CN116598793A - 一种极化旋转单元及波束可重构阵列天线 - Google Patents

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CN116598793A CN202310537148.8A CN202310537148A CN116598793A CN 116598793 A CN116598793 A CN 116598793A CN 202310537148 A CN202310537148 A CN 202310537148A CN 116598793 A CN116598793 A CN 116598793A
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褚宏波
邹棋
赵梓彤
刘萌瑶
陈松旻
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Hunan University
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Abstract

本申请属于天线技术领域，涉及一种极化旋转单元及波束可重构阵列天线。极化旋转单元包括贴片层、介质层以及控制层；贴片层包括第一辐射贴片和四个间隔阵列环绕的第二辐射贴片；第一辐射贴片为正方形，且第一辐射贴片的任意对角线与介质层的任意对角线呈45°角；第二辐射贴片包括两个以上不同大小的矩形，任意相邻矩形的两条边共线，且每个矩形均关于介质层的一条对角线呈轴对称；第一辐射贴片与每个第二辐射贴片之间以二极管相连，位于同一方向上的二极管的方向相同且位于不同方向上的二极管的方向相反；控制层与贴片层相连，以控制每个二极管的导通和截止状态，并支持可编程。本申请能够实现极化旋转和状态可重构。

Description

一种极化旋转单元及波束可重构阵列天线
技术领域
本申请涉及天线技术领域，特别是涉及一种极化旋转单元及波束可重构阵列天线。
背景技术
极化是电磁波的性质之一,其能够增加通信的容量、提高信息保密性等。因此，在通信系统中对极化的控制是极其重要的。
极化旋转表面是目前比较常见的用来控制极化模式的天线，其能够通过反射或者透射的方式将入射波的极化方向旋转90°，从而实现控制极化的功能。
现有技术中，常见的极化旋转表面虽然具有一些优异的性能，如较宽的工作带宽，但是其功能较为单一，在作为天线使用时，只能辐射固定方向的波束，且方向不可变。
很明显，随着通信技术的发展与进步，极化旋转天线已经不能满足现有的要求，因此，设计具有波束可重构功能的极化旋转天线是十分有必要的，这将极大的拓宽极化旋转天线的使用场景。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种极化旋转单元及波束可重构阵列天线，能够实现极化旋转，同时支持状态可重构。
一种极化旋转单元，包括：贴片层、介质层以及控制层；所述介质层为正方形的板状结构，所述贴片层设在所述介质层的顶部，所述控制层设在所述介质层的底部；
所述贴片层包括：设在所述贴片层中心的第一辐射贴片以及四个间隔阵列环绕在所述第一辐射贴片周围的第二辐射贴片；所述第一辐射贴片为正方形，且所述第一辐射贴片的任意对角线与所述介质层的任意对角线呈45°角；所述第二辐射贴片包括两个以上不同大小的矩形，任意相邻矩形的两条边共线，且每个矩形均关于所述介质层的一条对角线呈轴对称；所述第一辐射贴片与每个第二辐射贴片之间均以二极管相连，位于同一方向上的二极管的方向相同，且位于不同方向上的二极管的方向相反；
所述控制层与所述贴片层相连，以控制每个二极管的导通和截止状态，并支持可编程。
在一个实施例中，同一时刻，位于一个方向上的两个二极管导通，且位于另一方向上的两个二极管截止。
在一个实施例中，所述贴片层还包括：四个间隔阵列环绕在所述第一辐射贴片周围的第三辐射贴片；
所述第三辐射贴片为V形结构，且间隔设在两个相邻的第二辐射贴片之间。
在一个实施例中，所述第三辐射贴片包括：两个条状结构；
