CN113964550B - 一种基于串行馈电的低成本波束扫描天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于串行馈电的低成本波束扫描天线，包括一个含有开路槽的贴片阵列，一个附有耦合阵列的地板以及一个附有1比特移相器的馈电微带线；贴片阵列由若干贴片单元组成，每个贴片单元上开有一个短路槽；耦合阵列由若干带有一对耦合槽的耦合单元组成，每个耦合单元位于一个贴片单元下方，每对耦合槽下方有一个1比特移相器；每个1比特移相器从馈电微带线上引出一条分支微带线，通过控制微带线导通的位置以及短路槽的通断，可实现2比特移相，提供0°、90°、180°、270°的相位变化；本发明利用漏波天线的行波特性构建移相器，实现了空间波束扫描，减少了模拟移相器使用PIN开关的数量，降低了天线成本，增加了设计的自由度。

Description

一种基于串行馈电的低成本波束扫描天线
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及天线设计，特别涉及一种基于串行馈电的低成本波束扫描天线。
背景技术
具有动态可调节波束指向的高增益天线，在军民不同应用场景都有着广泛的应用需求。漏波天线以其低成本、易集成的特点而受到了关注。传统波束扫描天线一般采用切换工作频率或者是调节移相器来实现波束扫描，但上述方法会使得天线结构复杂，占用较宽的频带。相控阵天线通过调节各个单元的馈电相位，可以实现不同极化的波束扫描，但需要复杂的移相和馈电网络。电控可重构反射阵通过调整阵面相位可以实现不同方向的波束扫描，但馈源遮挡问题严重，同时外置馈源增大了天线系统的体积。
当前低成本波束扫描方案主要有两类。第一类通过改变被动辐射单元的阻抗，实现主动辐射单元与被动辐射单元之间的耦合相位控制，从而改变波束扫描角度，但该方法天线增益较低，同时可以切换的状态有限。第二类利用漏波天线的行波特性，通过周期加载元器件改变辐射单元的相位，从而改变波束的扫描角度。在已有文献中馈电网络需要涉及到至少四个元器件，或者基于延时线结构，或者基于定向耦合器结构，结构涉及参数较多，整体较为复杂。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于串行馈电的低成本波束扫描天线，馈电网络与辐射天线分离，可单独设计，且不需要使用传统的移相器，降低了馈电网络损耗以及天线成本，同时提高了馈电相位精度和波束增益，增大了扫描角度。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于串行馈电的低成本波束扫描天线，包括：
贴片阵列，由若干贴片单元组成，所述贴片单元印刷于介质板一下表面，所述贴片单元开有短路槽；
耦合阵列，由若干耦合单元组成，刻蚀于地板上，所述地板印刷于介质板二的上表面，介质板一与介质板二中间为空气层，所述耦合单元包含与短路槽平行的两条耦合槽，且每个耦合单元位于一个贴片单元的正下方；
馈电网络，设置于介质板二的下表面，由一条带有若干分支微带线和若干悬浮微带线的馈电微带线组成，所述馈电微带线与短路槽平行，其两端分别为信号输入口和信号输出口，所述分支微带线由第一分支和第二分支组成，第一分支的一端与馈电微带线垂直相交，第二分支位于一个贴片单元的正下方，并与第一分支的另一端垂直相交，每条所述悬浮微带线由对称设置在所述第二分支两侧的第一悬浮微带线和第二悬浮微带线组成，第一悬浮微带线和第二悬浮微带线分别垂直跨过一个耦合单元中的两条耦合槽；
所述短路槽上配置有用于控制其通断状态的第一开关，所述第一悬浮微带线与第二分支之间设置第二开关，所述第二悬浮微带线与第二分支之间设置第三开关，通过控制各开关的联通状态，构成不同的阵列状态。
在本发明的一个实施例中，所述贴片单元、耦合单元、分支微带线和若干悬浮微带线均沿馈电微带线行波传播方向周期性排列。
在本发明的一个实施例中，所述贴片单元的形状为矩形，其长边垂直于馈电微带线，所述短路槽为矩形，设在贴片单元中心，短路槽的长边长度远大于短边长度，短路槽的长边平行于馈电微带线。
在本发明的一个实施例中，所述耦合槽为矩形，其长边长度远大于短边长度，每个耦合单元的两条耦合槽关于其正上方的贴片单元中心轴线对称，且耦合槽不位于馈电微带线的正上方。
在本发明的一个实施例中，所述每个耦合单元的两条耦合槽关于短路槽对称。
在本发明的一个实施例中，所述分支微带线的第一分支和第二分支的总长度为四分之三波长，相邻分支微带线的间距为四分之三波长，所述悬浮微带线的第一悬浮微带线和第二悬浮微带线关于其正上方的贴片单元中心轴线对称，且不与馈电微带线相连。
