CN115117615B - 一种基于2bit相位数字化的双圆极化平板电扫天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于2bit相位数字化的双圆极化平板电扫天线，包括介质基板、辐射阵面、直流偏置层、功率分配网络和金属地板，其中，辐射阵面和直流偏置电路分别位于上层介质基板的上下表面，金属地板和功率分配网络印刷在下层介质基板的上下表面；功率分配网络通过金属过孔与辐射阵面连接，通过控制施加在直流偏置电路上的高低电平，使得单元的辐射电磁波的相位分别呈现0°、90°、180°和270°四种不同的电磁响应。因此，在不同的相位补偿状态下，电磁波可以在不同的角域同相叠加合成主波束，实现波束扫描。
Description
技术领域
本发明属于涉及微波与天线技术领域，特别针对双圆极化平板电扫天线的设计提出一种有效方法。
背景技术
随着移动卫星通信等业务的快速发展，对更高频段、更高性能天线的需求不断增加，具有电子波束扫描能力的天线已成为许多应用的基本要求,但是由于传统的相控阵系统对天线实现移相需要大量的移相器，会造成高额的成本。集成了电控开关的可重构天线具有设计简单、响应速度快、波束稳定等优势，是目前低成本相控阵的主流方向之一。通过对天线单元相位数字化的思想，可以用离散相位分布的单元替代昂贵的TR组件，各种可重构阵列已被研究和开发用于微波/毫米波应用。圆极化天线由于具有减小法拉第旋转效应的优点，在无线通信中得到了广泛的应用。一般来说，这些2bit圆极化阵列可以分为两类:1)第一类是基于级联移相器。主要的设计挑战是包括天线，移相器和直流电路在一个紧凑的单元结构中。此外，在不同的相位状态之间也很难保持相对稳定的幅值响应。另一种方法是基于等效空间旋转。该方法利用了贴片结构的旋转对称性，实现了天线增益的一致性。然而，相比之下这种天线单元需要更多的电控开关以实现旋转对称，这限制了它们在更高频段的应用。针对这一局限，本发明以数字化相控单元为载体，旨在用尽可能少的开关数量实现双圆极化天线，并且这一天线单元具有低剖面、高增益波束扫描等优点。
发明内容
本发明的目的，是针对上述问题，提出一种具有低成本、结构紧凑、电控开关数量较少的2bit双圆极化平板阵列天线设计及其波束扫描方法。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种基于2bit相位数字化的双圆极化平板电扫天线，包括辐射阵面，辐射阵面包括m×n个沿X方向和Y方向周期性排列的双圆极化可重构微带天线单元1，m代表行，n代表列，XY平面平行于辐射阵面，每个双圆极化微带天线单元1从上至下包括上层介质基板7、中层半固化片8、下层介质基板9，环形贴片辐射层3和直流偏置层4分别位于上层介质基板7的上下表面，金属地板5和功率分配网络2分别印刷在下层介质基板9的上下表面，微带线馈电端6在下层介质基板9的下表面，每个双圆极化微带天线单元均通过通孔与下层介质基板9底层的微带线馈电端6相连，形成微带转同轴结构，相邻双圆极化可重构微带天线单元在X和Y方向的间距都0.5λ0～λ0之间，λ0为波长，并且随着X和Y单元间距的增大，天线扫描范围减小；功率分配网络2通过金属过孔与辐射阵面连接，通过控制施加在直流偏置层4上的高低电平，使得双圆极化可重构微带天线单元的辐射电磁波的极化呈现极化可重构特性，对于每种极化方式，相位分别呈现0°、90°、180°和270°四种不同的电磁响应；因此，在不同的相位补偿状态下，电磁波可以在不同的角域同相叠加合成主波束，实现波束扫描。
