CN112736491A - 一种基于开口方环的可重构超表面电扫阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于开口方环的可重构超表面电扫阵列天线，属于阵列天线技术领域。其包括馈源和阵列天线组件，阵列天线组件包括多个数字辐射单元，数字辐射单元包括介质层和辐射层，辐射层内具有由辐射贴片构成的开口方环辐射结构，且辐射贴片上设置有电开关，介质层内设有用于控制电开关通断的直流偏置电路。本发明阵列天线利用数字控制器件调节电磁表面每个数字辐射单元的反射相位或者反射相位，并采用喇叭馈源从空间照射整个表面，通过数字控制的方式调节表面每个单元的相位，从而获得高增益聚焦的动态扫描波束、捷变波束或者多波束。
Description
技术领域
本发明涉及阵列天线技术领域，尤其涉及一种基于开口方环的可重构超表面电扫阵列天线。
背景技术
目前，具有高增益波束扫描特性的波束可重构阵列天线在各个领域得到了广泛应用。现有的高增益波束扫描天线主要有机械旋转抛物面天线和电扫相控阵天线两大类。
其中，旋转抛物面天线具有结构简单、成本低、效率高等优点，但其外形为特殊的曲面、体积庞大、重量沉且波束扫描速度慢、伺服系统要求高。电扫相控阵天线可以较好地克服上述不足，其具有扫描速度快、性能更加灵活的优点，平面或共形结构也更有利于与载体保持共形。
但是，电扫相控阵天线的馈电网络设计较为复杂，尤其当天线口径增大时，馈电损耗较高，天线的辐射效率较低，可实现的增益受限。虽然在单元中引入固态收发组件可以减小馈电损耗，但系统的成本、重量将大幅提高，这些都限制了电扫相控阵天线的大规模应用。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种基于开口方环的可重构超表面电扫阵列天线，具有馈电损耗小、波束扫描速度快、成本低的特点。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
一种基于开口方环的可重构超表面电扫阵列天线，包括馈源和阵列天线组件，所述馈源用于为阵列天线组件提供空间照射源并接收阵列天线组件的反射电磁波；所述阵列天线组件包括多个数字辐射单元，所述数字辐射单元包括介质层和辐射层，所述辐射层内具有由辐射贴片构成的开口方环辐射结构，且辐射贴片上设置有电开关，所述介质层内设有用于控制电开关通断的直流偏置电路。
进一步的，所述开口方环辐射结构包括最外圈的第一开口方环、中间圈的第二开口方环和最内圈的开口十字方环，各圈环的开口均为两个且分别位于顶部中央和底部中央；第一开口方环上设有2个电开关，第二开口方环和开口十字方环上均设有6个电开关，其中，第一开口方环、第二开口方环和开口十字方环的左右侧边的中央分别设有一个第一电开关，开口十字方环的两个上分段的中央及两个下分段的中央分别设有一个第二电开关，第二开口方环的左右两侧边在与第二电开关相平齐的位置处各设有一个第三电开关。
进一步的，所述电开关为PIN二极管开关或MEMS开关。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
1、本发明阵列天线利用数字控制器件调节电磁表面每个数字辐射单元的反射相位或者反射相位，并采用喇叭馈源从空间照射整个表面，通过数字控制的方式调节表面每个单元的相位，从而获得高增益聚焦的动态扫描波束、捷变波束或者多波束。
2、本发明具有馈电损耗小、波束扫描速度快、阵列规模拓展性强、结构简单、剖面低、重量轻、易共形、成本低的优点。
附图说明
图1是本发明实施例中阵列天线的整体结构示意图。
图2是本发明实施例中阵列天线的结构框图。
图3是本发明实施例中双圆环辐射结构的结构示意图。
图中：1、馈源，2、阵列天线组件，3、数字辐射单元，31、辐射贴片，32、电开关。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1～3所示，一种基于开口方环的可重构超表面电扫阵列天线，包括馈源1和阵列天线组件2，所述馈源1用于为阵列天线组件提供空间照射源并接收阵列天线组件2的反射电磁波；所述阵列天线组件2包括多个数字辐射单元3，所述数字辐射单元3包括介质层和辐射层，所述辐射层内具有由辐射贴片31构成的开口方环辐射结构，且辐射贴片31上设置有电开关32，所述介质层内设有用于控制电开关通断的直流偏置电路。
仍见图3，开口方环辐射结构包括最外圈的第一开口方环、中间圈的第二开口方环和最内圈的开口十字方环，各圈环的开口均为两个且分别位于顶部中央和底部中央；第一开口方环上设有2个电开关，第二开口方环和开口十字方环上均设有6个电开关，其中，第一开口方环、第二开口方环和开口十字方环的左右侧边的中央分别设有一个第一电开关，开口十字方环的两个上分段的中央及两个下分段的中央分别设有一个第二电开关，第二开口方环的左右两侧边在与第二电开关相平齐的位置处各设有一个第三电开关。
