CN115051150B - 一种宽带可重构反射超表面天线 - Google Patents

一种宽带可重构反射超表面天线 Download PDF

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域,公开了一种宽带可重构反射超表面天线,包括一层F4B介质板、一层FR4介质板、一层金属地、一层偏置馈电网络、多个金属辐射单元和一个喇叭馈源;所述金属辐射单元在F4B介质板的上表面,所述偏置馈电网络在FR4介质板的下表面,所述金属地在F4B介质板和FR4介质板之间。本发明的反射阵面天线具有成本低、损耗小、波束扫描速率快、设计简单等特点。另外,反射阵面天线,不易损坏,后期的维修和维护也比较简单,使用寿命相对较长。利用其高增益,多维度扫描的特性,可以应用于室内智能互联和多用户之间的数据传输。

Description

一种宽带可重构反射超表面天线
技术领域
本发明属于无线通信技术领域,尤其涉及一种宽带可重构反射超表面天线。
背景技术
随着微波无线通信技术和微波雷达的发展,波束赋形天线的需求也随之增加。另外,由于工作频率的增加,波长减小,通路损耗越来越大,提高了无线通信从无线终端到更多设备不间断链路传输的要求。因此,对于在有大量障碍的复杂场景下数据的高速传输,波束赋形天线是十分重要的。
波束赋形的实现方法有许多种,例如,传统的相控阵列天线和反射面天线。然而,相控阵需要设计复杂的馈电网络并使用移相器芯片来改变电磁波的辐射相位,会产生较大的插入损耗和较高的制造成本。对于反射面天线,动态范围的波束扫描只能通过机械式的旋转来实现,导致波束的扫描速率过低,限制了应用场景。为了克服上述天线带来的问题,低成本、高速率、低损耗的可重构反射和透射阵列成为了近几年的热点研究热点。通过偏置电路改变集成在单元中的有源器件的状态(PIN二极管、MEMS开关、变容二极管等等),实现每个单元电磁波辐射相位的独立控制,从而达到动态波束扫描的效果。相较与透射阵列,反射阵列具有制造成本低、控制电路设计简单、损耗小的特点。首先,反射阵列实现大范围相位变化只需要单层结构,而透射形式往往需要采用多层的介质,增加了材料成本。其次,由于反射阵列金属地的存在可以很好的隔绝直流和交流信号,使得偏置电路的设计变得更加容易。最后,反射阵列可以通过单元层和金属地层实现大部分电磁波能量的反射,具有较低的损耗。当然,此种形式的可重构天线也存在不足,单元和阵列的带宽较低,高口径效率实现较困难等。
发明内容
本发明目的在于提供一种宽带可重构反射超表面天线,以解决上述的技术问题。
为解决上述技术问题,本发明的一种宽带可重构反射超表面天线的具体技术方案如下:
一种宽带可重构反射超表面天线,包括一层F4B介质板、一层FR4介质板、一层金属地、一层偏置馈电网络、多个金属辐射单元和一个喇叭馈源;所述金属辐射单元在F4B介质板的上表面,所述偏置馈电网络在FR4介质板的下表面,所述金属地在F4B介质板和FR4介质板之间。
进一步的,包括粘接膜,所述金属地和FR4介质板通过粘接膜固定连接。
进一步的,每个所述金属辐射单元包括一个开口谐振环、一个矩形贴片和两个PIN二极管;所述矩形贴片设置在开口谐振环中间,两个PIN二极管的负极连接矩形贴片,两个PIN二极管的正极连接开口谐振环,通过偏置电路可以控制PIN二极管的开断。
进一步的,所述金属辐射单元包括偏置线,偏置电路通过矩形贴片中间的通孔引到金属地,通过偏置线末端的通孔连接到FR4介质板的底层,并通过排针外接到控制电路板。
进一步的,所述天线由12x12个金属辐射单元组成阵列。
进一步的,每个阵列单元之间的间隔为λ/2,λ为其工作波长。
进一步的,所述喇叭馈源距离阵列为6个工作波长。
本发明的一种宽带可重构反射超表面天线具有以下优点:天线由一个喇叭馈源和一个12x12的反射阵面组成,采用空间馈电的形式,避免了复杂的馈电网络设计。通过控制PIN二极管的开断,切换单元的谐振状态,改变电流分布实现180°的相位变化。工作频率下,口径效率可以达到20.34%,3dB的工作带宽为9.4-11GHz,平均增益可以达到17.5dBi。另外,本发明天线可以实现±50°的波束扫描范围,并将扫描增益的变化方位保持在1.5dBi以内,具有良好的稳定性。与传统的相控阵和反射面天线相比,本发明的反射阵面天线具有成本低、损耗小、波束扫描速率快、设计简单等特点。另外,反射阵面天线,不易损坏,后期的维修和维护也比较简单,使用寿命相对较长。利用其高增益,多维度扫描的特性,可以应用于室内智能互联和多用户之间的数据传输。
附图说明
图1(a)是本发明的金属辐射单元无偏置线立体结构示意图;
图1(b)是本发明的金属辐射单元无偏置线平面结构示意图;
图2(a)是本发明的金属辐射单元添加偏置线立体结构示意图;
图2(b)是本发明的金属辐射单元添加偏置线平面结构示意图;
图3是本发明的阵列单元在添加偏置前后二极管开断状态下的反射幅度和相位随频率变化的关系曲线。
图4是本发明的阵列单元在电磁波斜入射时二极管开断状态下的反射幅度和相位随频率的变化关系曲线。
图5(a)是本发明的阵列单元在二极管两种开断下的电流分布示意图;
图5(b)是本发明的阵列单元在二极管两种开断下的电场分布示意图;
图6是本发明的反射超表面的整体结构和测试环境示意图。
图7(a)是本发明的反射超表面天线辐射角度0°下的相位分布结果图;
图7(b)是本发明的反射超表面天线辐射角度10°下的相位分布结果图;
