位为
Figure BDA0002679650350000062
图5为本发明实施例中混频时前向频率转换相位关系示意图，在前向频率转换时，产生的一次谐波f0+fm的相位为
Figure BDA0002679650350000063
正比于低频调制信号相位
Figure BDA0002679650350000064
并辐射到空间中。图6为本发明实施例中混频时后向频率转换相位关系示意图，在后向频率转换时，天线接收来波信号f0+fm的空间电磁波并后向频率转换为一次谐波f0，其相位为
Figure BDA0002679650350000065
负比于调制信号相位
Figure BDA0002679650350000066
可见，前向频率转换和后向频率转换过程中，相应相位响应是非互易的。
例如，当α1-α2＝-90°时，天线在发射状态时为左旋圆极化，而在接收状态时却为右旋圆极化；而当α1-α2＝90°时，天线在发射状态时为右旋圆极化，而在接收状态时却为左旋圆极化，实现了极化的非互易性。
步骤203和步骤204为控制各天线单元间的调制信号相位和射频信号相位可以实现相控阵阵列天线发射和接收状态时方向图的非互易性的步骤。
具体实施时，当移除γi，仅控制βi(βi≠0)时，非互易性相控阵天线发射和接收方向图是非互易的且关于阵面对称。
当综合控制βi(βi≠0)和γi时，非互易性相控阵天线发射和接收方向图是非互易的且关于阵面不对称，具有更大的灵活性。
当移除βi，仅控制γi时，则非互易性相控阵天线方向图是互易的。
下面给出具体实施例，来说明非互易性相控阵天线单元和非互易性相控阵天线的具体应用。
针对非互易性相控阵天线单元，一个典型实施例如下：
介质基板采用Rogers 5880，相对介电常数为2.2，厚度1.575mm，变容二极管采用SMV1232型号，加载的直流偏置电压值为3V。控制在第一馈电点1处加载频率为fm和相位为α1的低频调制信号，在第二馈电点2处加载频率为fm和相位为α2的低频调制信号，在第三馈电点3处加载频率为fm和相位为α1+180°的低频调制信号，在第四馈电点4处加载频率为fm和相位为α2+180°的低频调制信号，在馈电网路6馈入频率为f0的射频信号，并且满足α1-α2＝-90°。此时，非互易性相控阵天线单元在发射状态时其极化特性为左旋圆极化如图7所示；非互易性相控阵天线单元在接收状态时其极化特性为右旋圆极化如图8所示。
基于此非互易性相控阵天线单元可以构建非互易性相控阵天线，非互易性相控阵天线第一个典型实施例如下：
非互易性相控阵天线为N＝6的一维线阵，天线的介质基板采用Rogers 5880，相对介电常数为2.2，厚度1.575mm，单元间距0.7倍波长，变容二极管采用SMV1232型号，加载的直流偏置电压值为3V。当移除γi，仅控制βi(βi≠0)时，且
Figure BDA0002679650350000071
Figure BDA0002679650350000072
为单元间低频调制信号fm的步进相位，图9为非互易性相控阵天线在发射状态时的方向图，图10为非互易性相控阵天线在接收状态时的方向图，可以发现发射方向图和接收方向图是非互易的且关于阵面对称，相控阵波束随着
Figure BDA0002679650350000073
非互易性扫描。
非互易性相控阵天线第一个典型实施例如下：
相控阵天线阵列为N＝6的一维线阵，天线介质基板采用Rogers 5880，相对介电常数为2.2，厚度1.575mm，单元间距0.7倍波长，变容二极管采用SMV1232型号，加载的直流偏置电压值为3V。当综合控制βi和γi时，且
Figure BDA0002679650350000081
和
Figure BDA0002679650350000082
图11为非互易性相控阵天线在
Figure BDA0002679650350000083
和
Figure BDA0002679650350000084
条件下发射状态和接收状态时的方向图。可见，相控阵阵列天线在发射状态和接收状态下的方向图是非互易的且关于阵面不对称。
综上所述，在本发明实施例提出的非互易性相控阵天线单元包括：分别印刷在介质基板两侧的顶层和底层，其中，顶层包括馈电网络和与馈电网络连为一体的谐振贴片，所述馈电网络包括分别设于馈电网络不同位置的第一馈电点、第二馈电点、第三馈电点和第四馈电点，所述馈电网络用于馈入射频信号；底层包括4个调制信号电路，每个调制信号电路包括共面波导，所述共面波导用于馈入低频调制信号；馈电网络的每个馈电点分别与一个调制信号电路连通，每个调制信号电路的共面波导馈入的低频调制信号用于加载至对应的馈电点。非互易性相控阵天线包括多个天线单元，在上述结构中，所述馈电网络用于馈入射频信号，而所述共面波导用于馈入低频调制信号，因此，无需任何的磁性材料偏置，采用调制低频调制信号和射频信号就可以实现天线单元的非互易性，且该天线单元能够与集成电路工艺兼容，有助于设备集成化。
