CN115313061B - 圆极化可重构折叠透射阵天线 - Google Patents

圆极化可重构折叠透射阵天线 Download PDF

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Abstract

圆极化可重构折叠透射阵天线，包括：由若干个接收‑发射型单元组成的可重构透射阵列，接收‑发射型单元包括线极化接收贴片、金属地板、圆极化发射贴片、第一介质板、第二介质板及半固化片；第一介质板、金属地板、半固化片和第二介质板依次设置，线极化接收贴片设置于第一介质板上，圆极化发射贴片设置于第二介质板上，线极化接收贴片上设置有一对与线极化接收贴片电连接的光电二极管；间隔设置于可重构透射阵列下方的极化旋转反射背板，极化旋转反射背板包括若干个极化旋转单元，线极化接收贴片和极化旋转反射背板相对；设置于极化旋转反射背板的中心位置处的馈源，馈源朝向所述可重构透射阵列。本发明实现了圆极化辐射及低剖面。

Description

圆极化可重构折叠透射阵天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种圆极化可重构折叠透射阵天线。
背景技术
传统的可重构透射阵天线，馈源与透射阵列之间的距离较远，导致天线的剖面较高，应用受到限制。虽然可以通过降低阵列厚度、使用阵列馈源等方式在一定程度上降低天线剖面，但降低幅度有限。为此，有人提出了基于射线追踪原理的折叠透射阵天线，可以将天线剖面降低至原天线的1/3，但这种结构对透射阵列的要求较高，且大多为线极化天线，很少有将这种降低天线剖面的方法应用于圆极化可重构透射阵天线。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低剖面的圆极化可重构折叠透射阵天线。
为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：
圆极化可重构折叠透射阵天线，包括：可重构透射阵列，所述可重构透射阵列由若干个阵列排布的接收-发射型单元组成，所述接收-发射型单元包括线极化接收贴片、金属地板、圆极化发射贴片、第一介质板、第二介质板及半固化片；所述第一介质板、所述金属地板、所述半固化片和所述第二介质板依次设置，所述线极化接收贴片设置于所述第一介质板的背离所述金属底板的表面上，所述圆极化发射贴片设置于所述第二介质板的背离所述半固化片的一侧表面上，所述线极化接收贴片上设置有一对与所述线极化接收贴片电连接的光电二极管；间隔设置于所述可重构透射阵列下方的极化旋转反射背板，所述极化旋转反射背板包括若干个阵列排布的极化旋转单元，所述线极化接收贴片和所述极化旋转反射背板相对；设置于极化旋转反射背板的中心位置处的馈源，所述馈源朝向所述可重构透射阵列。
进一步的，所述馈源的极化方向与所述线极化接收贴片的极化方向正交。
进一步的，所述接收-发射型单元具有0°和180°两种相位，通过控制所述光电二极管的通断使所述接收-发射型单元的相位为0°或180°。
进一步的，所述圆极化发射贴片为正方形切除一对对角后形成的六边形，所述圆极化发射贴片为轴对称图形，对称轴为所述接收-发射型单元的对角线。
进一步的，所述圆极化发射贴片的直角边长度相等。
进一步的，所述圆极化发射贴片上设置有一C型镂空。
进一步的，所述C型镂空包括一对相互平行的臂和连接两所述臂的连接部，所述连接部和所述臂相互垂直，所述臂及连接部分别和所述圆极化发射贴片的两直角边相邻设置，且分别平行于对应相邻的直角边。
进一步的，所述线极化接收贴片为矩形贴片，所述线极化接收贴片上设置有一对间隔布置的矩形镂空，所述矩形镂空和所述线极化接收贴片的长边平行设置，所述光电二极管位于两个所述矩形镂空之间，且所述光电二极管间隔设置。
