CN113964516B - 一种基于可调天线罩的二维波束扫描天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于可调天线罩的二维波束扫描天线。贴片天线辐射源、第一层可调折叠天线罩板和第二层可调折叠天线罩板依次间隔且平行设置，第一层可调折叠天线罩板和第二层可调折叠天线罩板的结构调节方向垂直，贴片天线辐射源、第一层可调折叠天线罩板和第二层可调折叠天线罩板的几何中心在同一直线上，贴片天线辐射源用于产生波束，驱动机构分别与第一层可调折叠天线罩板、第二层可调折叠天线罩板机械连接后并分别沿各自的结构调节方向调节第一层可调折叠天线罩板、第二层可调折叠天线罩板的结构，实现波束的二维聚焦和扫描。本发明中可以独立调整两个角度上波束的汇聚和扫描角度，机构简单、调整灵活性好，可以承载大功率的天线信号。
Description
技术领域
本发明属于电子技术领域的一种波束可重构扫描天线，具体涉及了一种基于可调天线罩的二维波束扫描天线。
背景技术
近几年来，随着雷达和通信系统的迅速发展，为实现通信、导航等复杂的功能，设备所需的天线数量越来越多，人们开始希望能用一个天线来实现多个天线的功能，这种天线就称为可重构天线，可重构天线分为频率可重构和波束可重构。在无线通信领域，可折叠结构由于其可以折叠和展开的特性，常常被应用于对天线体积有一定限制的场景，折纸天线就是一种典型例子。另外，可折叠特性也使这种结构适合应用于可重构天线的设计中。
近几年来，天线罩领域的许多技术得到了发展，可调折叠天线罩板就是其中一种典型的天线罩结构，在一些研究中也将可重构技术与可调折叠天线罩板进行结合。在已有的研究和设计中，菲涅尔区板的可重构特性主要是基于可重构的电器件，例如变容二极管等，这些结构常常比较复杂且成本较高。
因此，需要设计一种更加简单且低成本的可重构天线罩来应对无线通讯中多变的工作条件和场景需求。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题和需求，本发明提供了一种基于可调天线罩的二维波束扫描天线。本发明采用多个手风琴式褶皱结构的金属模块和非金属模块交替排列放置于同一平面中构成可调折叠天线罩板，利用驱动机构调整各个金属模块和非金属模块的宽度，改变可调折叠天线罩板上金属模块和非金属模块的分布情况，进而起到改变可调折叠天线罩板对波束的汇聚和扫描角度的作用，具有很好的应用前景。
本发明的技术方案如下：
本发明包括贴片天线辐射源、第一层可调折叠天线罩板、第二层可调折叠天线罩板和驱动机构；
贴片天线辐射源、第一层可调折叠天线罩板和第二层可调折叠天线罩板依次间隔且平行设置，第一层可调折叠天线罩板和第二层可调折叠天线罩板的结构调节方向垂直，贴片天线辐射源、第一层可调折叠天线罩板和第二层可调折叠天线罩板的几何中心在同一直线上，贴片天线辐射源用于产生波束，驱动机构分别与第一层可调折叠天线罩板、第二层可调折叠天线罩板机械连接后并分别沿各自的结构调节方向调节第一层可调折叠天线罩板、第二层可调折叠天线罩板的结构，实现波束的二维聚焦和扫描。
所述贴片天线辐射源主要由同轴线与贴片天线电连接组成，由同轴线向贴片天线进行馈电；所述贴片天线包括金属辐射贴片、介质基板和金属地平面，金属辐射贴片、介质基板和金属地平面依次层叠布置，同轴线的内导体与金属辐射贴片电连接，外导体与金属地平面电连接；贴片天线辐射源的靠近金属辐射贴片一侧依次间隔布置有第一层可调折叠天线罩板和第二层可调折叠天线罩板。
所述第一层可调折叠天线罩板和第二层可调折叠天线罩板的整体均为矩形手风琴式褶皱结构，第一层可调折叠天线罩板、第二层可调折叠天线罩板均主要由多个金属模块和多个非金属模块在同一平面上沿各自的结构调节方向依次交替连接构成，各个金属模块与相邻非金属模块连接处的两个边缘点作为两个交界点，各个连接处的两个交界点均与驱动机构连接，并且驱动机构控制同一连接处的两个交界点同步运动；根据第一层可调折叠天线罩板和第二层可调折叠天线罩板上的相位分布分别设置第一层可调折叠天线罩板、第二层可调折叠天线罩板中各个金属模块和非金属模块的宽度；
