CN112768957B - 一种低成本模块化平板电扫天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种相控阵设计方案，特别针对平板相控阵天线的低成本、模块化提出一种有效方法。本发明方法主要包括：基于一种集成移相功能的天线单元，采用稀疏阵的布局方式在一个六边形的口径上放置16个阵元形成一个子阵，通过这种模块化的子阵拼接可以实现大规模阵列。本发明的有益效果为，直接对各天线单元的辐射相位加以控制，实现天线的“辐射”和“移相”两种功能，可以有效抑制非重叠均匀子阵拼接阵列的栅瓣，同时省略了外置移相器，大大的降低加工成本；采用子阵旋转、阵元旋转的方式来实现相位补偿，可以有效降低量化副瓣电平；子阵合成的技术可以将一个大型阵列拆分成多个小的模块，便与加工、组装和维护。

Description

一种低成本模块化平板电扫天线
技术领域
本发明设计一种相控阵设计领域，特别针对平板相控阵天线的低成本模块化设计提出一种有效方法。
背景技术
相控阵天线是由阵列天线发展起来的一类天线，通过由连接在天线后方的可控电子移相器控制天线单元的相位，可以在若干微秒的时间内，把原来向某方向对准的波瓣转变而投射到另一方向。20世纪60年代以来，相控阵天线开始呈现井喷，从那以后，相控阵技术在各国的研究下迅速提高。相控阵平板天线具有低轮廓、高增益、灵活的波束等优点，随着5G应用、物联网技术的发展，加大了对相控阵天线的需求。然而传统的相控阵天线技术和应用所面临的最大的挑战在于天线的成本过高，难以广泛推广到民用领域。随着低频频谱资源的大量占用，目前已将研究方向转向更高频段上，但由于每一路天线单元的控制都需要相对应的收发电路来实现，电路布局空间十分有限。为了满足高增益的需求，天线通道数越来越多，口径越造越大，大型天线的结构设计成为大型天线设计中至关重要的过程，从工程角度上对阵列设计提出了迫切需求。
发明内容
本发明的目的，就是针对上述问题，提出一种低成本模块化电扫阵列天线设计。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种用于低成本模块化电扫阵列天线系统，包含一个射频信号模块、一个子阵级的功率分配网络以及多个模块化的六边形子阵模块(0)，通过模块化子阵拼接方式可以实现大型阵列设计；由射频信号模块产生射频信号输入到子阵级的功分网络中生成多路等幅同相的射频信号，在可编程逻辑阵列(FPGA)控制电路的控制下，天线单元可产生不同的相位分布，使得阵列的主波束可以在空间中灵活切换。
作为优选方式，子阵(0)结构包括：16个阵元(6)、1分16功分网络(3)以及直流偏置电路(6)。子阵(0)结构从上往下依次为辐射贴片层、第一介质基板，金属地板，第二介质板和馈电网络层。
作为优选方式，为减少天线通道数，简化硬件电路设计，天线单元(8)采用稀疏阵的方式排布，通过合理的排布直流偏置电路(6)，一方面使得对天线的辐射性能影响最小，另外可以在阵列四周引出外置接口实现与编程逻辑阵列(FPGA)的连接。
作为优选方式，每个阵元(8)的重要组成部分包括辐射贴片(4)、级联的具有90°移相功能的微带移相器(5)和直流控制的PIN二极管(7)。辐射贴片(4)采用切角设计形成圆极化辐射电磁波，当单元水平旋转180°时，其辐射场的相位会根据其旋转方向发生滞后或延迟，辐射场相位变化量为180°，利用电控的PIN二极管(7)开关控制，可以实现180°数字移相器效果。具有90°移相功能的微带移相器(5)与功分网络(3)位于同一层中，通过同轴结构与辐射贴片(4)级联。
作为优选方式，天线单元(8)是一种集辐射与移相功能为一体的天线设计，对于任意一个辐射体单元，用PIN二极管开关控制天线单元的辐射场相位差存在
Figure BDA0002873043280000021
四种状态，阵列可以在无外置移相器的情况下实现波束扫描，为相控阵天线提供了一种低成本的实现方案。
作为优选方式，每个子阵(0)具有
Figure BDA0002873043280000022
的随机旋转角度，每个阵元(8)具有
Figure BDA0002873043280000023
的旋转角度。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)本发明直接对各天线单元的辐射相位加以控制，实现天线的“辐射”和“移相”两种功能，与传统的相控阵相比，省略了外置移相器，大大的降低加工成本；
2)本发明采用稀疏阵的阵元排布方式，用较少的阵元数达到所需性能，尽可能地减少了天线通道数，可以加大阵元间距、有效简化电路设计；
3)本发明所述阵列采用子阵旋转、阵元旋转的方式来实现相位补偿，可以有效降低量化副瓣电平；