图7(c)是本发明的反射超表面天线辐射角度30°下的相位分布结果图;
图7(d)是本发明的反射超表面天线辐射角度40°下的相位分布结果图;
图8(a)是本发明的反射超表面阵列天线仿真的远场方向图;
图8(b)是本发明的反射超表面阵列天线实测的远场方向图;
图9是本发明的反射超表面天线增益随频率变化的测试结果图。
图中标记说明:1、金属辐射单元;2、F4B介质板;3、金属地;4、FR4介质板;5、偏置馈电网络;6、喇叭馈源;7、粘接膜;11、开口谐振环;12、矩形贴片;13、PIN二极管。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能,下面结合附图,对本发明一种宽带可重构反射超表面天线做进一步详细的描述。
如图2(a)、图2(b)所示,本发明的一种宽带可重构反射超表面天线,包括一层F4B介质板2、一层FR4介质板4、一层金属地3、一层偏置馈电网络5、多个金属辐射单元1和一个喇叭馈源6。金属辐射单元1在F4B介质板2的上表面,偏置馈电网络5在FR4介质板4的下表面,金属地3在F4B介质板2和FR4介质板4之间。金属地3和FR4介质板4通过粘接膜7固定连接。
每个金属辐射单元1包括一个开口谐振环11、一个矩形贴片12和两个PIN二极管13。矩形贴片12设置在开口谐振环11中间,两个PIN二极管13的负极连接矩形贴片12,两个PIN二极管13的正极连接开口谐振环11,通过偏置电路可以控制PIN二极管的开断,如图1(a)、图1(b)所示为添加偏置线前结构,如图2(a)、图2(b)所示,为添加偏置线后的结构,偏置电路通过矩形贴片12中间的通孔引到金属地3,通过偏置线14末端的通孔连接到FR4介质板4的底层,并通过排针外接到控制电路板。
本发明的一种宽带可重构反射超表面天线由12x12个金属辐射单元1组成阵列,每个阵列单元之间的间隔为λ/2,λ为其工作波长,设置λ/2间隔大小以减小单元之间的耦合作用并避免了大角度下栅瓣的产生。确定好F4B介质板2的介电常数后,对金属辐射单元1尺寸进行合理的设计并对PIN二极管13的开断进行控制,就可以实现开口谐振环11和矩形贴片12之间的电流分布,以实现不同相位的辐射。
如图3所示,是本发明的金属辐射单元1在添加偏置线前后,PIN二极管13开和断两种状态下的反射幅度和相位随频率变化的响应。如图所示,偏置线的添加并没有影响到单元原来的辐射特性。单元在9.5-10.8GHz的频段内可以实现180°±20°的相位补偿。
如图4所示,是本发明的阵列单元在斜入射电磁波和二极管开和断两种状态下的反射幅度和相位随频率变化的响应。不同于平面波馈电,喇叭馈源6可等效为一个点源,辐射到阵面的电磁波会有一定的倾斜角。从图中可以看到斜入射对阵列单元的响应影响不大。
如图5(a)所示,是本发明的阵列单元在PIN二极管13开和断两种状态下的电流分布图,如图5(b)所示,是本发明的阵列单元在PIN二极管13开和断两种状态下的电场分布图。偏置线14放置在小电场位置,减小了编织线对金属辐射单元1结构的影响。PIN二极管13导通,电流主要分布在矩形贴片12上。PIN二极管13断开,电流主要分布在开口谐振环11上。不同的电流分布,实现了180°相位补偿。
如图6所示,是本发明的整体天线结构图。设计加工了一个12x12的天线阵列,采用喇叭馈源6作为天线的馈源,为了保证喇叭馈源6照射的能量能被阵列大部分反射,喇叭距离阵列约为6个工作波长。本发明的测试结果在暗室中进行保证了测试结果的准确性、科学性。
如图7(a)所示,是本发明的扫描角度为0°下对应的相位分布图;如图7(b)所示,是本发明的扫描角度为10°下对应的相位分布图;如图7(c)所示,是本发明的扫描角度为30°下对应的相位分布图;如图7(d)所示,是本发明的扫描角度为40°下对应的相位分布图。为了实现不同角度下的波束赋形效果,需要对阵列的相位进行调控,通过公式计算出所需的相位并调整每个金属辐射单元1中PIN二极管13的开和断来实现所需的相位补偿。
如图8(a)所示,是本发明的反射超表面阵列天线仿真的远场方向图,如图8(b)所示,是本发明的反射超表面阵列天线实测的远场方向图。仿真结果保持了良好的一致性,实现了±50°的波束扫描。实测的扫描角增益损耗为1.5dBi于仿真的结果相近,具有稳定的增益表现。
如图9所示,是本发明可重构反射超表面仿真和实测的增益随频率变化的结果。从图中可以看出,天线的3dB增益带宽为9.4GHz-11GHz,平均的增益为17.5dBi。在工作频率上,0°主波束的增益可以达到18.8dBi,对应的口径效率为20.34%。
与传统的相控阵和反射面天线相比,本发明的反射阵面天线具有成本低、损耗小、波束扫描速率快、设计简单等特点。另外,反射阵面天线,不易损坏,后期的维修和维护也比较简单,使用寿命相对较长。利用其高增益,多维度扫描的特性,可以应用于室内智能互联和多用户之间的数据传输。
可以理解,本发明是通过一些实施例进行描述的,本领域技术人员知悉的,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外,在本发明的教导下,可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此,本发明不受此处所公开的具体实施例的限制,所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (6)