第一层可调折叠天线罩板和第二层可调折叠天线罩板中，各个金属模块和非金属模块均包括多个褶皱单元，每个褶皱单元的尺寸相同且均为矩形块，同一个金属模块或非金属模块中的相邻褶皱单元的长边侧之间呈夹角拼接后使得金属模块或非金属模块形成褶皱结构，同一个金属模块或非金属模块中的相邻褶皱单元之间的夹角相同；
根据第一层可调折叠天线罩板和第二层可调折叠天线罩板上的相位分布，驱动机构通过调节同一个金属模块或非金属模块中的相邻褶皱单元之间的夹角，从而实现第一层可调折叠天线罩板、第二层可调折叠天线罩板中各个金属模块和非金属模块的宽度设置。
所述贴片天线辐射源与第一层可调折叠天线罩板之间的间隔为第一间隔D1，贴片天线辐射源与第二层可调折叠天线罩板之间的间隔为第二间隔D2，第一间隔D1和第二间隔D2通过以下公式进行设置：
λ/2π＜D1+D2≤10λ
其中，λ为二维波束扫描天线的工作波长，c0为自由空间波速，取值为3×108m/s，f为二维波束扫描天线的工作频率。
所述驱动机构包含第一组步进电机和第二组步进电机；
第一组步进电机和第二组步进电机均主要由多个步进电机组成，第一组步进电机的各个步进电机的输出轴分别与第一层可调折叠天线罩板的各个交界点连接，第二组步进电机的各个步进电机的输出轴分别与第二层可调折叠天线罩板的各个交界点连接，与同一连接处的两个交界点相连的两个步进电机进行同步运动，使得第一组步进电机、第二组步进电机分别调节第一层可调折叠天线罩板、第二层可调折叠天线罩板的结构。
所述第一层可调折叠天线罩板上的相位分布具体为：
贴片天线辐射源的相位中心点为F，第一扫描射线FP与第一层可调折叠天线罩板表面的交点为第一参考点P，第一扫描射线FP的方向为第一波束扫描方向，第一层可调折叠天线罩板的几何中心点为O，第一扫描射线FP与第一中心射线FO的夹角为第一波束扫描角度β，对于第一层可调折叠天线罩板表面上的任一点Q，任一射线FQ与第一中心射线FO的夹角为θ，则任一点Q与第一参考点P之间的相位差
通过以下公式进行计算：
其中，k0为二维波束扫描天线的工作频率下的波数：
c0为自由空间波速，取值为3×108m/s；λ为二维波束扫描天线的工作波长，f为二维波束扫描天线的工作频率，D1为第一间隔；
所述第二层可调折叠天线罩板上的相位分布具体为：
贴片天线辐射源的相位中心点为F，第二扫描射线FM与第二层可调折叠天线罩板表面的交点为第二参考点M，第二扫描射线FM的方向为第二波束扫描方向，第二层可调折叠天线罩板的几何中心点为H，第二扫描射线FM与第二中心射线FH的夹角为第二波束扫描角度α，对于第二层可调折叠天线罩板表面上的任一点N，任一射线FN与第二中心FH的夹角为γ，则任一点N与第二参考点M之间的相位差
通过以下公式进行计算：
其中，D2为第二间隔。
在所述第一层可调折叠天线罩板中，将相位差满足
的区域设置为非金属模块，其中n为整数，n＝0,1,2,...，将相位差满足
的区域设置为金属模块，
为第一层可调折叠天线罩板表面的任一点Q与第一参考点P之间的相位差，每个金属模块的宽度W2metal,n通过以下公式进行计算：
每个非金属模块的宽度W2media,n通过以下公式进行计算：
其中，β为第一波束扫描角度，k0为二维波束扫描天线的工作频率下的波数：
c0为自由空间波速，取值为3×108m/s；λ为二维波束扫描天线的工作波长，f为二维波束扫描天线的工作频率，D1为第一间隔。
在所述第二层可调折叠天线罩板中，将相位差满足
的区域设置为非金属模块，其中n为整数，n＝0,1,2,...，将相位差满足
的区域设置为金属模块，
为第二层可调折叠天线罩板表面的任一点N与第二参考点M之间的相位差，金属模块的宽度W3metal,n通过以下公式进行计算：
非金属模块的宽度W3media,n通过以下公式进行计算：
其中，k0为二维波束扫描天线的工作频率下的波数：
c0为自由空间波速，取值为3×108m/s；λ为二维波束扫描天线的工作波长，f为二维波束扫描天线的工作频率，α为第二波束扫描角度，D2为第二间隔。
在所述第一层可调折叠天线罩板中，每个金属模块、非金属模块中的相邻褶皱单元之间的夹角通过以下公式进行计算：
