CN115579649A - 具有低成本和低剖面的二维宽角扫描可编程比特阵列天线 - Google Patents

具有低成本和低剖面的二维宽角扫描可编程比特阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有低成本和低剖面的二维宽角扫描可编程比特阵列天线，该阵列天线包含8*8个天线单元，每个天线单元由顺序排列的辐射层、第一金属地层、第一半固化片、直流偏置层、第二半固化片、第二金属地层、馈电层组成。其中辐射层上层为辐射贴片天线，是一种具有很宽半功率波束宽度的磁偶极子天线；直流偏置层上层和下层分别是第一直流偏置结构和第二直流偏置结构；馈电层下层是给辐射贴片天线激励的馈电结构。本发明的可编程比特阵列天线具有灵活的二维大角度波束扫描能力，并且具有低成本、低剖面、低复杂度和低功耗的特性。

Description

具有低成本和低剖面的二维宽角扫描可编程比特阵列天线
技术领域
本发明属于低成本平面阵列天线、二维宽角扫描阵列天线以及相控阵天线领域，具体涉及一种具有低成本和低剖面的二维宽角扫描可编程比特阵列天线。
背景技术
同时实现二维宽角波束扫描以及高增益低副瓣是天线科学家以及工程师们的长期追求。另外，随着现代雷达和通信系统的快速发展，低成本和低剖面天线也受到了追捧。在众多竞争者中，相控阵天线由于其高增益、快速扫描以及宽的波束覆盖的特性饱受瞩目。然而，传统相控阵天线有几个缺陷，包括复杂度高，重量大以及成本昂贵。虽然上述限制可以用一些技术来缓解，例如平面交叉子阵技术，但这是以牺牲辐射和扫描性能为代价的。
可重构反射阵天线和可重构透射阵天线一直在不断发展中，以提供经济实惠的波束扫描方案。这些阵列天线的单元通常与可调器件相集成，如PIN二极管，变容二极管以及一些其他可调材料。另一方面，可编程超表面，作为一种特殊类型的可重构阵列，由于能够任意地调控电磁波也受到广泛关注。然而，无论是可重构反射阵、可重构透射阵，还是可编程超表面，它们都需要外部馈源来进行激励。因此，它们本质上是一种三维结构，难以应用于一些空间有限的场合。尽管研究者们提出了一些技术尝试去解决这个问题，例如相继提出了可重构折叠反射阵以及透镜阵列天线，但是这些天线的剖面还是很高，而且辐射和扫描性能都不令人满意。
基于此，研究者们在近几年提出了平面可编程比特阵列天线，它们采用了数字编码表征的方法，因此简化了控制逻辑以及降低了系统成本。首先被提出的是平面可编程1比特阵列天线，但由于1比特相位量化误差太大，导致它们的波束指向误差以及量化旁瓣很大。之后，为了提高相位量化精度、波束指向精度以及副瓣水平，平面可编程2比特以及4比特阵列天线被提出。然而，上述所有的平面可编程比特阵列天线都是线性孔径天线，它们都只具备一维波束扫角能力。到目前为止，在已报道的科研文献里，还未出现过具备二维大角度波束扫描能力的低剖面可编程比特阵列天线。
在这样的背景下，我们在此系统性地提出了一种低成本和低剖面的二维宽角扫描可编程比特阵列天线。所提出的阵列天线包含有8*8个天线单元，每一个单元集成了2个PIN二极管和4个变容二极管，通过控制相应的电压信号，它能够在337.5°相位范围内实现4比特相位可重构性能。精心设计的直流偏置层能够允许对每个单元进行实时控制，进而整个阵列能够实现二维波束扫描功能。仿真和实测结果都验证了该阵列的优越性能。因此，所提出的低成本和低剖面的二维宽角扫描可编程比特阵列天线可以在雷达和通信系统中找到重要的应用。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种可编程比特阵列天线，能在实现二维宽角扫描的同时，兼具低成本、低剖面、低功耗、低复杂度、高增益和低副瓣的特性。
