CN112909572A - 一种3比特相位可调的微带反射单元 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种3比特相位可调的微带反射单元，包括三层介质基板、金属地板、印制在第一介质基板上的结构单元、用于接地和固定的金属螺丝钉以及直流馈电结构，结构单元由印制在第一介质基板上的金属圆形贴片、8段相同的相位延迟线以及加载的8个PIN二极管构成，通过直流馈电结构调节不同位置处的PIN管的通断，可以实现反射单元的反射相位在360°范围内3比特量化调控，相比于现有技术，本发明的优点是反射单元的体积较小、可以实现3比特的补偿相位调节，相位补偿准确率高，而且反射单元的损耗小，且具有较宽的工作带宽。本发明可用于雷达系统、远程通信和航天探测等领域中，具有较好的经济效益。
Description
技术领域
本发明属于微波毫米波天线技术领域，涉及一种3比特相位可调的微带反射单元。
背景技术
近年来，在雷达系统、远程通信和航天探测等领域，微带反射阵天线的应用日益广泛。相比于传统的大口径天线，如抛物面天线和阵列天线，微带反射阵天线具有体积小、低剖面、重量轻、易展开、成本低等优点，随着研究人员对其的深入研究，微带反射阵天线在可重构、波束赋形、多频工作等方面也展现出巨大的潜力。因此，微带反射阵天线凭借其优越的性能在未来将具有广阔的应用前景。
微带反射阵天线主要由反射阵和馈源组成，传统的微带反射阵天线是固定式的，一般不能够实时调控其辐射特性，因此受限于很多应用场合。考虑到微带反射阵天线具有其他优越的性能，设计出一种可调微带反射单元以实现可调微带反射阵天线是非常有意义的。
为了使微带反射单元具有反射相位可调的特性，杨欢欢等人公开了一种1比特的线极化反射单元(H.H.Yang,F.Yang,S.H.Xu,et al.A 1-Bit 10×10ReconfigurableReflectarray Antenna:Design,Optimization,and Experiment.IEEE Transactions onAntennas and Propagation,JUNE 2016,Vol.64:2246-2253)，通过在微带单元上加载一个PIN二极管实现了反射相位的1比特可控调节。只是单元只能够实现0°和180°两种补偿相位，相位补偿误差大。李龙等人公开了一种2比特相位可调的反射超表面单元(发明人：李龙、穆亚洁、韩家奇、刘光耀；发明名称：一种2比特相位可调的反射超表面单元，中国发明专利申请号201910780644.X，申请日2019.08.22)，通过在等臂U型微带偶极子上加载两个微带射频开关，实现了反射相位的2比特可控调节。只是该反射超表面单元存在反射损耗大、工作带宽小等缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种3比特相位可调的微带反射单元，在实现反射单元反射相位3比特可调的前提下，同时实现较宽的工作带宽。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种3比特相位可调的微带反射单元，包括第一介质基板(1)、第二介质基板(2)、第三介质基板(3)、金属地板(4)、印制在第一介质基板(1)上的结构单元(5)、用于接地和固定的金属螺丝钉(6)以及直流馈电结构(7)，所述结构单元(5)由印制在第一介质基板(1)正面的贴片(50)、印制在第一介质基板(1)正反两面的8段相同的相位延迟线(51)以及加载在贴片(50)和8段相位延迟线(51)之间的8个PIN二极管(53)构成；所述直流馈电结构(7)由印制在第一介质基板(1)上的8个第一焊盘(70)、加载在8个第一焊盘(70)和8段相位延迟线(51)之间的8个隔交电感(71)、印制在第三介质基板(3)反面的8个第二焊盘(72)以及连接8个第一焊盘(70)和8个第二焊盘(72)的8个被绝缘介质包裹的金属探针(73)构成；所述第一介质基板(1)的中心钻有用于接地和固定用的金属通孔(10)，四周钻用用于穿过8个被绝缘介质包裹的金属探针(73)的8个通孔(11)；所述第二介质基板(2)的中心钻有用于接地和固定用的通孔(20)，四周钻用用于穿过8个被绝缘介质包裹的金属探针(73)的8个通孔(21)；所述金属螺丝钉(6)与第一介质基板(1)的通孔(10)以及第二介质基板(2)的通孔(20)直径相同；所述金属地板(4)钻有用于穿过8个被绝缘介质包裹的金属探针(73)的8个通孔(41)，通孔直径略大于金属探针(73)直径。