在本发明的一个实施例中，所述第一开关、第二开关和第三开关均为二进制开关，通过控制第一开关的通断，实现90度相位差，通过控制第二开关和第三开关的联通状态，产生180度相位差。
在本发明的一个实施例中，所述馈电微带线的特征阻抗为50欧姆。
在本发明的一个实施例中，所述信号输出口接匹配负载或者信号衰减器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)天线的结构为窄长条，可用于一维2bit波束扫描，横向维度可以进行拼接、扩展，可以适用于二维2bit波束扫描。
2)馈电网络与辐射天线分离，两者可单独设计，便于独立调节。
3)介质板之间不需要使用半固化片压合，同时单元使用的元器件数量减少至三个，降低了设计成本。
4)与基于传统移相器的天线相比，馈电网络损耗低，同时可以提供高精度的馈电相位，波束增益较高，扫描角度较大。
附图说明
图1为本发明优选实施例的三维结构分解图。
图2为具体实施方式中波束扫描天线的侧视图。
图3为具体实施方式中波束扫描天线的顶层贴片阵列结构图。
图4为具体实施方式中波束扫描天线的中间层地板结构图。
图5为具体实施方式中波束扫描天线的底层馈电网络结构图。
图6为具体实施方式中波束扫描天线单元的四种状态。
图7为具体实施方式中波束扫描天线产生垂直波束时的S参数曲线。
图8为具体实施方式中波束扫描天线产生垂直波束时的辐射方向图。
图9为具体实施方式中波束扫描天线在不同扫描角度下的S参数曲线。
图10为具体实施方式中波束扫描天线在不同扫描角度下的辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
本发明为一种基于串行馈电的低成本波束扫描天线，适用于移动通信领域，参考图1和图2，其主要包括贴片阵列1、耦合阵列3、馈电网络以及地板2等。其中贴片阵列1作为辐射天线，由若干开有短路槽7的贴片单元组成，耦合阵列3刻蚀于地板2上，由若干耦合单元组成，每个耦合单元包含与短路槽7平行的两条耦合槽。馈电网络主要包括一条附有1比特(bit)移相器的馈电微带线4，馈电微带线4与短路槽7平行，其两端分别为信号输入口8和信号输出口9，信号输出口9接匹配负载或者信号衰减器。
耦合单元与贴片单元一一对应，并设置在贴片单元的正下方，每个耦合单元的两条耦合槽下方有一个1比特移相器。每个1比特移相器从馈电微带线4上引出一条分支微带线，通过控制微带线导通的位置以及相应贴片单元短路槽7的通断，可实现2比特移相，提供0°、90°、180°、270°的相位变化。本发明利用漏波天线的行波特性构建移相器，通过选通开关通断，实现了空间波束扫描，减少了模拟移相器使用PIN开关的数量，降低了天线成本，增加了设计的自由度。
在本发明中，贴片单元可印刷于介质板一10下表面，地板2可印刷于介质板二11的上表面，并将馈电网络设置于介质板二11的下表面。介质板一10和介质板二11的尺寸相同，中间为一定高度的空气层。介质板一10的下表面、介质板二11的上表面以及介质板二11的下表面印刷有金属。这三层金属的具体结构分别如图3、图4和图5所示。
参考图1、图2和图3，在本发明的一个实施例中，贴片单元的数量为8个，印刷于图3所示的下层金属，相邻单元的间距相等，贴片单元的形状为矩形，其长边垂直于馈电微带线4。每一个贴片单元上开有一个矩形的短路槽7，短路槽7可开在贴片单元的中心，其长边长度远大于短边长度，且长边平行于馈电微带线4。
参考图1、图2和图4，在本发明的一个实施例中，耦合单元的数量也为8个，每个耦合单元位于一个贴片单元的正下方。地板2印刷于介质板二11的上层。耦合槽均匀地刻蚀在地板2的中央区域，耦合槽也为矩形，其长边长度远大于短边长度，每个耦合单元的两条耦合槽关于其正上方的贴片单元中心轴线对称，且耦合槽不位于馈电微带线4的正上方。示例地，每个耦合单元的两条耦合槽关于短路槽7对称。
参考1、图2和图5，在本发明的一个实施例中，馈电微带线4上附带了若干分支微带线5和若干悬浮微带线6，馈电微带线4、分支微带线5和悬浮微带线6印刷于图5所示的下层金属。每条分支微带线5由第一分支和第二分支组成，第一分支的一端与馈电微带线4垂直相交，第二分支位于一个贴片单元的正下方，并与第一分支的另一端垂直相交，每条悬浮微带线6由对称设置在第二分支两侧的第一悬浮微带线和第二悬浮微带线组成，第一悬浮微带线和第二悬浮微带线分别垂直跨过一个耦合单元中的两条耦合槽。
本发明中贴片单元、耦合单元、分支微带线5和悬浮微带线6均沿馈电微带线4行波传播方向周期性排列。