进一步的，所述极化旋转单元包括第三介质板、极化旋转贴片及金属背板，所述极化旋转贴片和所述金属背板分别设置于所述第三介质板的两侧表面上，所述极化旋转贴片和所述可重构透射阵列相对。
进一步的，所述极化旋转贴片的形状为双箭头形，所述极化旋转贴片的中心线和所述极化旋转单元的对角线重合。
由以上技术方案可知，本发明设计了具有极化选择、极化转换和相位调控三种功能的接收-发射型单元，接收-发射型单元中的线极化接收贴片可以反射线极化的电磁波，接收其正交极化的电磁波，从而实现极化选择；圆极化发射贴片将线极化接收贴片接收的线极化的电磁波以圆极化的方式发射，从而实现极化转换；通过控制可重构透射阵列上光电二极管的状态改变阵列的相位分布，使可重构透射阵列中的接收-发射型单元获得0°和180°两种透射相位，通过对阵列相位分布的重构对球面波的波前进行重构，从而实现相位调控，最终实现天线的波束扫描、波束赋形等功能。本发明天线使用线极化馈源即实现了天线系统的圆极化辐射，并且具有与传统可重构透射阵天线一样的二维波束扫描性能，而且大幅降低了天线的剖面。
附图说明
图1为本发明实施例圆极化可重构折叠透射阵天线的结构示意图；
图2为本发明实施例圆极化可重构折叠透射阵天线的原理示意图；
图3为本发明实施例接收-发射型单元的结构示意图；
图4为本发明实施例圆极化发射贴片的结构示意图；
图5为本发明实施例线极化接收贴片的结构示意图；
图6为不同状态下接收-发射型单元的S参数幅度和相位曲线图；
图7为本发明实施例极化旋转贴片的结构示意图；
图8为本发明实施例极化旋转单元的交叉极化反射波幅度曲线图；
图9为本发明实施例圆极化可重构折叠透射阵天线的xoz面不同波束指向在5.8GHz处的辐射方向图；
图10为本发明实施例圆极化可重构折叠透射阵天线的yoz面不同波束指向在5.8GHz处的辐射方向图；
图11为本发明实施例圆极化可重构折叠透射阵天线的xoz面不同波束指向在5.8GHz处的轴比曲线图；
图12为本发明实施例圆极化可重构折叠透射阵天线的yoz面不同波束指向在5.8GHz处的轴比曲线图。
下面结合附图和各实施例对本发明进一步详细说明。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。需要说明的是，附图采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量；术语“正”、“反”、“底”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1和图2所示，本实施例的圆极化可重构折叠透射阵天线包括间隔设置的可重构透射阵列1以及极化旋转反射背板2，极化旋转反射背板2位于可重构透射阵列1的下方，馈源3设置于极化旋转反射背板2上，馈源3位于极化旋转反射背板2的中心位置处。馈源3为x极化馈源。本实施例的馈源3为方形的贴片天线，通过同轴探针馈电。
可重构透射阵列1由多个阵列排布的接收-发射型单元1-1组成。接收-发射型单元1-1在可重构透射阵列1所在平面的投影为正方形。如图3所示，接收-发射型单元1-1包括线极化接收贴片1-1a、金属地板1-1b、圆极化发射贴片1-1c、第一介质板1-1d、第二介质板1-1e及半固化片1-1f。第一介质板1-1d、金属地板1-1b、半固化片1-1f和第二介质板1-1e依次设置，线极化接收贴片1-1a用于反射并接收线极化的电磁波，线极化接收贴片1-1a设置于第一介质板1-1d上，并位于第一介质板1-1d的背离金属底板1-1b的一侧表面上。圆极化发射贴片1-1c用于将线极化接收贴片1-1a接收到的电磁能量以圆极化的方式发射出去，圆极化发射贴片1-1c设置于第二介质板1-1e上，并位于第二介质板1-1e的背离半固化片1-1f的一侧表面上，线极化接收贴片1-1a和极化旋转反射背板2相对。圆极化发射贴片1-1c和线极化接收贴片1-1a之间通过金属化过孔Q连接，圆极化发射贴片1-1c和线极化接收贴片1-1a共用金属地板1-1b。