馈源1和阵列天线组件2处于近场反射式工作状态时，馈源1与阵列天线组件2的距离大概三个波长，此时由馈源1和阵列天线组件组成的阵天线具有低剖面特征。
上述实施例中，电开关32可以采用PIN二极管、变容二极管或MEMS二极管。其中，PIN二极管可采用MACOM公司生产的MEST2GFC-010-25，其工作状态包括：导通、截止。介质板可采用Rogers 5880，其相对介电常数为2.2。介质板还可采用为FR-4，其相对介电常数为4.4。
上述实施例中，辐射贴片的边长决定了工作频率，通过调整第一边长，可使该单元工作在需要的频率。
本阵列天线工作时，根据馈源是正馈还是偏馈，依据出射波束编程计算出阵面所需要的相位分布，依据每个单元的相位，即阵面上某一时刻的编码状态，对二极管的状态进行配置，确定出某一时刻单元上的二极管开关是通还是断。
阵列上每个单元加载多个电开关，虽然可以验证通过改变每个单元上开关的状态控制反射相移的思路，但在加工过程中，阵列单元上加载数量过多的电开关一方面会导致较大的插入损耗和复杂的控制电路设计，另一方面也会使制造成本更昂贵。因此如何在实现电控波束扫描的前提下尽量减少电开关的使用成为了电控波束扫描反射阵天线的重要研究方向。本实施例的阵列天线，其每个单元每个环上加载了PIN开关。控制单元反射相移的具体做法是：采用贴片来调节反射相位，在入射波照射下，反射单元会影响到单元反射波的相位，可以改变反射相位。环形单元上加载3个电开关，工作时一个开关断开，另外2个闭合为一个状态，等效为一个开口环。
对于TE模电磁波照射的情况下，辐射结构的反射相位随开关状态变化较为明显，基本能覆盖360度的变化范围，并且辐射结构的反射相位随开关状态变化均匀线性。相比之下，对于TM模电磁波照射的情况下，随着开关状态的不断变化，反射相位变化缓慢。这主要是因为开关的位置加载在辐射结构在纵轴方向，当垂直极化的电磁波照射到辐射结构时（TE模入射），开关的状态变化导致环形贴片在纵轴方向的谐振长度发生变化，所以反射相位变化明显；当水平极化的电磁波照射到辐射结构时（TM模入射），由于环形贴片在横轴方向部分开口，没有加载开关，环形贴片在横轴方向的谐振长度没有发生变化，所以反射相位变化不大。因此可以认为该辐射结构仅适用于垂直极化波照射的条件下，或者只能在TE模入射的情况下使用。
如果要求该辐射结构在水平极化波照射的条件下也能使用，则需要辐射结构在横轴方向也要加载开关，随之而来的是开关数量的增多和成本的增加，这显然是不可取的。需要注意的是在实际过程中，辐射结构工作模式的选取是通过转换馈源的极化状态来实现的。对于TE模式和TM模式的线极化波，馈源的远场辐射就要保证足够的主极化与交叉极化比。
TE模电磁波照射的情况下，辐射结构的反射相位覆盖范围均接近360度，就单层结构的反射阵辐射结构而言，该辐射结构基本实现了在较宽的频带内反射相位电可控。
总之，本发明阵列天线利用集成的数字控制器件直接调节每个数字辐射单元的辐射相位，并采用馈源从空间照射整个表面，通过数字控制的方式调节天线阵列组件所有数字辐射单元的相位，从而获得高增益聚焦的动态扫描波束和捷变波束。这种高增益波束扫描天线设计方法，结合了常见抛物面天线和相控阵天线的优点，同时克服了两者的不足，具有非常突出的性能、成本及推广使用优势。
Claims (3)
1.一种基于开口方环的可重构超表面电扫阵列天线，包括馈源和阵列天线组件，所述馈源用于为阵列天线组件提供空间照射源并接收阵列天线组件的反射电磁波；其特征在于，所述阵列天线组件包括多个数字辐射单元，所述数字辐射单元包括介质层和辐射层，所述辐射层内具有由辐射贴片构成的开口方环辐射结构，且辐射贴片上设置有电开关，所述介质层内设有用于控制电开关通断的直流偏置电路。
2.根据权利要求1所述的一种基于开口方环的可重构超表面电扫阵列天线，其特征在于，所述开口方环辐射结构包括最外圈的第一开口方环、中间圈的第二开口方环和最内圈的开口十字方环，各圈环的开口均为两个且分别位于顶部中央和底部中央；第一开口方环上设有2个电开关，第二开口方环和开口十字方环上均设有6个电开关，其中，第一开口方环、第二开口方环和开口十字方环的左右侧边的中央分别设有一个第一电开关，开口十字方环的两个上分段的中央及两个下分段的中央分别设有一个第二电开关，第二开口方环的左右两侧边在与第二电开关相平齐的位置处各设有一个第三电开关。
3.根据权利要求1所述的一种基于开口方环的可重构超表面电扫阵列天线，其特征在于，所述电开关为PIN二极管开关或MEMS开关。
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