CN113809550B - 一种复合调控、连续相扫的相控阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种复合调控、连续相扫的相控阵天线，包括有“一”字排列的四个天线阵元、四个模拟移相器及一个一分四T型功分器；其中，每个天线阵元均通过一个模拟移相器与一分四T型功分器的其中一个输出端连接，一分四T型功分器的输入端与射频SMA接头相连接。该天线采用了分布式相位叠加技术，在保持良好的扫频特性上，极大程度上降低了天线成本，增强了天线的功能性和环境适应度。

Description

一种复合调控、连续相扫的相控阵天线
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种复合调控、连续相扫的相控阵天线。
背景技术
随着科学技术的不断发展，相控阵天线技术无论是在民事应用还是军事部署中都具有良好的应用前景。特别是在军事科学和武装装备中，相控阵天线具有诸多的优势，发挥着巨大的威力。相控阵天线接收或者发射电磁波的波束指向有规律的运动称为扫描。天线的波束扫描可分为机械扫描和电子扫描，前者相较于后者具有扫描速度快、效率高、调控性更强等优势，同时可免去机械扫描装置潜在存在的故障，所以在移动通信系统中应用更为广泛。但是电扫描相控阵系统结构较为复杂，为了达到一定的扫描角度会配备有昂贵的移相器，并且其调控参数较为单一。
现代通信中的电磁环境日益复杂化，天线作为直接面向复杂电磁环境的界面元件，调控性能的增强有着非常重要的作用。目前天线的调控正从单一参数的调控转化到多参数或复合参数的调控，以此来保证通信系统对环境有更好的适应度。值得一提的是在多数参数调控中，圆极化特性被广泛关注，它具有很多不可比拟的优点：圆极化天线减低了电磁信号的方向性的要求，线极化天线收发间需要进行严格的极化校准，否则就会导致极化失配，而圆极化天线就不存在这一问题。与此同时，圆极化天线还能够抑制多径反射和信号衰落；能够抑制电离层产生的法拉第效应。
综上所述，本发明着眼于满足无线通信系统的多功能、集成化、低成本的发展趋势，提出一种具有多参数复合调控、连续相扫特性的低成本相控阵天线。
发明内容
本发明的目的是提供一种复合调控、连续相扫的相控阵天线，采用了分布式相位叠加技术，在保持良好的扫频特性上，极大程度上降低了天线成本，增强了天线的功能性和环境适应度。
本发明所采用的技术方案是，一种复合调控、连续相扫的相控阵天线，包括有“一”字排列的四个天线阵元、四个模拟移相器及一个一分四T型功分器；其中，每个天线阵元均通过一个模拟移相器与一分四T型功分器的其中一个输出端连接，一分四T型功分器的输入端与射频SMA接头相连接。
本发明的特征还在于，
天线阵元包括第一介质板，第一介质基板上表面印制有寄生辐射片；第一介质基板下方设置有第二介质基板，第二介质基与第一介质基板之间间隔有空气层；第二介质基板的上表面印制有主辐射片，第二介质基板的下表面印制有金属地板；金属地板的下方设置有第三介质基板，第三介质基板的下表面设置有馈电网络，馈电网络与主辐射片通过若干个金属探针连接。
第一介质基板采用相对介电常数为4.4、损耗角正切0.02，厚度为1mm的圆形介质材料；寄生辐射片为与第一介质基板的大小形状均相同的金属圆形片。
第二介质基板采用相对介电常数为3.5、损耗角正切0.01，厚度为0.5mm的介质材料。
第三介质基板采用相对介电常数为3.5、损耗角正切0.01，厚度为0.5mm的介质材料。
主辐射片为金属圆环片。
第一介质基板和第二介质基板间的空气层厚度为4mm。
馈电网络包括有八段微带线、PIN射频开关单元、输出端口P2、输出端口P3、输出端口P4及输出端口P5，其中，PIN射频开关单元为十二个PIN射频开关；具体包括有第一微带线，第一微带线的第一端为射频信号输入端口P1，第一微带线第二端的左右两侧分别设置有第二微带线及第三微带线，第二微带线及第三微带线的第一端与第一微带线的第二端连接，两个连接处均蚀刻有缝隙，两个间隙处分别设置有第一PIN射频开关及第二PIN射频开关；第二微带线及第三微带线的第二端与第四微带线相连接，两个连接处均蚀刻有缝隙，两个间隙处分别设置有第三PIN射频开关及第四PIN射频开关；第四微带首尾两端进行弯折后第四微带线第一端的左右两侧