其中，ε2m,n为第一层可调折叠天线罩板中当前金属模块的相邻褶皱单元之间的夹角，δ2m,n为第一层可调折叠天线罩板中每个非金属模块的相邻褶皱单元之间的夹角，W2metal,n为当前金属模块的宽度，W2media,n为当前非金属模块的宽度；m为当前金属模块中褶皱单元的数目，k为当前非金属模块中褶皱单元的数目。
在所述第二层可调折叠天线罩板中，每个金属模块、非金属模块中的相邻褶皱单元之间的夹角通过以下公式进行计算：
其中，ε3m,n为第二层可调折叠天线罩板中当前金属模块的相邻褶皱单元之间的夹角，δ3m,n为第二层可调折叠天线罩板中每个非金属模块的相邻褶皱单元之间的夹角，W3metal,n为当前金属模块的宽度，W3media,n为当前非金属模块的宽度；h为当前金属模块中褶皱单元的数目，j为当前非金属模块中褶皱单元的数目。
与现有技术相比，本发明能够取得下列有益效果：
本发明是通过驱动机构调整各个介质膜和金属膜的宽度，改变菲涅尔区板上金属部分和介质部分的分布情况，进而改变可调折叠天线罩板对波束的汇聚和扫描角度。
本发明中馈源结构简单，通过机械方式调整天线罩上金属和介质分布情况来实现远场辐射特性的调整，采用两层垂直布置的可调折叠天线罩板，可以独立调整两个角度上波束的汇聚和扫描角度，可用于天线和天线阵波束指向调整等功能，机构简单、调整灵活性好，可以承载大功率的天线信号，在提高5G通信蜂窝覆盖率或航空航天方面的天线结构设计中具有应用潜力。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的贴片天线辐射源的结构爆炸示意图；
图3为本发明的可调折叠天线罩板示意图；
图4为本发明中的相位计算示意图；
图4的(A)为第一层可调折叠天线罩板(2)上的相位分布计算示意图；
图4的(B)为第二层可调折叠天线罩板(3)上的相位分布计算示意图；
图5为本发明中的第一层可调折叠天线罩板设置情况示意图；
图5的(A)为第一波束扫描角度为0°的第一层可调折叠天线罩板示意图；
图5的(B)为第一波束扫描角度为10°的第一层可调折叠天线罩板示意图；
图5的(C)为第一波束扫描角度为20°的第一层可调折叠天线罩板示意图；
图5的(D)为第一波束扫描角度为30°的第一层可调折叠天线罩板示意图；
图6为本发明中的第二层可调折叠天线罩板设置情况示意图；
图6的(A)为第二波束扫描角度为0°的第二层可调折叠天线罩板示意图；
图6的(B)为第二波束扫描角度为10°的第二层可调折叠天线罩板示意图；
图6的(C)为第二波束扫描角度为20°的第二层可调折叠天线罩板示意图；
图6的(D)为第二波束扫描角度为30°的第二层可调折叠天线罩板示意图；
图7为本发明的二维波束扫描天线在3GHz下的波束扫描结果；
图7的(A)为水平方向上的波束扫描结果；
图7的(B)为垂直方向上的波束扫描结果。
图中：贴片天线辐射源1、贴片天线11、同轴线12、金属辐射贴片111、介质基板112、金属地平面113、第一层可调折叠天线罩板2、金属模块21、非金属模块22、交界点200、褶皱单元210、第二层可调折叠天线罩板3、驱动机构4、第一组步进电机41、第二组步进电机42。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
如图1所示，本发明包括贴片天线辐射源1、第一层可调折叠天线罩板2、第二层可调折叠天线罩板3和驱动机构4；
贴片天线辐射源1、第一层可调折叠天线罩板2和第二层可调折叠天线罩板3依次间隔且平行设置，第一层可调折叠天线罩板2和第二层可调折叠天线罩板3的结构调节方向垂直，结构调节方向具体为第一层可调折叠天线罩板2和第二层可调折叠天线罩板3中金属模块21、非金属模块22的调节方向，即分界点的移动方向，在本实施例中，第一层可调折叠天线罩板2的结构调节方向为垂直方向，第二层可调折叠天线罩板3的结构调节方向为水平方向。贴片天线辐射源1、第一层可调折叠天线罩板2和第二层可调折叠天线罩板3的几何中心在同一直线上，贴片天线辐射源1用于产生波束，驱动机构4分别与第一层可调折叠天线罩板2、第二层可调折叠天线罩板3机械连接后并分别沿各自的结构调节方向调节第一层可调折叠天线罩板2、第二层可调折叠天线罩板3的结构，即在两个方向上独立调节天线的波束扫描特性，实现波束的二维聚焦和扫描。
