CN113036415A - 一种圆极化波束电扫描反射阵天线 - Google Patents

一种圆极化波束电扫描反射阵天线 Download PDF

Info

Publication number
CN113036415A
CN113036415A CN202110256491.6A CN202110256491A CN113036415A CN 113036415 A CN113036415 A CN 113036415A CN 202110256491 A CN202110256491 A CN 202110256491A CN 113036415 A CN113036415 A CN 113036415A
Authority
CN
China
Prior art keywords
metal layer
antenna
array antenna
reflective array
basic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110256491.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113036415B (zh
Inventor
吴凡
洪伟
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southeast University
Original Assignee
Southeast University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southeast University filed Critical Southeast University
Priority to CN202110256491.6A priority Critical patent/CN113036415B/zh
Publication of CN113036415A publication Critical patent/CN113036415A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113036415B publication Critical patent/CN113036415B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/48—Earthing means; Earth screens; Counterpoises
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/50—Structural association of antennas with earthing switches, lead-in devices or lightning protectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
    • H01Q21/065—Patch antenna array
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q23/00—Antennas with active circuits or circuit elements integrated within them or attached to them
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/30—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array
    • H01Q3/34—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

本发明公开了一种圆极化波束电扫描反射阵天线，包括基本天线、调节基本天线谐振的附加结构、控制附加结构电接入的射频开关器件、位于基本天线背面且用以实现开关控制的直流偏置电路。通过射频开关控制附加调谐结构的接入，实现单元的圆极化工作及其工作模式的切换。利用基本天线工作模式的电场分布特征，简化反射阵天线单元的结构，表现为其中调节谐振的附加结构和射频开关的数量都得以减少，实现了电扫描圆极化反射阵天线单元复杂度的降低，缩减了反射阵列天线的实现难度和加工制造成本。