技术方案：本发明的一种具有低成本和低剖面的二维宽角扫描可编程比特阵列天线包含8*8个天线单元，每个天线单元由顺序排列的辐射层、第一金属地层、第一半固化片、直流偏置层、第二半固化片、第二金属地层、馈电层组成；其中，在辐射层上层设有辐射贴片天线；直流偏置层上层和下层分别是给PIN二极管供电的第一直流偏置结构和给变容二极管供电的第二直流偏置结构；馈电结构和1分64功分网络位于馈电层的下层。
所述的辐射贴片天线由两块大的金属贴片和一块小的金属贴片组成，其中两块大的金属贴片并排设置，小的金属贴片位于两块大的金属贴片之间互补接触，在两块大的金属贴片最外边缘分别设有一排金属孔，该金属孔与第一金属地层和第二金属地层相连接；两个PIN二极管对称地排布在大的金属贴片与小的金属贴片缝隙间，将两块大的金属贴片和小的金属贴片相连接；小的金属贴片中间有馈电通孔结构，用于辐射贴片天线的馈电。
所述的馈电结构由3dB电桥结构加载并联变容二极管以及接地微带线而构成；馈电结构通过馈电通孔结构为辐射贴片天线进行馈电；直流偏置结构与直流偏置层下层的第二直流偏置结构相连接为变容二极管进行供电；为了隔离交流和直流信号，3个电容分别插接到馈电结构中的直流偏置结构、馈电通孔结构、以及直微带线上。
所述的直流偏置层的上层为给PIN二极管供电的第一直流偏置结构，下层为给变容二极管供电的第二直流偏置结构；通过对每个天线单元进行控制，即为第一直流偏置结构提供
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
1.4V的电压，为第二直流偏置结构提供15V以内的变化电压，可以使其获得16种4比特相位状态，覆盖337.5°移相范围。
所述的直流偏置层由两层金属地层即第一金属地层和第二金属地层所包裹，从而形成了一个完全密闭的偏置空间；其中的偏置结构即第一直流偏置结构和第二直流偏置结构不会对阵列天线的辐射性能造成影响，直流偏置层的层数可以增加以便提供更多的偏置空间。
所述的1分64功分网络是用微带传输线来制作，采用的是并行馈电配置；为了将信号分成64路，一共采用6级1分2的T型功分结构；为了实现阵列天线的低副瓣性能，1分64功分网络采用不等功率的分配方式。
所述第一直流偏置结构左右有两排通孔，为接地的金属孔，其中扇形贴片结构为射频信号扼流圈，用作交直流隔离。
第二直流偏置结构为一段细微带线，其与直流偏置结构通过金属孔连接。
所述的辐射贴片天线上的两块大的金属贴片的内侧分别设有两条沟槽，用作阻抗匹配。
所述的馈电结构的中间为两条平行的微带线，在该两条平行的微带线的上部连接有一个正V字形的微带线，在其一边连接有直流偏置结构和馈电通孔结构，另一边通过电容连接一条直微带线；在该两条平行的微带线的下部连接有一个反V字形的微带线，在其两边对称设有平行的变容二极管以及接地微带线。
有益效果：相对于传统的相控阵天线以及可重构反射阵天线和可重构透射阵天线，本发明不需要使用昂贵的收发组件模块以及复杂的波束形成网络，而且也不需要外部馈源进行激励。另外由于本发明使用了数字编码方法，整个系统架构以及控制逻辑得到了简化，所以本发明能够做到低成本，低剖面以及低复杂度。相对于之前的平面可编程比特阵列天线，本发明能够首次做到二维宽角波束扫描，并且天线的辐射性能和扫描性能都优越。这些独特的优势使其在通过电磁波进行传感和无线通信的各种场景中可以得到重要的应用。
附图说明
图1给出了低成本和低剖面的二维宽角扫描可编程比特阵列天线的结构，其中（a）为正面结构图，（b）为背面结构图；
图2给出了可编程比特阵列天线的1分64功分网络结构图；
图3给出了本发明可编程比特阵列天线的天线单元三维结构图；