分别设置有第五微带线及第六微带线，两个连接处均蚀刻有缝隙，两个间隙处分别设置第六PIN射频开关及第七PIN射频开关；第四微带线第二端的左右两侧分别设置有第七微带线及第八微带线，两个连接处均蚀刻有缝隙，两个间隙处分别设置第十PIN射频开关及第十一PIN射频开关；第五微带线的第二端与输出端口P2相连接，连接处均蚀刻有缝隙，该缝隙处设置有射频开关；第六微带线的第二端与输出端口P3相连接，连接处均蚀刻有缝隙，该缝隙处设置有射频开关；第七微带线的第二端口与输出端P5相连接，连接处均蚀刻有缝隙，该缝隙处设置有射频开关；第八微带线的第二端口与输出端P4相连接，连接处均蚀刻有缝隙，该缝隙处设置有射频开关；输出端口P2、输出端口P3、输出端口P4及输出端口P5处均设置有金属探针，通过金属探针与主辐射片连接；第一微带线的射频信号输入端口P1与一个模拟移相器(1-2)的输出端口连接。
第一微带线的特性阻抗为35.35欧姆，线宽为1.8mm，第二微带线和第三微带线的特性阻抗为25欧姆，线宽均为2.9mm；第四微带线、第五微带线、第六微带线、第七微带线、第八微带线的特性阻抗为50欧姆，线宽均为1.1mm。
本发明的有益效果是：
(1)本发明天线在使用四元阵的基础上实现了左旋圆极化、右旋圆极化特性的捷变，并达到±40°的连续相位扫描，具有圆极化可重构功能、连续相位扫描功能、极化方式与相位状态的复合可重构功能。
(2)本发明天线形采用电调的方式形成多种极化重构功能。具有切换速度快、损耗小、简单易操作等特性。
(3)本发明天线中的馈电网络采用了混合式相位叠加技术来实现大幅度的相位扫描范围，舍弃了昂贵的数字相移装置，发明单元天线集成了PIN射频开关以实现数字部分的相移，相比于一般相控阵天线极化重构的程度高且馈电网络的复杂度降低，成本大大优于传统相控阵天线，整个天线可以基于印刷电路板技术实现，易于加工和集成。
附图说明
图1是本发明相控阵天线中天线阵元的三维结构示意图；
图2是本发明相控阵天线中阵元馈电网络示意图；
图3是本发明相控阵天线的三维结构示意图；
图4是本发明实施例在仿真实验条件下在右旋圆极化状态进行的相位扫描曲线结果；
图5本发明实施例在仿真实验条件下在左旋圆极化状态进行的相位扫描曲线结果；
图6是本发明实施例在仿真实验条件下在右旋圆极化状态进行相位扫描时的轴比曲线；
图7本发明实施例在仿真实验条件下在左旋圆极化状态进行相位扫描时的轴比曲线。
图中，1.第一介质基板，2.第二介质基板，3.第三介质基板，4.寄生辐射片，5.主辐射片，6.金属地板，7.PIN射频开关单元，8.馈电网络，9.金属探针；
81.第一微带线，82.第二微带线，83.第三微带线，84.第四微带线，85.第五微带线，86.第六微带线，87.第七微带线，88.第八微带线；
71.第一PIN射频开关，72.第二PIN射频开关，73.第三PIN射频开关，74.第四PIN射频开关，75.第五PIN射频开关，76.第六PIN射频开关，77.第七PIN射频开关，78.第八PIN射频开关，79.第九PIN射频开关，710.第十PIN射频开关，711.第十一PIN射频开关，712.第十二PIN射频开关。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种复合调控、连续相扫的相控阵天线，采用电子调节方式来实现左旋圆极化、右旋圆极化状态下的连续相扫。如图3所示，包括有“一”字排列的四个天线阵元、四个模拟移相器1-2及一个一分四T型功分器1-1；其中，每个天线阵元均通过一个模拟移相器1-2与一分四T型功分器1-1的其中一个输出端连接，一分四T型功分器1-1的输入端与射频SMA接头相连接，用于与后端的电路相连接，传输射频信号。
天线阵元包括第一介质板1，第一介质基板1上表面印制有寄生辐射片4；第一介质基板1下方设置有第二介质基板2，第二介质基2与第一介质基板1之间间隔有空气层；第二介质基板2的上表面印制有主辐射片5，第二介质基板2的下表面印制有金属地板6，接地金属板6与第二介质基板2的形状大小均相同；金属地板6的下方设置有第三介质基板3，第三介质基板3的下表面设置有馈电网络8，馈电网络8与主辐射片5通过若干个金属探针9连接，如图1所示，天线阵列的不同工作状态通过PIN射频开关的通断状态控制。