两个所述条状结构关于所述第一辐射贴片的一条对角线呈轴对称；
一个条状结构的一端与另一个条状结构的一端互相垂直相连，以形成直角结构，且直角结构朝向所述第一辐射贴片的方向，一个条状结构的另一端所在直线与另一个条状结构的另一端所在直线共线。
在一个实施例中，所述第二辐射贴片包括：三个矩形；
矩形中与相邻条状结构平行的边的长度沿朝向所述第一辐射贴片的方向先减小再增大；
矩形中与相邻条状结构垂直的边的长度沿朝向所述第一辐射贴片的方向逐渐减小。
在一个实施例中，所述介质层包括：依次相叠的第一介质板、第二介质板以及第三介质板，所述第一介质板和所述第三介质板通过所述第二介质板粘合；
所述贴片层设在所述第一介质板的顶部，所述控制层设在所述第三介质板的底部。
在一个实施例中，所述介质层还包括：地板；
所述地板设在所述第一介质板与所述第二介质板之间，且所述地板与所述贴片层相连。
在一个实施例中，所述控制层包括直流线与扇形结构；
所述直流线的一端与所述第一辐射贴片相连，另一端与电压源相连；
所述扇形结构的尖端与所述直流线的中部相连。
在一个实施例中，还包括：控制管与连接管；
所述控制管的两端分别连接所述第一辐射贴片以及所述直流线；
所述连接管的两端分别连接所述第二辐射贴片以及所述地板。
波束可重构阵列天线，包括：多个极化旋转单元；
多个极化旋转单元阵列分布，以形成波束可重构阵列天线。
上述极化旋转单元及波束可重构阵列天线，设置了正方形的第一辐射贴片以及多边形的第二辐射贴片，第一辐射贴片以及第二辐射贴片之间设有二极管，贴片层同时呈轴对称结构以及中心对称结构，以实现极化旋转，当x极化波照射极化旋转单元表面时，反射波为y极化波，当y极化波照射极化旋转单元表面时，反射波为x极化波，即能够将任意极化方向的入射波旋转90°后射出。同时，当某一极化方向波入射时，一方向上的两个二极管导通，另一方向上的两个二极管截止，为极化旋转单元的“1”状态，一方向上的两个二极管截止，另一方向上的两个二极管导通，为极化旋转单元的“0”状态，形成相位差，能够辐射指定方向的波束，当对不同的极化旋转单元进行编码时，能够实现波束方向可重构，具有状态可重构特性。
附图说明
图1为一个实施例中极化旋转单元的立体图；
图2为一个实施例中贴片层的俯视图；
图3为一个实施例中贴片层的尺寸图；
图4为一个实施例中当x极化波入射时，极化旋转单元在“1”状态下的反射幅频曲线图；
图5为一个实施例中当x极化波入射时，极化旋转单元在“0”状态和“1”状态下的反射相频曲线以及在“0”状态和“1”状态下的相位差值曲线图；
图6为一个实施例中极化旋转单元的电流分布图，其中，(a)为“1”状态下的表面电流分布图，(b)为“0”状态下的表面电流分布图；
图7为一个实施例中波束可重构阵列天线在f＝16GHz下x极化波入射时不同辐射方向的波束对应的编码分布图，其中，(a)为辐射方向为(0°，0°)的波束对应的编码分布图，(b)为辐射方向为(10°，0°)的波束对应的编码分布图，(c)为辐射方向为(20°，0°)的波束对应的编码分布图；
图8为一个实施例中波束可重构阵列天线在f＝16GHz下x极化波入射时不同辐射方向的波束的二维远场分布方向图，其中，(a)为辐射方向为(0°，0°)的二维远场分布方向图，(b)为辐射方向为(10°，0°)的二维远场分布方向图，(c)为辐射方向为(20°，0°)的二维远场分布方向图。
附图标记：
第一辐射贴片11，第二辐射贴片12，第三辐射贴片13，二极管14；
第一介质板21，第二介质板22，第三介质板23，地板24；
直流线31，扇形结构32；
控制管41，连接管42，隔离环43。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明，本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本申请中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多组”的含义是至少两组，例如两组，三组等，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