图4给出了可编程比特阵列天线的天线单元上层和下层的平面结构图，其中（a）为上层平面结构图，（b）为下层平面结构图；
图5给出了11 GHz时天线单元16种状态下的相位值，增益和效率值，其中（a）是16种状态下的相位曲线图，（b）是16种状态下的增益和效率曲线图；
图6给出了可编程比特阵列天线在11GHz下正出射时的仿真和测试增益曲线图，其中（a）是E面仿真和测试增益曲线图，（b）是H面仿真和测试增益曲线图；
图7给出了可编程比特阵列天线在11GHz下仿真和测试的扫描增益曲线，其中（a）是E面仿真和测试扫描增益曲线图，（b）是H面仿真和测试扫描增益曲线图。
图中有：
辐射贴片天线1，金属孔1-1，大的金属贴片1-2，小的金属贴片1-3，馈电通孔结构1-4，PIN二极管1-5；
馈电结构2，3dB电桥结构2-1，接地微带线2-2，变容二极管2-3，馈电通孔结构2-4，直流偏置结构2-5，电容2-6，直微带线2-7；
1分64功分网络3，1分2的T型功分结构3-1 ；
辐射层4，第一金属地层5，第一半固化片6，直流偏置层7，第二半固化片8，第二金属地层9，馈电层10，第一直流偏置结构11，扇形贴片结构11-1，第二直流偏置结构12。
具体实施方式
本发明中，二维宽角扫描可编程比特阵列天线是由8*8个天线单元组成，每个天线单元由辐射层、金属地层、半固化片、直流偏置层、半固化片、金属地层、馈电层组成。辐射层上层为辐射贴片天线，它是一种等效的磁偶极子，具有很宽的半功率波束宽度，有利于阵列天线的大角度扫描。两个PIN二极管对称地排布在金属贴片之间，通过单独地选通两个PIN二极管，可以使天线单元获得稳定的180°相移。馈电层下层为馈电结构，它是由3dB电桥在其直通端口和耦合端口加载并联变容二极管以及接地微带线而构成。通过控制变容二极管的电容值，馈电结构能给通过的射频信号提供157.5°的移相范围。馈电层下层还有1分64功分网络，它是用微带传输线来制作，采用的是并行馈电配置。直流偏置层由两层金属地层所包裹，从而形成了一个完全密闭的偏置空间。因此，其中的偏置结构不会对阵列天线的辐射性能造成影响。另外直流偏置层的层数可以增加，因此该天线可用于大规模阵列之中。直流偏置层的上层为给PIN二极管供电的偏置结构，下层为给变容二极管供电的偏置结构。
本发明中天线单元具有16种（4比特）相位状态，分别命名为数字“0#”到数字“15#”，这16种相位状态覆盖了337.5°移相范围，即相邻状态间相差22.5°相位。利用天线阵列综合理论计算出不同扫角下的阵面编码，然后通过对每个天线单元进行控制，即为上层偏置结构分别提供
Figure 379955DEST_PATH_IMAGE002
1.4V的电压，为下层偏置结构提供15V以内的变化电压，从而能够实现阵列天线的二维宽角扫描。下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1 给出了二维宽角扫描可编程比特阵列天线的正面和背面结构图，图2给出了1分64功分网络的结构图，图3给出了天线单元的3D结构图。阵列天线是由8*8个天线单元组成，每个天线单元由辐射层、金属地层、半固化片、直流偏置层、半固化片、金属地层、馈电层组成。辐射层上层为辐射贴片天线，它是一种磁偶极子天线，辐射层的介质基板是厚度为1.575 mm的罗杰斯5880。直流偏置层的上层和下层都刻蚀有偏置结构，分别为PIN二极管和变容二极管供电，直流偏置层的介质基板是厚度为0.168 mm的罗杰斯4350B。馈电层下层有1分64功分网络和馈电结构，用来进行信号功率分配以及天线的馈电，它的介质基板是厚度为0.305 mm的罗杰斯4003C。金属地层的材质是金属铜，半固化片采用的是厚度为0.2 mm的罗杰斯4450F。
