CN113097736A - 一种新型频率及波束可重构天线 - Google Patents

一种新型频率及波束可重构天线 Download PDF

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Abstract

本发明属于可重构天线技术领域，公开了一种新型频率及波束可重构天线，由地板、馈源贴片和可调部分反射板三部分组成。地板和可调部分反射板构成有限大镜像型法布里‑珀罗谐振腔，馈源贴片为法布里‑珀罗谐振腔提供激励。本发明所涉及的可重构天线可以依据可调部分反射板上加载变容二极管的反向偏置电压的分布方式分别实现谐振频率连续调谐和波束指向连续变化；可调部分反射板的单元按列分组，使得同列单元的反射系数相同且能够利用变容二极管的反向偏置电压对反射系数的幅度和相位实现相对独立的控制；可调部分反射板上加载变容二极管的反向偏置电压采用“锯齿”型按列设置的方式时可以在波束可重构模式下得到更大的波束扫描角度或更高的增益。

Description

一种新型频率及波束可重构天线
技术领域
本发明属于可重构天线技术领域，特别是涉及一种频率及波束可重构天线。本发明可应用于软件定义无线电系统或基站天线系统。
背景技术
目前，天线作为无线系统中不可或缺的组成部分，对系统的性能具有重要影响。在通信、雷达、遥感、测控、电子对抗等领域的一些应用场景中，通常需要天线具有较高的增益。传统的高增益天线大多采用口径天线(即反射面天线和介质透镜天线)或阵列天线的形式。其中口径天线容易实现具有不同特征的波束(如高增益点波束、多波束或赋形波束等)，但体积和重量较大，不利于系统集成。阵列天线需要设计复杂的馈电网络，通常还要克服影响阵列天线整体性能的互耦问题，但基于平面印刷工艺的阵列天线具有易加工、成本低、重量轻等优点。近年来得到广泛应用的反射阵列(Reflectarray)/透射阵列(Transmitarray)天线则融合了口径天线与阵列天线的优点，采用空间馈电技术和基于准周期结构散射单元设计的方式，克服了阵列天线传输线馈电网络的损耗问题，也能够实现灵活的辐射方向图。另一种结合空间馈电技术和准周期散射单元的天线为基于法布里-珀罗干涉原理的谐振腔天线，其典型结构包括地板、覆盖层以及二者之间的馈源，当地板和覆盖层的间距满足特定的谐振条件时，馈源辐射的电磁波经历覆盖层的多次部分反射后在某个方向上形成同相叠加，从而起到类似于聚焦透镜的作用，能够实现中等增益(10dB～20dB)。这种谐振腔天线相对于反射阵列/透射阵列天线来说口径尺寸较小，通常可以采用更简单的口径场综合方式，无需像反射阵列天线一样考虑等效反射面的焦径比以及馈源的照射锥削等问题，在一些要求中等增益和简单波束特征的应用场景下具有一定优势。
另一方面，随着无线系统的快速发展和电磁环境的复杂多变，系统对天线性能的各种要求也日益提高，如要求天线能够根据电磁环境或任务模式的变化做出适应性调整(如频率捷变、极化切换、波束切换或扫描等)。能够满足这种多功能、智能化的典型天线形式为相控阵天线，通过为阵列中每一个辐射单元或子阵接入移相器或收发组件的方式来实现灵活的辐射特性，但相控阵天线的成本较高且存在传输线馈电网络带来的损耗问题，为其应用带来了一定的限制。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术中相控阵天线的成本较高且存在传输线馈电网络带来的损耗问题，为其应用带来了一定的限制。
解决以上问题及缺陷的意义为：发明为一种低成本智能天线解决方案，可以根据需要调控天线的工作频率、极化方式或辐射方向图，具有广阔的应用前景。本发明可以实现可重构的技术手段有多种方式，其中二极管元件并通过控制二极管偏置状态来改变天线上电流分布的方式，具有技术复杂度低、可靠性高、成本低等优势，在微波频段应用广泛。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种新型频率及波束可重构天线。
本发明是这样实现的，一种新型频率及波束可重构天线，所述新型频率及波束可重构天线由地板、馈源贴片和可调部分反射板三部分组成，地板和可调部分反射板构成有限大的镜像型法布里-珀罗谐振腔，馈源贴片为谐振腔提供激励，地板、馈源贴片和可调部分反射板平行放置并利用介质螺钉进行固定。