示例地，在介质板二11的下表面，每隔四分之三个工作波长，从馈电微带线4上引出枝节形成分支微带线5，即相邻分支微带线5的间距(也即相邻分支微带线5的第一分支的间距)为四分之三波长，并且分支微带线5的第一分支和第二分支的总长度约为四分之三波长。悬浮微带线6的第一悬浮微带线和第二悬浮微带线关于其正上方的贴片单元中心轴线对称，且不与馈电微带线4相连。
参考图6，其示出了2比特移相器的具体结构以及原理。其中，短路槽7上配置有用于控制其通断状态的第一开关13，第一悬浮微带线与第二分支之间设置第二开关14，第二悬浮微带线与第二分支之间设置第三开关15。分支微带线5与悬浮微带线6是否联通由第二开关14和第三开关15控制。在本发明中，第一开关13、第二开关14和第三开关15均采用了二进制开关。
通过控制第一开关13的通断，可实现90度相位差。具体地，当第一开关13导通时，贴片单元处于无短路槽模式，当第一开关13断开时，贴片单元处于有短路槽模式。由于短路槽7的存在，不同状态下电流路径发生变化，谐振频率会发生偏移，同时空间辐射场会产生90度的相位差。
通过控制第二开关14和第三开关15的联通状态，可产生180度相位差。当第二开关14导通、第三开关15断开时，第二开关14两端的分支微带线和悬浮微带线联通，第三开关15两端的分支微带线和悬浮微带线不联通，反之同理，信号通过分支微带线传递到悬浮微带线，经过开关选通相应的耦合单元传递给顶层的贴片单元，从而激励贴片单元产生辐射，通过激励地板上不同耦合槽可以产生180度相位差。具体地，当第二开关14导通、第三开关15断开时，悬浮微带线6上侧的第一悬浮微带线导通，信号通过其跨过的耦合槽耦合到上层贴片单元，激励贴片单元产生辐射，悬浮微带线6下侧的第二悬浮微带线处于不导通状态，因此不激励其跨过的耦合槽。反之，当第三开关15导通、第二开关14断开时，悬浮微带线6下侧的第二悬浮微带线导通，上侧的第一悬浮微带线处于不导通状态，每一个天线单元中，悬浮微带线6同时有且只仅有一个微带线处于导通状态。每一个天线单元中，两个耦合槽关于贴片中轴线呈镜像关系，因此空间辐射场存在180度相位差，从而形成可重构1比特单元。将分支微带线5和悬浮微带线6沿行波传播方向周期性排列，可以得到可重构1比特阵列。
由此，当第一开关13导通，第三开关15导通，第二开关14断开，定义此时为0度状态；当第一开关13断开，第三开关15导通，第二开关14断开，定义此时为90度状态；当第一开关13导通，第二开关14导通，第三开关15断开，定义此时为180度状态；当第一开关13断开，第二开关14导通，第三开关15断开，定义此时为270度状态，从而形成可重构2比特单元。将2比特单元沿行波传播方向周期性排列，可以得到可重构2比特阵列。
本发明的实施例中，中心工作频率选定为3.6GHz，为5G移动通信的典型工作频段。馈电微带线4的特性阻抗选择50欧姆。贴片单元的长度约为λg/2，工作在0.5波长模式，λg为介质中的波长。短路槽7的长度小于贴片单元的宽边长度，主要作用在于调整空间辐射相位。耦合槽3的长度小于λg/2，没有处于谐振状态，主要作用在于将底层微带线上的能量耦合到顶层的贴片单元上。介质板一10和介质板二11之间的空气层用于调整不同状态下的谐振带宽，较厚的空气层可以满足带宽要求。每个单元的分支微带线5的距离为四分之三个介质波长λg，因此相邻辐射单元之间存在的固有相位差
Figure BDA0003310319590000071
为-270度，按照不同扫描角度对应的口面量化补偿相位公式，
Figure BDA0003310319590000072
其中φele为单元补偿相位，φreq为理想激励相位分布，φinh为口面单元的固有相位差，由于单元的周期分布，不同单元之间的固有相位差也存在周期特性，θm为目标波束指向，
Figure BDA0003310319590000073
为单元间的固有相位差，φ0为相位调节项。
按照2bit量化规则将补偿相位量化为四种状态，由此可以实现连续单元相位到量化口面补偿相位的分布，每一个量化相位对应一种单元状态。
图1给出了中心频点为3.6GHz的八单元可重构2bit波束扫描阵的具体实施示例。介质板一10和介质板二11都采用的是F4B，介电常数2.55，厚度1mm。中间利用尼龙柱形成了5mm的空气层，单元间距42.7mm。天线从信号输入口8馈电，信号输出口9接匹配负载用于吸收剩余能量。
采用上述参数设计示例的仿真结果由表1给出。
表1为不同扫描角度下的各个移相器的相位状态