馈电网络8包括有八段微带线、PIN射频开关单元7、输出端口P2、输出端口P3、输出端口P4及输出端口P5，其中，PIN射频开关单元为十二个PIN射频开关，如图2所示；具体包括有第一微带线81，第一微带线81的第一端为射频信号输入端口P1，第一微带线81第二端的左右两侧分别设置有第二微带线82及第三微带线83，第二微带线82及第三微带线83的第一端与第一微带线81的第二端连接，两个连接处均蚀刻有缝隙，两个间隙处分别设置有第一PIN射频开关71及第二PIN射频开关72；第二微带线82及第三微带线83的第二端与第四微带线84相连接，两个连接处均蚀刻有缝隙，两个间隙处分别设置有第三PIN射频开关73及第四PIN射频开关74；第四微带84首尾两端进行弯折后第四微带线84第一端的左右两侧分别设置有第五微带线85及第六微带线86，两个连接处均蚀刻有缝隙，两个间隙处分别设置第六PIN射频开关76及第七PIN射频开关77；第四微带线84第二端的左右两侧分别设置有第七微带线87及第八微带线88，两个连接处均蚀刻有缝隙，两个间隙处分别设置第十PIN射频开关710及第十一PIN射频开关711；第五微带线85的第二端与输出端口P2相连接，连接处均蚀刻有缝隙，该缝隙处设置有射频开关75；第六微带线86的第二端与输出端口P3相连接，连接处均蚀刻有缝隙，该缝隙处设置有射频开关78；第七微带线87的第二端口与输出端P5相连接，连接处均蚀刻有缝隙，该缝隙处设置有射频开关79；第八微带线88的第二端口与输出端P4相连接，连接处均蚀刻有缝隙，该缝隙处设置有射频开关712；输出端口P2、输出端口P3、输出端口P4及输出端口P5处均设置有金属探针9，通过金属探针9与主辐射片5连接，第一微带线81的射频信号输入端口P1与一个模拟移相器1-2的输出端口连接。
作为实施例，在具有上述结构的同时，本发明相控阵天线各个部件的具体参数如下：第一微带线81的特性阻抗为35.35欧姆，线宽为1.8mm，第二微带线82和第三微带线83的特性阻抗为25欧姆，线宽均为2.9mm；第四微带线84、第五微带线85、第六微带线86、第七微带线87、第八微带线88的特性阻抗为50欧姆，线宽均为1.1mm。
第一介质基板1采用相对介电常数为4.4、损耗角正切0.02，厚度为1mm的圆形介质材料，其半径为27mm；寄生辐射片4采用半径为27mm的金属圆形片。
第二介质基板2采用相对介电常数为3.5、损耗角正切0.01，厚度为0.5mm的正方形介质材料。
第三介质基板3采用相对介电常数为3.5、损耗角正切0.01，厚度为0.5mm的正方形介质材料。
主辐射片5采用内径为7.3mm，外径为14.4mm的金属圆环片。
第一介质基板1和第二介质基板2间的空气层厚度为4mm。
每两个相邻的天线阵元的中心点之间的间距为D＝66mm。每个单元天线的射频信号输入端P1都连接一个模拟移相器1-2的输出端口，该模拟移相器1-2的相位调控范围在0°～90°之间。四个模拟移相器1-2的输入端口均与一个一分四T型功分器1-1的四个输出端连接，一分四T型功分器1-1的输入端与射频SMA接头相连接，用于与后端的电路相连接，传输射频信号。
本发明相控阵天线的十二个PIN射频开关7的通断调控天线的激励电磁波的极化与相位状态，具体方式如下：
模式一：第一PIN射频开关71、第三PIN射频开关73、第五PIN射频开关75、第六PIN射频开关76、第九PIN射频开关79、第十PIN射频开关710导通；第二PIN射频开关72、第四PIN射频开关74、第七PIN射频开关77、第八PIN射频开关78、第十一PIN射频开关711、第十二PIN射频开关712截止。此模式激励初始相位状态为0°的右旋圆极化电磁波。
模式二：第二PIN射频开关72、第四PIN射频开关74、第五PIN射频开关75、第六PIN射频开关76、第十一PIN射频开关711、第十二PIN射频开关712导通；第一PIN射频开关71、第三PIN射频开关73、第七PIN射频开关77、第八PIN射频开关78、第九PIN射频开关79、第十PIN射频开关710截止。此模式激励初始相位状态为-90°的右旋圆极化电磁波。