环形贴片辐射层3包括最外层的环形贴片33，环形贴片33内部对称设置4个T型耦合微带线31，由一个T型耦合微带线31绕环形贴片33中心点依次旋转90°得到；PIN二极管32集成在T型耦合微带线31上，4个T型耦合微带线31在中心合成一路，在PIN二极管32的控制下形成单刀四掷开关；环形贴片33远离中心的外侧设有圆极化微扰结构34。
作为优选方式，环形贴片33的形状为圆环、三角形环、正方形环、或边数大于四的多边形环其中的一种。
作为优选方式，通过引入微扰的方式实现双圆极化可重构，圆极化微扰结构34为三角形、正方形、圆形其中的一种。
作为优选方式，双圆极化可重构微带天线单元1采用T型微带线耦合馈电的环形微带贴片结构，并且与环形贴片辐射层3处于同一层，k-bit数字化相位实现通过集成在各个方向上的T型微带线耦合馈电的PIN二极管控制，且无需集成额外的隔直电容。
作为优选方式，当k为2，即在±X、±Y方向上放置4组T型耦合微带线31耦合馈电，当T型耦合微带线31上的PIN二极管32状态保持不变，扰动切角状态变化，可以实现圆极化状态的切换；当扰动切角保持不变，T型耦合微带线31旋转180°馈电，其辐射场的相位会根据其旋转方向发生滞后或延迟，辐射场相位变化量为180°；当扰动切角的方向变化，T型耦合微带线31旋转90°或者270°，辐射场相位变化量为90°或者270°；以左旋圆极化为例，当天线工作在L#1模式时，P#1～P#6二极管状态为000101，天线相位为0°，当P#5二极管和P#6二极管状态相反，天线工作在R#1模式，为右旋圆极化波，当P#2二极管与P#4二极管状态相反，P#1、P#3、P#5、P#6二极管状态保持不变，天线仍然工作在左旋圆极化模式，但天线相位为180°，并且阻抗匹配良好，当P#1～P#6二极管状态为001010或100010，天线相位为90°或270°。
作为优选方式，直流偏置层通过弯曲的微带线与扇形枝节形成低通滤波器。可以很好的阻碍射频信号进入直流控制电路，同时避免了直流电路对天线辐射波的影响。
作为优选方式，功率分配网络2有m×n个微带线馈电端6，且采用T型结结构，该结构同样附着在下层介质基板的下表面，与微带线馈电端口6直接相连。
选取微带环形贴片单元组阵的原因在于，其具有小型化的结构，容易实现旋转对称性。
可选的，上层基板型号为Taconic TLX,中层半固化片为Roges 4450F，下层基板型号为Rogers 4350b。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明构建了一种基于2bit相位数字化的双圆极化平板电扫天线，与现有的2bit阵列相比，其优势在于结构简单紧凑，可以在同一层介质基板上实现辐射与移相功能的集成，并且使用的电控开关数量少，大大的降低了设计复杂度，适合推广到毫米波频段；同时，这种设计可以实现双圆极化可重构特性，有利于降低天线成本、减轻无线通信系统的承重负担、实现通信系统的小型化。
本发明所设计的一种基于2bit相位数字化的双圆极化平板电扫天线，其优势在于在不同的极化、相位状态下，具有较好的旋转对称性，因此在不同的状态下可以维持稳定的辐射电磁波，且幅度差异较小。
附图说明
图1是本发明实施例中的一种基于2bit相位数字化的双圆极化平板电扫天线整体结构示意图；
图2本发明的2bit双圆极化天线单元三维结构示意图；
图3是本发明的2bit双圆极化天线单元的二极管装配示意图；
图4(a)是图2所示的天线单元的反射系数曲线；
图4(b)是图2所示的天线单元的辐射场相位分布状态图；
图5是图1所示天线的辐射性能仿真结果示意图；其主极化为左旋圆极化，辐射角度依次为0°，20°和45°；
图6是图1所示天线的辐射性能仿真结果示意图；其主极化为右旋圆极化，辐射角度依次为0°，20°和45°。