另外，本申请各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。
本申请提供了一种极化旋转单元，如图1和图2所示，在一个实施例中，包括：贴片层、介质层以及控制层。
介质层为正方形的板状结构，贴片层设在介质层的顶部，控制层设在介质层的底部。具体地，介质层包括：依次相叠的第一介质板21、第二介质板22以及第三介质板23；贴片层设在第一介质板的顶部，控制层设在第三介质板的底部，第二介质板作为半固化片，用来粘合第一介质板和第三介质板，使极化旋转单元成为一个稳定的整体。
优选地，还包括：地板24；地板设在第一介质板与第二介质板之间，且地板与贴片层相连。
贴片层包括：第一辐射贴片11、四个第二辐射贴片12以及四个二极管14。
第一辐射贴片设在贴片层中心，第一辐射贴片为正方形，且第一辐射贴片的任意对角线与介质层的任意对角线呈45°角。
第二辐射贴片间隔阵列环绕在第一辐射贴片周围，第二辐射贴片包括两个以上不同大小的矩形，任意相邻矩形的两条边共线，且每个矩形均关于介质层的一条对角线呈轴对称，以使第二辐射贴片形成对称的阶梯状结构。
二极管设在第一辐射贴片与每个第二辐射贴片之间且连接的两条边平行，位于同一方向上的二极管的方向相同，位于不同方向上的二极管的方向相反，且每个二极管均与坐标轴呈45°角。具体地，二极管为PIN二极管，连接第一辐射贴片与每个第二辐射贴片，PIN二极管导通时为7.8Ω的电阻与30pH的电感串联，截止时为0.028pF的电容与30pH的电感串联。
优选地，同一时刻，位于一个方向上的两个二极管导通，且位于另一方向上的两个二极管截止。也就是说，PIN二极管分为两组，位于介质层同一对角线上的PIN二极管为一组，两组PIN二极管的工作状态相反，即一组的两个PIN二极管均导通，另一组的两个PIN二极管均截止。
控制层与贴片层相连，以控制每个二极管的导通和截止状态，并支持可编程。
优选地，控制层包括：直流线31与扇形结构32，以形成直流偏置电路；直流线的一端与第一辐射贴片相连，另一端与电压源相连；扇形结构的尖端与直流线的中部相连。优选地，直流线与第一辐射贴片的一条对角线的方向平行。
上述极化旋转单元，设置了正方形的第一辐射贴片以及多边形的第二辐射贴片，第一辐射贴片以及第二辐射贴片之间设有二极管，贴片层同时呈轴对称结构以及中心对称结构，以实现极化旋转，当x极化波照射极化旋转单元表面时，反射波为y极化波，当y极化波照射极化旋转单元表面时，反射波为x极化波，即能够将任意极化方向的入射波旋转90°后射出。同时，当某一极化方向波入射时，一方向上的两个二极管导通，另一方向上的两个二极管截止，为极化旋转单元的“1”状态，一方向上的两个二极管截止，另一方向上的两个二极管导通，为极化旋转单元的“0”状态，形成相位差，能够辐射指定方向的波束，当对不同的极化旋转单元进行编码时，能够实现波束方向可重构，具有状态可重构特性。
优选地，还包括：四个第三辐射贴片13，第三辐射贴片为V形结构，间隔阵列环绕在第一辐射贴片周围，且间隔设在两个相邻的第二辐射贴片之间，以增强耦合，实现双频段极化旋转。
进一步优选地，第三辐射贴片包括：两个条状结构，两个条状结构关于第一辐射贴片的一条对角线呈轴对称；一个条状结构的一端与另一个条状结构的一端互相垂直相连，以形成直角结构，且直角结构朝向第一辐射贴片的方向，一个条状结构的另一端所在直线与另一个条状结构的另一端所在直线共线，以在实现双频段极化旋转的同时不影响极化旋转单元的带宽，保证双频段实现宽带。
更进一步优选地，第二辐射贴片包括：三个矩形；矩形中与相邻条状结构平行的边的长度沿朝向第一辐射贴片的方向先减小再增大，矩形中与相邻条状结构垂直的边的长度沿朝向第一辐射贴片的方向逐渐减小，以拓展极化旋转单元的带宽。
更进一步优选地，二极管连接的第一辐射贴片与第二辐射贴片的两个边的长度相等，以平衡双频段特性。
在一个实施例中，还包括：一个控制管41以及四个连接管42。