如图4所示，本实施例的圆极化发射贴片1-1c为六边形金属贴片，圆极化发射贴片1-1c的中心和接收-发射型单元1-1的中心重合，圆极化发射贴片1-1c是一正方形切除一对对角后形成的六边形，圆极化发射贴片1-1c为轴对称图形，对称轴为接收-发射型单元1-1的对角线，圆极化发射贴片1-1c的六条侧边L1、L2、L3、L4、L5、L6中，有4条直角边(L1、L2、L4、L5)的长度相等，均为a1。在圆极化发射贴片1-1c上设置有一C型镂空1-1g，C型镂空1-1g包括一对相互平行的臂1-1g-1和连接两臂1-1g-1的连接部1-1g-2，连接部1-1g-2和臂1-1g-1相互垂直，臂1-1g-1及连接部1-1g-2分别和圆极化发射贴片1-1c的两直角边相邻设置，且分别平行于对应相邻的直角边。臂1-1g-1的外边缘和与其相邻的圆极化发射贴片1-1c的直角边之间的距离为c1，连接部1-1g-2的外边缘和与其相邻的圆极化发射贴片1-1c的直角边之间的距离为d1，两条臂1-1g-1之间的距离为w1，臂1-1g-1的自由端和连接部1-1g-2的外侧边之间的距离为b1。
如图5所示，本实施例的线极化接收贴片1-1a为矩形贴片，在线极化接收贴片1-1a上设置有一对矩形镂空1-1h，矩形镂空1-1h和线极化接收贴片1-1a的长边平行设置。线极化接收贴片1-1a上还加载了一对光电二极管1-1j，具体可为PIN二极管。光电二极管1-1j位于两个矩形镂空1-1h之间，且光电二极管1-1j间隔设置，光电二极管1-1j和线极化接收贴片1-1a电连接。线极化接收贴片1-1a的长边边长为b，短边边长为a，两个矩形镂空1-1h之间的距离为w，矩形镂空1-1h的长边和与其相邻的线极化接收贴片1-1a的长边之间的距离为d，矩形镂空1-1h的短边和与其相连的线极化接收贴片1-1a的短边之间的距离为c。通过控制两个光电二极管1-1j的通断实现电流反向，从而产生180°相位差，接收端的相位差传递至圆极化发射贴片，实现1-bit圆极化波相位调控。
本实施例的接收-发射型单元1-1及极化旋转单元2-1的中心频率为5.8GHz。第一介质板1-1d和第二介质板1-1e的厚度为1.5mm，介电常数为3.5，tan＝0.002。如图4和图5所示，本实施例的圆极化发射贴片和接收贴片的尺寸参数分别如下：接收-发射型单元的尺寸p＝12mm，a＝10.4mm，b＝10.6mm，c＝1.5mm，d＝2.6mm，w＝1mm，a1＝7.5mm，b1＝6.3mm，c1＝1.8mm，d1＝1.8mm，w1＝2.4mm，金属化过孔Q的孔径r＝0.7mm。本实施例所采用的光电二极管型号为Skyworks SMP1340-040LF，其模型为串联电路，导通时R＝1Ω，L＝0.45nH，断开时R＝10Ω，L＝0.45nH，C＝0.16pF。
采用电磁仿真软件CST对实施例的接收-发射型单元进行仿真。仿真时定义接收端和发射端分别为port 1和port 2，用SM(i)N(j)表示接收-发射型单元的S参数，其中i(j)为端口M(N)的极化方式。状态1(State 1)表示光电二极管1(PIN diode 1)导通，光电二极管2(PIN diode 2)断开；状态2(State 2)表示光电二极管2(PIN diode 2)导通，光电二极管1(PIN diode 1)断开。图6为仿真得到的不同状态下接收-发射型单元的S参数幅度和相位曲线图，从图6中的a图可以看出入射的y极化波透射后转化为右旋圆极化波，且幅度在5.8GHz处超过了-0.7dB，确保了较高的透射效率；同时，两种状态下透射相位相差180°，实现了1-bit相位调控。从图6中的b图可以看出，不同状态下x极化入射波被全反射，且相位未发生改变，说明接收-发射型单元具有良好的极化栅特性。