模式三：第一PIN射频开关71、第三PIN射频开关73、第七PIN射频开关77、第八PIN射频开关77、第十一PIN射频开关711、第十二PIN射频开关712导通；第二PIN射频开关72、第五PIN射频开关75、第六PIN射频开关76、第七PIN射频开关77、第九PIN射频开关79截止。此模式激励初始相位状态为-180°的右旋圆极化电磁波。
模式四：第二PIN射频开关72、第四PIN射频开关74、第七PIN射频开关77、第八PIN射频开关78、第九PIN射频开关79、第十PIN射频开关710导通；第一PIN射频开关71、第三PIN射频开关73、第五PIN射频开关75、第六PIN射频开关76、第十一PIN射频开关711、第十二PIN射频开关712截止。此模式激励初始相位状态为-270°的右旋圆极化电磁波。
模式五：第二PIN射频开关72、第四PIN射频开关74、第五PIN射频开关75、第六PIN射频开关76、第九PIN射频开关79、第十PIN射频开关710导通；第一PIN射频开关71、第三PIN射频开关73、第七PIN射频开关77、第八PIN射频开关78、第十一PIN射频开关711、第十二PIN射频开关712截止。此模式激励初始相位状态为0°的左旋圆极化电磁波。
模式六：第一PIN射频开关71、第三PIN射频开关73、第七PIN射频开关77、第八PIN射频开关78、第九PIN射频开关79、第十PIN射频开关710导通；第二PIN射频开关72、第四PIN射频开关74、第五PIN射频开关75、第六PIN射频开关76、第十一PIN射频开关711、第十二PIN射频开关712截止。此模式激励初始相位状态为-90°的左旋圆极化电磁波。
模式七：第二PIN射频开关72、第四PIN射频开关74、第七PIN射频开关77、第八PIN射频开关77、第十一PIN射频开关711、第十二PIN射频开关712导通；第一PIN射频开关71、第三PIN射频开关73、第五PIN射频开关75、第六PIN射频开关76、第九PIN射频开关79截止、第十PIN射频开关710截止。此模式激励初始相位状态为-180°的左旋圆极化电磁波。
模式八：第一PIN射频开关71、第三PIN射频开关73、第五PIN射频开关75、第六PIN射频开关76、第十一PIN射频开关711、第十二PIN射频开关712导通；第二PIN射频开关72、第四PIN射频开关74、第七PIN射频开关77、第八PIN射频开关78、第九PIN射频开关79、第十PIN射频开关710截止。此模式激励初始相位状态为-270°的左旋圆极化电磁波。
综上所述，通过改变十二个PIN射频开关7的通断状态可以实现左旋圆极化、右旋圆极化特性及初始状态0°、-90°、-180°、-270°间的自由快速切换。
以下结合仿真实验，对本发明实施例中相控阵天线的技术效果作进一步说明：
相扫角度范围计算公式如(1)所示，
φt＝-k0×d×sinθs×n，n＝1...N (1)
其中，θs是阵列的相扫角度，φt是每个阵元提供的总相位。K0是自由空间波数，d是阵列单元间距，N是天线阵的阵元数。φt的变换范围为-360°～0°，则通过公式(1)可以得出，当天线阵的阵元在发明天线所设置的四种相位模式(0°、-90°、-180°、-270°)切换时，由系统移相器所提供的相位调控范围在-90°～0°之间。同时，发明天线在四种相位模式的基础上提供了极化切换，可在左旋圆极化和右旋圆极化间自由切换。
如图4-5所示，发明天线工作在2.5GHz时天线可实现在yoz平面的相位扫描，扫描范围为-39.8°至39.6°，在这一过程中伴随的能量损耗最大为2.8dB。同时可以观察到，发明天线在左旋圆极化和右旋圆极化情况下都保持良好的相位扫描状态。
图6-7展示了发明天线分别工作在左旋圆极化及右旋圆极化状态进行相位扫描时的轴比曲线，可以很明显的看出，3dB波瓣宽度内的轴比值均小于3dB，表示发明天线在相扫过程中也展现了良好的轴比特性。
以上结果表明本发明的天线能够实现两种圆极化形式的可重构功能，具有良好的阻抗匹配和相位扫描特性。本实施例天线结构简单，价格优势明显，易于集成与加工，是一款具有多参数复合调控、连续相扫特性的低成本相控阵天线，非常契合无线通信系统的多功能、集成化、低成本的发展趋势。

Claims (8)