图4给出了辐射贴片天线以及馈电结构的具体结构图。辐射贴片天线是由两块大的金属贴片和一块小的金属贴片组成，其中两块大的金属贴片最外边缘有一排金属孔，它们与金属地层相连接。两个PIN二极管对称地排布在金属贴片之间，将两块大的金属贴片和小的金属贴片相连接。通过单独选通两个PIN二极管，可以使天线单元获得稳定的180°相移。小的金属贴片上有馈电通孔结构，用于辐射贴片天线的馈电。馈电结构由3dB电桥加载并联变容二极管以及接地微带线而构成。其通过馈电通孔为辐射贴片天线进行馈电。另外，馈电结构上还有直流偏置结构，它与馈电偏置层下层的馈电结构通过金属孔相连接。通过加载不同控制电压，可以改变变容二极管的电容值，从而能为馈入的射频信号提供157.5°范围的移相。
图5中的（a）是天线单元在11 GHz下的16种相位状态的具体相位值，其覆盖了337.5°移相范围，相邻状态间相差22.5°。图5中的（b）是天线单元在16种相位状态下的增益和效率，在这16种相位状态下，增益波动范围在1.2 dB以内，天线效率在0.6左右。
图6是阵列天线11 GHz时正出射的仿真和实测增益曲线图，其中图6中的（a）和图6中的（b）分别是E面和H面的曲线。从图中可以得到，仿真和实测的增益分别为17.4 dBi和16dBi，E面实测的副瓣水平和交叉极化水平分别为-21.3 dB和-30 dB，H面实测的副瓣水平和交叉极化水平分别为-19.6 dB和-30 dB。
图7是阵列天线11 GHz时仿真和实测扫描增益曲线图，其中图7中的（a）和图7中的（b）分别是E面和H面下的结果。从图中可以看出，仿真和实测结果吻合较好，阵列天线在E面扫描时，波束能从0°扫描到60°，实测的增益滚降为3.6 dB，副瓣水平优于-9.0 dB。阵列天线在H面扫描时，波束能从0°扫描到40°，实测的增益滚降为3 dB，副瓣水平优于-13.1 dB。
综上所述，本发明提供了一种具有低成本和低剖面的二维宽角扫描可编程比特阵列天线，该阵列天线能在两个主平面实现宽角波束扫描，并且能够保证很好的辐射以及扫描性能。此外该阵列天线拥有低成本、低剖面、低复杂度、低重量和低功耗的优越特性。而且，由于引入了精心制作的直流馈电结构，该天线还可以应用于大规模阵列之中。基于上述因素，该阵列天线在雷达和无线通信领域具有重要的应用前景。
以上所述仅仅是本发明的优选实施方式。应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下所做出的若干改动，都应该在本发明的保护范围内。
作为应用实例，本发明仅仅展示了该天线阵列的波束扫描功能。利用本发明构建的不同编码，可以实现更多其他功能，例如波束赋性，雷达成像等，这些也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有低成本和低剖面的二维宽角扫描可编程比特阵列天线，其特征在于，所述的阵列天线包含8*8个天线单元，每个天线单元由顺序排列的辐射层（4）、第一金属地层（5）、第一半固化片（6）、直流偏置层（7）、第二半固化片（8）、第二金属地层（9）、馈电层（10）组成；其中，在辐射层（4）上层设有辐射贴片天线（1）；直流偏置层（7）上层和下层分别是给PIN二极管（1-5）供电的第一直流偏置结构（11）和给变容二极管（2-3）供电的第二直流偏置结构（12）；馈电结构（2）和1分64功分网络（3）位于馈电层（10）的下层。