0为辐射阵面，1为双圆极化可重构微带天线单元，2为功率分配网络，3为环形贴片辐射层，4为直流偏置层，5为金属地板，6为微带线馈电端；7为上层介质基板，8为中层半固化片，9为下层介质基板，31为T型耦合微带线，32为PIN二极管，33为环形贴片，34为圆极化微扰结构。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如图1、图2所示，本实施例提供一种基于2bit相位数字化的双圆极化平板电扫天线，包括辐射阵面，辐射阵面包括m×n个沿X方向和Y方向周期性排列的双圆极化可重构微带天线单元1，m代表行，n代表列，XY平面平行于辐射阵面，每个双圆极化微带天线单元1从上至下包括上层介质基板7、中层半固化片8、下层介质基板9，环形贴片辐射层3和直流偏置层4分别位于上层介质基板7的上下表面，金属地板5和功率分配网络2分别印刷在下层介质基板9的上下表面，微带线馈电端6在下层介质基板9的下表面，每个双圆极化微带天线单元均通过通孔与下层介质基板9底层的微带线馈电端6相连，形成微带转同轴结构，相邻双圆极化可重构微带天线单元在X和Y方向的间距都0.5λ0～λ0之间，λ0为波长，并且随着X和Y单元间距的增大，天线扫描范围减小；功率分配网络2通过金属过孔与辐射阵面连接，通过控制施加在直流偏置层4上的高低电平，使得双圆极化可重构微带天线单元的辐射电磁波的极化呈现极化可重构特性，对于每种极化方式，相位分别呈现0°、90°、180°和270°四种不同的电磁响应；因此，在不同的相位补偿状态下，电磁波可以在不同的角域同相叠加合成主波束，实现波束扫描。
环形贴片辐射层3包括最外层的环形贴片33，环形贴片33内部对称设置4个T型耦合微带线31，由一个T型耦合微带线31绕环形贴片33中心点依次旋转90°得到；PIN二极管32集成在T型耦合微带线31上，4个T型耦合微带线31在中心合成一路，在PIN二极管32的控制下形成单刀四掷开关；环形贴片33远离中心的外侧设有圆极化微扰结构34。
作为优选方式，环形贴片33的形状为圆环、三角形环、正方形环、或边数大于四的多边形环其中的一种。
作为优选方式，通过引入微扰的方式实现双圆极化可重构，圆极化微扰结构34为三角形、正方形、圆形其中的一种。
作为优选方式，双圆极化可重构微带天线单元1采用T型微带线耦合馈电的环形微带贴片结构，并且与环形贴片辐射层3处于同一层，k-bit数字化相位实现通过集成在各个方向上的T型微带线耦合馈电的PIN二极管控制，且无需集成额外的隔直电容。
作为优选方式，当k为2，即在±X、±Y方向上放置4组T型耦合微带线31耦合馈电，当T型耦合微带线31上的PIN二极管32状态保持不变，扰动切角状态变化，可以实现圆极化状态的切换；当扰动切角保持不变，T型耦合微带线31旋转180°馈电，其辐射场的相位会根据其旋转方向发生滞后或延迟，辐射场相位变化量为180°；当扰动切角的方向变化，T型耦合微带线31旋转90°或者270°，辐射场相位变化量为90°或者270°；以左旋圆极化为例，当天线工作在L#1模式时，P#1～P#6二极管状态为000101，天线相位为0°，当P#5二极管和P#6二极管状态相反，天线工作在R#1模式，为右旋圆极化波，当P#2二极管与P#4二极管状态相反，P#1、P#3、P#5、P#6二极管状态保持不变，天线仍然工作在左旋圆极化模式，但天线相位为180°，并且阻抗匹配良好，当P#1～P#6二极管状态为001010或100010，天线相位为90°或270°。
作为优选方式，直流偏置层通过弯曲的微带线与扇形枝节形成低通滤波器。可以很好的阻碍射频信号进入直流控制电路，同时避免了直流电路对天线辐射波的影响。
