CN114498076A - 用于可重构阵列的频率可切换的槽环天线及天线阵列 - Google Patents

用于可重构阵列的频率可切换的槽环天线及天线阵列 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于可重构阵列的频率可切换的槽环天线及天线阵列，包括介质基板，所述介质基板的上表面形成有金属层，所述金属层上形成L波段槽环，每个所述C波段槽环天线单元中的槽环包括内半环槽和外半环槽，所述内半环槽与外半环槽的端部之间形成有第一连通槽，通过所述第一连通槽将所述内半环槽与外半环槽连通形成小正方形环槽，所述第一连通槽内形成有第一开关器件和第二开关器件，相邻的两个外半环槽之间形成有连接槽，且所述连接槽与外半环槽之间通过第二连通槽连接，与每个外半环槽连通的两个第二连通槽内分别形成有第三开关器件和第四开关器件；所述天线具有可工作在多种波段下、使用方便等优点。

Description

用于可重构阵列的频率可切换的槽环天线及天线阵列
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种用于可重构阵列的频率可切换的槽环天线及天线阵列。
背景技术
天线阵列广泛用于无线通信、遥感和雷达。在过去的十年中，人们对开发具有多种特性的(频率、带宽、极化和辐射方向图)多功能天线阵列产生了浓厚的兴趣。共享孔径的多频段天线阵列最近受到了相当多的关注。多频段天线扫描的辐射体位于不同层或同一层；虽然具有多层辐射器的天线阵列通常可以在不同频段之间提供更好的隔离，但由于顶层辐射器的阻挡，它们不适合波束扫描。具有同一层辐射器的多频段天线阵列可分为两类：1)常见的多频段馈电；
2)每个频段单独馈电。间距d保持在λ0/2。如果在较高波段处单元间距接近λ0/2，则在较低波段处的间距远小于λ0/2，在第二类中这导致更强的互耦合，使用折叠偶极子设计将两个频段扫描中的阵元间距保持在0.5/0.5λ0。或者，实现多频段天线阵列扫描通过重新配置辐射孔径。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提供一种可工作在多种波段下、使用方便的槽环天线。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种用于可重构阵列的频率可切换的槽环天线，其特征在于：包括介质基板，所述介质基板的上表面形成有金属层，所述金属层上形成L波段槽环，所述L波段槽环包括四个结构相同的呈现矩阵排列的C波段槽环天线单元，每个所述C波段槽环天线单元中的槽环包括内半环槽和外半环槽，所述内半环槽与外半环槽的端部之间形成有第一连通槽，通过所述第一连通槽将所述内半环槽与外半环槽连通形成小正方形环槽，所述第一连通槽内形成有第一开关器件和第二开关器件，当所述第一开关器件和第二开关器件打开时，所述内半环槽与外半环槽之间相连通，当所述第一开关器件和第二开关器件闭合时，所述内半环槽与外半环槽之间通过所述第一开关器件和第二开关器件断开；
相邻的两个外半环槽之间形成有连接槽，且所述连接槽与外半环槽之间通过第二连通槽连接，所述连接槽与外半环槽之间通过所述第二连通槽连接后形成整体为大正方形的环槽结构，与每个外半环槽连通的两个第二连通槽内分别形成有第三开关器件和第四开关器件；
当所述第三开关器件和第四开关器件打开时，所述外半环槽与所述连接之间相连通，当所述第三开关器件和第四开关器件闭合时，所述外半环槽与所述连接槽之间通过所述第三开关器件和第四开关器件断开；
