CN112949032A - 全极化可重构平面反射阵天线技术的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开全极化可重构平面反射阵天线技术的设计方法，包括步骤一、单元结构的设计，步骤二、可重构平面反射阵天线结构设计，步骤三、馈源位置和入射波极化方向的确定，步骤四、通过控制二极管开关状态来控制反射波束，步骤五、可重构反射阵列天线的仿真；本发明通过将可重构反射阵天线入射波极化方向设为45°，使天线单元获得等幅同相的电场分量，同时根据平面反射阵天线原理和电磁波极化原理，独立地控制单元两方向二极管开关状态，实现全极化大角度波束扫描，且通过阵列中单元的连续正交摆放，有效地降低圆极化轴比，提高圆极化纯度。通过特殊的二极管编码方式，实现数字调整改变反射波极化和扫描角度，无需机械旋转馈源，使波束响应时间更短。
Description
技术领域
本发明涉及可重构反射阵列天线技术领域，尤其涉及全极化可重构平面反射阵天线技术的设计方法。
背景技术
目前设计了一个1bit双频段可重构反射阵列天线(RRA),它可以产生两个正交极化的铅笔束。该RRA单元是具有两个独立控制的PIN二极管的矩形贴片。该RRA由256个单元组成，在12.5GHz和14.25GHz，具有双线极化(水平线极化和垂直线极化)以及大角度波束扫描能力；
现有技术提出了一种具有独特旋转角度和相位安排的2×2子阵列，该子阵列可以使阵列天线具有更低的轴比以及更宽的轴比带宽。单元的旋转角度依次为0°，90°，180°，270°；
可重构反射阵现有的方法是用含有两个PIN二极管的矩形贴片做反射面单元，通过机械地调整入射波极化来实现双线极化的反射波束，此方法使天线的响应时间增长，同时只能实现双线极化反射波束，不能实现全极化(+45°LP、-45°LP、LHCP和RHCP)反射波束，因此，本发明提出全极化可重构平面反射阵天线技术的设计方法以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出全极化可重构平面反射阵天线技术的设计方法，该全极化可重构平面反射阵天线技术的设计方法通过将可重构反射阵天线入射波极化方向设为φ＝45°，使天线单元在x和y方向上获得等幅同相的电场分量，同时根据平面反射阵天线原理和电磁波极化原理，独立地控制单元两方向二极管开关状态，实现全极化(+45°LP、-45°LP、RHCP、LHCP)大角度波束扫描，且通过改变阵列中单元摆放方式为连续正交摆放，有效降低圆极化轴比，提高圆极化纯度，实现数字调整即可改变极化和扫描角度，无需机械旋转馈源，使波束响应时间更短。
为实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：全极化可重构平面反射阵天线技术的设计方法，步骤一、单元结构设计，选取带有两个可独立控制的PIN二极管的方形贴片做反射面天线单元；
步骤二、以2×2个单元为一个子阵，子阵中单元按照0°、90°、180°和270°连续旋转排布，可重构反射面天线由8×8个子阵组成，即16×16个单元组成；
步骤三、设馈源位置为(50mm，110mm，
)，令馈源的极化方向为φ＝45°方向；
步骤四、因入射波的极化方向为φ＝45°方向，所以对于每个单元来说入射波沿x轴方向和y轴方向的电场分量是等幅同相的，通过控制单元两个方向二极管开关状态可以独立地控制x和y方向的反射波，根据反射面天线原理计算单元的相位补偿值，然后进行量化并对二极管状态进行编码；
步骤五、用三维电磁仿真软件对可重构反射阵列天线进行仿真，得出仿真结果，并根据式(1)计算得出天线效率。
其中G为天线最大增益，A为天线孔径，λ为波长。
进一步改进在于：所述步骤一中反射面天线单元结构为最上层是金属方形贴片和PIN二极管，第一层介质基板采用Taconic TLX-8，下层为金属板接地，与连接最上层贴片中心的金属过孔相连，中间两层为FR-4，中间金属为扇形枝节直流偏置电路，最后一层介质基板与中间两层介质基板一致，为直流电路布线提供足够空间。
进一步改进在于：所述步骤二中以0°、90°、180°和270°连续旋转的2×2个单元为一个子阵排布天线，进而提高圆极化纯度。
进一步改进在于：所述步骤四中每个单元x方向的相位补偿通过(2)式计算出
其中k0为自由空间波数，rfmn为馈源相位中心到单元中心的距离，
为单元位置，
为波束指向，φΓ为单元反射相位。