进一步，所述地板和可调部分反射板为单层双面平面印制板，馈源贴片为单层单面平面印制板。
进一步，所述地板设置有第一介质基板，第一介质基板的上表面蚀刻H形的耦合缝隙，第一介质基板下表面印制有微带馈线。
进一步，所述H形耦合缝隙位于第一介质基板的中心位置。
进一步，所述馈源贴片设置有第二介质基板，第二介质基板上印制有方形贴片，方形贴片通过H形耦合缝隙从微带馈线耦合电磁场从而为法布里-珀罗谐振腔提供激励。
进一步，所述依据法布里-珀罗干涉原理调整可调部分反射板到地板的距离，当可调部分反射板上各列单元加载变容二极管的反向偏置电压都相同时，可重构天线的最大辐射方向沿可调部分反射板的法线方向且谐振频率受控于变容二极管的反向偏置电压；
当可调部分反射板上加载的变容二极管的反向偏置电压以“锯齿”型方式按列设置时，可重构天线的最大辐射方向偏离可调部分反射板的法线方向且最大辐射方向受控于变容二极管的以“锯齿”型方式设置的各列反向偏置电压。
进一步，所述可调部分反射板由M×N个可调部分反射表面单元组成，每个单元的上表面蚀刻方环形缝隙且两只变容二极管水平跨接于方环形缝隙。
进一步，所述方环形缝隙由第三介质基板上表面的单元中心部分和边缘部分所构成。
进一步，所述可调部分反射表面每个单元的下表面印制有方环形贴片以及沿竖直方向分布的二极管直流偏置馈线，且该馈线与可调部分反射板上表面的单元中心部分通过金属化过孔相连。
进一步，所述可调部分反射板所有单元的上表面周围导体部分保持电连通，可调部分反射板同列单元的上表面中心导体部分以及下表面的导体保持电连通，使得可调部分反射板的单元按列分组并为同列单元的变容二极管施加相同的反向偏置电压。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明所涉及的频率及波束可重构天线可以依据可调部分反射板上加载变容二极管的反向偏置电压的分布方式分别实现谐振频率连续调谐和波束指向连续变化。本发明所涉及的可调部分反射板的单元可以按列分组，同列可调部分反射表面单元具有相同的反射系数，且能够利用变容二极管的反向偏置电压对反射系数的幅度和相位实现相对独立的控制。本发明所涉及的频率及波束可重构天线对变容二极管的反向偏置电压采用“锯齿”型按列设置的方式可以在波束可重构模式下得到更大的波束扫描角度或更高的增益。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的新型频率及波束可重构天线结构示意图。
图2是本发明实施例提供的地板结构示意图。
图中：图a、地板上表面；图b、地板下表面。
图3是本发明实施例提供的馈源贴片结构示意图。
图4是本发明实施例提供的可调部分反射板结构示意图。
图中：图a、可调部分反射板上表面及单元结构；图b、可调部分反射板下表面及单元结构。
图5是本发明实施例提供的可重构天线的直流偏置电压连接示意图。
图6是本发明实施例提供的直流偏置电压分列设置示意图。
图中：图a、可重构天线在频率可重构模式下的直流偏置电压分列设置结构；图b、可重构天线在波束可重构模式下的直流偏置电压分列设置结构。
图7是本发明实施例提供的可重构天线加载的变容二极管等效电路模型示意图。
图8是本发明实施例提供的可重构天线的可调部分反射板单元在不同变容二极管等效电容下的反射系数曲线。
图中：图a、可重构天线的可调部分反射板单元在不同变容二极管等效电容下的反射幅度曲线；图b、可重构天线的可调部分反射板单元在不同变容二极管等效电容下的反射相位曲线。
图9是本发明实施例提供的可重构天线在频率可重构模式下的工作频率及增益与变容二极管等效电容的关系曲线。
图10是本发明实施例提供的可重构天线在不同变容二极管等效电容下的端口反射系数曲线。
图11是本发明实施例提供的可重构天线在不同变容二极管等效电容下的归一化方向图。
图中：图a、可重构天线在不同变容二极管等效电容下的归一化E面方向图；图b、可重构天线在不同变容二极管等效电容下的归一化H面方向图。
图12是本发明实施例提供的可重构天线在波束可重构模式下可调部分反射板各列单元的变容二极管等效电容及反射相位分布曲线。