Figure BDA0003310319590000074
Figure BDA0003310319590000081
表1给出了5种典型的波束指向以及对应的各个单元需要提供的相位。这5种波束分别设计指向-40°、-20°、0°、+30°和+50°。单元量化的四个状态0°、90°、180°、270°依次定义为状态1、2、3、4。
图7和图8为波束指向0°时的S参数和二维辐射方向图。|S11|和|S21|均较小，说明大部分能量都被辐射到了自由空间。仿真的波束指向-2°，阵列的实际增益达到了14.11dBi。
图9和图10为波束指向不同角度时的S参数和二维辐射方向图。在所有四种扫描角度中，3.6GHz处的|S11|和|S21|均低于-8dB，与表1设定的波束指向相比，仿真实现的波束指向略有偏移，分别指向-41°、-20°、-2°、+28°和+45°，这种偏移在实际工程中是可接受的。不同角度下的波束增益有一定波动，但是均在12dBi以上。阵列可在-48°到+50°范围内提供增益高于12dBi的波束扫描。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限定，凡是在本发明权利要求范围内所作的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种基于串行馈电的低成本波束扫描天线，其特征在于，包括：
贴片阵列（1），由若干贴片单元组成，所述贴片单元印刷于介质板一（10）下表面，所述贴片单元开有短路槽（7）；
耦合阵列（3），由若干耦合单元组成，刻蚀于地板（2）上，所述地板（2）印刷于介质板二（11）的上表面，介质板一（10）与介质板二（11）中间为空气层，所述耦合单元包含与短路槽（7）平行的两条耦合槽，且每个耦合单元位于一个贴片单元的正下方；
馈电网络，设置于介质板二（11）的下表面，由一条带有若干分支微带线（5）和若干悬浮微带线（6）的馈电微带线（4）组成，所述馈电微带线（4）与短路槽（7）平行，其两端分别为信号输入口（8）和信号输出口（9），所述分支微带线（5）由第一分支和第二分支组成，第一分支的一端与馈电微带线（4）垂直相交，第二分支位于一个贴片单元的正下方，并与第一分支的另一端垂直相交，每条所述悬浮微带线（6）由对称设置在所述第二分支两侧的第一悬浮微带线和第二悬浮微带线组成，第一悬浮微带线和第二悬浮微带线分别垂直跨过一个耦合单元中的两条耦合槽；
所述短路槽（7）上配置有用于控制其通断状态的第一开关（13），所述第一悬浮微带线与第二分支之间设置第二开关（14），所述第二悬浮微带线与第二分支之间设置第三开关（15），通过控制各开关的联通状态，构成不同的阵列状态。
2.根据权利要求1所述基于串行馈电的低成本波束扫描天线，其特征在于，所述贴片单元、耦合单元、分支微带线（5）和若干悬浮微带线（6）均沿馈电微带线（4）行波传播方向周期性排列。
3.根据权利要求1所述基于串行馈电的低成本波束扫描天线，其特征在于，所述贴片单元的形状为矩形，其长边垂直于馈电微带线（4），所述短路槽（7）为矩形，设在贴片单元中心，短路槽（7）的长边平行于馈电微带线（4）。
4.根据权利要求1所述基于串行馈电的低成本波束扫描天线，其特征在于，所述耦合槽为矩形，每个耦合单元的两条耦合槽关于其正上方的贴片单元中心轴线对称，且耦合槽不位于馈电微带线（4）的正上方。
5.根据权利要求4所述基于串行馈电的低成本波束扫描天线，其特征在于，所述每个耦合单元的两条耦合槽关于短路槽（7）对称。
6.根据权利要求1所述基于串行馈电的低成本波束扫描天线，其特征在于，所述分支微带线（5）的第一分支和第二分支的总长度为四分之三波长，相邻分支微带线（5）的间距为四分之三波长，所述悬浮微带线（6）的第一悬浮微带线和第二悬浮微带线关于其正上方的贴片单元中心轴线对称，且不与馈电微带线（4）相连。
7.根据权利要求1或6所述基于串行馈电的低成本波束扫描天线，其特征在于，所述第一开关（13）、第二开关（14）和第三开关（15）均为二进制开关，通过控制第一开关（13）的通断，实现90度相位差，通过控制第二开关（14）和第三开关（15）的联通状态，产生180度相位差。
8.根据权利要求1或6所述基于串行馈电的低成本波束扫描天线，其特征在于，所述馈电微带线（4）的特征阻抗为50欧姆。
9.根据权利要求1所述基于串行馈电的低成本波束扫描天线，其特征在于，所述信号输出口（9）接匹配负载或者信号衰减器。
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