4)本发明采用模块化的子阵设计，每个子阵集成了辐射单元、直流控制电路和功分电路，将多个阵元组合成一个小的阵列作为子阵，然后将子阵拼接起来组合成一个大型阵列，这种子阵合成的技术可以将一个大型阵列拆分成多个小的模块，便与加工、组装和维护；
5)本发明采用的模块化子阵设计，虽然每个子阵只有一个通道与后端T/R组件连接，但得益于其天线单元的移相特性，可以避免由于子阵相位中心间距较大而产生的栅瓣问题，有效抑制非重叠均匀子阵的栅瓣，提高系统的抗干扰特性。
附图说明
图1是本发明所述的模块化平板电扫天线系统示意图；
图2本发明的相控阵天线子阵结构示意图；
图3是本发明的相控阵天线单元结构示意图；
图4为一种子阵拼接结构示意图；
图5是图2所示天线的辐射性能仿真结果示意图；其工作频率为17.9GHz；
图6是图2所示天线的辐射性能仿真结果示意图；其工作频率为18.2GHz；
图7是图2所示天线的辐射性能仿真结果示意图；其工作频率为18.9GHz；
具体实施方式
如图1所示为一种低成本模块化电扫阵列天线系统，其结构包含一个射频信号模块、一个子阵级的功率分配网络以及多个模块化的六边形子阵模块(0)，通过模块化子阵拼接方式可以实现大型阵列设计；由射频信号模块产生射频信号输入到子阵级的功分网络中生成多路等幅同相的射频信号，在可编程逻辑阵列(FPGA)控制电路的控制下，天线单元可产生不同的相位分布，使得阵列的主波束可以在空间中灵活切换。
如图2所示为模块化的子阵结构示意图。每个子阵(0)采用六边形的口径结构，每个子阵中集成了16个阵元(6)、1分16功分网络(3)以及直流偏置电路(6)。子阵(0)结构从上往下依次为辐射贴片层、第一介质基板，金属地板，第二介质板和馈电网络层。16个阵元(6)采用稀疏阵的布局方式，其阵中位置(loc_x,loc_y)如下表所示：
Figure BDA0002873043280000031
Figure BDA0002873043280000041
如图3所示为子阵内每个阵元的结构示意图。每个阵元(8)的重要组成部分包括辐射贴片(4)、级联的具有90°移相功能的微带移相器(5)和直流控制的PIN二极管(7)。辐射贴片(4)采用切角设计形成圆极化辐射电磁波，当单元水平旋转180°时，其辐射场的相位会根据其旋转方向发生滞后或延迟，辐射场相位变化量为180°，利用电控的PIN二极管(7)开关控制，可以实现180°数字移相器效果。具有90°移相功能的微带移相器(5)与功分网络(3)位于同一层中，通过同轴结构与辐射贴片(4)级联。因此，每个阵元具有0°、90°、180°和270°的可重构2-bit相位分布。
图4提供了一种7个子阵(0)的拼接方案，但拼接方法不限定于图4中的7个子阵。每一个子阵中提供一个馈电端口与外部功分网络连接；每一个子阵具有独立作用于PIN二极管的FPGA控制电路，仅需一个外接端口实现总控机对子阵上的分控机的调控。
本发明利用具有辐射和2-bit移相的阵元所设计的阵列天线辐射场计算如下：
Figure BDA0002873043280000042
其中k0是波数，N＝16·Nsub是阵元个数；
Figure BDA0002873043280000043
其中θ和
Figure BDA0002873043280000044
分别为球坐标系下的俯仰角和方位角；xn和yn是第n个阵元的相位中心坐标；ψn是第n个阵元所在子阵的旋转角度；φn是第n个阵元的旋转角度；γn是第n个阵元的所在功分网络的相位分布；
Figure BDA0002873043280000045
是第n个阵元的单元方向图，且
Figure BDA0002873043280000046
其中
Figure BDA0002873043280000047
是阵元激励幅度，
Figure BDA0002873043280000048
是阵元的激励相位。当希望阵列最大增益指向
Figure BDA0002873043280000049
时，理论上需要的阵元激励相位为
Figure BDA00028730432800000410
针对2-bit移相方法，关键技术是每个阵元的移相量的选择。设经过量化后的阵元激励相位为
Figure BDA0002873043280000051
因此，本发明所涉及的相控阵通过2-bit相位量化，所得到的阵元激励相位只有四个相位选项，相位依次相差90°，并且能够在不同的偏置电压下实现对四个相位的选择，从而实现相控阵的二维扫描。
当Nsub＝1时，对单独子阵性能进行考察。图5-图7依次给出了在
Figure BDA0002873043280000052
和