本申请的实施例还提供一种计算机设备，图12为本发明实施例中计算机设备的示意图，该计算机设备能够实现上述实施例中的非互易性相控阵天线的控制方法中全部步骤，所述计算机设备具体包括如下内容：
处理器(processor)1201、存储器(memory)1202、通信接口(CommunicationsInterface)1203和通信总线1204；
其中，所述处理器1201、存储器1202、通信接口1203通过所述通信总线1204完成相互间的通信；所述通信接口1203用于实现服务器端设备、检测设备以及用户端设备等相关设备之间的信息传输；
所述处理器1201用于调用所述存储器1202中的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述实施例中的非互易性相控阵天线的控制方法中的全部步骤。
本申请的实施例还提供一种计算机可读存储介质，能够实现上述实施例中的非互易性相控阵天线的控制方法中全部步骤，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中的非互易性相控阵天线的控制方法的全部步骤。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种非互易性相控阵天线单元，其特征在于，包括：分别印刷在介质基板两侧的顶层和底层，其中，
顶层包括馈电网络(6)和与馈电网络(6)连为一体的谐振贴片(5)，所述馈电网络(6)包括分别为设于馈电网络(6)不同位置的第一馈电点(1)、第二馈电点(2)、第三馈电点(3)和第四馈电点(4)，所述馈电网络(6)用于馈入射频信号；
底层包括4个调制信号电路，每个调制信号电路包括共面波导(7)，所述共面波导(7)用于馈入低频调制信号；
馈电网络(6)的每个馈电点分别与一个调制信号电路连通，每个调制信号电路的共面波导(7)馈入的低频调制信号用于加载至对应的馈电点。
2.如权利要求1所述的非互易性相控阵天线单元，其特征在于，所述谐振贴片(5)的形状为正方形。
3.如权利要求1所述的非互易性相控阵天线单元，其特征在于，所述谐振贴片(5)尺寸在0.4倍介质波长至0.6倍介质波长范围内。
4.如权利要求1所述的非互易性相控阵天线单元，其特征在于，每个馈电点与谐振贴片(5)连接处设有两个开槽。
5.如权利要求4所述的非互易性相控阵天线单元，其特征在于，所述开槽的形状为长方形。
6.如权利要求1所述的非互易性相控阵天线单元，其特征在于，所述馈电网络(6)还包括变容二极管(8)、分别与共面波导(7)和变容二极管(8)连接的电感(9)。
7.如权利要求6所述的非互易性相控阵天线单元，其特征在于，所述变容二极管(8)在工作时处于反向偏置状态。
8.如权利要求7所述的非互易性相控阵天线单元，其特征在于，所述共面波导(7)还用于馈入直流偏置电压；
处于反向偏置状态的变容二极管(8)的电容值由直流偏置电压的数值确定。
9.如权利要求1所述的非互易性相控阵天线单元，其特征在于，馈电网络(6)的每个馈电点经由金属化过孔分别与一个调制信号电路连通。
10.一种非互易性相控阵天线，其特征在于，包括多个权利要求1至9任一项所述的非互易性相控阵天线单元。
11.一种非互易性相控阵天线的控制方法，其特征在于，用于控制权利要求10所述的非互易性相控阵天线，包括：
对所述天线中的每个天线单元，在第一馈电点(1)处加载频率为fm和相位为α1的低频调制信号，在第二馈电点(2)处加载频率为fm和相位为α2的低频调制信号，在第三馈电点(3)处加载频率为fm和相位为α1+180°的低频调制信号，在第四馈电点(4)处加载频率为fm和相位为α2+180°的低频调制信号，在馈电网路(6)馈入频率为f0的射频信号；控制α1和α2，实现极化的非互易性；
对所述天线中的第i个天线单元，在第一馈电点(1)处加载频率为fm和相位为α1+βi的低频调制信号，在第二馈电点(2)处加载频率为fm和相位为α2+βi的低频调制信号，在第三馈电点(3)处加载频率为fm和相位为α1+180°+βi的低频调制信号，在第四馈电点(4)处加载频率为fm和相位为α2+180°+βi的低频调制信号，在馈电网路(6)馈入频率为f0和相位为γi的射频信号；控制βi和γi，实现方向图的非互易性。
12.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求11所述方法。
13.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有执行权利要求11所述方法的计算机程序。
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