Description

一种圆极化波束电扫描反射阵天线
技术领域
本发明涉及微波毫米波领域，具体涉及一种圆极化波束电扫描反射阵天线。
背景技术
具有动态可调节波束指向的高增益天线，在军民不同应用场合中，都有着广泛的实际需求。电扫描反射阵天线的研究也因此受到广泛关注。同时，圆极化波的应用可以减轻信道对电磁波极化的影响，有效解决可能的收发天线极化失配问题。因此，研制具有圆极化辐射特性的波束电扫描反射阵天线，对雷达、下一代通信等军民系统都有着重要意义。通常来说，圆极化反射阵天线的波束成型，是根据经典的单元旋转法来设计相应的每个反射阵单元的相位。
而到目前为止，绝大部分的电控的圆极化反射阵天线的波束扫描技术，都是基于上述单元旋转方法的直接扩展。而对于此类电扫描圆极化反射阵设计，就要求其反射单元在结构上具备旋转对称性，以实现电控的单元几何旋转。这使得所设计电扫描圆极化反射阵单元具有较复杂的结构，并且需要配备相当数量的射频开关器件，来维持结构上的旋转对称，这也在实现难度和制造成本等不同方面，限制了大规模电扫描圆极化反射阵天线的研发和制备。
发明内容
技术问题：本发明提出了一种圆极化波束电扫描反射阵天线，可以将现有技术中对调谐附加结构和射频开关器件的数量需求减半。
技术方案：为达到此目的，本发明的一种电扫描反射阵天线单元采用以下技术方案：
该电扫描反射阵天线单元主要包括基本天线结构、调节基本天线谐振的附加结构、控制附加结构电接入的射频开关器件、位于基本天线背面且用以实现开关控制的直流偏置电路；基本天线结构由顺序叠放的第一金属层、第一介质层以及第二金属层构成；天线调谐附加结构由连接第一金属层和第二金属层的第一金属化过孔构成；射频开关器件焊接安装在第一金属层的上表面；地板由第二金属层构成；直流偏置电路由顺序叠放的第二金属层、第二介质层和第三金属层构成；第二金属化过孔穿过第一介质层、第二金属层、粘结片层、第二介质层并连接第一金属层和第三金属层连入基本天线结构。
其中：
所述的基本天线结构上面的第一金属层是的圆形微带贴片天线，其直径接近半个工作频率下对应的波长，使得该圆形微带贴片工作在基模状态。
所述电扫描反射阵天线单元工作模式为圆极化。
所述第一金属层，在圆形微带贴片天线的半径上某一点引入短路探针，通过连接第一金属层和第三金属层的第二金属化过孔来改圆形微带贴片天线的谐振频率，而该短路探针的接入与否，受到一个射频开关器件的控制。
所述的调节基本天线谐振的附加结构使用两个短路探针，并且两个短路探针中心处于圆形微带天线圆心的两个相互垂直的径向方向上。
所述的两个短路探针对应的射频开关施加不同的偏置电压，可以使得某一个短路探针接入，而另一个则空闲、近乎无实际作用，又因为两个短路探针中心处于圆形微带贴片天线的两个垂直的径向方向上，因此可以实现单元的圆极化工作。
所述射频开关器件为PIN二极管，射频开关器件位于第一金属层的上表面。
所述的直流偏置电路，通过所述直流偏置电路对所述两个调谐附加结构施加不同的偏置条件，得到不同的短路探针接入状态，可以调控反射阵单元的圆极化相位。
所述电扫描反射阵天线单元有多个，组成的反射阵天线，每个单元的圆极化相位都可以通过所述的各自的直流偏置电路进行调控，可以实现反射阵天线的波束电扫描。
有益效果：本发明公开了一种电扫描反射阵天线，其结构简单，加工方便，在调谐附加结构和射频开关的数量减半的基础上，实现了良好的圆极化波束的电扫描，扫描范围大，圆极化效果好，轴比低。
附图说明
图1为本发明电扫描反射阵天线单元的结构原理图；
图2为本发明电扫描反射阵天线单元的分层结构示意图；
图3为本发明电扫描反射阵天线单元的圆极化性能图，
图4为本发明电扫描反射阵天线单元的电控圆极化状态切换性能图，
图5为本发明反射阵天线的一组典型仿真和实测方向图图，
图6为本发明反射阵天线方向图在Phi＝90度主平面内扫描的实测性能图，
图7为本发明反射阵天线方向图在Phi＝0度主平面内扫描的实测性能图，
图中有：第一金属层1、第一金属化过孔2、射频开关器件3、第三金属层4、第一介质层5、第二金属层6、粘结片层7、第二介质层8、第二金属化过孔9。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式公开了一种电扫描反射阵天线单元，由基本天线结构、天线调谐附加结构、射频开关器件以及直流偏置电路组成。如图1所示，基本天线结构1由圆形微带贴片天线构成，天线调谐附加结构2为一组顶端有金属覆盖的短路探针，射频开关器件3为两个PIN二极管，直流偏置电路4位于基本天线结构的背面，并且与天线共用一块地板。
如图2所示，电扫描反射阵天线单元中的第一金属层即为基本天线结构1，其位于第一介质层5上表面；第一介质层下表面印刷有第二金属层6构成的地板；天线调谐附加结构2由连接第一金属层和第二金属层的金属化孔构成；射频开关器件3焊接安装于基本天线结构1的上表面；直流偏置电路4位于的第三金属层，印刷于第二介质层8下表面，并通过连接第一和第三金属层的金属化过孔9连入天线结构；第一介质层5与第二介质层8通过粘结片层7黏合。
通过控制直流偏置电路，可以给两个PIN二极管给予特定的偏压，使其工作于特定的通断状态，图3所示为所示为在一定直流偏压条件下，反射阵单元的圆极化性能，其中可以看出，反射场中交叉极化的强度在近似9.1-9.75GHz的频率区间，都低于主极化超过15dB，这表明反射阵单元在这一频带上有着良好的圆极化特性。
通过施加不同的特定偏压，所述圆极化反射阵单元可以工作于不同的状态。在这两个不同的状态下，单元的反射相位相差180度，而单元的交叉极化水平，即单元的圆极化性能，近乎保持不变且在工作频段内低于15dB。如图4所示，为单元处于两种偏压状态下的反射场主极化相位和交叉极化幅度情况，不难看出，单元实现了期望的主极化相位差别和相近的交叉极化水平。
利用所述的相位可调控的圆极化反射单元，可以设计电扫描圆极化反射阵天线，反射阵列一般由多个、二维周期性排列的反射单元组成，通过给每个单元施加特定的偏置电压，实现反射阵天线的波束调控，如图5所示，为一个16×16规模、由所述单元构成的反射阵天线的典型仿真和实测方向图，其设计波束指向为镜面反射方向。可以看出预期的笔形波束和较低的交叉极化水平得以实现，仿真和实测方向图吻合良好。
图6和图7为上述反射阵天线的二维电扫描性能情况，选取波束指向分别两个相互垂直的主平面内，间隔为15度的若干个典型波束。可以看到，所提出的反射阵天线，可以很好的在二维空间，实现所需的波束汇聚功能，笔形波束形状良好；除去一定的馈源遮挡效应外，扫描损失较小。