大正方形环槽的中心以及小正方形环槽的中心各形成有一个金属化过孔，每个所述金属过孔的上端与与其相对应的所述小正方形环槽内的金属层以及与其相对应的大正方形环槽内的金属层接触，每个小正方形环槽内的金属化过孔的下端通过一个匹配电阻与一条微带线串联，小正方形环槽外的金属化过孔的下端分别连接有一条竖直的金属线以及一条微带线，所述微带线的外端各连接有一个连接器；通过控制所述开关器件的打开或闭合来实现多个C波段槽环天线单元工作或L波段槽环天线工作。
进一步的技术方案在于：所述第一连通槽内的开关器件的工作状态与所述第二连通槽内的开关器件的工作状态相反。
进一步的技术方案在于：当所述第一开关器件和第二开关器件打开，所述第三开关器件和第四开关器件闭合时，每个所述C波段槽环天线单元中内半环槽与外半环槽通过两个第一连通槽连接到一起形成小正方形的环槽结构，此时每个小正方形的环槽形成一个C波段槽环天线单元；当所述第一开关器件和第二开关器件闭合，所述第三开关器件和第四开关器件打开时，所述外半环槽以及连接槽之间通过第二连通槽连接到一起形成大正方形的环槽结构，此时，大正方环槽形成一个L波段槽环天线。
本发明还公开了一种槽环天线阵列，其特征在于：包括若干个所述的呈阵列状排列的槽环天线。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本申请所述环槽天线通过改变16个PIN二极管的开关状态，使得L波段缝隙环形天线的孔径可以重新配置为2×2的C波段缝隙环形天线阵列。该天线在1.7/5.7GHz下工作时，部分带宽为在L/C波段工作状态下分别为8.6％/11.5％。实测实现增益和辐射效率分别为0.1/4.2dBi和66.6％/80.7％。5.7GHz处的天线单元间距为0.36λ0，即可以在没有栅瓣的情况下实现波束控制。这种共享孔径天线可扩展到更大的阵列，两个频段的元件间距都小于半波长。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1a是本发明实施例所述槽环天线的俯视结构示意图；
图1b是本发明实施例所述环槽天线的仰视结构示意图；
图1c是图1a中C波段槽环天线单元的俯视结构示意图；
图2是本发明实施例中PIN二极管的电路模型图；
图3a是本发明实施例中在上表面的电场幅度的L波段工作状态图；
图3b是本发明实施例中在上表面的电场幅度的C波段工作状态图；
图4a是本发明实施例所述槽环天线的俯视结构示意图(实物)；
图4b是本发明实施例所述槽环天线的仰视结构示意图(实物)；
图5a是本发明实施例中频率可切换槽环天线阵列的结构示意图；
图5b是本发明实施例中槽环天线阵列的L波段的回波损耗；
图5c是本发明实施例中槽环天线阵列的C波段的回波损耗；
图5d是本发明实施例中槽环天线阵列的L波段的H平面波束控制；
图5e是本发明实施例中槽环天线阵列的C波段的H平面波束控制；
其中：1、金属层；2、C波段槽环天线单元；3、内半环槽；4、外半环槽；5、第一连通槽；6、第一开关器件；7、第二开关器件；8、连接槽；9、第二连通槽；10、第三开关器件；11、第四开关器件；12、金属化过孔；13、匹配电阻；14、微带线；15、介质基板。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1a-图1c所示，本发明实施例公开了一种用于可重构阵列的频率可切换的槽环天线，包括介质基板，所述介质基板15的上表面形成有金属层1(图1b-1c中阴影部分)，所述金属层1的制备材料可以使用现有技术中的金属材料；所述金属层上形成L波段槽环，所述L波段槽环包括四个结构相同的呈现矩阵排列的C波段槽环天线单元2，每个所述C波段槽环天线单元2中的槽环包括内半环槽3和外半环槽4，所述内半环槽3与外半环槽4的端部之间形成有第一连通槽5，通过所述第一连通槽5将所述内半环槽3与外半环槽4连通形成小正方形环槽，所述第一连通槽5内形成有第一开关器件6和第二开关器件7，当所述第一开关器件6和第二开关器件7打开时，所述内半环槽3与外半环槽4之间相连通，当所述第一开关器件6和第二开关器7件闭合时，所述内半环槽3与外半环槽4之间通过所述第一开关器件6和第二开关器件7断开；
