CN116154489A - 一种电控二维波束扫描天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电控二维波束扫描天线。包括：导波结构、辐射单元阵列、馈电结构和波束控制模块；馈电结构与导波结构相连，向导波结构馈入电磁波，导波结构以行波的形式传输电磁波，辐射单元阵列位于导波结构的上方，将导波结构中的电磁波持续向自由空间漏泄形成波束，辐射单元阵列中每个单元包含辐射单元和偏置电路，波束控制模块与辐射单元阵列连接，波束控制模块控制偏置电路的偏置状态。本发明的电控二维波束扫描天线能实现高增益电控二维波束扫描，并具有结构简单、低成本、低剖面、功耗低、易加工、轻型化、易集成等优势，可应用于无线通信系统。

Description

一种电控二维波束扫描天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种电控二维波束扫描天线。

背景技术

在日渐复杂的通信及监测系统中，人们对具有波束扫描性能的天线的需求也在急剧增加。机械旋转式反射面天线或阵列天线通过机械旋转辐射口径达到波束扫描的效果，但波束扫描速度慢，波束指向角精度受限于机械控制精度。

相控阵天线通过控制阵列天线中辐射单元的相位来实现波束扫描，但由于相控阵天线集成了大量的T/R(Transmit发射/Receive接收)组件，导致相控阵天线的成本高昂，且需要复杂馈电网络，天线剖面较大，体积、重量较大，功耗较高。

发明内容

本发明实施例提供了一种电控二维波束扫描天线，以提供一种高增益、高效率、低剖面和轻型化的波束扫描天线。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种电控二维波束扫描天线，包括：导波结构(1)、辐射单元阵列(2)、馈电结构(3)和波束控制模块(4)；

所述馈电结构(3)与所述导波结构(1)相连，向所述导波结构(1)馈入电磁波(5)，所述导波结构(1)以行波的形式传输电磁波，所述辐射单元阵列(2)位于导波结构(1)的上方，将导波结构(1)中的电磁波持续向自由空间漏泄形成波束，所述辐射单元阵列(2)中每个单元包含辐射单元和偏置电路，所述波束控制模块(4)与辐射单元阵列(2)连接，所述波束控制模块(4)控制偏置电路的偏置状态。

优选地，所述导波结构(1)为任意数量的一维导波结构并行排列后组成的二维平面形式的导波结构，每行一维导波结构上方设置一行或多行辐射单元，各行辐射单元之间为交错排布或非交错排布。

优选地，所述导波结构(1)的结构类型包括矩形波导、脊波导、圆波导、平行板波导、间隙波导、基片集成波导、介质波导、微带传输线、带状线、共面波导和槽线。

优选地，所述辐射单元阵列(2)中每个辐射单元由辐射单元和偏置电路构成，所述辐射单元从所述导波结构(1)中耦合电磁能量并辐射到自由空间中，所述偏置电路控制辐射单元的工作状态。

优选地，所述馈电结构(3)的结构类型包括并联馈电、串联馈电、反射面馈电、透镜馈电和多路独立信号馈电。

优选地，所述波束控制模块(4)实时控制辐射单元阵列(2)中辐射单元的工作状态，使天线实现电控波束扫描的性能。

优选地，所述贴片结构的结构类型包括矩形贴片、圆形贴片、椭圆形贴片、三角形贴片、带有蚀刻缝隙的贴片和带有寄生结构的贴片；所述缝隙结构的结构类型包括矩形缝隙、圆形缝隙、椭圆形缝隙、“H”形缝隙和“哑铃”形缝隙。

优选地，所述偏置电路包括有源电子元件、金属贴片和金属过孔，有源电子元件固定在金属贴片上，金属贴片通过直流偏置线连接波束控制模块(4)，给有源电子元件提供偏置电压。

优选地，所述辐射单元为缝隙结构，偏置电路中采用1个有源电子元件，偏置电路位于辐射单元的下方，金属贴片1通过金属过孔与缝隙金属层连接，金属贴片2上引入偏置电压；

或者；

所述辐射单元为缝隙结构，偏置电路中采用2个有源电子元件，偏置电路位于辐射单元的上方或下方，金属贴片1通过金属过孔1与缝隙金属层连接，金属贴片2通过金属过孔2与缝隙金属层连接，金属贴片3上无过孔，金属贴片3上引入偏置电压；