Claims (9)

1.一种电扫描反射阵天线单元，其特征在于该电扫描反射阵天线单元主要包括基本天线结构、调节基本天线谐振的附加结构、控制附加结构电接入的射频开关器件、位于基本天线背面且用以实现开关控制的直流偏置电路；基本天线结构由顺序叠放的第一金属层(1)、第一介质层(5)以及第二金属层(6)构成；天线调谐附加结构由连接第一金属层(1)和第二金属层(6)的第一金属化过孔(2)构成；射频开关器件(3)焊接安装在第一金属层(1)的上表面；地板由第二金属层(6)构成；直流偏置电路由顺序叠放的第二金属层(6)、第二介质层(8)和第三金属层(4)构成；第二金属化过孔(9)穿过第一介质层(5)、第二金属层(6)、粘结片层(7)、第二介质层(8)并连接第一金属层(1)和第三金属层(4)连入基本天线结构。
2.根据权利要求1所述的一种电扫描反射阵天线单元，其特征在于：所述的基本天线结构上面的第一金属层(1)是的圆形微带贴片天线，其直径接近半个工作频率下对应的波长，使得该圆形微带贴片工作在基模状态。
3.根据权利要求1所述的一种电扫描反射阵天线单元，其特征在于：所述电扫描反射阵天线单元工作模式为圆极化。
4.根据权利要求1所述的一种电扫描反射阵天线单元，其特征在于：所述第一金属层(1)，在圆形微带贴片天线的半径上某一点引入短路探针，通过连接第一金属层(1)和第三金属层(6)的第二金属化过孔(9)来改圆形微带贴片天线的谐振频率，而该短路探针的接入与否，受到一个射频开关器件(3)的控制。
5.根据权利要求1所述的一种电扫描反射阵天线单元，其特征在于：所述的调节基本天线谐振的附加结构使用两个短路探针，并且两个短路探针中心处于圆形微带天线圆心的两个相互垂直的径向方向上。
6.根据权利要求5所述的一种电扫描反射阵天线单元，其特征在于：所述的两个短路探针对应的射频开关施加不同的偏置电压，可以使得某一个短路探针接入，而另一个则空闲、近乎无实际作用，又因为两个短路探针中心处于圆形微带贴片天线的两个垂直的径向方向上，因此可以实现单元的圆极化工作。
7.根据权利要求1所述的一种电扫描反射阵天线单元，其特征在于：所述射频开关器件(3)为PIN二极管，射频开关器件(3)位于第一金属层(1)的上表面。
8.根据权利要求1所述的一种电扫描反射阵天线单元，其特征在于：所述的直流偏置电路(4)，通过所述直流偏置电路对所述两个调谐附加结构施加不同的偏置条件，得到不同的短路探针接入状态，可以调控反射阵单元的圆极化相位。
9.根据权利要求1所述的一种电扫描反射阵天线单元，其特征在于：所述电扫描反射阵天线单元有多个，组成的反射阵天线，每个单元的圆极化相位都可以通过所述的各自的直流偏置电路进行调控，可以实现反射阵天线的波束电扫描。
CN202110256491.6A 2021-03-09 2021-03-09 一种圆极化波束电扫描反射阵天线 Active CN113036415B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110256491.6A CN113036415B (zh) 2021-03-09 2021-03-09 一种圆极化波束电扫描反射阵天线

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110256491.6A CN113036415B (zh) 2021-03-09 2021-03-09 一种圆极化波束电扫描反射阵天线

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113036415A true CN113036415A (zh) 2021-06-25
CN113036415B CN113036415B (zh) 2022-12-20

Family

ID=76467435

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110256491.6A Active CN113036415B (zh) 2021-03-09 2021-03-09 一种圆极化波束电扫描反射阵天线

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113036415B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114421151A (zh) * 2022-03-28 2022-04-29 陕西海积信息科技有限公司 赋形全向圆极化天线
CN116231279A (zh) * 2022-12-28 2023-06-06 深圳市思讯通信技术有限公司 一种面向可穿戴设备的紧凑型波束可重构天线