极化旋转反射背板2由多个阵列排布的极化旋转单元2-1组成，如图7所示，极化旋转单元2-1包括第三介质板2-1a、极化旋转贴片2-1b及金属背板2-1c。极化旋转贴片2-1b和金属背板2-1c分别设置于第三介质板2-1a的两侧表面上，极化旋转贴片2-1b和可重构透射阵列1相对。本实施例的极化旋转贴片2-1b的形状为双箭头形，极化旋转贴片2-1b的中心和极化旋转单元2-1的中心重合，且极化旋转贴片2-1b(双箭头贴片)的中心线和极化旋转单元2-1的对角线重合。本实施例的第三介质板2-1a的厚度为3mm，介电常数为2.65，tan＝0.003。极化旋转单元2-1的尺寸q＝15mm，双箭头的长度n＝14mm，箭头的宽度l＝3mm,，箭头的斜边长m＝7mm。采用电磁仿真软件CST对实施例的极化旋转单元进行仿真，仿真时设置入射波为x极化波。图8为极化旋转单元2-1的x极化入射波对应的y极化反射波幅度，可以看出在5.8GHz附近实现了高效的极化旋转。
本实施例的圆极化可重构折叠透射阵天线的可重构透射阵列1由20×20个接收-发射型单元1-1组成，极化旋转反射背板2由16×16的极化旋转单元2-1组成，极化旋转反射背板2中心处的2×2个极化旋转单元2-1被馈源3替换，即将馈源3集成在极化旋转反射背板2上。可重构透射阵列1的焦距为132mm，可重构透射阵列1和极化旋转反射背板2之间的距离为44mm，馈源3的极化方向与线极化接收贴片1-1a的极化方向正交。
本发明的可重构透射阵列由周期性的1-bit接收-发射型单元组成，具有三个功能，一是极化选择，即通过线极化接收贴片对y极化入射波高效透射，对x极化入射波全反射；二是极化转换，即通过圆极化发射贴片将透射的y极化波转化为右旋圆极化波辐射；三是相位调控，即通过控制加载于线极化接收贴片上的两个光电二极管的状态，可以获得0°和180°两种透射相位，进而对透射阵列的相位分布进行重构。极化旋转反射背板由周期性的极化旋转单元组成，用于将x极化入射波经过反射后转变为y极化波。如图2所示，馈源辐射的x极化球面波经过可重构透射阵列1和极化旋转反射背板2的两次反射后转变为y极化球面波，而后透过可重构透射阵列1转化为圆极化波，同时，通过控制可重构透射阵列上光电二极管的状态改变相位分布，对球面波的波前进行重构，即可实现波束扫描、波束赋形等功能。传统透射阵天线的馈源位于透射阵列焦点处，则天线剖面近似等于焦距F。而本发明将馈源集成于极化旋转反射背板上，由射线追踪原理可知馈源与透射阵列之间的距离由F降低至F/3，大幅降低了天线的剖面。
对于由周期性的接收-发射型单元组成的可重构透射阵列来说，其相位是连续可调的，相位连续可调的可重构透射阵列的相位分布如下：
式中的为可重构透射阵列中第m行n列的接收-发射型单元的相位，/>为位于可重构透射阵列中心位置的接收-发射型单元的相位，λ0为天线的中心频率(5.8GHz)对应的自由空间波长，α和β分别表示扫描波束偏向x和y方向的角度，F为可重构透射阵列的焦距，p为接收-发射型单元的尺寸；
而对于本发明来说，本发明通过调节各接收-发射型单元中光电二极管的状态，改变阵列中接收-发射型单元原来的相位，使接收-发射型单元只有0°、180°两种相位，从而实现可重构透射阵列相位的重构。本发明的可重构透射阵列中第m行n列的接收-发射型单元的相位根据相位连续可调的可重构透射阵列的相位分布，按照下式确定：
确定各接收-发射型单元的相位(0°或180°)后，即可通过调节光电二极管的通断状态，使接收-发射型单元得到和上式对应的相位。以图6所示为例，单元相位0°对应状态1，单元相位180°对应状态2。