控制管为一个空心的金属管，其两端分别连接第一辐射贴片以及直流线。
连接管为空心的金属管结构，两端分别连接第二辐射贴片以及地板。具体地，连接管与每个第二辐射贴片一一对应，每个连接管与对应第二辐射贴片相连。
在一个实施例中，介质层上设有与控制管对应的贯穿孔，贯穿孔上对应地板处的孔壁上设有环形的沉槽，以作为隔离环43，用于控制管与地板之间的隔离。
需要说明，贴片层、地板、控制层、控制管以及连接管均由金属材料制成。
在一个具体的实施例中，以第一辐射贴片的两条对角线所在方向为坐标轴，具体地，以水平方向为x轴，以竖直方向为y轴；第一辐射贴片位于介质层顶部的正中心，4个第二辐射贴片均分布在介质层的对角线上，且与x轴的夹角为45°，4个第三辐射贴片分别分布在x轴与y轴上；第一介质板采用厚度为1.524mm介电常数为3.5的RO4350B制成，第二介质板采用厚度为0.1mm介电常数为35.的RO4450F制成，第三介质板采用厚度为0.508mm介电常数为3.5的RO4350B制成；隔离环的半径为0.3mm。相关尺寸如图3所示。
当x极化波入射时：PIN二极管E与PIN二极管G导通，PIN二极管F与PIN二极管H截止，为极化旋转单元的“1”状态；PIN二极管E与PIN二极管G截止，PIN二极管F与PIN二极管H导通，为极化旋转单元的“0”状态；极化旋转单元能够将入射的x极化波反射为y极化波，即将极化方向旋转90°。
由于贴片层的完全对称性，当y极化波入射时：PIN二极管E与PIN二极管G导通，PIN二极管F与PIN二极管H截止，为极化旋转单元的“1”状态；PIN二极管E与PIN二极管G截止，PIN二极管F与PIN二极管H导通，为极化旋转单元的“0”状态；极化旋转单元能够将入射的y极化波反射为x极化波，即将极化方向旋转90°。
使用电磁仿真软件CST对极化旋转单元进行仿真，对其仿真结果进行分析与研究。
如图4所示，Ryx指入射波为x极化波，反射波为y极化波；Rxx指入射波为x极化波，反射波为x极化波。因此，对于极化旋转单元而言，Rxx应当非常小，Ryx应当非常大，这样才能得到极化旋转的效果。由图可知，在14.1GHz～18.3GHz与19.7GHz～22.9GHz频段内，Rxx小于-10dB,Ryx大于-2dB，因此，这两个频段均可作为极化旋转单元的工作频段，绝对带宽分别为4.2GHz与3.2GHz，相对带宽分别为25.9％与15％。
由于结构的对称性，极化旋转单元在“0”状态下的反射幅频曲线图与“1”状态下的相同，这里不再给出。
如图5所示，在14.1GHz～18.3GHz与19.7GHz～22.9GHz频段范围内，极化旋转单元在“1”状态与“0”状态下的反射相位差的绝对值为180度左右，所以极化旋转单元具有1-Bit可重构特性。
如图6所示，当PIN二极管E与PIN二极管G导通时，电流主要分布在与PIN二极管E以及PIN二极管G相连接的第二辐射贴片A和C以及第一辐射贴片的表面边缘；当PIN二极管F与PIN二极管H导通时，电流主要分布在与PIN二极管F以及PIN二极管H相连接的第二辐射贴片B和D以及第一辐射贴片的表面边缘。不同的电流分布情况使极化旋转单元具有两种状态，而且两种状态下的相位差为180°左右，因此，极化旋转单元具有1-Bit可重构特性，这也意味着极化旋转单元组成的阵列能够对辐射波束的指向进行重构。
本申请还提供了一种波束可重构阵列天线，包括：多个极化旋转单元；多个极化旋转单元阵列分布，以形成波束可重构阵列天线。
在一个具体的实施例中，波束可重构阵列天线包括256个极化旋转单元。
使用电磁仿真软件CST对上述波束可重构阵列天线进行仿真，对其仿真结果进行分析与研究。
如图7所示，给出了波束可重构阵列天线在f＝16GHz且x极化波入射时不同辐射方向的波束对应的编码分布图，在仿真过程中，编码与二极管的工作状态一一对应。
如图8所示，给出了波束可重构阵列天线在f＝16GHz时不同辐射方向的波束的二维远场分布图，辐射方向分别为(0°，0°)、(10°，0°)、(20°，0°)，增益分别为25dBi、24.3dBi、24dBi。