进一步改进在于：所述步骤四中根据电磁波极化原理，等幅正交的两个电场可以通过改变两个电场的相位差来实现不同的极化方式。令x方向相位为(2)不变，改变y方向的相位。当实现+45°LP时，y方向相位与x方向一致，由式(3)表示；当实现-45°LP时，将y方向相位在x方向相位基础上加减π，由式(4)表示，当实现RHCP和LHCP，y方向相位分别有式(5)和式(6)表示。
φmny＝φmnx (3)
然后将单元的相位补偿值进行1bit量化，当补偿相位落在[-90°,90°]范围内则量化为0°，即PIN二极管导通，编码为“1”，当补偿相位落在[-180°,-90°)或(90°,180°]范围内则量化为180°，即PIN二极管截止，编码为“0”。
进一步改进在于：所述步骤五中的仿真结果可得出可重构反射阵天线扫描效果好，波束指向准确，反射波旁瓣电平低，极化纯度高。
本发明的有益效果为：本发明通过将可重构反射阵天线入射波极化方向设为φ＝45°，使天线单元获得等幅同相的电场分量，同时根据平面反射阵天线原理和电磁波极化原理，独立地控制单元两方向二极管开关状态，实现全极化(+45°LP、-45°LP、RHCP、LHCP)大角度波束扫描，且通过改变阵列中单元摆放方式为连续正交摆放，有效降低圆极化轴比，提高圆极化纯度，实现数字调整即可改变极化和扫描角度，无需机械旋转馈源，波束响应时间更短。
附图说明
图1为本发明单元结构示意图。
图2为单元在x极化和y极化正入射下，不同二极管开关状态对应的单元反射幅度和反射相位。
图3为本发明可重构平面反射阵天线的结构示意图。
图4为本发明馈源在14.75GHz时E面和H面增益曲线图。
图5为本发明馈源位置俯视和侧视图。
图6为本发明RRAE面方向图扫描20°、40°、50°和60°仿真曲线图。
图7为本发明RRAH面方向图扫描0°、20°、40°、50°和60°仿真曲线图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
根据图1-7所示，本实施例提供了全极化可重构平面反射阵天线技术的设计方法，包括以下步骤：
步骤一、单元结构设计，选取带有两个可独立控制的PIN二极管的方形贴片做反射面天线单元，其中反射面天线单元结构为最上层是金属方形贴片和MACOM MADP-000907-14020PIN二极管，第一层介质基板采用Taconic TLX-8，介电常数为2.55，损耗正切角为0.0019，厚度1.58mm，下层为金属板接地，与连接最上层贴片中心的金属过孔相连，中间两层为FR-4，介电常数为4.4，损耗正切角为0.02，厚度0.5mm，中间金属为扇形枝节直流偏置电路，最后一层介质基板与中间两层介质基板一致，为直流电路布线提供足够空间；
步骤二、以2×2个单元为一个子阵，子阵中单元按照0°、90°、180°和270°连续旋转排布，可重构反射面天线由8×8个子阵组成，即16×16个单元组成；
步骤三、确定馈源位置，将馈源喇叭设置在14.75GHz，根据E面和H面两条增益曲线得出在[-30°,30°]范围内几乎重合，说明E面和H面的对称性良好，在θ＝0°时，E面和H面的增益均为16.5dB。设置馈源位置为(50mm，110mm，
)，令馈源的极化方向为φ＝45°方向；
步骤四、由于入射波的极化方向为φ＝45°方向，所以对于每个单元来说入射波沿x轴方向和y轴方向的电场分量是等幅同相的，通过控制两个方向二极管开关状态独立控制x和y方向的反射波。对阵列中每一个单元进行相位补偿是平面反射阵天线波束形成的关键，单元的相位补偿包括馈源相位中心到单元中心处的路程差产生的相位差以及波束指向产生的相位差；
每个单元x方向的相位补偿通过(2)式计算出
其中k0为自由空间波数，rfmn为馈源相位中心到单元中心的距离，
为单元位置，
为波束指向，φΓ为单元反射相位；
同时根据电磁波极化原理，等幅正交的两个电场可以通过改变相位差来实现不同的极化方式，对于不同的极化方式，令x方向相位不变，如(2)所示，改变y方向相位，当实现+45°LP时，y方向相位与x方向一致，由式(3)表示；当实现-45°LP时，将y方向相位在x方向相位基础上加减π，由式(4)表示，当实现RHCP和LHCP，y方向相位分别有式(5)和式(6)表示。
φmny＝φmnx (3)
然后将单元的相位补偿值进行1bit量化，当补偿相位落在[-90°,90°]范围内则量化为0°，即PIN二极管导通，编码为“1”，当补偿相位落在[-180°,-90°)或(90°,180°]范围内则量化为180°，即PIN二极管截止，编码为“0”。