图13是本发明实施例提供的可重构天线在波束可重构模式下扫描角度及增益与频率的关系曲线。
图14是本发明实施例提供的可重构天线在波束可重构模式下的端口反射系数。
图15是本发明实施例提供的可重构天线在波束可重构模式下的归一化E面方向图。
图中：1、地板；10、第一介质基板；11、耦合缝隙；12、微带馈线；2、馈源贴片；20、第二介质基板；21、方形贴片；3、可调部分反射板；30、第三介质基板；31、变容二极管；32、单元中心部分；33、单元边缘部分；34、金属化过孔；35、方环形贴片；36、变容二极管偏置馈线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种新型频率及波束可重构天线，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，可重构天线包括三块平行放置的平面印制板，地板1、馈源贴片2和可调部分反射板3；其中地板1和可调部分反射板3为单层双面平面印制板，可调部分反射板3的上表面焊接变容二极管31，馈源贴片2为单层单面平面印制板。
如图2所示，本发明实施例提供的地板上表面及下表面结构中地板1设置有第一介质基板10，第一介质基板10的上表面蚀刻H形的耦合缝隙11，H形耦合缝隙11位于第一介质基板10的中心位置，第一介质基板10下表面印制有微带馈线12。
如图3所示，本发明实施例提供的馈源贴片中第二介质基板20上印制有方形贴片21。方形贴片21通过H形耦合缝隙11从微带馈线12耦合电磁场从而为法布里-珀罗谐振腔提供激励。
如图4所示，本发明实施例提供的可调部分反射板上表面与下表面结构中可调部分反射板由M×N个可调部分反射表面单元组成，每个单元的上表面蚀刻方环形缝隙且两只变容二极管31水平跨接于方环形缝隙，该方环形缝隙由第三介质基板30上表面的单元中心部分32和边缘部分33所构成，可调部分反射表面每个单元的下表面印制有方环形贴片35以及沿竖直方向分布的二极管直流偏置馈线36，且该馈线36与可调部分反射板上表面的单元中心部分32通过金属化过孔34相连。
如图5所示，本发明实施例提供的可调部分反射板直流偏置电压连接关系，如下：可调部分反射板所有单元的上表面周围导体部分保持电连通，可调部分反射板同列单元的上表面中心导体部分以及下表面的导体保持电连通，从而使得可调部分反射板的单元可以按列分组并为同列单元的变容二极管施加相同的反向偏置电压。
如图6所示，本发明实施例提供的可调部分反射板直流偏置电压分列设置示意图，依据法布里-珀罗干涉原理合理设计可调部分反射板到地板的距离，当可调部分反射板上各列单元加载变容二极管的反向偏置电压都相同时，本发明所涉及的可重构天线的最大辐射方向沿可调部分反射板的法线方向且谐振频率受控于变容二极管的反向偏置电压；当可调部分反射板上加载的变容二极管的反向偏置电压以“锯齿”型方式按列设置时，本发明所涉及的可重构天线的最大辐射方向偏离可调部分反射板的法线方向且最大辐射方向受控于变容二极管的以“锯齿”型方式设置的各列反向偏置电压。
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
依据前面描述的发明内容和实施方式，给出一种具体的实施例。地板、馈源贴片和可调部分反射板的介质基板均采用Rogers RO4350，可调部分反射板的介质基板厚度为1.524mm，地板和馈源贴片的介质基板厚度为0.762mm，可调部分反射板的可调部分反射表面单元个数为15×15。所采用的变容二极管型号为MGV125-20-0805-2，其等效电路及等效结电容与反向偏置电压之间的关系如图7a和7b所示，结电容Cj在2～20V反向偏置电压下的变化范围为0.1pf～1pf，电阻Rs为1.6Ohm，电感Ls为0.4nh，封装电容Cp为0.06pf，即该变容二极管总的等效电容为0.16pf～1.06pf。本发明的频率及波束可重构天线实施例的其他主要结构参数如表1所列。
表1频率及波束可重构天线的主要结构参数