进一步地，所述第一介质基板(1)的厚度为1mm，第二介质基板(2)的厚度为1mm，第三介质基板(3)的厚度为0.4mm。
进一步地，所述金属地板(4)的厚度为4mm。
进一步地，所述3比特相位可调的微带反射单元中第一介质基板(1)、第二介质基板(2)、第三介质基板(3)以及金属地板(4)均具有正方形的单元边界，且具有相同边长。
进一步地，所述边长为31mm。
进一步地，所述贴片(50)为金属圆形的。
进一步地，所述被绝缘介质包裹的金属探针(73)的直径为0.64mm。
进一步地，所述第一介质基板(1)的通孔10以及第二介质基板(2)的通孔20直径相同，均为2.4mm。
进一步地，所述8段相同的相位延迟线(51)分布在金属圆形贴片(50)的四周，通过8个PIN二极管(53)控制金属圆形贴片(50)与不同位置处的相位延迟线(51)的通断，可以实现反射单元的反射相位可控调节，同一时间只有一个PIN二极管打开；所述的3比特相位可调的微带反射单元可以通过调节8段相同的相位延迟线(51)之间的角度控制反射相位的最小改变量。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
(1)本发明所采用的结构单元的由金属圆形贴片、8个PIN二极管和八段相位延迟线组成，且相位延迟线主要位于第一介质基板下方，组成的反射单元的体积较小，且本发明给出了一种控制8个PIN二极管所需的直流偏置电路的实现方式。
(2)本发明采用调节金属圆形贴片与不同位置处的相位延迟线的通断情况，来实现单元反射相位可控调节，相位调节的方式简单，且可以实现3比特的补偿相位调节，相位补偿准确率高。
(3)本发明采用的反射单元结构损耗小，反射单元具有较宽的带宽，克服了微带反射阵单元带宽窄的技术问题。
本发明的目的、特征及优点将结合实施例，参照附图作如下进一步的说明。
附图说明
图1是本发明微带反射单元的总体结构示意图；
图2是本发明微带反射单元的结构侧视图；
图3是本发明微带反射单元的结构俯视图；
图4是本发明在入射电磁波时的反射幅度和不同PIN二极管导通时的关系曲线；
图5是本发明在入射电磁波时的反射相位和不同PIN二极管导通时的关系曲线。
具体实施方式
如图1的总体结构示意图所示，一种3比特相位可调的微带反射单元，包括厚度为1mm的F4B第一介质基板1、厚度为1mm的F4B第二介质基板2、厚度为0.4mm的FR4第三介质基板3、厚度为4mm的金属地板4、印制在第一介质基板上的结构单元5、用于接地和固定的金属螺丝钉6以及直流馈电结构7；所述结构单元由印制在第一介质基板正面的金属圆形贴片50、印制在第一介质基板1正反两面的8段相同的相位延迟线51以及加载在金属圆形贴片50和8段相位延迟线51之间的8个PIN二极管53构成；所述直流馈电结构7由印制在第一介质基板1上的8个第一焊盘70、加载在8个第一焊盘70和8段相位延迟线51之间的8个隔交电感71、印制在第三介质基板3反面的8个第二焊盘72以及连接8个第一焊盘70和8个第二焊盘72的8个直径为0.64mm的被绝缘介质包裹的金属探针73构成；如图2本发明的结构侧视图所示，所述第一介质基板1的中心钻有用于接地和固定用的金属通孔10，四周钻用用于穿过8个被绝缘介质包裹的金属探针73的8个通孔11；所述第二介质基板2的中心钻有用于接地和固定用的通孔20，四周钻用用于穿过8个被绝缘介质包裹的金属探针73的8个通孔21；所述金属螺丝钉6与第一介质基板1的通孔10以及第二介质基板2的通孔20直径相同，均为2.4mm；所述金属地板4钻有用于穿过8个被绝缘介质包裹的金属探针73的8个通孔41，通孔直径略大于金属探针73的直径，以实现金属探针73和金属地板3的隔离作用。
进一步的，所述3比特相位可调的微带反射单元中第一介质基板1、第二介质基板2、第三介质基板3以及金属地板4均具有正方形的单元边界，且边长均为31mm。