如图2所示，贴片天线辐射源1主要由同轴线12与贴片天线11电连接组成，由同轴线12向贴片天线11进行馈电；贴片天线11包括金属辐射贴片111、介质基板112和金属地平面113，金属辐射贴片111、介质基板112和金属地平面113依次紧密层叠布置，同轴线12的内导体与金属辐射贴片111电连接，外导体与金属地平面113电连接；贴片天线辐射源1的靠近金属辐射贴片111一侧依次间隔布置有第一层可调折叠天线罩板2和第二层可调折叠天线罩板3。
在本实施例中，金属辐射贴片111的材料为铜，直径为33.5mm，铜的厚度为10μm，介质基板的材料为RO4725JXR，相对介电常数为2.55，介质基板的厚度为1mm，介质基板的长度和宽度均为100.5mm。金属地平面的材料为铜，长度和宽度均为100.5mm，铜的厚度为10μm。同轴线的特征阻抗为50欧姆。
如图3所示，第一层可调折叠天线罩板2和第二层可调折叠天线罩板3的整体均为矩形手风琴式褶皱结构，第一层可调折叠天线罩板2、第二层可调折叠天线罩板3均主要由多个金属模块21和多个非金属模块22在同一平面上沿各自的结构调节方向依次交替连接构成，各个金属模块21与相邻非金属模块22连接处的两个边缘点作为两个交界点200，各个连接处的两个交界点200均与驱动机构4连接，并且驱动机构4控制同一连接处的两个交界点200同步运动；根据第一层可调折叠天线罩板2和第二层可调折叠天线罩板3上的相位分布分别设置第一层可调折叠天线罩板2、第二层可调折叠天线罩板3中各个金属模块21和非金属模块22的宽度；
第一层可调折叠天线罩板2和第二层可调折叠天线罩板3中，各个金属模块21和非金属模块22均包括多个褶皱单元210，每个褶皱单元210的尺寸相同且均为矩形块，在本实施例中，每个褶皱单元的长度为30cm，宽度为10mm，金属区域21中的褶皱单元材料为表面覆铜的半柔性玻纤布料，非金属区域22中的褶皱单元材料为半柔性玻纤布料。同一个金属模块21或非金属模块22中的相邻褶皱单元210的长边侧(即矩形块的长边侧)之间呈夹角拼接后使得金属模块21或非金属模块22形成褶皱结构，同一个金属模块21或非金属模块22中的相邻褶皱单元210之间的夹角相同，褶皱单元210的长边侧垂直于结构调节方向，不同金属模块21中的相邻褶皱单元210之间的夹角相同或者不同，不同非金属模块22中的相邻褶皱单元210之间的夹角相同或者不同；本实施例中，第一层可调折叠天线罩板2和第二层可调折叠天线罩板3中的各个金属模块21的褶皱单元210的数目关于中心对称，第一层可调折叠天线罩板2和第二层可调折叠天线罩板3中的各个非金属模块22的褶皱单元210的数目关于中心对称；沿第一层可调天线罩板2的结构调节方向，第一层可调天线罩板2中各个非金属区域21的褶皱个数依次为：6，25，20，20，20，25，6，各个金属区域22的褶皱个数依次为：12，8，7，7，8，12。沿第二层可调天线罩板3的结构调节方向，第二层可调天线罩板3中各个非金属区域21的褶皱个数依次为：6，26，21，21，21，26，6；各个金属区域22的褶皱个数依次为：13，9，8，8，9，13。
根据第一层可调折叠天线罩板2和第二层可调折叠天线罩板3上的相位分布，驱动机构4通过调节同一个金属模块21或非金属模块22中的相邻褶皱单元210之间的夹角，从而实现第一层可调折叠天线罩板2、第二层可调折叠天线罩板3中各个金属模块21和非金属模块22的宽度设置。
贴片天线辐射源1与第一层可调折叠天线罩板2之间的间隔为第一间隔D1，贴片天线辐射源1与第二层可调折叠天线罩板3之间的间隔为第二间隔D2，第一间隔D1和第二间隔D2通过以下公式进行设置：
λ/2π＜D1+D2≤10λ
其中，λ为二维波束扫描天线的工作波长，c0为自由空间波速，取值为3×108m/s，f为二维波束扫描天线的工作频率。本实施例中D1为150mm，D2为300mm，二维波束扫描天线的工作频率为3GHz，工作波长为100mm。