尺寸参数 h d L<sub>h</sub> W<sub>h</sub> L<sub>v</sub> W<sub>v</sub> L<sub>m</sub> W<sub>m</sub> L<sub>f</sub> P L<sub>s</sub> W<sub>s</sub> L<sub>p</sub> W<sub>p</sub> W<sub>b</sub>
数值(mm) 30 6 11 1.3 5.3 1 81.7 1.8 19.1 10.6 10.2 1.2 9.1 0.8 0.2
下面结合仿真对本发明的技术效果作详细的描述。
利用全波电磁仿真软件CST 2019对上述实施例在频率可重构模式和波束可重构模式下的性能进行仿真计算。加载变容二极管的可调部分反射表面单元仿真结果如图8a和8b所示，变容二极管的等效电容在0.16pf～1.06pf范围内变化时，可调部分反射表面单元在5GHz的反射系数的幅度较为稳定(约为0.85)而相位变化范围较大(约为200°)。将15×15个加载变容二极管的可调部分反射表面单元组成可调部分反射板并与地板、馈源贴片构成可重构法布里-珀罗谐振腔天线，参考图6a和图6b对可调部分反射板的直流偏置电压进行分列设置可以使得本发明的可重构法布里-珀罗谐振腔天线分别工作于频率可重构模式和波束可重构模式。
当可调部分反射板各列单元加载的变容二极管的反向偏置电压均相同且对应变容二极管的等效电容在0.2pf～0.65pf之间时，本发明的频率及波束可重构天线实施例在频率可重构模式下的性能如图9～图11所示。其中天线的谐振频率及增益与变容二极管等效电容的关系如图9所示，可见随着变容二极管的等效电容从0.2pf上升到0.65pf时，天线的谐振频率从5.6Ghz下降至4.8Ghz，增益变化范围为11.3～15.2dB。由图10所示的可重构天线的馈电端口反射系数曲线可知，变容管的电容值改变时天线的馈电端口反射系数也发生变化，其原因是馈源辐射的电磁波经过可重构部分反射表面反射后贴片的感应电流改变了辐射阻抗。由图11所示的可重构天线方向图可见，变容管的电容值改变时天线在对应谐振频率处的最大辐射方向保持为法线方向。
当可调部分反射板各列单元加载的变容二极管的反向偏置电压不同且对应变容二极管的等效电容如图12所示的“锯齿”型分布时，本发明的频率及波束可重构天线实施例在波束可重构模式下的性能如图13～图15所示。此时变容二极管的电容在0.16pf～0.56pf范围内变化，5GHz附近可调部分反射表面单元的反射相位变化范围约为100度。可重构天线的波束偏转角度及增益随频率变化的曲线如图13所示，可重构天线在波束可重构模式下5.05GHz～5.35GHz内的波束偏转角度为11.1°～22.3°，增益为10.6dB～13.4dB。由图14所示的可重构天线的馈电端口反射系数曲线可知，此时天线的阻抗匹配状况有所恶化。由图15所示的可重构天线的归一化E面方向图可见，随着频率的增加，波束偏转角度增大但副瓣电平也逐步增加。
综上所述，本发明所涉及的可重构天线在可调部分反射板到地板的距离满足法布里-珀罗干涉谐振的条件下，当可调部分反射板上各列单元加载变容二极管的反向偏置电压都相同时，本发明所涉及的可重构天线的最大辐射方向沿可调部分反射板的法线方向且谐振频率受控于变容二极管的反向偏置电压；当可调部分反射板上加载的变容二极管的反向偏置电压以“锯齿”型方式按列设置时，本发明所涉及的可重构天线的最大辐射方向偏离可调部分反射板的法线方向且最大辐射方向受控于变容二极管的以“锯齿”型方式设置的各列反向偏置电压。
本发明的工作原理为：该可重构天线由馈源、地板和加载变容二极管的可调部分反射板三部分组成。其中地板和可调部分反射板构成一个有限大的镜像型法布里-珀罗谐振腔，馈源为谐振腔提供激励，即馈源辐射的电磁波在地板与可调部分反射板之间多次反射与透射。
当地板与可调部分反射板的间距取适当值时，从可调部分反射板透射出的电磁波在特定方向上同相叠加从而提升馈源的增益。依据法布里-珀罗干涉原理合理设计可调部分反射板到地板的距离，当可调部分反射板上加载的所有变容二极管的反向偏置电压都相同时，该可重构天线的最大辐射方向沿可调部分反射板的法线方向且谐振频率受控于变容二极管的反向偏置电压；当可调部分反射板上加载的变容二极管的反向偏置电压以“锯齿”型方式按列设置时，该可重构天线的最大辐射方向偏离可调部分反射板的法线方向且最大辐射方向受控于变容二极管的以“锯齿”型方式设置的各列反向偏置电压。