进一步的，如图1b-1c所示，相邻的两个外半环槽4之间形成有连接槽8，且所述连接槽8与外半环槽8之间通过第二连通槽9连接，所述连接槽8与外半环槽4之间通过所述第二连通槽9连接后形成整体为大正方形的环槽结构，与每个外半环槽4连通的两个第二连通槽9内分别形成有第三开关器件10和第四开关器件11；
进一步的，当所述第三开关器件10和第四开关器件11打开时，所述外半环槽4与所述连接槽8之间相连通，当所述第三开关器件10和第四开关器件11闭合时，所述外半环槽4与所述连接槽8之间通过所述第三开关器件10和第四开关器件11断开；
进一步的，如图1b-1c所示，大正方形环槽的中心以及小正方形环槽的中心各形成有一个金属化过孔12，每个所述金属过孔12的上端与与其相对应的所述小正方形环槽内的金属层1以及与其相对应的大正方形环槽内的金属层接触，每个小正方形环槽内的金属化过孔12的下端通过一个匹配电阻13与一条微带线14串联，小正方形环槽外的金属化过孔的下端分别连接有一条竖直的金属线以及一条微带线14，所述微带线14的外端各连接有一个连接器；通过控制所述开关器件的打开或闭合来实现多个C波段槽环天线单元工作或L波段槽环天线工作。
总体的，所述环槽天线工作时，所述第一连通槽5内的开关器件的工作状态与所述第二连通槽9内的开关器件的工作状态相反。进一步的，当所述第一开关器件6和第二开关器件7打开，所述第三开关器件10和第四开关器件11闭合时，每个所述C波段槽环天线单元中内半环槽3与外半环槽4通过两个第一连通槽5连接到一起形成小正方形的环槽结构，此时每个小正方形的环槽形成一个C波段槽环天线单元；当所述第一开关器件6和第二开关器件7闭合，所述第三开关器件10和第四开关器件11打开时，所述外半环槽4以及连接槽8之间通过第二连通槽9连接到一起形成大正方形的环槽结构，此时，大正方环槽形成一个L波段槽环天线。
在本申请中，所述槽环天线可用作大相控阵天线的单元，L波段槽环天线可以在相同的辐射孔径下重新配置为2×2的C波段槽环天线阵列，如图1b和图1c所示。PIN二极管开关放置在相应的第一连通槽和第二连通槽内，动态变化天线功能，每个频段都有自己的馈线。该天线在L/C频段状态下的工作频率为1.76/5.71GHz，代表3.2:1的比率。FBW显示为8.6％/分别为11.5％。因此，该天线阵列只需要窄带T/R模块。另外，天线单元内C波段的元件间距为0.36λ0，如图1b所示。
如图1b所示，通过在插槽内放置16个PIN二极管开关(DSM8100-000,0201封装)并正确打开和关闭它们，2×2的C波段缝隙环天线阵列也可以作为L波段缝隙环天线使用。C波段天线阵元如图1c所示，显示了开关的细节。当第一开关器件6和第二开关器件7闭合时，第三开关器件10和第四开关器件11打开时(状态I)，这个天线被port1激发并在1.76GHz谐振(L波段状态)。通过关闭第三开关器件10和第四开关器件11，打开第一开关器件6和第二开关器件7(状态II)，形成四个较小的槽环用于C波段操作。在这种状态下，缝隙环天线阵列由port2-port5激发并在5.71GHz(C波段状态)谐振。表1总结了开关状态与天线频率操作状态之间的关系。每个工作状态下的谐振频率由方形槽环的周长决定。由于槽环的横向长度为λg/4，远小于λ0/2，因此在选择两种工作状态下的天线单元间距时有很大的自由度，以避免在大扫描角度时出现栅瓣，其中λg为介质波长，λ0为真空状态下天线工作频率对应的波长。
表1 L波段和C波段工作状态下的开关状态