第一层可调折叠天线罩板2上的相位分布具体为：
如图4所示，贴片天线辐射源1的相位中心点为F，第一扫描射线FP与第一层可调折叠天线罩板2靠近贴片天线辐射源1一侧的表面的交点为第一参考点P，第一扫描射线FP的方向为第一波束扫描方向，第一层可调折叠天线罩板2的几何中心点为O，第一扫描射线FP与第一中心射线FO的夹角为第一波束扫描角度β，在本实施例中，设定第一波束扫描角度β为0°，10°，20°和30°。对于第一层可调折叠天线罩板2靠近贴片天线辐射源1一侧的表面上的任一点Q，任一射线FQ与第一中心射线FO的夹角为θ，则任一点Q与第一参考点P之间的相位差
通过以下公式进行计算：
其中，k0为二维波束扫描天线的工作频率下的波数：
c0为自由空间波速，取值为3×108m/s；λ为二维波束扫描天线的工作波长，f为二维波束扫描天线的工作频率，D1为第一间隔；
第二层可调折叠天线罩板3上的相位分布具体为：
贴片天线辐射源1的相位中心点为F，第二扫描射线FM与第二层可调折叠天线罩板3表面的交点为第二参考点M，第二扫描射线FM的方向为第二波束扫描方向，第二层可调折叠天线罩板3的几何中心点为H，第二扫描射线FM与第二中心射线FH的夹角为第二波束扫描角度α，在本实施例中，设定第二波束扫描角度β为0°，10°，20°和30°。对于第二层可调折叠天线罩板3靠近贴片天线辐射源1一侧的表面上的任一点N，任一射线FN与第二中心FH的夹角为γ，则任一点N与第二参考点M之间的相位差
通过以下公式进行计算：
其中，D2为第二间隔。
在第一层可调折叠天线罩板2中，将相位差满足
的区域设置为非金属模块22，其中n为整数，n＝0,1,2,...，将相位差满足
的区域设置为金属模块21，
为第一层可调折叠天线罩板2靠近贴片天线辐射源1一侧的表面的任一点Q与第一参考点P之间的相位差，每个金属模块21的宽度W2metal,n通过以下公式进行计算：
每个非金属模块22的宽度W2media,n通过以下公式进行计算：
其中，β为第一波束扫描角度，k0为二维波束扫描天线的工作频率下的波数：
c0为自由空间波速，取值为3×108m/s；λ为二维波束扫描天线的工作波长，f为二维波束扫描天线的工作频率，D1为第一间隔。
在本实施例中，第一层可调折叠天线罩板设置情况如图5所示，图5的(A)为第一波束扫描角度为0°的第一层可调折叠天线罩板示意图；图5的(B)为第一波束扫描角度为10°的第一层可调折叠天线罩板示意图；图5的(C)为第一波束扫描角度为20°的第一层可调折叠天线罩板示意图；图5的(D)为第一波束扫描角度为30°的第一层可调折叠天线罩板示意图；第一层可调折叠天线罩板2中金属区域21和非金属区域22的宽度的具体数值如下表1所示：
表1为第一层可调折叠天线罩板2中金属区域21和非金属区域22的宽度
在第二层可调折叠天线罩板3中，将相位差满足
的区域设置为非金属模块22，其中n为整数，n＝0,1,2,...，将相位差满足
的区域设置为金属模块21，
为第二层可调折叠天线罩板3靠近贴片天线辐射源1一侧的表面的任一点N与第二参考点M之间的相位差，金属模块21的宽度W3metal,n通过以下公式进行计算：
非金属模块22的宽度W3media,n通过以下公式进行计算：
其中，k0为二维波束扫描天线的工作频率下的波数：
c0为自由空间波速，取值为3×108m/s；λ为二维波束扫描天线的工作波长，f为二维波束扫描天线的工作频率，α为第二波束扫描角度，D2为第二间隔。
在本实施例中，第二层可调折叠天线罩板设置情况如图6所示，图6的(A)为第二波束扫描角度为0°的第二层可调折叠天线罩板示意图；图6的(B)为第二波束扫描角度为10°的第二层可调折叠天线罩板示意图；图6的(C)为第二波束扫描角度为20°的第二层可调折叠天线罩板示意图；图6的(D)为第二波束扫描角度为30°的第二层可调折叠天线罩板示意图；第二层可调折叠天线罩板3中金属区域21和非金属区域22的宽度的具体数值如下表2所示：
表2为第二层可调折叠天线罩板3中金属区域21和非金属区域22的宽度