在上述技术方案的基础上，馈源采用缝隙耦合馈电的矩形微带贴片天线，H形的耦合缝隙印制在地板的上表面而微带馈线印制在地板的下表面；
可调部分反射板采用单层双面印刷结构，由矩形周期排布的加载变容二极管的互补型部分反射表面阵列构成，平行放置于地板上方。互补型部分反射表面阵列的上表面为加载变容二极管的方环形缝隙阵列，下表面为引入了变容二极管直流偏置馈线的方环形贴片阵列，方环形缝隙阵列的每个单元将所述互补型部分反射表面阵列的上表面金属层分隔为中心导体部分和周围导体部分。
在上述技术方案的基础上，互补型部分反射表面阵列的每个单元中，两只变容二极管对称地沿水平方向跨接在上表面的中心导体和周围导体之间，变容二极管的直流偏置馈线位于下表面。直流偏置馈线沿垂直方向印制在下表面的中心位置，且下表面的直流偏置馈线和方环形贴片通过金属化过孔与上表面的中心导体部分保持电连通。
采用上述技术方案使得可调部分反射板所有单元的上表面周围导体部分保持电连通，且可调部分反射板同列单元的上表面中心导体部分与下表面的导体保持电连通，从而使得可调部分反射板的单元可以按列分组并为同列单元的变容二极管施加相同的反向偏置电压，进而让同列的部分反射表面单元具有相同的反射系数；另一方面，对可调部分反射板的不同列施加不同的偏置电压时，不同列部分反射表面单元的反射系数在某频率附近具有不同的反射相位而反射幅度相近，从而有助于本发明所涉及的可重构天线在波束可重构模式下获得更均匀的口径场分布以及更高的增益。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种新型频率及波束可重构天线，其特征在于，所述新型频率及波束可重构天线由地板、馈源贴片和可调部分反射板三部分组成；
地板和可调部分反射板构成有限大镜像型法布里-珀罗谐振腔，馈源贴片为法布里-珀罗谐振腔提供激励；
地板、馈源贴片和可调部分反射板平行放置。
2.如权利要求1所述的新型频率及波束可重构天线，其特征在于，所述地板和可调部分反射板为单层双面平面印制板，馈源贴片为单层单面平面印制板。
3.如权利要求1所述的新型频率及波束可重构天线，其特征在于，所述地板设置有第一介质基板，第一介质基板的上表面蚀刻H形的耦合缝隙，第一介质基板下表面印制有微带馈线。
4.如权利要求3所述的新型频率及波束可重构天线，其特征在于，所述H形耦合缝隙位于第一介质基板的中心位置。
5.如权利要求1所述的新型频率及波束可重构天线，其特征在于，所述馈源贴片设置有第二介质基板，第二介质基板上印制有方形贴片，方形贴片通过H形耦合缝隙从微带馈线耦合电磁场从而为法布里-珀罗谐振腔提供激励。
6.如权利要求5所述的新型频率及波束可重构天线，其特征在于，依据法布里-珀罗干涉原理调整可调部分反射板到地板的距离，当可调部分反射板上各列单元加载变容二极管的反向偏置电压都相同时，可重构天线的最大辐射方向沿可调部分反射板的法线方向且谐振频率受控于变容二极管的反向偏置电压；
当可调部分反射板上加载的变容二极管的反向偏置电压以“锯齿”型方式按列设置时，可重构天线的最大辐射方向偏离可调部分反射板的法线方向且最大辐射方向受控于变容二极管的以“锯齿”型方式设置的各列反向偏置电压。
7.如权利要求1所述的新型频率及波束可重构天线，其特征在于，所述可调部分反射板由M×N个可调部分反射表面单元组成，每个单元的上表面蚀刻方环形缝隙且两只变容二极管水平跨接于方环形缝隙；
所述方环形缝隙由第三介质基板上表面的单元中心部分和边缘部分所构成；
所述可调部分反射表面每个单元的下表面印制有方环形贴片以及沿竖直方向分布的二极管直流偏置馈线，且该馈线与可调部分反射板上表面的单元中心部分通过金属化过孔相连；
所述可调部分反射板所有单元的上表面周围导体部分保持电连通，可调部分反射板同列单元的上表面中心导体部分以及下表面的导体保持电连通，使得可调部分反射板的单元按列分组并为同列单元的变容二极管施加相同的反向偏置电压。
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