CN114597647A - 一种1bit可重构透射阵单元 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种1bit可重构透射阵单元，包括第一介质层和第二介质层，第一介质层外表面设置有接收天线微带辐射贴片、直流偏置线、以及与直流偏置线连接的扇形1/4波长开路线和微带线；第二介质层外表面设置有发射天线微带辐射贴片，在第一介质层和第二介质层之间夹设有带耦合缝隙的金属地板，在第一介质层中设置有用于将接收天线微带辐射贴片与金属地板短接的第一短路柱；以及用于连接微带线的第二短路柱，在第二短路柱与金属地板之间设置有正接二极管和反接二极管。其效果是：单元传输相位在工作频带内能够实现稳定的0°/180°可重构，所需金属层数只有3层，结构简单，加工方便，成本大幅度降低。

Description

一种1bit可重构透射阵单元
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种1bit可重构透射阵单元。
背景技术
阵列天线通常由多个天线单元规则或随机排列组成，通过适当激励从而获得预定辐射特性。阵列天线的辐射电磁场是组成该天线阵各单元辐射场的总和。由于各单元的位置和馈电电流的振幅和相位均可以独立调整，这就使阵列天线具有各种不同的功能。
透射阵天线作为阵列天线的一种基本形式，也是高增益天线之一，由于透射阵天线具有无馈源遮挡、设计灵活、加工方便等优点，因此被广泛应用于远距离通信、遥感探测等通信领域。
但是目前的透射阵天线仍然存在一些不足，部分透射阵天线因为金属贴片对一部分电磁波的反射和吸收，导致天线传输效率下降，同时现有的1bit可重构透射阵单元结构设计相对复杂，需要多层结构予以实现，制作工艺繁琐，生产成本较高。
发明内容
基于上述需求，本发明的目的在于提出一种1bit可重构透射阵单元，通过对透射阵单元的结构进行改进，使其通过简单的三层结构即可满足1bit可重构的需求。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种1bit可重构透射阵单元，其关键在于：包括第一介质层和第二介质层，所述第一介质层外表面设置有接收天线微带辐射贴片、直流偏置线、以及与所述直流偏置线连接的扇形1/4波长开路线和微带线；所述第二介质层外表面设置有发射天线微带辐射贴片，在所述第一介质层和所述第二介质层之间夹设有带耦合缝隙的金属地板，在所述第一介质层中设置有第一短路柱，所述第一短路柱用于将所述接收天线微带辐射贴片与所述金属地板短接；在所述第一介质层中还设置有用于连接所述微带线的第二短路柱，在所述第二短路柱与所述金属地板之间设置有正接二极管和反接二极管。
可选地，所述接收天线微带辐射贴片采用1/4波长微带辐射天线，在所述第一介质层中还设置有第三短路柱和第四短路柱，所述第一短路柱连接在所述接收天线微带辐射贴片的中心线上，所述第三短路柱和所述第四短路柱也用于将所述接收天线微带辐射贴片与所述金属地板短接且沿同一直线等间距分布在所述第一短路柱的两侧，并通过所述1/4波长微带辐射天线和所述第一短路柱、第三短路柱以及第四短路柱模拟1/2波长微带辐射天线的场分布。
可选地，所述发射天线微带辐射贴片采用1/2波长口径耦合微带天线。
可选地，在所述第一介质层上开设有用于插接所述第一短路柱的第一金属化通孔和用于插接所述第二短路柱的第二金属化通孔，所述正接二极管和所述反接二极管分别焊接在所述第二金属化通孔的两侧。
可选地，在所述第一介质层上开设有用于插接所述第三短路柱的第三金属化通孔和用于插接所述第四短路柱的第四金属化通孔。
可选地，所述扇形1/4波长开路线连接在距离所述接收天线微带辐射贴片1/4波长距离位置。
可选地，所述金属地板上的耦合缝隙包括一端的矩形通孔、另一端的圆形通孔、以及矩形通孔和圆形通孔之间连通的条形缝隙，所述第二金属化通孔设置在所述圆形通孔中。
可选地，所述接收天线微带辐射贴片的右下角开设有矩形缺口，所述微带线位于所述接收天线微带辐射贴片的右侧并沿着所述接收天线微带辐射贴片的下边缘水平设置，所述微带线的左端延伸至所述接收天线微带辐射贴片的右下角开设的矩形缺口位置，所述直流偏置线的端部与所述微带线的中部垂直连接。
可选地，所述第一介质层采用F4BM220介质板，相对介电常数2.2，厚度为0.8mm；所述第二介质层采用F4BM220介质板，相对介电常数2.2，厚度为1mm。
本发明的效果是：