上述波束可重构阵列天线，工作在14.1GHz～18.3GHz与19.7GHz～22.9GHz频段内，相对带宽分别为25.9％与15％；在工作频段内，天线具有极化旋转特性，能够将x极化入射波反射为y极化波或将y极化入射波反射为x极化波；同时，不仅能够进行极化旋转即极化转换，而且，通过改变波束可重构阵列天线表面的每个极化旋转单元的编码状态，能够对辐射波束的方向进行重构，从而辐射指定方向的波束，使天线具有频段可重构特性以及优异的方向图捷变性质。这些优势使其在雷达探测、电子对抗等场景具有很大的应用潜力。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种极化旋转单元，其特征在于，包括：贴片层、介质层以及控制层；所述介质层为正方形的板状结构，所述贴片层设在所述介质层的顶部，所述控制层设在所述介质层的底部；
所述贴片层包括：设在所述贴片层中心的第一辐射贴片以及四个间隔阵列环绕在所述第一辐射贴片周围的第二辐射贴片；所述第一辐射贴片为正方形，且所述第一辐射贴片的任意对角线与所述介质层的任意对角线呈45°角；所述第二辐射贴片包括两个以上不同大小的矩形，任意相邻矩形的两条边共线，且每个矩形均关于所述介质层的一条对角线呈轴对称；所述第一辐射贴片与每个第二辐射贴片之间均以二极管相连，位于同一方向上的二极管的方向相同，且位于不同方向上的二极管的方向相反；
所述控制层与所述贴片层相连，以控制每个二极管的导通和截止状态，并支持可编程。
2.根据权利要求1所述的极化旋转单元，其特征在于，同一时刻，位于一个方向上的两个二极管导通，且位于另一方向上的两个二极管截止。
3.根据权利要求2所述的极化旋转单元，其特征在于，所述贴片层还包括：四个间隔阵列环绕在所述第一辐射贴片周围的第三辐射贴片；
所述第三辐射贴片为V形结构，且间隔设在两个相邻的第二辐射贴片之间。
4.根据权利要求3所述的极化旋转单元，其特征在于，所述第三辐射贴片包括：两个条状结构；
两个所述条状结构关于所述第一辐射贴片的一条对角线呈轴对称；
一个条状结构的一端与另一个条状结构的一端互相垂直相连，以形成直角结构，且直角结构朝向所述第一辐射贴片的方向，一个条状结构的另一端所在直线与另一个条状结构的另一端所在直线共线。
5.根据权利要求4所述的极化旋转单元，其特征在于，所述第二辐射贴片包括：三个矩形；
矩形中与相邻条状结构平行的边的长度沿朝向所述第一辐射贴片的方向先减小再增大；
矩形中与相邻条状结构垂直的边的长度沿朝向所述第一辐射贴片的方向逐渐减小。
6.根据权利要求1至5任一项所述的极化旋转单元，其特征在于，所述介质层包括：依次相叠的第一介质板、第二介质板以及第三介质板，所述第一介质板和所述第三介质板通过所述第二介质板粘合；
所述贴片层设在所述第一介质板的顶部，所述控制层设在所述第三介质板的底部。
7.根据权利要求6所述的极化旋转单元，其特征在于，所述介质层还包括：地板；
所述地板设在所述第一介质板与所述第二介质板之间，且所述地板与所述贴片层相连。
8.根据权利要求7所述的极化旋转单元，其特征在于，所述控制层包括直流线与扇形结构；
所述直流线的一端与所述第一辐射贴片相连，另一端与电压源相连；
所述扇形结构的尖端与所述直流线的中部相连。
9.根据权利要求8所述的极化旋转单元，其特征在于，还包括：控制管与连接管；
所述控制管的两端分别连接所述第一辐射贴片以及所述直流线；
所述连接管的两端分别连接所述第二辐射贴片以及所述地板。
10.波束可重构阵列天线，其特征在于，包括：多个权利要求1至9任一项所述的极化旋转单元；
多个极化旋转单元阵列分布，以形成波束可重构阵列天线。
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CN116805764A (zh) * 2023-08-22 2023-09-26 湖南大学 一种双频透射单元及透射阵列天线
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