Figure BDA0003490778790000061
如图1c所示，该天线用微带线馈电。微带线开口端与缝隙之间的距离经过优化，以在每个工作频率下实现最佳阻抗匹配。微带线的宽度，当它们延伸到天线边缘时会慢慢变宽，以达到50Ω的特性阻抗。SMA连接器焊接到微带线上以提供测量通路。ANSYS高频结构模拟器(HFSS)中使用集总端口在两种工作状态下模拟天线。
PIN二极管开关的负载效应：
PIN二极管开关在ON或OFF状态下分别不会表现为理想的短路或开路。图2中所示的RLC等效电路用于HFSS仿真来模拟PIN二极管。ON和OFF状态的元件值如图2所示。在HFSS仿真中，观察到与理想开关相比，当使用开关模型时，L/C波段天线的谐振频率从1.84/5.99降低到1.76/5.71GHz。谐振频率下降4.5％主要归因于PIN二极管开关的寄生电容。开关电阻是天线增益降低的原因；L/C波段的模拟实现增益从1.49下降，与无损开关相比，采用开关模型时至0.78/4.95dBi。
B.开关的偏置机制：
为了找到直流偏置的最佳位置，两种工作状态下天线孔径上的电场分布都进行了模拟，如图3a-3b所示。观察到在该天线的中心有一个电场最小值；在这个最小位置放置一根金属线以提供直流电压(V1)，它能够控制图1c中的第三开关器件10和第四开关器件11，而不会对射频性能产生不利影响。100Ω电阻与此金属线串联以限制通过开关的电流。为了控制第一开关器件6和第二开关器件7，通过C波段槽中心的金属通孔施加第二个直流电压(V2)-环形天线，其本身与微带馈线串联一个11kΩ的电阻，如图1c所示。同轴偏置三通(来自Mini-Circuits的ZX85-12G-S+)用于连接到C波段馈线的每条电缆。在状态I或II中，8个开关处于ON状态，另外8个开关处于OFF状态。处于关闭状态的开关不消耗直流电源。在状态I下，总直流功率为48mW，其中44mW消耗在四个11kΩ电阻器中，4mW消耗在8个PIN二极管上。可以使用更小的射频阻断电阻器将直流功率消耗降低到8mW不会对射频性能产生不利影响。在状态II中，总直流功率为4.8mW，其中1.6mW耗散在100Ω电阻器中，3.2mW消耗在8个pin二极管上。应该提到的是，这里的11kΩ电阻器中没有直流电流状态。
图3a是本发明实施例中在上表面的电场幅度的L波段工作状态图；图3b是本发明实施例中在上表面的电场幅度的C波段工作状态图；图4a是本发明实施例所述槽环天线的俯视结构示意图(实物)；图4b是本发明实施例所述槽环天线的仰视结构示意图(实物)；
图5a是本发明实施例中频率可切换槽环天线阵列的结构示意图，本发明还公开一种槽环天线阵列，包括若干所述的呈阵列状排列的槽环天线。图5b是本发明实施例中槽环天线阵列的L波段的回波损耗；图5c是本发明实施例中槽环天线阵列的C波段的回波损耗；图5d是本发明实施例中槽环天线阵列的L波段的H平面波束控制；图5e是本发明实施例中槽环天线阵列的C波段的H平面波束控制；
该天线可在1.7/5.7GHz两个频段工作，基于PIN二极管开关的状态，相对带宽FBW为8.6％/11.5％，实现增益为0.1/4.2dBi，辐射效率为66.6％/80.7％，使用本专利中介绍的这种天线可组成大型阵列。此外，由于每个频段都有独立的馈电，因此只需要窄带T/R模块。该天线为3.2:1的工作频率比。

Claims (10)