Figure BDA0002873043280000053
平面上子阵在不同频点的辐射性能。在本实施例中，由于φn≠0、γn≠0，因此需要通过2-bit单元的移相功能对天线单元进行相位补偿
Figure BDA0002873043280000054
从图中可以看出，经过相位补偿后可以使阵列主瓣指向在17.9-18.7GHz频段范围内准确指向0°,增益保持在14dBi以上，并且从方向图中可以看出无较高的量化副瓣出现。

Claims (6)

1.一种低成本模块化平板电扫天线，其特征在于，包含一个射频信号模块、一个子阵级的功率分配/合成网络以及多个模块化的子阵模块(0)，通过模块化子阵拼接方式实现大型阵列设计；由射频信号模块产生射频信号输入到子阵级的功分器中生成多路等幅同相的射频信号，在可编程逻辑阵列FPGA控制电路的控制下，N个天线单元(8)采用一种集辐射与移相功能为一体的天线设计，对于任意一个辐射体单元，用PIN二极管开关控制天线单元的辐射场相位差存在
Figure FDA0003214074350000011
四种状态，阵列可以在无外置移相器的情况下实现波束扫描，为相控阵天线提供了一种低成本的实现方案：
所述低成本模块化平板电扫天线的辐射场计算公式为
Figure FDA0003214074350000012
其中k0是波数，N＝16·Nsub是天线单元个数，其中Nsub为子阵个数；
Figure FDA00032140743500000111
Figure FDA00032140743500000112
其中θ和
Figure FDA0003214074350000013
分别为球坐标系下的俯仰角和方位角；xn和yn是第n个天线单元的相位中心坐标；ψn是第n个天线单元所在子阵的旋转角度；φn是第n个天线单元的旋转角度；γn是第n个天线单元的所在功分网络的相位分布；
Figure FDA0003214074350000014
是第n个天线单元的单元方向图，且
Figure FDA0003214074350000015
其中
Figure FDA0003214074350000016
是天线单元激励幅度，
Figure FDA0003214074350000017
是天线单元的激励相位；当阵列最大增益指向
Figure FDA0003214074350000018
时，需要的阵元激励相位为
Figure FDA0003214074350000019
则经过量化后的天线单元激励相位为
Figure FDA00032140743500000110
虽然每个子阵只有一个通道与后端T/R组件连接，但得益于其天线单元的移相特性，可以避免由于子阵相位中心间距较大而产生的栅瓣问题，有效抑制非重叠均匀子阵的栅瓣，同时，采用子阵旋转、天线单元旋转的方式来实现相位补偿，可以有效降低量化副瓣电平，提高系统的抗干扰特性。
2.根据权利要求1所述的一种低成本模块化平板电扫天线，其特征在于，子阵模块(0)结构包括：N个天线单元(8)、1分N功分网络(3)以及直流偏置电路(6)，子阵模块(0)结构从上往下依次为辐射贴片层、第一介质基板，金属地板，第二介质板和馈电网络层。
3.根据权利要求2所述的一种低成本模块化平板电扫天线，其特征在于，N为16，且所述子阵模块(0)的形状为正六边形、正三角形或正四边形。
4.根据权利要求1所述的一种低成本模块化平板电扫天线，其特征在于，为减少天线通道数，简化硬件电路设计，天线单元(8)采用稀疏阵的方式排布，通过合理的排布直流偏置电路(6)，一方面使得对天线的辐射性能影响最小，另外可以在阵列四周引出外置接口实现与可编程逻辑阵列FPGA的连接。
5.根据权利要求1所述的一种低成本模块化平板电扫天线，其特征在于，每个天线单元(8)的重要组成部分包括辐射贴片(4)、级联的具有90°移相功能的微带移相器(5)和直流控制的PIN二极管(7)；辐射贴片(4)采用切角设计形成圆极化辐射电磁波，当单元水平旋转180°时，其辐射场的相位会根据其旋转方向发生滞后或延迟，辐射场相位变化量为180°，利用电控的PIN二极管(7)开关控制，可以实现180°数字移相器效果；具有90°移相功能的微带移相器(5)与功分网络(3)位于同一层中，通过同轴结构与辐射贴片(4)级联。
6.根据权利要求1所述的一种低成本模块化平板电扫天线，其特征在于，每个子阵模块(0)具有
Figure FDA0003214074350000021
的随机旋转角度，每个天线单元(8)具有
Figure FDA0003214074350000022
的随机旋转角度。
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