本发明提出的一种1bit可重构透射阵单元，采用收发天线和加载PIN二极管可重构移相器的体制，接收天线将入射的空间电磁波信号传输到微带线上，信号从微带线通过金属化通孔进入耦合缝隙，改变偏置电压的大小，二极管能够实现开关状态切换，从而改变耦合缝隙内电场方向，实现单元传输相位在工作频带内稳定的0°/180°可重构。直流电压可通过偏置电路加到二极管两端，偏置电路可以通直流阻交流，降低对收发天线的干扰，满足了大阵列直流信号的馈电需求，该单元可以组成大尺寸的空馈电控阵列，实现波束扫描、波束形成或其他智能调控功能，所需金属层数只有3层，结构简单，加工方便，成本大幅度降低，在工作频带内能够实现稳定的180度相位差。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明提供的1bit可重构透射阵单元结构示意图；
图2为本发明提供的1bit可重构透射阵单元的正视结构分布图；
图3为本发明提供的1bit可重构透射阵单元的侧视结构分布图；
图4为本发明具体实施例中异物检测的控制流程图；
图5是0度状态的电场分布图；
图6是180度状态的电场分布图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
如图1、图2和图3所示，本实施例提供一种1bit可重构透射阵单元，包括第一介质层11和第二介质层12，第一介质层11外表面设置有接收天线微带辐射贴片1、直流偏置线3、以及与所述直流偏置线3连接的扇形1/4波长开路线4和微带线2；第二介质层12外表面设置有发射天线微带辐射贴片10，在第一介质层11和第二介质层12之间夹设有带耦合缝隙13的金属地板9，在第一介质层11中设置有第一短路柱6、第三短路柱5和第四短路柱7，第一短路柱6、第三短路柱5和第四短路柱7用于将接收天线微带辐射贴片1与金属地板9短接；在第一介质层11中还设置有用于连接所述微带线3的第二短路柱8，在第二短路柱8与金属地板9之间设置有正接二极管14和反接二极管15。
针对接收天线而言，为了保证接收天线的匹配、辐射效率、增益和交叉极化性能，同时降低尺寸，通过图2可以看出，接收天线微带辐射贴片1采用1/4波长微带辐射天线，第一短路柱6连接在接收天线微带辐射贴片1的中心线上，第三短路柱5和第四短路柱7沿同一直线等间距分布在第一短路柱6的两侧，通过1/4波长微带辐射天线1和第一短路柱6、第三短路柱5以及第四短路柱7模拟1/2波长微带辐射天线的场分布，实现谐振和匹配。微带线的宽度为0.4mm，对应的阻抗比较低，约为137Ω。天线的阻抗在中心位置最高，从中心到边缘阻抗逐渐下降，为了使微带线和天线匹配，选择在边缘馈电，为了抵消金属短路柱引入的电感，通常选择容性馈电。
通过图2还可以看出，所述接收天线微带辐射贴片1的右下角开设有矩形缺口，所述微带线2位于所述接收天线微带辐射贴片1的右侧并沿着所述接收天线微带辐射贴片1的下边缘水平设置，所述微带线2的左端延伸至所述接收天线微带辐射贴片1的右下角开设的矩形缺口位置，所述直流偏置线3的端部与所述微带线2的中部垂直连接。
为了方便加工，在第一介质层11上分别对应第一短路柱6、第二短路柱8、第三短路柱5和第四短路柱7设置第一金属化通孔、第二金属化通孔、第三金属化通孔和第四金属化通孔，正接二极管14和反接二极管15分别焊接在第二金属化通孔的两侧。
针对直流偏置而言，直流偏置线3为高阻抗线，扇形1/4波长开路线4连接在距离接收天线微带辐射贴片1/4波长距离位置，直流能通过偏置线接触到二极管的一端，二极管另一端接触地，射频信号等效为开路，无法进入偏置线，所以偏置线实现了直流和射频的隔离，其等效电路如图4所示。
通过图2可以看出，金属地板8上的耦合缝隙9包括一端的矩形通孔、另一端的圆形通孔、以及矩形通孔和圆形通孔之间连通的条形缝隙，第二金属化通孔设置在圆形通孔中，两个二极管焊接在金属化通孔两侧，方向相反，因此总是一个短路，一个开路。控制偏置电压0/3V能使缝隙里的电场产生0/180相位，最终整个透射阵单元有0/180相位的移相。
针对介质板的选择来说，为了扩展天线的带宽，需要减小天线的Q值，Q值的计算公式如下：
Figure BDA0003589105420000051
其中，λ表示工作波长，εr表示相对介电常数，h为介质基片厚度
h和εr的取值需要满足如下公式：
Figure BDA0003589105420000052
其中，c为真空中的光速，fh是最高工作频率。
因此通常选择厚度h大、相对介电常数εr小的介质板，此外，介质板厚度过大将导致表面波被大量激励而使得天线的辐射效率下降。εr减小将使所采用的介质板的尺寸变大。
综合考虑以上问题，并通过大量仿真实验，在实施过程中，两块介质板材料都选定为F4BM220(相对介电常数：2.2)，第一介质层厚度0.8mm(0.036λ0)，第二介质层厚度为1mm(0.04λ0)，定义有效波长为：
Figure BDA0003589105420000061
针对发射天线而言，具体实施时，发射天线微带辐射贴片10采用1/2波长口径耦合微带天线。缝隙的一端电场强度很大，另一端为0，当缝隙长度约等于1/4个有效波长，贴片长度大约为1/3个有效长度时，发射天线能取得良好的匹配，空气层高度为1mm时，发射天线辐射方向的前后比达到最低，收发天线传输效率最高。
通过图5和图6可以看出，基于本发明提出的1bit可重构透射阵单元，1bit移相器结构可以由微带线、金属化通孔和缝隙组成。两个二极管焊接在金属化通孔两侧，方向相反，因此总是一个短路，一个开路，缝隙环长度大约为1/4个等效波长，能确保良好匹配。结合图5和图6所示两种状态下的电场分布可以看出，缝隙中电场方向相差180度，因此两种状态能实现180度的相位差。通过改变偏置电压0V/3V，来切换这两种状态。
综上，本发明提出一种1bit可重构透射阵天线单元，结构简单，加工方便，通过仿真测试，采用上述结构的天线传输系数幅度在13.12GHz～13.68GHz的范围内大于-2dB，在工作频带内，该1bit可重构透射阵单元能够实现稳定的180度相位差，利用本发明提出的1bit可重构透射阵天线单元能够组成大尺寸的空馈电控阵列，实现波束扫描、波束形成或其他智能调控功能。
最后需要说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，这样的变换均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种1bit可重构透射阵单元，其特征在于：包括第一介质层和第二介质层，所述第一介质层外表面设置有接收天线微带辐射贴片、直流偏置线、以及与所述直流偏置线连接的扇形1/4波长开路线和微带线；所述第二介质层外表面设置有发射天线微带辐射贴片，在所述第一介质层和所述第二介质层之间夹设有带耦合缝隙的金属地板，在所述第一介质层中设置有第一短路柱，所述第一短路柱用于将所述接收天线微带辐射贴片与所述金属地板短接；在所述第一介质层中还设置有用于连接所述微带线的第二短路柱，在所述第二短路柱与所述金属地板之间设置有正接二极管和反接二极管。
2.根据权利要求1所述的一种1bit可重构透射阵单元，其特征在于：所述接收天线微带辐射贴片采用1/4波长微带辐射天线，在所述第一介质层中还设置有第三短路柱和第四短路柱，所述第一短路柱连接在所述接收天线微带辐射贴片的中心线上，所述第三短路柱和所述第四短路柱也用于将所述接收天线微带辐射贴片与所述金属地板短接且沿同一直线等间距分布在所述第一短路柱的两侧，并通过所述1/4波长微带辐射天线和所述第一短路柱、第三短路柱以及第四短路柱模拟1/2波长微带辐射天线的场分布。
3.根据权利要求2所述的一种1bit可重构透射阵单元，其特征在于：所述发射天线微带辐射贴片采用1/2波长口径耦合微带天线。
4.根据权利要求1所述的一种1bit可重构透射阵单元，其特征在于：在所述第一介质层上开设有用于插接所述第一短路柱的第一金属化通孔和用于插接所述第二短路柱的第二金属化通孔，所述正接二极管和所述反接二极管分别焊接在所述第二金属化通孔的两侧。
5.根据权利要求2所述的一种1bit可重构透射阵单元，其特征在于：在所述第一介质层上开设有用于插接所述第三短路柱的第三金属化通孔和用于插接所述第四短路柱的第四金属化通孔。
6.根据权利要求2或3所述的一种1bit可重构透射阵单元，其特征在于：所述扇形1/4波长开路线连接在距离所述接收天线微带辐射贴片1/4波长距离位置。
7.根据权利要求4所述的一种1bit可重构透射阵单元，其特征在于：所述金属地板上的耦合缝隙包括一端的矩形通孔、另一端的圆形通孔、以及矩形通孔和圆形通孔之间连通的条形缝隙。
8.根据权利要求1所述的一种1bit可重构透射阵单元，其特征在于：所述接收天线微带辐射贴片的右下角开设有矩形缺口，所述微带线位于所述接收天线微带辐射贴片的右侧并沿着所述接收天线微带辐射贴片的下边缘水平设置，所述微带线的左端延伸至所述接收天线微带辐射贴片的右下角开设的矩形缺口位置，所述直流偏置线的端部与所述微带线的中部垂直连接。
9.根据权利要求1所述的一种1bit可重构透射阵单元，其特征在于：所述第一介质层采用F4BM220介质板，相对介电常数2.2，厚度为0.8mm；所述第二介质层采用F4BM220介质板，相对介电常数2.2，厚度为1mm。
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