作为优选方式，功率分配网络2有m×n个微带线馈电端6，且采用T型结结构，该结构同样附着在下层介质基板的下表面，与微带线馈电端口6直接相连。
选取微带环形贴片单元组阵的原因在于，其具有小型化的结构，容易实现旋转对称性。
可选的，上层基板型号为Taconic TLX,中层半固化片为Roges 4450F，下层基板型号为Rogers 4350b。
如图1所示，以m＝n＝8为例，单元间距为0.5λ0。功率分配网络包括m×n个馈电端口激励，且采用T型结结构。
图2为本发明的2bit双圆极化天线单元三维结构示意图，依次包括矩形环形贴片33、T型耦合微带线31、PIN二极管32、圆极化扰动切角微扰结构34以及直流偏置层4。±X、±Y方向上的四副T型耦合微带线31在中心处合成，在PIN二极管32的控制下形成单刀四掷开关结构。通过中心的一个金属通孔，与最底层的50Ω微带线馈电端6连接，形成同轴到微带结构的转换。
如图3所示为具体的PIN二极管32放置位置示意图。天线单元通过切换寄生切角的方式实现双圆极化可重构，可重构特性利用高低电平控制的PIN二极管(P#5和P#6)实现。采用T型微带线耦合馈电的环形微带贴片结构，在T型耦合微带线上集成了4个PIN二极管(P#1～P#4)形成了单刀四掷开关，当馈电结构上的二极管依次切换，并同时调节切角的方向，可以实现同一时刻圆极化波的相位变化。T型耦合微带线通过4个金属通孔连接到第二层的直流偏置电路上，然后在直流偏置电路上采用四分之一波长的细微带线和扇形微带段，形成带阻结构，可以实现对PIN二极管32的控制。
以左旋圆极化为例，当天线工作在L#1模式时，P#1～P#6状态为000101，天线相位为0°，当P#2与P#4状态相反，其余PIN二极管状态保持不变，天线仍然工作在左旋圆极化模式，但天线相位为180°，并且阻抗匹配良好，相比于现有文献和专利中的设计，本发明的优势在于减少了一定数量的开关，实现了天线单元的等效旋转。
如图4(a)、图4(b)所示，通过改变加载在PIN二极管两端的电压可以看到天线单元的阻抗带宽可以覆盖9.7-10.3GHz；单元的主极化状态既可以为左旋圆极化也可以为右旋圆极化，除此之外，每种极化状态均具有4种相位状态，且相位差为90°，即该天线单元可以实现2bit相位离散化分布，具体的天线模式、开关状态和天线相位的对应关系如下表所示：
| 天线模式 | P#1-P#6 | 天线相位 |
| L#1 | 000101 | 0° |
| L#2 | 001010 | 90° |
| L#3 | 010001 | 180° |
| L#4 | 100010 | 270° |
| R#1 | 000110 | 0° |
| R#2 | 100001 | 90° |
| R#3 | 010010 | 180° |
| R#4 | 001001 | 270° |
为了验证本发明所设计的一种基于2bit相位数字化的双圆极化平板电扫天线可行性，通过数值仿真软件对波束扫描特性进行验证。如图5所示，天线的主极化为左旋圆极化，天线波束依次指向0°、20°和45°；如图6所示，天线的主极化为右旋圆极化，天线波束依次指向0°、20°和45°。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (7)