在第一层可调折叠天线罩板2中，每个金属模块21、非金属模块22中的相邻褶皱单元210之间的夹角通过以下公式进行计算：
其中，ε2m,n为第一层可调折叠天线罩板2中当前金属模块21的相邻褶皱单元210之间的夹角，δ2m,n为第一层可调折叠天线罩板2中每个非金属模块22的相邻褶皱单元210之间的夹角，W2metal,n为当前金属模块21的宽度，W2media,n为当前非金属模块22的宽度；m为当前金属模块21中褶皱单元210的数目，k为当前非金属模块22中褶皱单元210的数目。
在第二层可调折叠天线罩板3中，每个金属模块21、非金属模块22中的相邻褶皱单元210之间的夹角通过以下公式进行计算：
其中，ε3m,n为第二层可调折叠天线罩板3中当前金属模块21的相邻褶皱单元210之间的夹角，δ3m,n为第二层可调折叠天线罩板3中每个非金属模块22的相邻褶皱单元210之间的夹角，W3metal,n为当前金属模块21的宽度，W3media,n为当前非金属模块22的宽度；h为当前金属模块21中褶皱单元210的数目，j为当前非金属模块22中褶皱单元210的数目。
驱动机构4包含第一组步进电机41和第二组步进电机42，第一组步进电机41用于调节第一层可调折叠天线罩板2的结构，第二组步进电机42用于调节第二层可调折叠天线罩板3的结构；
第一组步进电机41和第二组步进电机42均主要由多个步进电机组成，第一组步进电机41的各个步进电机的输出轴分别与第一层可调折叠天线罩板2的各个交界点200连接，第二组步进电机42的各个步进电机的输出轴分别与第二层可调折叠天线罩板3的各个交界点200连接，与同一连接处的两个交界点200相连的两个步进电机进行同步运动，通过第一组步进电机41控制第一层可调折叠天线罩板2中金属模块21和非金属模块22的宽度，通过第二组步进电机42控制第二层可调折叠天线罩板3中金属模块21和非金属模块22的宽度，最终使得第一组步进电机41、第二组步进电机42分别调节第一层可调折叠天线罩板2、第二层可调折叠天线罩板3的结构。
图7显示了二维波束扫描天线在3GHz下的波束扫描结果；
如图7(A)所示，波束在垂直方向上的扫描角度受到第一层可调折叠天线罩板2的金属区域21和非金属区域22的宽度影响，可以看到，当通过驱动机构4均匀地调整金属区域21和非金属区域22中相邻两个褶皱单元210之间的夹角，波束扫描角度可以在0°，10°，20°和30°之间进行扫描，同时保持波束形状和增益不变。
如图7(B)所示，波束在水平方向上的扫描角度受到第二层可调折叠天线罩板3的金属区域21和非金属区域22的宽度影响，可以看到，当通过驱动机构4均匀地调整金属区域21和非金属区域22中相邻两个褶皱单元210之间的夹角，波束扫描角度可以在0°，10°，20°和30°之间进行扫描，同时保持波束形状和增益不变。
以上，本发明实现了一种基于可调天线罩的二维波束扫描天线。可以通过调整第一层可调折叠天线罩板2和第二层可调折叠天线罩板3的金属区域21和非金属区域22的宽度在两个方向上独立调节天线的波束扫描特性。
以上，仅是本发明的较佳实例而已，并非对本发明做任何形式上的限定，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上事例所做的任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于可调天线罩的二维波束扫描天线，其特征在于：包括贴片天线辐射源(1)、第一层可调折叠天线罩板(2)、第二层可调折叠天线罩板(3)和驱动机构(4)；
贴片天线辐射源(1)、第一层可调折叠天线罩板(2)和第二层可调折叠天线罩板(3)依次间隔且平行设置，第一层可调折叠天线罩板(2)和第二层可调折叠天线罩板(3)的结构调节方向垂直，贴片天线辐射源(1)、第一层可调折叠天线罩板(2)和第二层可调折叠天线罩板(3)的几何中心在同一直线上，贴片天线辐射源(1)用于产生波束，驱动机构(4)分别与第一层可调折叠天线罩板(2)、第二层可调折叠天线罩板(3)机械连接后并分别沿各自的结构调节方向调节第一层可调折叠天线罩板(2)、第二层可调折叠天线罩板(3)的结构，实现波束的二维聚焦和扫描；