进一步的，如图3本发明的结构俯视图所示，所述8段相同的相位延迟线51分布在金属圆形贴片50的四周，通过8个PIN管53控制金属圆形贴片50与不同位置处的相位延迟线51的通断，可以实现反射单元的反射相位在360°的范围内3比特量化调节，同一时间只有一个PIN管打开，图4本发明在入射电磁波时的反射幅度和不同PIN二极管导通时的关系曲线显示，当不同位置处的PIN管导通时，反射幅度均在-1dB左右，图5本发明在入射电磁波时的反射相位和不同PIN二极管导通时的关系曲线显示，3比特相位可调的的反射单元的反射相位的改变量与PIN管的导通顺序在很大的频率范围内都成良好的线性关系。
进一步的，所述的3比特相位可调的的微带反射单元可以通过调节8段相同的相位延迟线51之间的角度控制反射相位的最小改变量。
本发明采用调节金属圆形贴片与不同位置处的相位延迟线的通断情况，来实现单元反射相位可控调节，相位调节的方式简单，且可以实现3比特的补偿相位调节，相位补偿准确率高。
本发明采用的反射单元结构损耗小，反射单元具有较宽的带宽，克服了微带反射阵单元带宽窄的技术问题。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种3比特相位可调的微带反射单元，其特征在于：包括第一介质基板(1)、第二介质基板(2)、第三介质基板(3)、金属地板(4)、印制在第一介质基板(1)上的结构单元(5)、用于接地和固定的金属螺丝钉(6)以及直流馈电结构(7)，所述结构单元(5)由印制在第一介质基板(1)正面的贴片(50)、印制在第一介质基板(1)正反两面的8段相同的相位延迟线(51)以及加载在贴片(50)和8段相位延迟线(51)之间的8个PIN二极管(53)构成；所述直流馈电结构(7)由印制在第一介质基板(1)上的8个第一焊盘(70)、加载在8个第一焊盘(70)和8段相位延迟线(51)之间的8个隔交电感(71)、印制在第三介质基板(3)反面的8个第二焊盘(72)以及连接8个第一焊盘(70)和8个第二焊盘(72)的8个被绝缘介质包裹的金属探针(73)构成；所述第一介质基板(1)的中心钻有用于接地和固定用的金属通孔(10)，四周钻用用于穿过8个被绝缘介质包裹的金属探针(73)的8个通孔(11)；所述第二介质基板(2)的中心钻有用于接地和固定用的通孔(20)，四周钻用用于穿过8个被绝缘介质包裹的金属探针(73)的8个通孔(21)；所述金属螺丝钉(6)与第一介质基板(1)的通孔(10)以及第二介质基板(2)的通孔(20)直径相同；所述金属地板(4)钻有用于穿过8个被绝缘介质包裹的金属探针(73)的8个通孔(41)，通孔直径略大于金属探针(73)直径。
2.根据权利要求1所述的3比特相位可调的微带反射单元，其特征在于：所述第一介质基板(1)的厚度为1mm，第二介质基板(2)的厚度为1mm，第三介质基板(3)的厚度为0.4mm。
3.根据权利要求1所述的3比特相位可调的微带反射单元，其特征在于：所述金属地板(4)的厚度为4mm。
4.根据权利要求1所述的3比特相位可调的微带反射单元，其特征在于：所述3比特相位可调的微带反射单元中第一介质基板(1)、第二介质基板(2)、第三介质基板(3)以及金属地板(4)均具有正方形的单元边界，且具有相同边长。
5.根据权利要求4所述的3比特相位可调的微带反射单元，其特征在于：所述边长31mm。
6.根据权利要求1所述的3比特相位可调的微带反射单元，其特征在于：所述贴片(50)为金属圆形的。
7.根据权利要求1所述的3比特相位可调的微带反射单元，其特征在于：所述被绝缘介质包裹的金属探针(73)的直径为0.64mm。
8.根据权利要求1所述的3比特相位可调的微带反射单元，其特征在于：所述第一介质基板(1)的通孔(10)以及第二介质基板(2)的通孔(20)直径相同，均为2.4mm。
9.根据权利要求1所述的3比特相位可调的微带反射单元，其特征在于：所述8段相同的相位延迟线(51)分布在金属圆形贴片(50)的四周，通过8个PIN二极管(53)控制金属圆形贴片(50)与不同位置处的相位延迟线(51)的通断，可以实现反射单元的反射相位可控调节，同一时间只有一个PIN二极管打开；所述的3比特相位可调的微带反射单元可以通过调节8段相同的相位延迟线(51)之间的角度控制反射相位的最小改变量。
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