1.一种基于2bit相位数字化的双圆极化平板电扫天线，其特征在于：包括辐射阵面，辐射阵面包括m×n个沿X方向和Y方向周期性排列的双圆极化可重构微带天线单元(1)，m代表行，n代表列，XY平面平行于辐射阵面，每个双圆极化微带天线单元(1)从上至下包括上层介质基板(7)、中层半固化片(8)、下层介质基板(9)，环形贴片辐射层(3)和直流偏置层(4)分别位于上层介质基板(7)的上下表面，金属地板(5)和功率分配网络(2)分别印刷在下层介质基板(9)的上下表面，微带线馈电端(6)在下层介质基板(9)的下表面，每个双圆极化微带天线单元均通过通孔与下层介质基板(9)底层的微带线馈电端(6)相连，形成微带转同轴结构，相邻双圆极化可重构微带天线单元在X和Y方向的间距都0.5λ0～λ0之间，λ0为波长，并且随着X和Y单元间距的增大，天线扫描范围减小；功率分配网络(2)通过金属过孔与辐射阵面连接，通过控制施加在直流偏置层(4)上的高低电平，使得双圆极化可重构微带天线单元的辐射电磁波的极化呈现极化可重构特性，对于每种极化方式，相位分别呈现0°、90°、180°和270°四种不同的电磁响应；
环形贴片辐射层(3)包括最外层的环形贴片(33)，环形贴片(33)内部对称设置4个T型耦合微带线(31)，由一个T型耦合微带线(31)绕环形贴片(33)中心点依次旋转90°得到；PIN二极管(32)集成在T型耦合微带线(31)上；4个T型耦合微带线(31)在中心合成一路，在PIN二极管(32)的控制下形成单刀四掷开关；环形贴片(33)远离中心的外侧设有圆极化微扰结构(34)。
2.根据权利要求1所述的一种基于2bit相位数字化的双圆极化平板电扫天线，其特征在于：环形贴片(33)的形状为圆环、三角形环、正方形环、或边数大于四的多边形环其中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种基于2bit相位数字化的双圆极化平板电扫天线，其特征在于：通过引入微扰的方式实现双圆极化可重构，圆极化微扰结构(34)为三角形、正方形、圆形其中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种基于2bit相位数字化的双圆极化平板电扫天线，其特征在于：双圆极化可重构微带天线单元(1)采用T型微带线耦合馈电的环形微带贴片结构，并且与环形贴片辐射层(3)处于同一层，k-bit数字化相位实现通过集成在各个方向上的T型微带线耦合馈电的PIN二极管控制，且无需集成额外的隔直电容。
5.根据权利要求4所述的一种基于2bit相位数字化的双圆极化平板电扫天线，其特征在于：当k为2，即在±X、±Y方向上放置4组T型耦合微带线(31)耦合馈电，当T型耦合微带线(31)上的PIN二极管(32)状态保持不变，扰动切角状态变化，可以实现圆极化状态的切换；当扰动切角保持不变，T型耦合微带线(31)旋转180°馈电，其辐射场的相位会根据其旋转方向发生滞后或延迟，辐射场相位变化量为180°；当扰动切角的方向变化，T型耦合微带线(31)旋转90°或者270°，辐射场相位变化量为90°或者270°；以左旋圆极化为例，当天线工作在L#1模式时，P#1～P#6二极管状态为000101，天线相位为0°，当P#5二极管和P#6二极管状态相反，天线工作在R#1模式，为右旋圆极化波，当P#2二极管与P#4二极管状态相反，P#1、P#3、P#5、P#6二极管状态保持不变，天线仍然工作在左旋圆极化模式，但天线相位为180°，并且阻抗匹配良好，当P#1～P#6二极管状态为001010或100010，天线相位为90°或270°。
6.根据权利要求1所述的一种基于2bit相位数字化的双圆极化平板电扫天线，其特征在于：直流偏置层通过弯曲的微带线与扇形枝节形成低通滤波器。
7.根据权利要求1所述的一种基于2bit相位数字化的双圆极化平板电扫天线，其特征在于：功率分配网络(2)有m×n个微带线馈电端口(6)，且采用T型结结构，该结构同样附着在下层介质基板的下表面，与微带线馈电端口(6)直接相连。
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