所述第一层可调折叠天线罩板(2)和第二层可调折叠天线罩板(3)的整体均为矩形手风琴式褶皱结构，第一层可调折叠天线罩板(2)、第二层可调折叠天线罩板(3)均主要由多个金属模块(21)和多个非金属模块(22)在同一平面上沿各自的结构调节方向依次交替连接构成，各个金属模块(21)与相邻非金属模块(22)连接处的两个边缘点作为两个交界点(200)，各个连接处的两个交界点(200)均与驱动机构(4)连接，并且驱动机构(4)控制同一连接处的两个交界点(200)同步运动；根据第一层可调折叠天线罩板(2)和第二层可调折叠天线罩板(3)上的相位分布分别设置第一层可调折叠天线罩板(2)、第二层可调折叠天线罩板(3)中各个金属模块(21)和非金属模块(22)的宽度；
第一层可调折叠天线罩板(2)和第二层可调折叠天线罩板(3)中，各个金属模块(21)和非金属模块(22)均包括多个褶皱单元(210)，每个褶皱单元(210)的尺寸相同且均为矩形块，同一个金属模块(21)或非金属模块(22)中的相邻褶皱单元(210)的长边侧之间呈夹角拼接后使得金属模块(21)或非金属模块(22)形成褶皱结构，同一个金属模块(21)或非金属模块(22)中的相邻褶皱单元(210)之间的夹角相同；
根据第一层可调折叠天线罩板(2)和第二层可调折叠天线罩板(3)上的相位分布，驱动机构(4)通过调节同一个金属模块(21)或非金属模块(22)中的相邻褶皱单元(210)之间的夹角，从而实现第一层可调折叠天线罩板(2)、第二层可调折叠天线罩板(3)中各个金属模块(21)和非金属模块(22)的宽度设置。
2.根据权利要求1所述的一种基于可调天线罩的二维波束扫描天线，其特征在于：
所述贴片天线辐射源(1)主要由同轴线(12)与贴片天线(11)电连接组成，由同轴线(12)向贴片天线(11)进行馈电；所述贴片天线(11)包括金属辐射贴片(111)、介质基板(112)和金属地平面(113)，金属辐射贴片(111)、介质基板(112)和金属地平面(113)依次层叠布置，同轴线(12)的内导体与金属辐射贴片(111)电连接，外导体与金属地平面(113)电连接；贴片天线辐射源(1)的靠近金属辐射贴片(111)一侧依次间隔布置有第一层可调折叠天线罩板(2)和第二层可调折叠天线罩板(3)。
3.根据权利要求1所述的一种基于可调天线罩的二维波束扫描天线，其特征在于：
所述贴片天线辐射源(1)与第一层可调折叠天线罩板(2)之间的间隔为第一间隔D1，贴片天线辐射源(1)与第二层可调折叠天线罩板(3)之间的间隔为第二间隔D2，第一间隔D1和第二间隔D2通过以下公式进行设置：
λ/2π<D1+D2≤10λ
其中，λ为二维波束扫描天线的工作波长，c0为自由空间波速，取值为3×108m/s，f为二维波束扫描天线的工作频率。
4.根据权利要求1所述的一种基于可调天线罩的二维波束扫描天线，其特征在于：所述驱动机构(4)包含第一组步进电机(41)和第二组步进电机(42)；
第一组步进电机(41)和第二组步进电机(42)均主要由多个步进电机组成，第一组步进电机(41)的各个步进电机的输出轴分别与第一层可调折叠天线罩板(2)的各个交界点(200)连接，第二组步进电机(42)的各个步进电机的输出轴分别与第二层可调折叠天线罩板(3)的各个交界点(200)连接，与同一连接处的两个交界点(200)相连的两个步进电机进行同步运动，使得第一组步进电机(41)、第二组步进电机(42)分别调节第一层可调折叠天线罩板(2)、第二层可调折叠天线罩板(3)的结构。
5.根据权利要求1所述的一种基于可调天线罩的二维波束扫描天线，其特征在于：所述第一层可调折叠天线罩板(2)上的相位分布具体为：
贴片天线辐射源(1)的相位中心点为F，第一扫描射线FP与第一层可调折叠天线罩板(2)表面的交点为第一参考点P，第一扫描射线FP的方向为第一波束扫描方向，第一层可调折叠天线罩板(2)的几何中心点为O，第一扫描射线FP与第一中心射线FO的夹角为第一波束扫描角度β，对于第一层可调折叠天线罩板(2)表面上的任一点Q，任一射线FQ与第一中心射线FO的夹角为θ，则任一点Q与第一参考点P之间的相位差