1.一种复合调控、连续相扫的相控阵天线，其特征在于，包括有“一”字排列的四个天线阵元、四个模拟移相器（1-2）及一个一分四T型功分器（1-1）；其中，每个天线阵元均通过一个模拟移相器（1-2）与一分四T型功分器（1-1）的其中一个输出端连接，一分四T型功分器（1-1）的输入端与射频SMA接头相连接；
馈电网络（8）包括有八段微带线、PIN射频开关单元（7）、输出端口P2、输出端口P3、输出端口P4及输出端口P5，其中，PIN射频开关单元为十二个PIN射频开关；具体包括有第一微带线（81），第一微带线（81）的第一端为射频信号输入端口P1，第一微带线（81）第二端的左右两侧分别设置有第二微带线（82）及第三微带线（83），第二微带线（82）及第三微带线（83）的第一端与第一微带线（81）的第二端连接，两个连接处均蚀刻有缝隙，两个间隙处分别设置有第一PIN射频开关（71）及第二PIN射频开关（72）；第二微带线（82）及第三微带线（83）的第二端与第四微带线（84）相连接，两个连接处均蚀刻有缝隙，两个间隙处分别设置有第三PIN射频开关（73）及第四PIN射频开关（74）；第四微带线（84）首尾两端进行弯折后第四微带线（84）第一端的左右两侧分别设置有第五微带线（85）及第六微带线（86），两个连接处均蚀刻有缝隙，两个间隙处分别设置第六PIN射频开关（76）及第七PIN射频开关（77）；第四微带线（84）第二端的左右两侧分别设置有第七微带线（87）及第八微带线（88），两个连接处均蚀刻有缝隙，两个间隙处分别设置第十PIN射频开关（710）及第十一PIN射频开关（711）；第五微带线（85）的第二端与输出端口P2相连接，连接处均蚀刻有缝隙，该缝隙处设置有射频开关（75）；第六微带线（86）的第二端与输出端口P3相连接，连接处均蚀刻有缝隙，该缝隙处设置有射频开关（78）；第七微带线（87）的第二端口与输出端口P5相连接，连接处均蚀刻有缝隙，该缝隙处设置有射频开关（79）；第八微带线（88）的第二端口与输出端口P4相连接，连接处均蚀刻有缝隙，该缝隙处设置有射频开关（712）；输出端口P2、输出端口P3、输出端口P4及输出端口P5处均设置有金属探针（9），通过金属探针（9）与主辐射片（5）连接；第一微带线（81）的射频信号输入端口P1与一个模拟移相器（1-2）的输出端口连接。
2.根据权利要求1所述的一种复合调控、连续相扫的相控阵天线，其特征在于，所述天线阵元包括第一介质基板（1），第一介质基板（1）上表面印制有寄生辐射片（4）；第一介质基板（1）下方设置有第二介质基板（2），第二介质基板（2）与第一介质基板（1）之间间隔有空气层；第二介质基板（2）的上表面印制有主辐射片（5），第二介质基板（2）的下表面印制有金属地板（6）；金属地板（6）的下方设置有第三介质基板（3），第三介质基板（3）的下表面设置有馈电网络（8），馈电网络（8）与主辐射片（5）通过若干个金属探针（9）连接。
3.根据权利要求1所述的一种复合调控、连续相扫的相控阵天线，其特征在于，第一介质基板（1）采用相对介电常数为4.4、损耗角正切0.02，厚度为1mm的圆形介质材料；寄生辐射片（4）为与第一介质基板（1）的大小形状均相同的金属圆形片。
4.根据权利要求1所述的一种复合调控、连续相扫的相控阵天线，其特征在于，第二介质基板（2）采用相对介电常数为3.5、损耗角正切0.01，厚度为0.5mm的介质材料。
5.根据权利要求1所述的一种复合调控、连续相扫的相控阵天线，其特征在于，第三介质基板（3）采用相对介电常数为3.5、损耗角正切0.01，厚度为0.5mm的介质材料。
6.根据权利要求1所述的一种复合调控、连续相扫的相控阵天线，其特征在于，主辐射片（5）为金属圆环片。
7.根据权利要求1所述的一种复合调控、连续相扫的相控阵天线，其特征在于，第一介质基板（1）和第二介质基板（2）间的空气层厚度为4mm。
8.根据权利要求1所述的一种复合调控、连续相扫的相控阵天线，其特征在于，第一微带线（81）的特性阻抗为35.35欧姆，线宽为1.8mm，第二微带线（82）和第三微带线（83）的特性阻抗为25欧姆，线宽均为2.9 mm；第四微带线（84）、第五微带线（85）、第六微带线（86）、第七微带线（87）、第八微带线（88）的特性阻抗为50欧姆，线宽均为1.1mm。
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