为了验证本发明天线的性能，对实施例天线进行波束扫描。图9和图10为实施例天线在xoz面和yoz面间隔15°的波束扫描结果(5.8GHz)，从图9和图10可以看出波束指向与设定角度保持一致，法相波束增益为16.2dB，对应的口径效率为15.4％；随着波束扫描角度的增加，天线增益呈下降趋势，在扫描角度为60°时，xoz面和yoz面的扫描波束增益分别下降了4.8dB和4.6dB。图11和图12为扫描波束对应的轴比曲线图，可以看出扫描波束的轴比均低于3dB，很好的实现了圆极化。
从仿真结果可知，本发明将具有三种特性的接收-发射型单元应用于可重构折叠透射阵天线的设计中，仅用线极化馈源即实现了圆极化波辐射，并且使天线保持了传统可重构透射阵天线优异的波束扫描性能，特别是该设计将天线的剖面降低至之前的1/3。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.圆极化可重构折叠透射阵天线，其特征在于，包括：
可重构透射阵列，所述可重构透射阵列由若干个阵列排布的接收-发射型单元组成，所述接收-发射型单元包括线极化接收贴片、金属地板、圆极化发射贴片、第一介质板、第二介质板及半固化片；所述第一介质板、所述金属地板、所述半固化片和所述第二介质板依次设置，所述线极化接收贴片设置于所述第一介质板的背离所述金属地板的表面上，所述圆极化发射贴片设置于所述第二介质板的背离所述半固化片的一侧表面上，所述线极化接收贴片上设置有一对与所述线极化接收贴片电连接的光电二极管；
间隔设置于所述可重构透射阵列下方的极化旋转反射背板，所述极化旋转反射背板包括若干个阵列排布的极化旋转单元，所述线极化接收贴片和所述极化旋转反射背板相对；
设置于极化旋转反射背板的中心位置处的馈源，所述馈源朝向所述可重构透射阵列；
所述线极化接收贴片为矩形贴片，所述线极化接收贴片上设置有一对间隔布置的矩形镂空，所述矩形镂空和所述线极化接收贴片的长边平行设置，所述光电二极管位于两个所述矩形镂空之间，且所述光电二极管间隔设置；
所述极化旋转单元包括第三介质板、极化旋转贴片及金属背板，所述极化旋转贴片和所述金属背板分别设置于所述第三介质板的两侧表面上，所述极化旋转贴片和所述可重构透射阵列相对，所述极化旋转贴片的形状为双箭头形，所述极化旋转贴片的中心线和所述极化旋转单元的对角线重合；
所述接收-发射型单元具有0°和180°两种相位，通过控制所述光电二极管的通断使所述接收-发射型单元的相位为0°或180°，所述可重构透射阵列中接收-发射型单元的相位Φ(m,n)为：
式中的/>为相位连续可调的可重构透射阵列中第m行n列的接收-发射型单元的相位， 为位于可重构透射阵列中心位置的接收-发射型单元的相位，λ0为天线的中心频率对应的自由空间波长，α和β分别表示扫描波束偏向x和y方向的角度，F为可重构透射阵列的焦距，p为接收-发射型单元的尺寸。
2.根据权利要求1所述的圆极化可重构折叠透射阵天线，其特征在于：所述馈源的极化方向与所述线极化接收贴片的极化方向正交。
3.根据权利要求1所述的圆极化可重构折叠透射阵天线，其特征在于：所述圆极化发射贴片为正方形切除一对对角后形成的六边形，所述圆极化发射贴片为轴对称图形，对称轴为所述接收-发射型单元的对角线。
4.根据权利要求3所述的圆极化可重构折叠透射阵天线，其特征在于：所述圆极化发射贴片的直角边长度相等。
5.根据权利要求4所述的圆极化可重构折叠透射阵天线，其特征在于：所述圆极化发射贴片上设置有一C型镂空。
6.根据权利要求5所述的圆极化可重构折叠透射阵天线，其特征在于：所述C型镂空包括一对相互平行的臂和连接两所述臂的连接部，所述连接部和所述臂相互垂直，所述臂及连接部分别和所述圆极化发射贴片的两直角边相邻设置，且分别平行于对应相邻的直角边。
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