2.根据权利要求1所述的具有低成本和低剖面的二维宽角扫描可编程比特阵列天线，其特征在于，所述的辐射贴片天线（1）由两块大的金属贴片（1-2）和一块小的金属贴片（1-3）组成，其中两块大的金属贴片（1-2）并排设置，小的金属贴片（1-3）位于两块大的金属贴片（1-2）之间互补接触，在两块大的金属贴片（1-2）最外边缘分别设有一排金属孔（1-1），该金属孔（1-1）与第一金属地层（5）和第二金属地层（9）相连接；两个PIN二极管（1-5）对称地排布在大的金属贴片（1-2）与小的金属贴片（1-3）缝隙间，将两块大的金属贴片（1-2）和小的金属贴片（1-3）相连接；小的金属贴片（1-3）中间有馈电通孔结构（1-4），用于辐射贴片天线（1）的馈电。
3.根据权利要求1所述的具有低成本和低剖面的二维宽角扫描可编程比特阵列天线，其特征在于，所述的馈电结构（2）由3dB电桥结构（2-1）加载并联变容二极管（2-3）以及接地微带线（2-2）而构成；馈电结构（2）通过馈电通孔结构（2-4）为辐射贴片天线（1）进行馈电；直流偏置结构（2-5）与直流偏置层（7）下层的第二直流偏置结构（12）相连接为变容二极管（2-3）进行供电；为了隔离交流和直流信号，3个电容（2-6）分别插接到馈电结构（2）中的直流偏置结构（2-5）、馈电通孔结构（2-4）、以及直微带线（2-7）上。
4.根据权利要求1所述的具有低成本和低剖面的二维宽角扫描可编程比特阵列天线，其特征在于，所述的直流偏置层（7）的上层为给PIN二极管（1-5）供电的第一直流偏置结构（11），下层为给变容二极管（2-3）供电的第二直流偏置结构（12）；通过对每个天线单元进行控制，即为第一直流偏置结构（11）提供
Figure DEST_PATH_IMAGE001
1.4V的电压，为第二直流偏置结构（12）提供15V以内的变化电压，可以使其获得16种4比特相位状态，覆盖337.5°移相范围。
5.根据权利要求1所述的具有低成本和低剖面的二维宽角扫描可编程比特阵列天线，其特征在于，所述的直流偏置层（7）由两层金属地层即第一金属地层（5）和第二金属地层（9）所包裹，从而形成了一个完全密闭的偏置空间；其中的偏置结构即第一直流偏置结构（11）和第二直流偏置结构（12）不会对阵列天线的辐射性能造成影响，直流偏置层（7）的层数可以增加以便提供更多的偏置空间。
6.根据权利要求1所述的具有低成本和低剖面的二维宽角扫描可编程比特阵列天线，其特征在于，所述的1分64功分网络（3）是用微带传输线来制作，采用的是并行馈电配置；为了将信号分成64路，一共采用6级1分2的T型功分结构（3-1）；为了实现阵列天线的低副瓣性能，1分64功分网络（3）采用不等功率的分配方式。
7.根据权利要求1所述的具有低成本和低剖面的二维宽角扫描可编程比特阵列天线，其特征在于，所述第一直流偏置结构（11）左右有两排通孔，为接地的金属孔（1-1），其中扇形贴片结构（11-1）为射频信号扼流圈，用作交直流隔离。
8.根据权利要求1所述的具有低成本和低剖面的二维宽角扫描可编程比特阵列天线，其特征在于，第二直流偏置结构（12）为一段细微带线，其与直流偏置结构（2-5）通过金属孔连接。
9.根据权利要求1所述的具有低成本和低剖面的二维宽角扫描可编程比特阵列天线，其特征在于，所述的辐射贴片天线（1）上的两块大的金属贴片（1-2）的内侧分别设有两条沟槽，用作阻抗匹配。
10.根据权利要求1所述的具有低成本和低剖面的二维宽角扫描可编程比特阵列天线，其特征在于，所述的馈电结构（2）的中间为两条平行的微带线，在该两条平行的微带线的上部连接有一个正V字形的微带线，在其一边连接有直流偏置结构（2-5）和馈电通孔结构（2-4），另一边通过电容（2-6）连接一条直微带线（2-7）；在该两条平行的微带线的下部连接有一个反V字形的微带线，在其两边对称设有平行的变容二极管（2-3）以及接地微带线（2-2）。
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