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6351240B1 (en) * 2000-02-25 2002-02-26 Hughes Electronics Corporation Circularly polarized reflect array using 2-bit phase shifter having initial phase perturbation
CN110120585A (zh) * 2019-05-21 2019-08-13 哈尔滨工业大学 圆极化液晶电控扫描反射阵天线
CN111262028A (zh) * 2020-01-20 2020-06-09 重庆邮电大学 一种基于改进l形探针馈电结构的新型透射式相控阵天线
CN111430898A (zh) * 2020-04-07 2020-07-17 成都环宇远景科技有限责任公司 用于低轨卫星通信的低成本平板相控阵天线及利用其实现相控阵扫描的方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6351240B1 (en) * 2000-02-25 2002-02-26 Hughes Electronics Corporation Circularly polarized reflect array using 2-bit phase shifter having initial phase perturbation
CN110120585A (zh) * 2019-05-21 2019-08-13 哈尔滨工业大学 圆极化液晶电控扫描反射阵天线
CN111262028A (zh) * 2020-01-20 2020-06-09 重庆邮电大学 一种基于改进l形探针馈电结构的新型透射式相控阵天线
CN111430898A (zh) * 2020-04-07 2020-07-17 成都环宇远景科技有限责任公司 用于低轨卫星通信的低成本平板相控阵天线及利用其实现相控阵扫描的方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
XIAOTIAN PAN等: "A 10240-Element Reconfigurable Reflectarraywith Fast Steerable Monopulse Patterns", 《IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114421151A (zh) * 2022-03-28 2022-04-29 陕西海积信息科技有限公司 赋形全向圆极化天线
CN116231279A (zh) * 2022-12-28 2023-06-06 深圳市思讯通信技术有限公司 一种面向可穿戴设备的紧凑型波束可重构天线
CN116231279B (zh) * 2022-12-28 2024-04-19 深圳市思讯通信技术有限公司 一种面向可穿戴设备的紧凑型波束可重构天线

Also Published As

Publication number Publication date
CN113036415B (zh) 2022-12-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. A novel 1 bit wide-angle beam scanning reconfigurable transmitarray antenna using an equivalent magnetic dipole element
Wang et al. Design and measurement of a 1-bit reconfigurable transmitarray with subwavelength H-shaped coupling slot elements
Zhang et al. Pattern-reconfigurable planar array antenna characterized by digital coding method
CN108023178B (zh) 一种方向图可重构天线及其相控阵
Zhang et al. A dual-polarized reconfigurable reflectarray antenna based on dual-channel programmable metasurface
Xiao et al. Design and implementation of a wideband 1-bit transmitarray based on a Yagi–Vivaldi unit cell
Riel et al. Design of an electronically beam scanning reflectarray using aperture-coupled elements
Clemente et al. Wideband 400-element electronically reconfigurable transmitarray in X band
Gu et al. Dual-band electronically beam-switched antenna using slot active frequency selective surface
Xu et al. Design and experiment of a dual-band 1 bit reconfigurable reflectarray antenna with independent large-angle beam scanning capability
Xiang et al. A wideband low-cost reconfigurable reflectarray antenna with 1-bit resolution
Cao et al. A wideband beam-steerable slot antenna using artificial magnetic conductors with simple structure
Luo et al. Wideband 1 bit reconfigurable transmitarray antenna based on polarization rotation element
CN111262028B (zh) 一种基于改进l形探针馈电结构的新型透射式相控阵天线
CN113036415B (zh) 一种圆极化波束电扫描反射阵天线
CN112310654B (zh) 基于液态金属的方向图可重构反射阵天线
Li et al. Generating tunable orbital angular momentum radio beams with dual-circular-polarization and dual-mode characteristics
Kakhki et al. Dual complementary source magneto-electric dipole antenna loaded with split ring resonators
Chen et al. A pattern reconfigurable SIW horn antenna realized by PIN diode switches
Ding et al. Two-dimensional scanning phased array with large element spacing using pattern reconfigurable stacked patch antenna at Ka-band
Ma et al. Implementation of a 2-D reconfigurable Fresnel-zone-plate antenna
Yu et al. Quad-polarization reconfigurable reflectarray with independent beam scanning and polarization switching capabilities
Dai et al. A wideband circularly polarized transmitarray antenna for millimeter-wave applications
Isa et al. Reconfigurable Pattern Patch Antenna for Mid-Band 5G: A Review.
Ning et al. 1-Bit Low-Cost Electronically Reconfigurable Reflectarray and Phased Array Based on PIN Diodes for Dynamic Beam Scanning

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant