CN114937861B - 一比特辐射反射一体化天线单元及阵列天线系统 - Google Patents

一比特辐射反射一体化天线单元及阵列天线系统 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种一比特辐射反射一体化天线单元及阵列天线系统，天线单元包括：辐射反射结构、与外环部相连的直流偏置电路和与辐射反射结构的中心相连的射频电路；辐射反射结构包括：外环部、内环部和连接部；外环部包括两个对称且对应端通过电容相连的半圆环形的外环贴片；内环部包括两个对称且对应端之间具有间隙的半圆环形的内环贴片；外环部和内环部同心；连接部包括两个共线且与外环贴片一一对应的导板，导板的一端位于辐射反射结构的中心且与另一个导板的端部相连，另一端连接对应外环贴片的内圈；导板上对应外环贴片与内环贴片之间的位置设有控制导板通断的二极管。本申请可以根据实际的应用需求在辐射、反射两种工作状态下工作。

Description

一比特辐射反射一体化天线单元及阵列天线系统
技术领域
本申请涉及通信天线技术领域，特别是涉及一种一比特辐射反射一体化天线单元及阵列天线系统。
背景技术
目前相控阵天线是最成熟的波束扫描天线系统。
然而，传统的相控阵天线需要使用大量的移相器和复杂的控制电路，通过控制移相器输出的相位来实现对天线系统的辐射波束的控制，因此相控阵系统比较昂贵；而且，基于反射式的波束扫描阵列较多，需要馈源来照射整个阵面，这样不可避免地导致天线的剖面过高，极大地限制了天线的应用场景。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种一比特辐射反射一体化天线单元及阵列天线系统，可以根据实际的应用需求在辐射、反射两种工作状态下工作。
一比特辐射反射一体化天线单元，包括：辐射反射结构、直流偏置电路和射频电路；
所述辐射反射结构包括：外环部、内环部以及连接部；所述外环部包括两个半圆环形的外环贴片，两个所述外环贴片对称且两组对应端均通过电容相连；所述内环部包括两个半圆环形的内环贴片，两个所述内环贴片对称且两组对应端之间具有间隙；所述外环部和所述内环部同心；所述连接部包括两个共线的导板，所述导板与所述外环贴片一一对应，其中一个导板的一端位于所述辐射反射结构的中心且与另一个导板的端部相连，另一端连接对应所述外环贴片的内圈；所述导板上对应所述外环贴片与所述内环贴片之间的位置设有控制所述导板通断的二极管；
所述直流偏置电路与所述外环部相连，以控制各所述二极管的通断；
所述射频电路与所述辐射反射结构的中心相连。
在其中一个实施例中，还包括：介质板；
所述介质板包括：从上到下依次相叠的第一介质层、第二介质层以及第三介质层；
所述辐射反射结构固定设在所述第一介质层的顶部，所述直流偏置电路和所述射频电路均固定设在所述第三介质层的底部。
在其中一个实施例中，所述直流偏置电路包括两个与所述二极管一一对应的直流偏置支路，每个直流偏置支路与对应所述外环贴片通过第一金属管相连；
所述射频电路与所述连接部的中心通过第二金属管相连；
所述第一金属管和所述第二金属管均沿竖向贯穿所述介质板。
在其中一个实施例中，所述直流偏置支路包括：直流偏置线与扇形枝节；
所述直流偏置线的一端与直流电源相连，另一端与所述第一金属管相连；
所述扇形枝节的尖端与所述直流偏置线相连。
在其中一个实施例中，所述扇形枝节的半径为1/4辐射波波长。
在其中一个实施例中，还包括：地板；所述地板设在所述第三介质层的顶部；
所述介质板上设有与所述第一金属管以及所述第二金属管对应的贯穿孔，所述贯穿孔上对应所述第二介质层处的孔壁上设有环状沉槽，以作为隔离环，用于所述第一金属管与所述地板的隔离，以及所述第二金属管与所述地板的隔离。
在其中一个实施例中，每个内环贴片均通过第三金属管与地板相连；
所述第三金属管沿竖向贯穿所述第一介质层以及所述第二介质层。
在其中一个实施例中，所述第一金属管与所述外环贴片的连接点、所述第二金属管与所述连接部的连接点以及所述第三金属管与所述内环贴片的连接点共线，且该线垂直于所述连接部所在的直线。
阵列天线系统，包括：一比特辐射反射一体化天线单元以及功分器；
所述一比特辐射反射一体化天线单元的数量等于所述功分器端口的数量且一一对应；
每一所述功分器端口与对应所述一比特辐射反射一体化天线单元的射频电路相连。
在其中一个实施例中，所述功分器的端口沿直线间隔排列。
上述一比特辐射反射一体化天线单元，通过在辐射反射结构中集成的2个PIN二极管来实现1bit的转变，通过集成的变容管等电子元器件以及相应的直流偏置电路，从而实现天线单元相位的动态可调，可以根据实际的应用需求在辐射、反射两种工作状态下工作，具有剖面低和易于集成的优势；通过将该单元组成相应的辐射阵列/反射阵列，可以实现辐射/反射双功能的波束扫描，可以替代目前使用的传统相控阵，能够更好地适应未来复杂的工作环境。
附图说明
图1为一个实施例中一比特辐射反射一体化天线单元的整体示意图；
图2为一个实施例中辐射反射结构的示意图；
图3为一个实施例中直流偏置电路和射频电路的示意图；
图4为一个实施例中PIN二极管的等效电路图；
图5为一个实施例中一比特辐射反射一体化天线单元工作在反射条件下，“00”和“11”状态时的反射幅度曲线图；
图6为一个实施例中一比特辐射反射一体化天线单元工作在反射条件下，“00”和“11”状态时的反射相位曲线图；
图7为一个实施例中一比特辐射反射一体化天线单元工作在辐射条件下，“01”和“10”状态时的S参数特性图；
图8为一个实施例中一比特辐射反射一体化天线单元工作在辐射条件下，f＝11.4GHz处01”和“10”状态下的E面和H面的辐射方向图；
图9为一个实施例中一比特辐射反射一体化天线单元在f＝11.4GHz处“01”状态下的三维空间辐射方向图；
图10为一个实施例中一比特辐射反射一体化天线单元在f＝11.4GHz处“10”状态下的三维空间辐射方向图。
附图编号：
辐射反射结构1，外环部11，内环部12，连接部13，电容14，二极管15，直流偏置电路2，直流偏置线21，扇形枝节22，射频电路3，第一介质层4，第二介质层5，第三介质层6，第一金属管7，第二金属管8，第三金属管9，隔离环10。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明，本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本申请中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多组”的含义是至少两组，例如两组，三组等，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
另外，本申请各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。
如图1至图3所示，本申请提供的一种一比特辐射反射一体化天线单元，在一个实施例中，包括：辐射反射结构1、直流偏置电路2和射频电路3；
所述辐射反射结构1包括：外环部11、内环部12以及连接部13；所述外环部11包括两个半圆环形的外环贴片，两个所述外环贴片对称且两组对应端均通过电容14相连；所述内环部12包括两个半圆环形的内环贴片，两个所述内环贴片对称且两组对应端之间具有间隙；所述外环部11和所述内环部12同心；所述连接部13包括两个共线的导板，所述导板与所述外环贴片一一对应，其中一个导板的一端位于所述辐射反射结构1的中心且与另一个导板的端部相连，另一端连接对应所述外环贴片的内圈；所述导板上对应所述外环贴片与所述内环贴片之间的位置设有控制所述导板通断的二极管15。
所述直流偏置电路2与所述外环部11相连，以控制各所述二极管15的通断。
优选地，所述直流偏置电路2包括两个与所述二极管15一一对应的直流偏置支路，每个直流偏置支路与对应所述外环贴片通过第一金属管7相连。
进一步优选地，所述直流偏置支路包括：直流偏置线21与扇形枝节22；所述直流偏置线21的一端与直流电源相连，另一端与所述第一金属管7相连；所述扇形枝节22的尖端与所述直流偏置线21相连。
所述射频电路3与所述辐射反射结构1的中心相连。优选地，所述射频电路3与所述连接部13的中心通过第二金属管8相连。
在本实施例中，电容14优选为隔直电容，二极管15优选为PIN二极管，直流偏置线21可以使用高阻抗线，射频电路3可以使用微带线结构。
如图4所示的PIN二极管的等效电路图，开通状态等效为电阻与电感的串联，关断状态等效为电容与电感的串联。
本申请不限制二极管的方向，可以根据直流偏置电路进行具体的设置，只要在辐射/反射状态下，两个二极管的开关状态相反即可。
该天线单元集成了两个PIN二极管，通过控制两个PIN二极管的工作状态来实现单元的1bit特性。两个二极管使天线单元具有单极化(线极化)的特性，具体的极化方向根据坐标系的相对位置决定。
当单元作为反射单元工作时，不需要通过微带线来馈电，只需控制PIN二极管的开通/关断即可。为了方便描述，当PIN二极管开通时即为“1”，关断时即为“0”。当两个PIN二极管状态为“00”和“11”时，单元的反射相位差180°，即“00”和“11”两种状态可以对应单元反射相位为0°和180°，也就是1bit反射单元。
当单元作为辐射单元工作时，需要通过底层的微带线进行馈电，同时使两个PIN二极管开通一个，即“01”/“10”，两种状态属于相位相反的各向同性源，两种状态下单元分别对应着两个不同的辐射相位0度和180度，即1bit辐射单元。
根据上述特性，可以进行组阵，通过使用不同的编码方式实现阵列天线系统的波束扫描特性。
上述设计的直流偏置电路可以提供直流偏置电压以控制PIN二极管的开通/关断。具体的，辐射反射结构的外环通过隔直电容分成了两部分，并与两个直流偏置线相连，可以施加不同的偏置电压进而控制两部分中包含的PIN二极管的开通/关断。整个直流偏置电路通过辐射反射结构的内环来实现接地，从而形成闭合的直流回路。
本实施例的工作过程是，在辐射模式下，射频信号从射频电路进入，通过射频信号线馈电，经过辐射反射结构的中心到达辐射反射结构，通过与外环部相连的直流偏置电路控制PIN二极管打开，则射频信号经过PIN二极管进入内环部以及外环部，并辐射出去；在反射模式下，外界电磁波照射在辐射反射结构，辐射反射结构将电磁波信号直接反射出去。
上述一比特辐射反射一体化天线单元，在辐射反射结构上集成了2个PIN二极管以及两个隔直电容用来实现1bit状态的切换，具有辐射/反射的1bit特性，相较于目前的单一反射式/透射式单元，该单元能够在反射/辐射状态之间切换，功能更加完善，并且可以通过组阵的方式构成电控的辐射式/反射式一体化的阵列天线系统，通过控制阵列中天线单元的工作状态实现波束扫描功能，能够满足不同环境条件下对天线波束偏转的辐射/反射需求，更好地适应复杂的工作环境；同时，由于反射特性和辐射特性工作于不同的频段，还可以提高系统的通信容量，增加信道复用率。
在其中一个实施例中，还包括：介质板；所述介质板包括：从上到下依次相叠的第一介质层4、第二介质层5以及第三介质层6；第一介质层4和第三介质层6通过第二介质层5压合。
所述辐射反射结构1固定设在所述第一介质层4的顶部，所述直流偏置电路2和所述射频电路3均固定设在所述第三介质层6的底部，所述第三介质层6的顶部设有地板。
所述介质板上设有与所述第一金属管7以及所述第二金属管8对应的贯穿孔，所述贯穿孔上对应所述第二介质层5处的孔壁上设有环状沉槽，以作为隔离环10，用于所述第一金属管7与所述地板的隔离，以及所述第二金属管8与所述地板的隔离。
每个内环贴片均通过第三金属管9与地板相连。所述第一金属管7和所述第二金属管8均沿竖向贯穿所述介质板，所述第三金属管9沿竖向贯穿所述第一介质层4以及所述第二介质层5。
在本实施例中，第一介质层4、第二介质层5、第三介质层6以及地板的材质均设置为金属。
优选地，第一介质层是厚度为1.524mm、介电常数为3.66、损耗角正切为0.0037的Rogers RO4350B介质层，第二介质层是厚度为0.204mm、介电常数为3.52、损耗角正切为0.0041的Rogers RO4450F半固化粘结片，第三介质层是厚度为0.508mm、介电常数为3.66的Rogers RO4350B介质层。
本实施例的工作过程是，在辐射模式下，射频信号从射频电路进入，通过射频信号线馈电，经过第二金属管到达辐射反射结构的中心，直流偏置电路通过第一金属管与外环部相连，从而控制PIN二极管打开，则射频信号经过PIN二极管进入内环部以及外环部，并辐射出去，且内环部通过第三金属管与地板相连，从而形成完整的直流回路；在反射模式下，外界电磁波照射在辐射反射结构，辐射反射结构将电磁波信号直接反射出去。
在其中一个实施例中，所述第一金属管7与所述外环贴片的连接点、所述第二金属管8与所述连接部13的连接点以及所述第三金属管9与所述内环贴片的连接点共线，且该线垂直于所述连接部13所在的直线。也就是说，连接点所在的直线垂直于连接部13所在的直线。
两个电容14分别设在连接点所在直线与连接部13所在直线的夹角内。优选地，两个电容14所在的直线位于连接点所在的直线与连接部13所在的直线夹角的中心线上，即，电容14所在的直线与连接点所在的直线夹角为45度，电容14所在的直线与连接部13所在的直线夹角也是45度。此时，天线单元具有最佳的辐射/反射特性。
本申请不限制扇形枝节22的数量，在一个直流偏置支路中，可以根据需求设置一个、两个或者其他数量的扇形枝节。
优选地，所述扇形枝节22的半径为1/4辐射波波长。
射频信号通过高阻抗线以及四分之一波长的扇形枝节后等效于开路，可以起到抑制射频信号泄露的目的。
优选的，第一介质层的厚度为1.524mm，第二介质层的厚度为0.204mm，第三介质层的厚度为0.508mm，外环贴片的半径为3.5mm，内环贴片的半径为1.9mm，扇形枝节的半径为2.9mm，外环贴片的宽度为0.8mm，内环贴片的宽度为0.9mm，导板的宽度为0.52mm，微带线的宽度为1.1mm。
本申请还提供一种阵列天线系统，在一个实施例中，包括：一比特辐射反射一体化天线单元以及功分器；所述一比特辐射反射一体化天线单元的数量等于所述功分器端口的数量且一一对应；每一所述功分器端口与对应所述一比特辐射反射一体化天线单元的射频电路相连。
优选地，所述功分器的端口沿直线间隔排列。
如图5至图10，给出一体化天线单元在反射/辐射状态下的全波仿真结果。
图5为单元工作在反射条件下，“00”和“11”状态时的反射幅度曲线，图6为单元工作在反射条件下，“00”和“11”状态时的反射相位曲线；从图上可以看出，天线单元在10.4-10.55GHz频段，两种状态的反射相位差在180±20°范围内，反射损耗小于2.5dB，可以满足1bit效果。
图7为单元工作在辐射条件下，“01”和“10”状态时的S参数特性，两种状态下的S11曲线吻合的十分一致，同时给出了直流偏置端口的S参数特性(S21和S31)；结果可以看出设计的直流偏置电路作用很好，射频信号并未通过直流电路发生较大泄露。
图8为单元工作在辐射条件下，f＝11.4GHz处“01”和“10”状态下E面和H面辐射方向图，单元辐射方向图在E面和H面较为一致，具有良好的辐射特性。
图9为f＝11.4GHz处“01”状态下天线单元的三维空间辐射方向图，图10为f＝11.4GHz处“10”状态下天线单元的三维空间辐射方向图；从图上可以看出，“01”和“10”两个状态下，天线单元的峰值增益都达到了4.6dBi，辐射性能良好。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一比特辐射反射一体化天线单元，其特征在于，包括：辐射反射结构、直流偏置电路和射频电路；
所述辐射反射结构包括：外环部、内环部以及连接部；所述外环部包括两个半圆环形的外环贴片，两个所述外环贴片对称且两组对应端均通过电容相连；所述内环部包括两个半圆环形的内环贴片，两个所述内环贴片对称且两组对应端之间具有间隙；所述外环部和所述内环部同心；所述连接部包括两个共线的导板，所述导板与所述外环贴片一一对应，其中一个导板的一端位于所述辐射反射结构的中心且与另一个导板的端部相连，另一端连接对应所述外环贴片的内圈；所述导板上对应所述外环贴片与所述内环贴片之间的位置设有控制所述导板通断的二极管；
所述直流偏置电路与所述外环部相连，以控制各所述二极管的通断；当二极管开通时为“1”，关断时为“0”；当单元作为反射单元工作时，不通过微带线馈电，两个二极管状态为“00”和“11”，对应反射相位0°和180°；当单元作为辐射单元工作时，通过微带线馈电，两个二极管“01”和“10”状态，对应辐射相位0度和180度；
所述射频电路与所述辐射反射结构的中心相连。
2.根据权利要求1所述的一比特辐射反射一体化天线单元，其特征在于，还包括：介质板；
所述介质板包括：从上到下依次相叠的第一介质层、第二介质层以及第三介质层；
所述辐射反射结构固定设在所述第一介质层的顶部，所述直流偏置电路和所述射频电路均固定设在所述第三介质层的底部。
3.根据权利要求2所述的一比特辐射反射一体化天线单元，其特征在于，所述直流偏置电路包括两个与所述二极管一一对应的直流偏置支路，每个直流偏置支路与对应所述外环贴片通过第一金属管相连；
所述射频电路与所述连接部的中心通过第二金属管相连；
所述第一金属管和所述第二金属管均沿竖向贯穿所述介质板。
4.根据权利要求3所述的一比特辐射反射一体化天线单元，其特征在于，所述直流偏置支路包括：直流偏置线与扇形枝节；
所述直流偏置线的一端与直流电源相连，另一端与所述第一金属管相连；
所述扇形枝节的尖端与所述直流偏置线相连。
5.根据权利要求4所述的一比特辐射反射一体化天线单元，其特征在于，所述扇形枝节的半径为1/4辐射波波长。
6.根据权利要求3或4所述的一比特辐射反射一体化天线单元，其特征在于，还包括：地板；所述地板设在所述第三介质层的顶部；
所述介质板上设有与所述第一金属管以及所述第二金属管对应的贯穿孔，所述贯穿孔上对应所述第二介质层处的孔壁上设有环状沉槽，以作为隔离环，用于所述第一金属管与所述地板的隔离，以及所述第二金属管与所述地板的隔离。
7.根据权利要求6所述的一比特辐射反射一体化天线单元，其特征在于，每个内环贴片均通过第三金属管与地板相连；
所述第三金属管沿竖向贯穿所述第一介质层以及所述第二介质层。
8.根据权利要求7所述的一比特辐射反射一体化天线单元，其特征在于，所述第一金属管与所述外环贴片的连接点、所述第二金属管与所述连接部的连接点以及所述第三金属管与所述内环贴片的连接点共线，且该线垂直于所述连接部所在的直线。
9.阵列天线系统，其特征在于，包括：权利要求1至8任一项所述的一比特辐射反射一体化天线单元以及功分器；
所述一比特辐射反射一体化天线单元的数量等于所述功分器端口的数量且一一对应；
每一所述功分器端口与对应所述一比特辐射反射一体化天线单元的射频电路相连。
10.根据权利要求9所述的阵列天线系统，其特征在于，所述功分器的端口沿直线间隔排列。
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