步骤五、用三维电磁仿真软件对可重构反射阵列天线进行仿真，在14.75GHz时φ＝45°平面(E面)波束扫描角度依次为20°、40°、50°和60°，如图5所示。其中(a)为右旋圆极化方向图，(b)为右旋圆极化轴比；(c)为左旋圆极化方向图，(d)为左旋圆极化轴比；(e)为+45°LP方向图，(f)为交叉极化；(g)为-45°LP方向图，(h)为交叉极化。图6为φ＝-45°(H面)各极化方向图，其中(a)为右旋圆极化方向图，(b)为右旋圆极化轴比；(c)为左旋圆极化方向图，(d)为左旋圆极化轴比；(e)为+45°LP方向图，(f)为交叉极化；(g)为-45°LP方向图，(h)为交叉极化；
从仿真结果可得出可重构反射阵天线扫描效果好，波束指向准确，反射波旁瓣电平低，极化纯度高，并通过式(1)计算得出天线效率为20.38％。
其中G为天线最大增益，A为天线孔径，λ为波长。
该全极化可重构平面反射阵天线技术的设计方法将天线入射波极化方向设为φ＝45°，使天线单元获得等幅同相的电场分量，同时根据电磁波极化原理，独立地控制单元两方向二极管开关状态，实现全极化(+45°LP、-45°LP、RHCP、LHCP)大角度波束扫描，且通过改变阵列中单元摆放方式为连续正交摆放，有效降低圆极化轴比，提高圆极化纯度，实现数字调整即可改变极化和扫描角度，无需机械旋转馈源，使得波束响应时间更短。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.全极化可重构平面反射阵天线技术的设计方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、单元结构设计，选取带有两个可独立控制的PIN二极管的方形贴片做反射面天线单元；
步骤二、以2×2个单元为一个子阵，子阵中单元按照0°、90°、180°和270°连续旋转排布，可重构反射面天线由8×8个子阵组成，即16×16个单元组成；
步骤三、令馈源位置为
馈源极化方向为φ＝45°；
步骤四、因入射波的极化方向为φ＝45°方向，所以对于每个单元来说入射波沿x轴方向和y轴方向的电场分量是等幅同相的。通过控制两个方向二极管开关状态可以独立地控制x和y方向的反射波；
步骤五、用三维电磁仿真软件对可重构反射阵列天线进行仿真，得出仿真结果，并通过式(1)计算得出天线效率。
其中G为天线最大增益，A为天线孔径，λ为波长。
2.根据权利要求1所述的全极化可重构平面反射阵天线技术的设计方法，其特征在于：所述步骤一中反射面天线单元结构为最上层是金属方形贴片和PIN二极管，第一层介质基板采用Taconic TLX-8，下层为金属板接地，与连接最上层贴片中心的金属过孔相连，中间两层为FR-4，中间金属为扇形枝节直流偏置电路，最后一层介质基板与中间两层介质基板一致，为直流电路布线提供足够空间。
3.根据权利要求1所述的全极化可重构平面反射阵天线技术的设计方法，其特征在于：所述步骤二中以连续旋转排列的2×2子阵构成16×16的阵列，可重构平面反射阵天线结构尺寸为160mm×160mm。
4.根据权利要求1所述的全极化可重构平面反射阵天线技术的设计方法，其特征在于：所述步骤四中对阵列中每一个单元进行相位补偿是平面反射阵天线波束形成的关键，单元的相位补偿包括馈源相位中心到单元中心处的路程差产生的相位差以及波束指向产生的相位差。
5.根据权利要求1所述的全极化可重构平面反射阵天线技术的设计方法，其特征在于：所述步骤四中每个单元的相位补偿通过(2)式计算出
其中k0为自由空间波数，rfmn为馈源相位中心到单元中心的距离，
为单元位置，
为波束指向，φΓ为单元反射相位。
6.根据权利要求5所述的全极化可重构平面反射阵天线技术的设计方法，其特征在于：所述步骤四中根据电磁波极化原理，等幅正交的两个电场通过改变两电场相位差来实现不同的极化方式，在此，令x方向的相位不变如式(2)，只改变y方向的相位。当实现+45°LP时，y方向相位与x方向一致，由式(3)表示；当实现-45°LP时，将y方向相位在x方向相位基础上加减π，由式(4)表示，当实现RHCP和LHCP，y方向相位分别有式(5)和式(6)表示。
φmny＝φmnx (3)
然后将单元的相位补偿值进行1bit量化，当补偿相位落在[-90°,90°]范围内则量化为0°，即PIN二极管导通，编码为“1”，当补偿相位落在[-180°,-90°)或(90°,180°]范围内则量化为180°，即PIN二极管截止，编码为“0”。
7.根据权利要求1所述的全极化可重构平面反射阵天线技术的设计方法，其特征在于：所述步骤五中的仿真结果可得出可重构反射阵天线扫描效果好，波束指向准确，反射波旁瓣电平低，极化纯度高。
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