通过以下公式进行计算：
其中，k0为二维波束扫描天线的工作频率下的波数：
c0为自由空间波速，取值为3×108m/s；λ为二维波束扫描天线的工作波长，f为二维波束扫描天线的工作频率，D1为第一间隔；
所述第二层可调折叠天线罩板(3)上的相位分布具体为：
贴片天线辐射源(1)的相位中心点为F，第二扫描射线FM与第二层可调折叠天线罩板(3)表面的交点为第二参考点M，第二扫描射线FM的方向为第二波束扫描方向，第二层可调折叠天线罩板(3)的几何中心点为H，第二扫描射线FM与第二中心射线FH的夹角为第二波束扫描角度α，对于第二层可调折叠天线罩板(3)表面上的任一点N，任一射线FN与第二中心FH的夹角为γ，则任一点N与第二参考点M之间的相位差
通过以下公式进行计算：
其中，D2为第二间隔。
6.根据权利要求1所述的一种基于可调天线罩的二维波束扫描天线，其特征在于：
在所述第一层可调折叠天线罩板(2)中，将相位差满足
的区域设置为非金属模块(22)，其中n为整数，n＝0,1,2,...，将相位差满足
的区域设置为金属模块(21)，
为第一层可调折叠天线罩板(2)表面的任一点Q与第一参考点P之间的相位差，每个金属模块(21)的宽度W2metal,n通过以下公式进行计算：
每个非金属模块(22)的宽度W2media,n通过以下公式进行计算：
其中，β为第一波束扫描角度，k0为二维波束扫描天线的工作频率下的波数：
c0为自由空间波速，取值为3×108m/s；λ为二维波束扫描天线的工作波长，f为二维波束扫描天线的工作频率，D1为第一间隔。
7.根据权利要求1所述的一种基于可调天线罩的二维波束扫描天线，其特征在于：
在所述第二层可调折叠天线罩板(3)中，将相位差满足
的区域设置为非金属模块(22)，其中n为整数，n＝0,1,2,...，将相位差满足
的区域设置为金属模块(21)，
为第二层可调折叠天线罩板(3)表面的任一点N与第二参考点M之间的相位差，金属模块(21)的宽度W3metal,n通过以下公式进行计算：
非金属模块(22)的宽度W3media,n通过以下公式进行计算：
其中，k0为二维波束扫描天线的工作频率下的波数：
c0为自由空间波速，取值为3×108m/s；λ为二维波束扫描天线的工作波长，f为二维波束扫描天线的工作频率，α为第二波束扫描角度，D2为第二间隔。
8.根据权利要求1所述的一种基于可调天线罩的二维波束扫描天线，其特征在于：
在所述第一层可调折叠天线罩板(2)中，每个金属模块(21)、非金属模块(22)中的相邻褶皱单元(210)之间的夹角通过以下公式进行计算：
其中，ε2m,n为第一层可调折叠天线罩板(2)中当前金属模块(21)的相邻褶皱单元(210)之间的夹角，δ2k,n为第一层可调折叠天线罩板(2)中每个非金属模块(22)的相邻褶皱单元(210)之间的夹角，W2metal,n为当前金属模块(21)的宽度，W2media,n为当前非金属模块(22)的宽度；m为当前金属模块(21)中褶皱单元(210)的数目，k为当前非金属模块(22)中褶皱单元(210)的数目。
9.根据权利要求1所述的一种基于可调天线罩的二维波束扫描天线，其特征在于：
在所述第二层可调折叠天线罩板(3)中，每个金属模块(21)、非金属模块(22)中的相邻褶皱单元(210)之间的夹角通过以下公式进行计算：
其中，ε3h,n为第二层可调折叠天线罩板(3)中当前金属模块(21)的相邻褶皱单元(210)之间的夹角，δ3j,n为第二层可调折叠天线罩板(3)中每个非金属模块(22)的相邻褶皱单元(210)之间的夹角，W3metal,n为当前金属模块(21)的宽度，W3media,n为当前非金属模块(22)的宽度；h为当前金属模块(21)中褶皱单元(210)的数目，j为当前非金属模块(22)中褶皱单元(210)的数目。
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