1.一种用于可重构阵列的频率可切换的槽环天线，其特征在于：包括介质基板，所述介质基板（15）的上表面形成有金属层（1），所述金属层上形成L波段槽环，所述L波段槽环包括四个结构相同的呈现矩阵排列的C波段槽环天线单元（2），每个所述C波段槽环天线单元（2）中的槽环包括内半环槽（3）和外半环槽（4），所述内半环槽（3）与外半环槽（4）的端部之间形成有第一连通槽（5），通过所述第一连通槽（5）将所述内半环槽（3）与外半环槽（4）连通形成小正方形环槽，所述第一连通槽（5）内形成有第一开关器件（6）和第二开关器件（7），当所述第一开关器件（6）和第二开关器件（7）打开时，所述内半环槽（3）与外半环槽（4）之间相连通，当所述第一开关器件（6）和第二开关器（7）件闭合时，所述内半环槽（3）与外半环槽（4）之间通过所述第一开关器件（6）和第二开关器件（7）断开；
相邻的两个外半环槽（4）之间形成有连接槽（8），且所述连接槽（8）与外半环槽（8）之间通过第二连通槽（9）连接，所述连接槽（8）与外半环槽（4）之间通过所述第二连通槽（9）连接后形成整体为大正方形的环槽结构，与每个外半环槽（4）连通的两个第二连通槽（9）内分别形成有第三开关器件（10）和第四开关器件（11）；
当所述第三开关器件（10）和第四开关器件（11）打开时，所述外半环槽（4）与所述连接槽（8）之间相连通，当所述第三开关器件（10）和第四开关器件（11）闭合时，所述外半环槽（4）与所述连接槽（8）之间通过所述第三开关器件（10）和第四开关器件（11）断开；
大正方形环槽的中心以及小正方形环槽的中心各形成有一个金属化过孔（12），每个所述金属过孔（12）的上端与与其相对应的所述小正方形环槽内的金属层（1）以及与其相对应的大正方形环槽内的金属层接触，每个小正方形环槽内的金属化过孔（12）的下端通过一个匹配电阻（13）与一条微带线（14）串联，小正方形环槽外的金属化过孔的下端分别连接有一条竖直的金属线以及一条微带线（14），所述微带线（14）的外端各连接有一个连接器；通过控制所述开关器件的打开或闭合来实现多个C波段槽环天线单元工作或L波段槽环天线工作。
2.如权利要求1所述的用于可重构阵列的频率可切换的槽环天线，其特征在于：所述C波段槽环天线单元之间的距离为0.36λ0。
3.如权利要求1所述的用于可重构阵列的频率可切换的槽环天线，其特征在于：所述环槽的宽度为λg/4。
4.如权利要求1所述的用于可重构阵列的频率可切换的槽环天线，其特征在于：所述连接器使用SMA连接器，SMA连接器焊接到微带线上用于提供测量通路。
5.如权利要求1所述的用于可重构阵列的频率可切换的槽环天线，其特征在于：所述第一连通槽（5）内的开关器件的工作状态与所述第二连通槽（9）内的开关器件的工作状态相反。
6.如权利要求5所述的用于可重构阵列的频率可切换的槽环天线，其特征在于：当所述第一开关器件（6）和第二开关器件（7）打开，所述第三开关器件（10）和第四开关器件（11）闭合时，每个所述C波段槽环天线单元中内半环槽（3）与外半环槽（4）通过两个第一连通槽（5）连接到一起形成小正方形的环槽结构，此时每个小正方形的环槽形成一个C波段槽环天线单元；当所述第一开关器件（6）和第二开关器件（7）闭合，所述第三开关器件（10）和第四开关器件（11）打开时，所述外半环槽（4）以及连接槽（8）之间通过第二连通槽（9）连接到一起形成大正方形的环槽结构，此时，大正方环槽形成一个L波段槽环天线。
7.如权利要求1所述的用于可重构阵列的频率可切换的槽环天线，其特征在于：所述匹配电阻（13）的阻值为11Ω。
8.如权利要求1所述的用于可重构阵列的频率可切换的槽环天线，其特征在于：所述开关器件为二极管。
9.如权利要求1所述的用于可重构阵列的频率可切换的槽环天线，其特征在于：所述内半环槽（3）、外半环槽（4）与连接槽（8）的宽度相等。
10.一种槽环天线阵列，其特征在于：包括若干个如权利要求1-9中任意一项所述的呈阵列状排列的槽环天线。
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