或者；

所述辐射单元由缝隙结构和缝隙激励的贴片结构组成，偏置电路中采用1个有源电子元件，偏置电路位于辐射单元的下方，金属贴片1通过金属过孔1与缝隙金属层连接，金属贴片2上引入偏置电压；

或者；

所述辐射单元由缝隙结构和缝隙激励的贴片结构组成，偏置电路中采用1个有源电子元件，偏置电路位于辐射单元的贴片结构的侧面，金属贴片1通过金属过孔与缝隙金属层连接，金属贴片2上引入偏置电压；

或者；

辐射单元由缝隙结构和缝隙激励的贴片结构组成，偏置电路中采用2个有源电子元件，偏置电路位于辐射单元的下方，金属贴片1通过金属过孔1与缝隙金属层连接，金属贴片2通过金属过孔2与缝隙金属层连接，金属贴片3上引入偏置电压。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例的高增益电控二维波束扫描天线具有波束响应速度快、不需要机械伺服系统的优点。本发明避免了T/R组件的使用，从而大幅降低了天线成本。本发明的导波结构和馈电结构都具有传输损耗低、剖面低、易加工、易集成的优点，使得天线具有高增益、高效率、低剖面、轻型化等优势。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种高增益电控二维波束扫描天线的原理架构图的侧视图；

图2为本发明实施例提供的一种高增益电控二维波束扫描天线的原理架构图的俯视图；

图3为本发明实施例提供的一种采用交错排布形式的辐射单元阵列；

图4为本发明实施例提供的一种采用非交错排布形式的辐射单元阵列；

图5为本发明实施例提供的一种给出的辐射单元选取缝隙结构，以及缝隙结构可以选取的典型形状；

图6为本发明实施例提供的一种给出的辐射单元由缝隙及缝隙激励的贴片结构组成，以及贴片结构可以选取的典型形状；

图7为本发明实施例提供的一种辐射单元和偏置电路结构的第一种可选形式；

图8为本发明实施例提供的一种辐射单元和偏置电路结构的第二种可选形式；

图9为本发明实施例提供的一种辐射单元和偏置电路结构的第三种可选形式；

图10为本发明实施例提供的一种辐射单元和偏置电路结构的第四种可选形式；

图11为本发明实施例提供的一种辐射单元和偏置电路结构的第五种可选形式；

图12为本发明实施例提供的一种并联馈电形式的馈电结构；

图13为本发明实施例提供的一种串联馈电形式的馈电结构；

图14为本发明实施例提供的一种反射面馈电形式的馈电结构；

图15为本发明实施例提供的一种透镜馈电形式的馈电结构；

图16为本发明实施例提供的一种多路独立信号馈电形式的馈电结构；

图17为本发明实施例提供的一种电控二维波束扫描天线的一种具体实施例的波束扫描结果。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例提出了一种电控波束扫描天线，可以通过加载可调谐电子元件(如PIN二极管、变容二极管、MEMS开关等)或可调谐材料(铁电材料钛酸锶钡、光电材料石墨烯、温变材料二氧化钒和水、液晶等)来实现电控波束扫描，它具有结构简单、成本低、波束响应速度快和波束扫描范围大等优点。

本发明实施例提供了一种高增益电控二维波束扫描天线，导波结构中传输行波，其携带的电磁功率通过辐射单元阵列持续漏泄产生高增益波束。辐射单元阵列中每个辐射单元都加载电子开关元件，其偏置状态由波束控制模块提供的偏置电压信号进行控制，进而实现天线的电控二维波束扫描。

图1是本发明实施例提供的一种高增益电控二维波束扫描天线的原理架构图的侧视图。天线包括导波结构(1)、辐射单元阵列(2)、馈电结构(3)和波束控制模块(4)。导波结构(1)以行波的形式传输电磁波(5)，辐射单元阵列(2)位于导波结构(1)的上方，能将导波结构(1)中的电磁波(5)持续地向自由空间漏泄形成高增益波束。辐射单元阵列(2)与波束控制模块(4)连接，辐射单元阵列(2)中每个单元包含辐射单元和偏置电路，偏置电路的偏置状态由波束控制模块(4)控制，偏置电路的偏置状态能改变辐射单元的工作状态，进而实现天线的电控二维波束扫描特性。馈电结构(3)与导波结构(1)相连，用于向导波结构(1)馈入电磁波(5)。导波结构(1)的起始端和末端各连接一个馈电结构(3)，如果末端的剩余电磁功率很少，则末端的馈电结构(3)可以去掉。

图2是本发明实施例提供的一种高增益电控二维波束扫描天线的原理架构图的俯视图。导波结构(1)可由任意数量的一维导波结构进行并行排列得到二维平面形式的导波结构，馈电结构(3)能同时向多排一维导波结构馈入电磁波(5)。

导波结构(1)可选取的典型类型有矩形波导、脊波导、圆波导、平行板波导、间隙波导、基片集成波导、介质波导、微带传输线、带状线、共面波导、槽线等多种导波结构形式。

辐射单元阵列(2)位于导波结构(1)的上方，可采用PCB(Printed circuitboards，印制电路板)、LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic，低温共烧陶瓷)、流片工艺等多种工艺进行加工制作。本发明实施例提供的一种采用交错排布形式的辐射单元阵列如图3所示，采用非交错排布形式的辐射单元阵列如图4所示。导波结构(1)中每行一维导波结构上方可设置一行或多行辐射单元，各行辐射单元之间可以为交错(图3)排布或非交错(图4)排布。图3和图4中仅以矩形贴片为例进行展示，实际中可选取不同形状的贴片。

辐射单元阵列(2)中每个辐射单元由辐射单元和偏置电路构成，辐射单元用于从导波结构中耦合电磁能量并辐射到自由空间中，偏置电路用于控制辐射单元的工作状态。

图5为本发明实施例提供的一种给出的辐射单元选取缝隙结构，以及缝隙结构可以选取的典型形状。辐射单元的辐射单元可以是缝隙结构，如图5所示，缝隙结构可选取的典型形状包括矩形缝隙、圆形缝隙、椭圆形缝隙、三角形缝隙、“H”形缝隙、“哑铃”形缝隙或其它形状和形式的缝隙等，缝隙结构直接将导波结构(1)中的电磁波(5)漏泄到自由空间。

图6为本发明实施例提供的一种辐射单元由缝隙及缝隙激励的贴片结构组成，以及贴片结构可以选取的典型形状。辐射单元的辐射单元也可以是由缝隙及缝隙激励的贴片结构组成，如图6所示，贴片结构位于缝隙结构上方，缝隙结构将导波结构(1)中的电磁波(5)所携带的电磁能量耦合至贴片结构，贴片结构将电磁能量辐射到自由空间。图6中贴片结构可以选取的典型形状包括矩形贴片、圆形贴片、椭圆形贴片、三角形贴片、带有蚀刻缝隙的贴片、带有寄生结构的贴片或其它形状和形式的贴片，等等。缝隙结构可选取的典型类型包括矩形缝隙、圆形缝隙、椭圆形缝隙、“H”形缝隙、“哑铃”形缝隙或其它形状和形式的缝隙，等等。

辐射单元阵列(2)的偏置电路用于调谐辐射单元阵列中的辐射单元的工作状态，偏置电路由有源电子元件、金属贴片、金属过孔等结构构成。有源电子元件的类型包括PIN二极管、变容二极管、MEMS开关等，有源电子元件固定在金属贴片上，直流偏置线连接金属贴片和波束控制模块(4)，用于给有源电子元件提供偏置电压。每个单元的偏置电路中的有源电子元件数量可以是一个或多个，元件类型可以是同种类型或不同类型。

图7为本发明实施例提供的一种辐射单元阵列(2)中辐射单元和偏置电路结构的第一种可选形式，辐射单元为缝隙结构(图中仅以“H”形缝隙为例，实际可以选取多种不同形状的缝隙)，偏置电路中采用1个有源电子元件，偏置电路位于辐射单元的下方，金属贴片1通过金属过孔与缝隙金属层连接。金属贴片2上引入偏置电压。

图8为本发明实施例提供的一种辐射单元阵列中辐射单元和偏置电路结构的第二种可选形式，辐射单元为缝隙结构(图中仅以“H”形缝隙为例，实际可以选取多种不同形状的缝隙)，偏置电路中采用2个有源电子元件，偏置电路可在辐射单元的上方或下方。金属贴片1通过金属过孔1与缝隙金属层连接，金属贴片2通过金属过孔2与缝隙金属层连接，金属贴片3上无过孔。金属贴片3上引入偏置电压。

图9为本发明实施例提供的一种辐射单元阵列中辐射单元和偏置电路结构的第三种可选形式，辐射单元由缝隙和缝隙激励的贴片结构组成(图中仅以“H”形缝隙和矩形贴片为例，实际可以选取多种不同形状的缝隙和贴片)，偏置电路中采用1个有源电子元件，偏置电路位于辐射单元的下方。金属贴片1通过金属过孔1与缝隙金属层连接。金属贴片2上引入偏置电压。

图10为本发明实施例提供的一种辐射单元阵列中辐射单元和偏置电路结构的第四种可选形式，辐射单元由缝隙和缝隙激励的贴片结构组成(图中仅以“H”形缝隙和矩形贴片为例，实际可以选取多种不同形状的缝隙和贴片)，偏置电路中采用1个有源电子元件，偏置电路位于辐射单元的贴片结构的侧面。金属贴片1通过金属过孔与缝隙金属层连接。金属贴片2上引入偏置电压。

图11为本发明实施例提供的一种辐射单元阵列中辐射单元和偏置电路结构的第五种可选形式，辐射单元由缝隙和缝隙激励的贴片结构组成(图中仅以“H”形缝隙和矩形贴片为例，实际可以选取多种不同形状的缝隙和贴片)，偏置电路中采用2个有源电子元件，偏置电路位于辐射单元的下方。金属贴片1通过金属过孔1与缝隙金属层连接，金属贴片2通过金属过孔2与缝隙金属层连接。金属贴片3上引入偏置电压。

馈电结构(3)用于将电磁能量馈入导波结构(1)，馈电结构(3)可以选取的典型类型包括并联馈电(图12)、串联馈电(图13)、反射面馈电(图14)、透镜馈电(图15)和多路独立信号馈电(图16)等多种馈电结构类型。

图17为本发明实施例提供的一种电控二维波束扫描天线的一种具体实施例的波束扫描结果。在该实施例中，天线的导波结构(1)采用间隙波导，共16行间隙波导并行放置，构造二维天线。每行间隙波导上方的辐射单元阵列(2)包含两行辐射贴片，辐射贴片采用矩形贴片形式，两行辐射贴片之间采用交错排列方式。馈电结构(3)采用并联馈电波导结构。图17给出的波束扫描结果为归一化辐射方向图，对应方位角为0°的扫描平面，频率在29GHz，仅给出11个代表性波束，实际中可以通过波束控制模块产生更多的波束指向。

总体来说，本发明实施例中的天线在29GHz及附近频段能够实现高增益电控二维波束扫描特性，同时该天线还具备低成本、低剖面的优势，适应于未来毫米波无线通信系统。

综上所述，本发明实施例的高增益电控二维波束扫描天线与机械旋转式反射面天线或阵列天线相比，具有波束响应速度快、不需要机械伺服系统的优点。

与传统的有源相控阵相比，本发明避免了T/R组件的使用，从而大幅降低了天线成本。

本发明的导波结构和馈电结构都具有传输损耗低、剖面低、易加工、易集成的优点，使得天线具有高增益、高效率、低剖面、轻型化等优势。

本发明的辐射波束具有宽角、高增益、电控二维扫描特性，辐射单元采用密集型排布的方式，波束具有很好的连续性。

本发明采用波束控制模块为天线提供波束控制编码信号，控制电子元件的偏置状态，响应快捷，稳定性高。波束控制模块易与天线系统集成。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种电控二维波束扫描天线，其特征在于，包括：导波结构(1)、辐射单元阵列(2)、馈电结构(3)和波束控制模块(4)；

所述馈电结构(3)与所述导波结构(1)相连，向所述导波结构(1)馈入电磁波(5)，所述导波结构(1)以行波的形式传输电磁波，所述辐射单元阵列(2)位于导波结构(1)的上方，将导波结构(1)中的电磁波持续向自由空间漏泄形成波束，所述辐射单元阵列(2)中每个单元包含辐射单元和偏置电路，所述波束控制模块(4)与辐射单元阵列(2)连接，所述波束控制模块(4)控制偏置电路的偏置状态。

2.根据权利要求1所述的电控二维波束扫描天线，其特征在于，所述导波结构(1)为任意数量的一维导波结构并行排列后组成的二维平面形式的导波结构，每行一维导波结构上方设置一行或多行辐射单元，各行辐射单元之间为交错排布或非交错排布。

3.根据权利要求2所述的电控二维波束扫描天线，其特征在于，所述导波结构(1)的结构类型包括矩形波导、脊波导、圆波导、平行板波导、间隙波导、基片集成波导、介质波导、微带传输线、带状线、共面波导和槽线。

4.根据权利要求1所述的电控二维波束扫描天线，其特征在于，所述辐射单元阵列(2)中每个辐射单元由辐射单元和偏置电路构成，所述辐射单元从所述导波结构(1)中耦合电磁能量并辐射到自由空间中，所述偏置电路控制辐射单元的工作状态。

5.根据权利要求1所述的电控二维波束扫描天线，其特征在于，所述馈电结构(3)的结构类型包括并联馈电、串联馈电、反射面馈电、透镜馈电和多路独立信号馈电。

6.根据权利要求1所述的电控二维波束扫描天线，其特征在于，所述波束控制模块(4)实时控制辐射单元阵列(2)中辐射单元的工作状态，使天线实现电控波束扫描的性能。

7.根据权利要求1所述的电控二维波束扫描天线，其特征在于，所述贴片结构的结构类型包括矩形贴片、圆形贴片、椭圆形贴片、三角形贴片、带有蚀刻缝隙的贴片和带有寄生结构的贴片；所述缝隙结构的结构类型包括矩形缝隙、圆形缝隙、椭圆形缝隙、“H”形缝隙和“哑铃”形缝隙。

8.根据权利要求1所述的电控二维波束扫描天线，其特征在于，所述偏置电路包括有源电子元件、金属贴片和金属过孔，有源电子元件固定在金属贴片上，金属贴片通过直流偏置线连接波束控制模块(4)，给有源电子元件提供偏置电压。

9.根据权利要求8所述的电控二维波束扫描天线，其特征在于，所述辐射单元为缝隙结构，偏置电路中采用1个有源电子元件，偏置电路位于辐射单元的下方，金属贴片1通过金属过孔与缝隙金属层连接，金属贴片2上引入偏置电压；

或者；

所述辐射单元为缝隙结构，偏置电路中采用2个有源电子元件，偏置电路位于辐射单元的上方或下方，金属贴片1通过金属过孔1与缝隙金属层连接，金属贴片2通过金属过孔2与缝隙金属层连接，金属贴片3上无过孔，金属贴片3上引入偏置电压；

或者；

所述辐射单元由缝隙结构和缝隙激励的贴片结构组成，偏置电路中采用1个有源电子元件，偏置电路位于辐射单元的下方，金属贴片1通过金属过孔1与缝隙金属层连接，金属贴片2上引入偏置电压；

或者；

所述辐射单元由缝隙结构和缝隙激励的贴片结构组成，偏置电路中采用1个有源电子元件，偏置电路位于辐射单元的贴片结构的侧面，金属贴片1通过金属过孔与缝隙金属层连接，金属贴片2上引入偏置电压；

或者；

辐射单元由缝隙结构和缝隙激励的贴片结构组成，偏置电路中采用2个有源电子元件，偏置电路位于辐射单元的下方，金属贴片1通过金属过孔1与缝隙金属层连接，金属贴片2通过金属过孔2与缝隙金属层连接，金属贴片3上引入偏置电压。

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