1.一种宽带可重构反射超表面天线,其特征在于,包括一层F4B介质板(2)、一层FR4介质板(4)、一层金属地(3)、一层偏置馈电网络(5)、多个金属辐射单元(1)和一个喇叭馈源(6);所述金属辐射单元(1)在F4B介质板(2)的上表面,所述偏置馈电网络(5)在FR4介质板(4)的下表面,所述金属地(3)在F4B介质板(2)和FR4介质板(4)之间,每个所述金属辐射单元(1)包括一个开口谐振环(11)、一个矩形贴片(12)和两个PIN二极管(13);所述矩形贴片(12)设置在开口谐振环(11)中间,两个PIN二极管(13)的负极连接矩形贴片(12),两个PIN二极管(13)的正极连接开口谐振环(11),通过偏置电路可以控制PIN二极管的开断。
2.根据权利要求1所述的宽带可重构反射超表面天线,其特征在于,包括粘接膜(7),所述金属地(3)和FR4介质板(4)通过粘接膜(7)固定连接。
3.根据权利要求1所述的宽带可重构反射超表面天线,其特征在于,所述金属辐射单元(1)包括偏置线(14),偏置电路通过矩形贴片(12)中间的通孔引到金属地(3),通过偏置线(14)末端的通孔连接到FR4介质板(4)的底层,并通过排针外接到控制电路板。
4.根据权利要求1所述的宽带可重构反射超表面天线,其特征在于,所述天线由12x12个金属辐射单元(1)组成阵列。
5.根据权利要求4所述的宽带可重构反射超表面天线,其特征在于,每个阵列单元之间的间隔为λ/2,λ为其工作波长。
6.根据权利要求4所述的宽带可重构反射超表面天线,其特征在于,所述喇叭馈源(6)距离阵列为6个工作波长。
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